永磁电动机节能原理分析

4总结

总而言之,10kV及以下电力线路会受到多方面因素的影响,所以,为了使其线路设计的合理性得以保证,实现电力传输的安全、高效进行,相关部门应该与当地实际情况相结合来进行科学设计,切实促进电力行业的长期稳定发展。

参考文献

[1]吴世明.浅谈10kV及以下电力线路设计[J].广东科技,2013,12(14):54~55.

[2]孙云帆,杨乐.35kV及以下电力线路设计研究[J].科技传播,2013,12 (19):51~42.

[3]陈安.探析10kV供电线路设计技术的重点[J].通讯世界,2013,12 (21):69~70.

收稿日期：2019-2-19

永磁电动机节能原理分析

孟庆超，李宏伟（北京太阳宫燃气热电有限公司，北京100028）

【摘要】进入21世纪以来，在争夺能源的同时，全球各国都在大力开发节能环保技术，我国也把节能减排以及新能源的应用作为国民经济发展的重要指标。我国的节能减排规划明确指出：电机系统节能是节能减排的重点工程之一，要求采用高效节能电动机、风机、压缩机和水泵等来更新并淘汰相对落后的耗电设备。稀土永磁同步电动机以高效节能、高可靠性、启动性能优越、过载能力强、稳定性能好等特点，正逐步取代异步电动机。

【关键词】永磁；同步；高效；节能

【中图分类号】TM351【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2019）03-0083-02

概述

近年来,一种和异步电机相比,在节能效率、低振低噪、低速及良好的启动性能等方面具有较大优势的新型电机——

—永磁同步电机研发近年来不断取得较大进步,较低成本研发产品不断问世,成功在我国工业煤矿、水泥许多行业迅速推广应用,取得了较大社会效益和经济效益。与此同时,这也给各发电企业在低速大扭矩设备的节能改造带来了机遇。对于电厂来说,各类电机的耗电量相当大,电机节能也是电厂用电节能的关键之一。在众多设备中,原有的异步电机已经不适应现在电厂的发展要求,全球都在进行永磁电机的更新换代,达到节能减排并降低生产成本的效果,永磁同步电机的使用在发电企业节能降耗方面无疑是一个潜在好项目,具备推广价值和深远意义。

1背景

随着我国工业化和城镇化的步伐加快,能源消耗强度较高,能源问题已经成为制约经济和社会发展的重要因素。解决我国能源问题,根本出路是“坚持开发与节约并举、节约优先”的方针,大力节能降耗,提高能源利用率。节能降耗既是企业降低成本、提高市场竞争力、破解能源约束的重要途径,也是企业应承担的社会责任。节能减排、低碳经济是当今世界共同关注的话题,是我国电力产业战略目标,也是发电企业发展绿色产业应负的社会责任。发电厂用电耗用量的降低是电厂节能降耗工作重点关注的目标。据统计,全国电机类设备耗电比例达到总发电量的70%,因此电机类设备的节能降耗是厂用电降低的首要研究对象和重要目标。

2永磁电机的发展

世界上发明的第一台电动机是永磁电机。永磁电机因转子上安装有永磁磁钢材料而得名,特点是具有高效节能的优越性能。因为永磁材料成本较高、磁密度低难以制造大容量电机而陷于发展瓶颈。而异步交流电机因价格成本优势却得到快速广泛应用。随着电力电子技术和微计算机的发展,20世

纪70年代永磁同步电动机开始应用于交流变频调速系统。

由于永磁材料和永磁电机的飞速发展,尤其是电机体积

及重量下降,全球各国都在研制永磁电机,其中德国西门子公

司纽伦堡电机厂于1986年研制成功一台额定功率为1100kW、

转速为230r/min的六相钐钻永磁同步电动机及其控制系统。

加拿大纽芬兰大学的M.A.Rahman教授于1990年研制成功当

时功率最大的25hp四极异步起动永磁同步电动机,其中效率

最高的达到了94%。英国1996年展出了装有两台2100kW永

磁电动机名为“海魂”号的轻型隐身护卫舰设计模型。法国的

热蒙-施奈德(Jeumont-Schneider)公司于1987年制造了第一

台400kW永磁电动机样机,转速为500r/min。该电机与普通

电机相比,体积可减小30%耀40%,重量也明显减轻。

在国内,永磁同步电机的发展比国外要晚。1980年,沈阳

工业大学在国内率先从事高效率永磁电动机的研制,开发出

我国第一台稀土钻永磁同步电动机(4kW、4极)和第一台钕铁

硼永磁同步电动机(1.1kW、6极)。1987年,在机械工业技术发

展基金资助下,研制了功率为3kW的4极永磁同步电动机,

效率比异步电动机高3.8%,功率因数比异步电机高0.12。1998年,沈阳工业大学特种电机研究所研制开发出了“高效

高起动转矩永磁同步电动机”。

3永磁电机节能原理分析

常用的永磁材料有烧结钕铁硼、粘结钕铁硼、铁氧体、衫

钴、铝镍钴、橡胶磁等,永磁材料相对于电动机适用主要有方

形拼接和瓦形拼接,方形拼接结构扭矩小,转速高,牵引力小,

瓦形拼接结构扭矩大,转速低,牵引力大。永磁材料充磁过程

即为强磁场使弱磁场磁化,原动力为电磁场。永磁电机转子磁

钢形成恒磁场,转子没有感应电流因而没有基波铁损、铜耗的

产生,其功率因数可达到或接近于1.0。这是永磁电机节能效

果好的根本原因所在。转子不用电流励磁,减少了温升,电机

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轴承温升小,提高了轴承的使用寿命,设备低速运行,减少了机械磨损损耗,自然延长了使用寿命,同时噪声降低、振动值也降低,维护检修费用也随之降低,提高了设备的可靠性。

永磁电动机气隙磁场和反电动势设计为正弦,气隙磁场谐波减少能够有效的减少电磁激振力的谐波,进而减小电动机振动噪声和附加损耗。选用国际上质量好、损耗低一线品牌轴承,提高电动机加工精度和装配精度,可降低电动机机械损耗。永磁电机总损耗只有异步电机总损耗的1/3~1/5。电动机

总损耗降低,电动机温升降低,发热量小,能够保证温升只有40K,很好的解决电机温升高的问题,同时在风扇选用上选用

小一至二个机座号的标准风扇或不装风扇,降低电动机机械损耗(风摩耗)。另外,永磁电机采用低损耗的优质冷轧硅钢片可降低电动机铁耗,降低了电动机温升。

优化电动机的设计,可使电动机功率因素接近于1.0,降低电动机定子电流,可减小定子铜耗;减少了线路和变压器的损耗,大幅降低无功损耗;可以省去电容补偿器等设备功耗。电机的电磁设计是电机各个性能的基础,而且直接影响到电机的电、温度以及机械等性能,电磁设计也是最重要最关键的设计部分。转子永磁体采用内置式W形结构,具有结构强度高、起动性能好、聚磁能力和抗失磁能力强等特点。该设计通过改变最小气隙距离、磁极圆弧圆心的位置和圆弧对应的弧度等参数来优化圆弧磁极结构的转子,使电机的励磁磁场和电枢反应磁场谐波最小,同时有效解决合成磁场的不对称问题。电机绕组采用整数槽双层叠绕形式,通过分布式绕组减少电枢反应谐波磁场和谐波损耗。最终达到提升永磁电机转矩性能指标、减小电机损耗和提高电机效率的目的。

4与异步电动机对比

三相异步电动机的磁场是由转子感应而来,故又称为感应电动机,运行时存在五种损耗:定子铜耗、转子铜(铝)耗、定(转)铁耗、附加损耗及机械损耗,而电动机实际运行中多数都处于“大马拉小车”的轻载或空载状况,此时电动机的运行效率会更低,电能浪费十分严重。稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、高效节能、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点,普通电励磁电机的磁场是由通电线圈产生,稀土永磁电机的磁场则由稀土永磁体提供。目前,稀土永磁材料矫顽力高达1000~3000kA/m以上,也就是说1mm厚的永磁体所提供的磁场相当于1000~3000A电流所生产的磁场,这正是稀土永磁电机可以做到高效、高密度、高可靠性以及结构灵活设计的关键所在。永磁电机实现普通的电励磁电机难以达到的高性能、高效率,是目前电机发展的主流。自起动三相稀土永磁同步电动机为具有自起动能力的同步电动机,由于其励磁磁场由永磁体提供,正常运行时不存在转子铜耗和转子铁耗,电动机的损耗主要是定子铜耗,设计良好的永磁同步电动机不仅可以做到没有转子损耗,也可以做到高功率因数(接近1),定子电流及定子铜耗的可以大幅降低;同时也通过优化设计有效降低其他几种损耗,并使总损耗极小化,所以具有很高的节能效果。

5节能实例分析

某发电厂将原有的一台异步电机更换成稀土永磁同步电机作为试点,评估其运行后的经济安全指标。改造后,测试电动机节电率,按照同等负载情况下(转速均达到同一转速),输入电流差值除以异步电机电流输入值来计算。

不同转速下异步、同步电机数据对比,如表1所示。

根据风机、泵类流体性质负载特性,对同一台设备,当输送的流体密度不变仅转速改变时,其性能参数的变化遵循比例定律,流量与转速的一次方成正比,扬程与转速的二次方成正比,轴功率与转速的三次方成正比;因同步电动机的转速在运转时要比异步电动机高,故在计算电动机运行效率时,需考虑转速不同对轴功率输出的影响,应予以修正,轴功率修正系数公式:

k=n2n

2

′{}3其中:n2′为同步电动机转速,n2为异步电动机实际运行转速。

50%转速节电率=(60-47)/60×100%=21.7%;

80%转速节电率=(172.6-147.5)/172.6×100%=14.5%; 100%转速节电率=(300-280)/300×100%=6.7%。

考虑到在50%和80%转速下转速接近,不予以修正,在100%转速时,永磁电机转速比异步电机转速高16r/min,功率

与转速的立方成正比,实际测量过程中,转速在高频段每转速每增加1%,电流同步增长10~15A,照此修正,最终在100%转速情况下节电率=(300-270)/300×100%=10%。

6结论

在充分掌握稀土永磁电动机高能效原理的基础上,针对性的对运行设备中裕量较小的异步电动机换型改造,通过永磁技术的应用,使用稀土永磁同步电动机替换异步电动机,解决电动机在容量不增加、电压等级不提高的情况下,降低设备发热、提高设备带载能力问题,完成发电厂提高电动机能效的综合治理,并提炼形成一整套提高发电厂辅机设备提高能效综合治理、优化改造新技术,对于电动机高效能解决现场实际问题具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]烧结钕铁硼永磁材料.

[2]《高效三相永磁同步电动机技术条件》(GB/T22711-2008)(机座号132-280).

[3]张立春.永磁同步推进电机研究[D].武汉:华中科技大学,2005.

[4]赵清.中型高效永磁同步电动机设计关键技术研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2006.

收稿日期：2019-2-20

作者简介：孟庆超(1983-),男,工程师,本科,主要从事发电厂电气一次设备检修管理工作。

李宏伟(1982-),男,工程师,本科,主要从事发电厂电气二次设备检修管理工作。

电机厂家设备名称启动方式

风机角度/

叶片数

转速百

分比

转速(r/

min)输入电流输出电流异步通风塔变频12/65074360107永磁通风塔变频12/6507424792异步通风塔变频12/6801189.7172.6227.4永磁通风塔变频12/6801190.8147.5187异步通风塔变频12/61001476300340永磁通风塔变频12/61001492280290

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