稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)能應(yīng)用

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，節(jié)能技術(shù)已經(jīng)被人們應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。文章主要闡述了稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)能應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)一步提高相關(guān)設(shè)備的節(jié)能性。

關(guān)鍵詞：稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)；節(jié)能；應(yīng)用

1 現(xiàn)狀

能源短缺是世界性難題，各國在開發(fā)能源的同時(shí)注重開發(fā)高效節(jié)能電機(jī)。發(fā)達(dá)國家是采取選用好材料 （低損耗的硅鋼片、銅線、軸承和風(fēng)扇）、多用材料（20%～30%）及提高加工精度等技術(shù)措施提高電機(jī)效率，可提高效率2%～3%。

由于異步電動(dòng)機(jī)的磁場是由定子側(cè)提供無功電流建立的，要提高功率因數(shù)很困難。同時(shí)我國普遍存在著“大馬拉小車”現(xiàn)象，即使是高效節(jié)能異步電動(dòng)機(jī)，輕載時(shí)的效率和功率因數(shù)也是很低。而稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)，不僅在額定負(fù)載時(shí)能有較高的效率和功率因數(shù)，而且在輕載時(shí)也能有比較高的效率與功率因數(shù)。

2 稀土永磁電機(jī)節(jié)電原理

異步起動(dòng)稀土永磁電動(dòng)機(jī)（以下簡稱PMSM）是在異步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)子邊鼠籠內(nèi)側(cè)鑲?cè)胂⊥劣来糯配摱桑倪\(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相同，是以永磁體提供的磁通替代后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡單；它與普通同步電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子不需外加勵(lì)磁電源，消除了勵(lì)磁損耗。與異步電機(jī)相比，減少了定子邊繞組的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子邊的銅、鐵損耗，大幅度減少了無功電流，提高了功率因數(shù)與效率，降低了電機(jī)的溫升，稀土永磁電動(dòng)機(jī)的額定效率可達(dá)到95%以上，是名符其實(shí)的超高效電機(jī)。稀土電機(jī)選用了高導(dǎo)磁和高導(dǎo)電材料， 在轉(zhuǎn)子鼠籠內(nèi)嵌上了由釹鐵硼稀土材料組成的永磁磁鋼。在電機(jī)起動(dòng)時(shí)， 依靠轉(zhuǎn)子鼠籠內(nèi)的永磁磁鋼和定子旋轉(zhuǎn)磁場的相互作用， 從異步牽入同步運(yùn)行， 使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速保持一致， 沒有轉(zhuǎn)速差， 因此， 消除了轉(zhuǎn)子上的銅鐵損耗。此外，由于稀土電機(jī)轉(zhuǎn)子是由磁鋼來勵(lì)磁， 使定子繞組的勵(lì)磁電流減小， 空載損耗減少。因此稀土電機(jī)的總損耗比異步電動(dòng)機(jī)減少30%以上， 效率和功率因數(shù)都得到了提高。

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 采取一系列技術(shù)措施，把稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率盡可能提高并獲得寬的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍：

圖1 降耗措施

圖2 37kW 4P異步電動(dòng)機(jī)和30kW 4P

稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載率曲線比較圖

3.2 設(shè)計(jì)中，盡可能使永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)接近極限值

圖3 隱極永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖及功率因數(shù)隨E0變化的曲線

設(shè)計(jì)中，我們通常保持E0小于并接近于UN，這樣可獲得接近于1.0的功率因數(shù)，E0滿足這一條件還可以使永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載下效率提高，獲得較寬的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍。

3.3 設(shè)計(jì)中把握好永磁體的性能和磁老化工藝，注意其一致性

永磁體的性能及其一致性，是永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，永磁同步電動(dòng)機(jī)性能的保證；永磁體的磁老化工藝，是永磁同步電動(dòng)機(jī)能否穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的前提。在永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造中，對(duì)永磁體的性能要求、磁老化工藝及其一致性，務(wù)必給以足夠的設(shè)計(jì)和研究。

3.4 設(shè)計(jì)永磁電動(dòng)機(jī)時(shí)，將空載反電動(dòng)勢(shì)E0和負(fù)載端電壓U的比值在合理的范圍內(nèi)。（E0/U≈1）

永磁同步電動(dòng)機(jī)的E0設(shè)計(jì)得過大或過小，都會(huì)導(dǎo)致P0和I0上升，這是因?yàn)镋0過大或過小都會(huì)導(dǎo)致空載電流中的直軸電流分量Ido急劇增大。設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，所有設(shè)計(jì)比較成功的電動(dòng)機(jī)，其E0與電源電壓的比值均在一定的合理范圍內(nèi)。如果設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)E0考慮不周，即使永磁電動(dòng)機(jī)效率很高，永磁同步電動(dòng)機(jī)不一定會(huì)節(jié)電，甚至比異步電動(dòng)機(jī)還費(fèi)電。

3.5 根據(jù)負(fù)載特性，合理設(shè)計(jì)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

合理控制堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的設(shè)計(jì)措施是：匝數(shù)；選擇轉(zhuǎn)子槽形狀；合理控制空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，不宜過高，也不宜過低。

4 典型使用范例

310G化纖倍捻機(jī)是化纖長絲加捻設(shè)備，作為噴水織機(jī)的前道設(shè)備，紡織廠需大量配備。一臺(tái)倍捻機(jī)由兩臺(tái)7.5KW三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，大量的倍捻機(jī)是紡織廠的主要用電設(shè)備，常常占紡織廠總用電量的50%以上。而倍捻機(jī)常用的普通三相異步電動(dòng)機(jī)，效率在87%以下，由于長期運(yùn)行在輕載狀態(tài)下，功率因數(shù)也很低，電能浪費(fèi)驚人。

在節(jié)能改造時(shí)可采用二臺(tái)7.5KW BYT132M-4型三相稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)替代原異步電動(dòng)機(jī)，輕松實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造、轉(zhuǎn)型升級(jí)。

因?yàn)槊颗_(tái)倍捻機(jī)的負(fù)載情況都不相同，因此先在原倍捻機(jī)上（異步電動(dòng)機(jī)）安裝一個(gè)電度表，連續(xù)工作三天（72小時(shí)）讀表后計(jì)算平均每臺(tái)每小時(shí)所用電度數(shù)。然后把這臺(tái)倍捻機(jī)的異步電動(dòng)機(jī)更換為稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，連續(xù)工作三天讀表后計(jì)算平均每臺(tái)每小時(shí)所用電度數(shù)。將兩組數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算節(jié)電效果。

在吳江南華噴織有限公司一車間25～48號(hào)倍捻機(jī)上的實(shí)測(cè)結(jié)果為：

24臺(tái)倍捻機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過紡織廠現(xiàn)場倍捻機(jī)實(shí)測(cè)，HW-BYT132M-4型三相稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的節(jié)電率≥10%。

根據(jù)以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按紡織廠通常24小時(shí)開機(jī)，且一年平均運(yùn)行330天計(jì)算，一臺(tái)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)每年可節(jié)電：

0.75（度/小時(shí)）×24（小時(shí)）×330（天）= 5940（度）

按平均每度電0.75元計(jì)算，一臺(tái)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)每年可節(jié)省電費(fèi)：

5940（度）×0.75（元/度）= 4455（元/年）

吳江南華噴織有限公司共有倍捻機(jī)576臺(tái)，全部改造完畢后，每年可節(jié)省電費(fèi)：4455（元/年）× 576（臺(tái)）= 2566080 （元/年）= 256.6（萬元/年）

一臺(tái)7.5KW電動(dòng)機(jī)的平均壽命為12年，因此，一臺(tái)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在產(chǎn)品壽命期內(nèi)累計(jì)節(jié)約的電費(fèi)：

4455（元/年）×12（年）= 53460 （元）

吳江南華噴織有限公司改造的直接經(jīng)濟(jì)總收益為：

53460（元/臺(tái)）× 576（臺(tái)）= 30792960（元）= 3079（萬元）

由此可見，三相稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在紡織行業(yè)倍捻機(jī)上的應(yīng)用具備巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)越的力能指標(biāo)，大量推廣和應(yīng)用稀土永磁電機(jī)，可節(jié)約大量的電能，是減少碳排放的有效措施，同時(shí)對(duì)降低輸電網(wǎng)絡(luò)損耗，提高電網(wǎng)利用率，減少電網(wǎng)投資成本，緩解電力供需矛盾均有重要意義。