高效永磁智能工業電機的試驗

陳輝 河鋼樂亭鋼鐵有限公司

關鍵字：低壓普通三相異步電機 永磁智能工業電機 功率因數 節電效率

前言

在當今的工業生產活動中，工業用電的三分之二為電機所消耗。電機主要是將電能轉換成機械能，就轉換效率而言，現在工廠普遍使用國家一級或二級能耗電機，這些電機以低壓普通三相異步電機為主。低壓普通三相異步電機的功率因數一般為0.79，大部分的電能以無用功的形式消耗掉，因此該種電機的效率較低。國際上較為先進的電機系統已集成了診斷、保護、控制、通訊等功能，可實現電機系統的自我診斷、自我保護、自我調速、遠程控制等智能化、自動化操控，能有效的減少無用功的消耗，最終達到節省電能消耗的目標。

國家工信部于2009年12月4日開始頒布了高能耗落后機電設備強制淘汰措施，從措施開始至2017年底國家已經先后強制淘汰4個批次的高能耗、低效率的工業電機。目前這些高能耗、低效率工業電機成為工業生產高成本的部分因素，如今企業都在尋求成本最小化的方法，高效節能產品的應運而生，達到了降低能耗、降低運營成本的目標，為企業和社會帶來更大的利益，因此智能工業電機取代普通三相異步電機是今后工業發展的趨勢。

1 試驗環境

高效永磁智能工業電機的試驗設備選用唐山鋼鐵有限責任公司二煉鐵分廠原料作業區F203上料膠帶機及熱軋部1700生產線液壓站RH1液壓泵兩種不同工況條件。

二煉鐵分廠原料作業區F203上料膠帶機是為高爐供料的運焦炭膠帶機，非長時間運行皮帶，其對應普通三項異步電機是4極90kw低壓電機，日平均工作8-10小時。試驗替代電機為江蘇嘉軒智能工業科技股份有限公司生產的永磁智能工業電機，電機為4級90kw低壓電機，日平均工作8-10小時。試驗分為兩個階段：第一階段，安裝電能表和計時器，采集20天內原低壓普通三相異步電機運行所消耗電量和運行時間；第二階段，用江蘇嘉軒智能工業電機替換原低壓普通三相異步電機，相同工況，采集20天內電機運行所消耗電量和運行時間。通過二者數據對比，計算出節電效率。

熱軋部1700生產線液壓站5#RH1液壓泵，長時間運行設備，原電機為6極110kw普通三相異步電機，24小時連續運轉。試驗替代電機為江蘇嘉軒智能工業科技股份有限公司生產的永磁智能工業電機，電機為6級110kw低壓電機，24小時連續運轉。試驗分為兩個階段：第一階段，安裝電能表和計時器，采集20天內原低壓普通三相異步電機運行所消耗電量和運行時間；第二階段，用江蘇嘉軒智能工業電機替換原低壓普通三相異步電機，相同工況，采集20天內電機運行所消耗電量和運行時間。通過二者數據對比，計算出節電效率。

2 智能工業電機

本次試驗電機為江蘇嘉軒智能工業科技股份有限公司生產的智能工業電機，該種電機具有以下技術特點：

(1)電機是永磁電機，可以等效為同步機。定子采用UH釹鐵硼永磁材料提供勵磁，永磁體的安裝采用鑲嵌工藝，保證永磁體的結構強度。另外轉子部分為永磁材料，省去傳統異步機電生磁，磁生電的轉換過程，因此電機功率因數接近1。

(2)永磁體磁性衰減期的長短，是永磁機壽命的關鍵。從目前掌握的資料了解，其退磁主要是溫度影響，根據退磁曲線在180℃時會發生不可逆退磁，電機工作允許的最大溫度為155℃，此溫度下不考慮退磁影響，因此永磁電機壽命基本能保證在10年以上。

(3)電機能量密度高、體積小、重量輕、減少了因體積和重量產生的電磁損耗、鐵損、風摩損耗、機械損耗。運轉過程中，電機不需要無功勵磁電流、不產生感應電流，因而整體效率高，定子電流和定子電阻損耗減少。

(4)空載運行電流低于傳統交流異步電機空載電流。傳統鼠籠機空載電流為額定電流的25%-30%左右。永磁電機低于10%。并且電機特性曲線硬，類似直流機的曲線。

(5)電機的輸入輸出比為25%-150%時，效率為95%-98%，減少空載或輕載時的無效損耗、效率及功率因素波動小，輸入輸出比恒定。

(6)電機采用ABB公司生產的ACS880型號變頻器作為電機的智能驅動器。ACS880變頻器提供優良的起動功能，具有平滑無極全自動控制、精確定位、精確轉速、避開機械共振點的特點，對電網、機械設備無任何沖擊，大大延長設備的使用壽命。

3 試驗數據

3.1 二煉鐵分廠原料作業區F203上料膠帶機試驗數據

3.1.1 原低壓普通三相異步電機數據

(1)原電機銘牌參數：

功率因數原料場作業區F203皮帶機電機 Y280M-4 90kW 380V 164A 0.80設備名稱 電機型號 功率 額定電壓 額定電流

(2)原電機20天時間試驗消耗電量、運行時間及運行狀況：

日期 累時器數值 有功電量 無功電量 運行溫度 運行電流 振動值2018年6月15日 135h4min 237.98kwh 63.37kvarh 39℃ 120-140A 2.3mm/s 2018年6月26日 225h35min 391.83kwh 175.74kvarh 39℃ 120-140A 2.3mm/s 2018年7月5日 292h55min 499.43kwh 255.43kvarh 39℃ 120-140A 2.3mm/s

(3)根據記錄數據計算原電機在試驗期間使用數據：

功率因數90h31min 153.85kwh 112.37kvarh 1.70kwh 1.24kvarh 0.73 67h20min 67h20min 79.69kvarh 1.60kwh 1.18kvarh 0.80運行時間 使用有功電量 使用無功電量 每小時有功耗電量每小時無功耗電量

(4)數據結論：根據記錄數據計算原低壓普通三相異步電機每小時有功耗電量為82.74kwh，每小時視在耗電量為102.66kwh。

3.1.2 高效永磁智能工業電機數據

(1)永磁智能工業電機銘牌參數：

設備名稱 電機型號 功率 額定電壓 額定電流 功率因數原料場作業區F203皮帶機電機JXS-4-20011-U1 90kW 380V 145A 0.97

(2)永磁智能工業電機20天時間試驗消耗電量、運行時間及運行狀況：

日期 累時器數值 有功電量 無功電量 運行溫度 運行電流 振動值2018年7月19日 412h24min 714.37kwh 389.40kvarh 33℃ 108.00A 2.6mm/S 2018年7月26日 486h31min 816.76kwh 402.40kvarh 33℃ 108.36A 2.6mm/S 2018年8月1日 548h32min 900.49kwh 413.26kvarh 28℃ 電機未運行 0mm/S 2018年8月9日 642h33min 1025.29kwh 429.33kvarh 33℃ 112.51A 2.6mm/S

(3)根據記錄數據計算永磁智能工業電機在試驗期間使用數據：

運行時間 使用有功電量功率因數74h7min 102.39kwh 13kvarh 1.38kwh 0.18kvarh 0.99 62h1min 83.73kwh 10.86kvarh 1.35kwh 0.18kvarh 0.99 94h2min 124.8kwh 16.07kvarh 1.33 wh 0.17kvarh 0.99使用無功電量每小時有功耗電量每小時無功耗電量

(4)數據結論：根據記錄數據計算永磁智能工業電機每小時有功耗電量為67.66kwh，每小時視在耗電量為68.22kwh。

注：電能表與50倍電流互感器連接，采集用電數據。

3.2 熱軋部1700生產線液壓站5#RH1液壓泵試驗數據

3.2.1 原低壓普通三相異步電機數據

(1)原電機銘牌參數：

設備名稱 電機型號 功率 額定電壓 額定電流 功率因數1700線液壓站5#RH1液壓泵電機ABB QA315L6A 110kW 380V 201A 0.79

(2)原電機20天時間試驗消耗電量、運行時間及運行狀況：

日期 累時器數值 有功電量 無功電量 運行溫度 運行電流 振動值2018年6月28日 1h43min 2.13kwh 1.64kvarh 65℃ 96.0A 0.060mm/s 2018年7月2日 98h32min 112.93kwh 86.34kvarh 65℃ 95.9A 0.060mm/s 2018年7月9日 261h46min 293.22kwh 228.24kvarh 65℃ 89.1A 0.060mm/s 2018年7月16日 434h20min 478.17kwh 374.15kvarh 65℃ 91.2A 0.060mm/s

(3)根據記錄數據計算原電機在試驗期間使用數據：

功率因數96h49min 110.80kwh 84.70kvarh 1.14kwh 0.87kvarh 0.80 163h14min 180.29kwh 141.90kvarh 1.10kwh 0.87kvarh 0.79 172h37min 184.95kwh 145.91kvarh 1.07kwh 0.85kvarh 0.79運行時間 使用有功電量 使用無功電量 每小時有功耗電量 每小時無功耗電量

(4)數據結論：根據記錄數據計算原低壓普通三相異步電機每小時有功耗電量為55.03kwh，每小時視在耗電量為69.81kwh。

3.2.2 高效永磁智能工業電機數據

(1)永磁智能工業電機銘牌參數：

設備名稱 電機型號 功率 額定電壓 額定電流 功率因數1700線液壓站5#RH1液壓泵電機 JXS-6-20013-U1 110kW 380V 179A 0.97

(2)永磁智能工業電機20天時間試驗消耗電量、運行時間及運行狀況：

日期 累時器數值 有功電量 無功電量 運行溫度 運行電流 振動值2018年8月6日 921h50min 988.70kwh 746.50kvarh 53℃ 74.41A 0.009mm/S 2018年8月13日 1089h54min 1144.20kwh 768.74kvarh 53℃ 75.89A 0.009mm/S 2018年8月20日 1257h29min 1301.32kwh 791.25kvarh 53℃ 73.41A 0.009mm/S 2018年8月27日 1425h33min 1470.89kwh 815.87kvarh 53℃ 78.07A 0.009mm/S

(3)根據記錄數據計算永磁智能工業電機在試驗期間使用數據：

運行時間 使用有功電量 使用無功電量 每小時有功耗電量 每小時無功耗電量 功率因數168h4min 155.5kwh 22.24kvarh 0.93kwh 0.13kvarh 0.99 167h35min 157.12kwh 22.51kvarh 0.94kwh 0.13kvarh 0.99 168h4min 169.57kwh 24.62kvarh 1.01wh 0.15kvarh 0.99

(4)數據結論：根據記錄數據計算永磁智能工業電機每小時有功耗電量為47.86kwh，每小時視在耗電量為48.51kwh。

注：電能表與50倍電流互感器連接，采集用電數據。

4 試驗結果

4.1 二煉鐵分廠試驗設備結果

(1)通過試驗的跟蹤觀察,高效永磁智能工業電機運行平穩，沒有出現故障的情況，能夠完全替代低壓普通三相異步電機在該工況上使用。

(2) 高效永磁智能工業電機重載帶料啟車時，電機以二倍力矩在設定加速時間內平緩啟動，該啟動方式減小對減速機及皮帶的沖擊，因此將會延長設備的使用壽命及減少設備的檢修次數。原低壓普通三相異步電機重載啟車時，啟動電流是空載電流的5-8倍，皮帶機通常要啟動多次才能運轉起來，啟車時電機保護器經常會發生過載保護跳閘，直接影響原料運輸的及時性與穩定性。

(3)通過試驗數據對比，原低壓普通三相異步電機空載電流為42.05A，高效永磁智能工業電機空載電流為3.73A。高效永磁智能工業電機運行電流比低壓普通三相異步電機運行電流平均降低20A。電流明顯降低。

(4)通過客觀數據計算，高效永磁智能工業電機有功節電效率為18.23%，視在節電效率為33.55%，節電效果比較明顯。

4.2 熱軋部試驗設備結果

(1)通過試驗的跟蹤觀察，高效永磁智能工業電機運行平穩，沒有出現故障的情況，能夠完全替代低壓普通三相異步電機在該工況上使用。

(2)通過試驗數據對比，高效永磁智能工業電機運行電流比原低壓普通三相異步電機運行電流平均降低17.6A，電流相對降低。

(3)通過客觀數據計算，高效永磁智能工業電機有功節電效率為12.70%，視在節電效率為30.7%，節電效果相對明顯。

4.3 總結

通過在兩種不同工況下試驗結果觀察，高效永磁智能工業電機在變載運行的皮帶機工況上節電效果顯著，這說明高效永磁智能工業電機在重載運行設備上能大大降低用電量；高效永磁智能工業電機在恒載運行的液壓泵工況上有節電效果，但節電效率比預期的要少。

5 節能效益計算

5.1 4級電機效益計算

將普通YE3系列4級電機與智能工業電機之間價格和效益進行匯總，按年運轉6000小時，電費單價為0.6元，以試驗節電效率為數據基礎計算潛在的節能效益。

5.2 6級電機效益計算

將普通YE3系列6級電機與智能工業電機之間價格和效益進行匯總，按年運轉6000小時，電費單價為0.6元，以試驗節電效率為數據基礎計算潛在的節能效益。

5.3 結論

通過將普通YE3系列電機與高效永磁智能工業電機在各種費用方面進行對比，以試驗節電數據作為基礎，計算出費用回收時間。各回收時間均在智能電機使用壽命期內（智能工業電機在使用壽命期內只做常規加油潤滑保養，不做其他維修維護）。高效永磁智能工業電機在起初投資成本上會高出YE3系列電機很多，但后續會逐年產生節電效益，在收回費用之后到電機使用壽命到期的這段時間內，都是企業的節能收益，所以智能工業電機還是有很大的應用前景。

6 結束語

通過試驗數據對比及節能效益計算，可以直觀了解高效永磁智能工業電機在節電效果方面有很大的優勢，具有寬廣的應用前景。從運行參數觀察智能工業電機能完全替代普通異步電機使用。不僅如此，此次試驗還為今后項目設計建設提供試驗數據基礎以及積累智能工業電機的使用和維護經驗。