永磁同步電動機在化纖行業中的應用

上海市能效中心 劉洋 秦宏波

0 前言

電動機廣泛應用于工業、建筑等領域，其耗電量占全國總用電量的60%左右，占工業系統用電量的75%左右。由于電機自身能效低且系統匹配不合理，導致我國電機系統運行效率比發達國家低10%～20%[1]，尤其是化纖產品制造行業，其固有的運行特點，節能空間將更大。

1 化纖行業電機使用特點

在化纖工業生產中，聚酯切片干燥設備--轉鼓（圖1）是主要加工設備，其加工過程為：加料之后，電機轉矩通過減速機傳遞給轉鼓，帶動轉鼓以3.5r/min的轉速運行，其運行周期一般在12h以上。啟動時，聚酯切片在轉鼓的底部，為使轉鼓能夠順利起動，常按轉鼓最大負荷來選配電動機，而正常運行時負荷率僅在30%左右。

我國轉鼓設備中普遍使用的是Y系列三相異步電動機，由于轉鼓負荷的特殊性，為了滿足設備啟動需要，“大馬拉小車”現象成為必然。因此，運行過程中電機一直處在低效率狀態，造成了能源的浪費。

2 電機系統節能改造原理

稀土永磁是一種高性能的功能材料，它的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積等優異磁性能特別適合于制造電動機[2]。充磁后，無需外加能量就能在電機內部建立進行機電能量轉換所必需的磁場，用它制成的高效永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，甚至使功率因數接近1；在穩定運行時，轉子與定子磁場同步運行,轉子中無感應電流，所以不存在轉子電阻損耗，進而降低電機的溫升，減小風扇以減少風摩損耗，進一步提高電機效率。

3 電機系統節能改造方案

根據轉鼓設備及負載用能特點，對某化纖公司的兩臺轉鼓設備實施了電機節能改造工程。主要將原有三相異步電動機改造為高效三相永磁同步電動機，額定數據如表1所示。

對于異步電動機來說，負載率不同，電機的效率和功率因數變化很大，負載率越低，電機的效率和功率因數隨之降低。對稀土永磁同步電動機而言，在輕載條件下仍能夠保持較高的效率和功率因數，同時，在相同負載率下，效率較異步電動機要高得多。

表1 三相異步電機與高效永磁同步電機額定數據對比

為了驗證永磁同步電動機和三相異步電動機的運行效率，特對兩臺三相永磁同步電動機產品和兩臺原有三相異步電動機的性能按國家標準《三相異步電動機試驗方法》（GB/T 1032-2005）進行效率測試，效率曲線和功率因數曲線見圖2、圖3所示。

從電機的測試結果來看，與三相異步電動機相比，永磁同步電動機不僅在額定狀態下具有較高的效率和功率因數，而且在輕載時具有較高的效率和功率因數，即電動機具有高的且相對平坦的工作特性曲線，解決了三相異步電動機在輕載時效率和功率因數低的突出問題。所測得的額定運行時的效率和功率因數見表2。

圖2 電機效率曲線對比

圖3 電機功率因數曲線對比

表2 1#電機效率和功率因數的測試值

表3 1#電機用能測試數據

4 經濟性分析

本電機系統改造節電率用對比測定法進行分析，試驗分別在配有三相異步電動機和永磁同步電動機在轉鼓上進行，兩臺轉鼓運行工況完全一致，測試周期為3.5h。表3為三相異步電動機和永磁同步電動機在相同時間內測得的數據。

1）有功節電率計算

式中：W1—異步電動機有功電量;

W2—稀土永磁電動機有功電量;

2）無功節電率計算

式中：Q1—異步電動機無功電量；

Q2—稀土永磁電動機無功電量；

3）年節電費用

表4 1#電動機改造經濟性分析

電機以每年運行6000h，電價為0.68元/kWh計算，則年節電費用為：

年節電費用=電機功率×電機負載率×有功節電率×年運行時間×電價=5.5×26.5%×21.6%×6000×0.68＝1284（元）

綜上，聚酯切片干燥設備電機節能改造經濟性分析如表4所示[4][5],即本改造項目在沒有任何政策補貼的情況下，投資回收期約2.5年；考慮到目前國家和上海市對高效電機的補貼以及舊電機的價值，投資回收期可降為1.6年，節能經濟性顯著。

5 結論

稀土永磁同步電動機是一種新型高效節能的產品，其效率和功率因數在輕載時較三相異步電動機高很多。在啟動力矩要求高、運行負載低的場合節能效果明顯，對類似負載的節能改造投資回收期較短，充分運用國家和地方的鼓勵政策后投資經濟性顯著，可在行業中普遍推廣。

[1]周勝 趙凱.《電機系統節能實用指南》.機械工業出版社.2009.9

[2]王秀和等.《永磁電機》（第二版）.中國電力出版社.2011.1

[3]《三相異步電動機試驗方法》（GB/T 1032-2005）

[4]財政部 國家發展改革委.《關于做好2011年高效電機推廣工作的通知》財建〔2011〕62號

[5]上海市人民政府辦公廳.《上海市加快高效電機推廣促進高效電機再制造工作方案》滬府辦發〔2011〕62 號