永磁同步電動機替換異步電動機的應用與節能分析

安振華

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司能源與環境部，河北唐山063200）

供用電

永磁同步電動機替換異步電動機的應用與節能分析

安振華

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司能源與環境部，河北唐山063200）

介紹了永磁同步電動機的應用及節能降耗作用，分析了對系統的影響和穩定性，給出了具體的節能降耗數據。

永磁同步電動機；節能率；電費；穩定

1 高效高壓永磁同步電動機簡介

高效高壓永磁同步電動機是新一代節能降耗電動機，是將永磁技術運用到電動機領域的新技術，它具有以下主要特點：

1.1 高效率

轉子改用永磁材料后，不需要無功勵磁電流，永磁體提供的磁通取代電勵磁，減少了定子電流和定子電阻損耗；在正常運行時，轉子與定子磁場同步運行，轉子無感應電流，不存在轉子電阻損耗和磁滯損耗，提高電機效率。額定運行時，電機效率大于96%，在30%～80%輕負載運行范圍內，電機依然具有較高的效率。

1.2 高功率因數

在永磁同步電動機中，轉子無感應電流勵磁，定子繞組呈阻性負載特性，電機的功率因數接近于1，而且在20%～120%額定負載范圍內，均可保持較高的功率因數與效率，使輕載運行時節能效果更為顯著，額定負載運行時，功率因數≥0.98。

1.3 啟動轉矩大

由于采用實心永磁轉子結構，永磁同步電動機具有較大的啟動轉矩，一般異步電動機的啟動轉矩為1.8～2.2倍,而永磁電動機的啟動轉矩可達到3.5～4.3范圍之內，縮短電機啟動時間。

1.4 體積小，重量輕

與同功率電機相比，體積減少40%，重量減輕16.19%。

永磁電動機還具有如下特征：

（1）運行壽命長；

（2）維護成本低；

（3）磁場強度恒定，無明顯退磁現象。

由此可見永磁電動機電壓等級高、容量大、功率因數高、輸出扭矩大、工作效率高，而且體積小、重量輕、運行溫度低、有較寬的經濟運行范圍，是現有電磁式異步電動機不能比擬的。

該電機廣泛應用于冶金、化工、礦山、石油、電力、給排水、建材等領域，在電力系統將創造出可觀的價值。

2 永磁電動機的節能降耗技術要點

通過一臺355 kW永磁同步電動機實際的工業性試用，經過實際計量的電量數據可以看出永磁同步電動機與異步電動機比較，具有非常明顯的技術特征：

（1）355 kW異步電動機實際運行電流22.8 A，無功功率230 kvar,有功功率341 kW，空載電流9.9 A，功率因數0.829。

（2）355 kW永磁同步電動機實際運行電流18.8 A，無功功率2.2 kvar，有功功率333 kW，空載電流3.3 A，功率因數0.999。

（3）兩臺電動機非常明顯的差別表現在實際運行電流和空載電流，運行電流相差4 A，空載電流相差6.6 A，無功功率相差227.8 kvar，功率因數相差0.17。

通過上述實際數據特征我們可以看到，永磁同步電動機表現出了明顯的節能降耗技術要點：

（1）應用永磁同步電動機可大幅度降低無功功率損耗。

（2）應用永磁同步電動機可有效的提高系統功率因數。

（3）應用永磁同步電動機可有效的提高運行效率。

（4）應用永磁同步電動機可有效的降低綜合有功能耗。

（5）應用永磁同步電動機可降低運行成本。

3 永磁同步電動機替換異步電動機經濟運行可行性理論計算

3.1 永磁電動機經濟運行理論計算

3.1.1 電動機帶負載時的輸出功率P2

式中，I1——電流表實測電流；

IN——電動機額定電流；

I0——電動機空載電流；

PN——電動機額定功率。

3.1.2 電動機負載率β2

3.1.3 有功損耗

空載功率：P0=×UN×I0×cosφ

=1.732×10.24×3.3×0.085=4.98 kW

式中：ηN——電動機額定效率；

PN——電動機額定功率；

P0——電動機空載功率。

3.1.4 空載時需要的無功功率Q0

3.1.5 額定負載時需要的無功功率QN

3.1.6 無功功率折算有功損耗ΔP2

3.1.7 電動機總損耗ΣP

3.1.8 總的電動機輸入功率

3.1.9 同步轉速時總的電動機輸入功率

3.2 異步電動機經濟運行理論計算

3.2.1 電動機帶負載時的輸出功率P2

式中，I1——電流表實測電流；

IN——電動機額定電流；

I0——電動機空載電流；

PN——電動機額定功率。

3.2.2 電動機負載率β2

3.2.3 有功損耗

空載功率：P0=■3×U×I0×cosφ

=1.732×10.24×9.9×0.2=35.12 kW

式中，ηN——電動機額定效率；

PN——電動機額定功率；

P0——電動機空載功率。

3.2.4 空載時需要的無功功率Q0

3.2.5 額定負載時需要的無功功率QN

3.1.6 無功功率折算有功損耗ΔP2

3.1.7 電動機總損耗ΣP

3.1.8 總的電動機輸入功率

3.1.9 同步轉速時總的電動機輸入功率

3.2 異步電動機經濟運行理論計算

3.2.1 電動機帶負載時的輸出功率P2

式中，I1——電流表實測電流；

IN——電動機額定電流；

I0——電動機空載電流；

PN——電動機額定功率。

3.2.2 電動機負載率β2

3.2.3 有功損耗

空載功率：P0=■3×U×I0×cosφ

=1.732×10.24×9.9×0.2=35.12 kW

式中，ηN——電動機額定效率；

PN——電動機額定功率；

P0——電動機空載功率。

3.2.4 空載時需要的無功功率Q0

3.2.5 額定負載時需要的無功功率QN

3.2.6 無功功率這算有功損耗ΔP2

3.2.7 電動機總損耗ΣP

3.2.8 電動機總的輸入功率P1

永磁電動機替換異步電動機理論綜合節電率ΣE：

上述是根據實際實驗數據做出的理論計算，理論計算證明永磁同步電動機的綜合節電率可達到10.6%，但是由于電度表實際電量計量是根據如下公式計算得到：電量E=1.732×額定電壓×實際運行電流×功率因數×T，對此實際運行中雖然永磁電動機與異步電動機之間有4 A的運行電流差，但是由于永磁電動機的功率因數大于異步電動機0.17，造成了永磁同步電動機與異步電動機實際輸入功率在計量中得到的數值相差不大，從實際計量數據上無法清楚地看到永磁電動機的實際節能效果。根據實際計量的有關數據如下：

（1）永磁電動機的實測輸入功率P=333 kW，cosφ=0.999，I=18.8 A，Q=2.2 kvar；

（2）異步電動機的實測輸入功率P=341 kW，cosφ=0.829，I=22.8 A，Q=230 kvar。

那么根據計量的實際值可以看到，永磁電動機確實表現不是很突出，經過實際計算綜合節電率只有2.3%。根本體現不出由于永磁同步電動機基本沒有無功功率的消耗所帶給系統的有效節能效果。

上述計算完全忽略電動機在啟動過程中啟動電流的差別，由于永磁電動機啟動轉矩大，啟動速度快，啟動電流小等特點，現有的異步電動機是無法比擬的。

4 應用永磁同步電動機提高功率因數、降低無功損耗的效益分析

異步電動機的應用很廣泛，但是其自然功率因數很低，約0.7～0.8左右，因此對異步電動機或供電系統進行無功補償，提高功率因數，節約電能是很有必要的。

如果更換一臺355 kW的永磁同步電動機替換同功率的異步電動機，那就等于減少了233 kvar的無功功率，根據無功當量在三級變壓系統取值0.1計算，每年按6000 h運行，節約的無功折合有功就等于ΔP=KQQH=0.1×230×6000=138000 kW·h，一臺永磁電動機就可因非常低的無功功率消耗，6000 h可降低138000 kW·h的有功損耗，電費按0.52元/kW·h，那就是71760元，這樣直接就通過永磁電動機很好的完成了無功功率的補償，可見到實際效益，而且無需再考慮安裝無功補償裝置了，一舉兩得。

根據我們10 kV系統,如果實際完成無功總量的30%補償，那將得到非常可觀的效益。我們現有10 kV系統總的無功量大約有270000 kvar，如果我們按照總無功量的30%進行補償，ΔP=KQQH=0.1× 270000×30%×6000=48600000 kW·h，實際有功功率就可降低48600000 kW·h，如果利用永磁電動機替換異步電動機，對270000 kvar無功補償30%就可降低81000 kvar，折合有功功率為8100 kW，如果按一臺355 kW異步電動機的實際運行無功量230 kvar計算，8100 kW÷355 kW/臺=22.8臺，安裝23臺355 kW永磁電動機就可以有效地降低無功損耗81000 kvar。這樣還能解決無功補償裝置在實際應用中存在著諸多問題，例如電容器容易出現的問題，造成過補，過電壓，補償裝置投入和退出因電流的問題造成設備損壞等等問題。

所以說利用永磁同步電動機解決無功補償的問題確實是一個好方法，利用永磁電動機是實實在在地減少無功功率的發生，使得系統電壓穩定，電壓質量高，而異步電動機由于大量可變無功的發生，占用變壓器容量，造成系統電壓不穩定，進而影響系統穩定。如果大量安裝使用永磁電動機，就能一舉兩得地解決無功補償問題和系統穩定問題。這樣作為發電系統只需向系統補充少量的無功就可以了，用以維持其他電感性負載運行。而且這只是單一對異步電動機而言。然而在其他方面還有很好的表現，可以為企業帶來客觀的經濟效益。

5 應用條件

（1）永磁高效節能電動機應用在老廠高耗能電動機的改造，會直接見到客觀的效益。

（2）永磁高效節能電動機應用在新工程項目可以有效地實現節能目標，可以考慮無功補償的實用性，避免重復性投資無功補償裝置。

6 永磁同步電動機應用的方向和前景

永磁同步電動機如果作為技術節能產品，在已配置完成的工藝系統中以替換的方式要求用戶大范圍內應用，作為一臺用戶十分關心的實際計量數字而言那無疑是困難重重，再加上價格高于異步電動機幾倍的現實，很難讓用戶下決心投入大量的資金換取很長時間的投資回收期，再加上更換下來的異步電動機如何處理等，顯然存在著諸多問題需要有效地解決，否則很難以替換的形式讓用戶接受。

但是，根據實際運行數據的理論計算和實際運行結果看，實際電量計量數據的反映和永磁同步電動機的節能降耗技術特征，作為降低系統無功功率的有效技術手段，利用永磁同步電動機的技術特性，提高功率因數，降低無功功率，對于各個領域如果能夠有效地安裝使用永磁同步電動機意在提高系統功率因數、降低無功損耗、提高發電機和變壓器的有功出力，那將非常有價值，帶給企業的將是大幅度運營成本的減少，供電系統的安全穩定，不要單純地追求計量數字體現的有形價值，更要追求大比例的無形價值，那樣永磁電動機的應用就能很好地體現出它它的真正實用價值。

Application of Replacing Asynchronous Motor with Permanent Magnet Synchronous Motor and Energy Saving Analysis

AN Zhenhua
(Energy&Environment Dept.of Shougang Jingtang United Iron&Steel Co.,Ltd,Tangshan,Hebei 063200,China)

The application of permanent magnet synchronous motor and its energy saving and consumption reduction effect are introduced,effect on the system and its stability are analyzed and concrete data on energy saving and consumption reduction are provided as well.

permanent magnet synchronous motor;energy saving rate;electricity cost; stable

TM341

B

1006-6764(2014)05-0001-03

2013－11－19

安振華（1955-），男，1975年畢業于北京鋼校工企自動化專業，高級工程師，現從事電氣設備管理及技術工作。