稀土永磁電機與變頻技術相結合在供熱循環系統中的應用

倪洪偉　隋毅

（1天津市濱海供熱集團有限公司天津3004562天津市佰特爾能源科技有限公司天津300162）

稀土永磁電機與變頻技術相結合在供熱循環系統中的應用

倪洪偉1隋毅2

（1天津市濱海供熱集團有限公司天津3004562天津市佰特爾能源科技有限公司天津300162）

眾所周知，電機是以磁場為媒介進行電能與機械能相互轉換的電力機械。磁場可以由電或由永磁體產生。稀土永磁同步電動機，是在電動機轉子內部安裝永磁體以代替異步電動機定子繞組產生感應磁場，而制成的具有自起動能力的永磁同步電動機。其在節能方面，有顯著的特點，穩定運行時轉子沒有電阻損耗，定子減少電阻損耗，電機總損耗便可相應減少。其次，由于永磁電機的磁場由永磁體產生，不需要定子增加無功勵磁電流，更使得電機的功率因數大幅提高。以下已仁愛花園換熱站舉例說明。

稀土永磁電機；變頻技術；供熱循環系統

1　項目背景

仁愛花園供熱站始建于2004年，至今運行11年，供熱面積為38×104m2。換熱站分三個區域供熱：低區、高區和工業園區，具體用能設備如表1。

表1　仁愛花園供熱站具體用能設備

2　改造方案

通過采用稀土永磁電機水泵+變頻技術達到供熱節能和安全穩定運行，故我們選用在低區供熱系統改造兩臺地區循環泵，低區循環水泵為兩用一備，設備功率為90kW，設備的更換不需要對原系統和管路進行改造。

針對于仁愛換熱站的節能改造我公司提出的方案為：稀土永磁電機水泵+變頻控制相結合的方案。

2.1電機原理對比和變頻控制技術分析

稀土永磁體是一種高性能材料，具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積等優異磁性能，用它制成的永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要用以產生磁場的無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，使永磁同步電動機的功率因數為1，甚至達到容性，同時也減少了定子電流和定子電阻損耗；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，進而電機的溫升有更大裕度，從而可以將風扇減小甚至不安裝風扇，以減少風摩損耗，從而可進一步提高電機效率。因此，稀土永磁同步電動機很容易設計或制造成高效或超高效電機。其特點和優點是：（1）稀土永磁同步電動機無滑差，轉子上無基波鐵耗、銅耗；（2）稀土永磁同步電動機在滿載和輕載、空載時，功率因數均可達到1.0左右，無功功率小，使定子電流下降，定子銅耗減少，效率提高；（3）稀土永磁同步電動機效率特性有高而平的特點，在輕載到滿載之間相當寬的區域內效率為最高；（4）具有較高的起動轉矩。

2.2驅動電機的選擇

采用永磁同步電機。

2.3負載對驅動系統要求

由于在大多數供熱設計和實際供熱中，出末寒的溫度不同，負載也不同，所以根據這個特點在工況選型時必須配以超出實際運行功率很多的水泵，以獲得在運行期和突發情況下的供熱保障。但從整體運行而言，是所謂的“大馬拉小車”。實際使用中，實際負載運行功率只有選配電機額定功率的1/2～2/3負載。

上述所配的異步電機由于本身的特點，無論是低效和高效的電機在低負荷運行狀態下都呈現較低的效率，如電機滿載（額定）時的設計效率為92%，而在其1/2負荷狀態下，效率只有70%以下甚至更低，這就導致了很多負載在實際運行時呈低效狀態。

這次在水泵設備上我們選用的為稀土永磁電機，既能避免上述不足和缺陷，又能充分發揮永磁電機無論在低載還是高負載率的情況下能效指標高的特點。

2.4電機的損耗對比

異步電機：

P=定子銅耗+定子鐵耗+雜散損耗（風損耗）+機械損耗+轉子損耗+轉子銅耗

永磁同步電機損耗：

P=定子銅耗+定子鐵耗+雜散損耗（風損耗）+機械損耗

從上述對比看，除了共同有的四大損耗，異步電機還有轉子方面的損耗，而永磁電機沒有轉子方面的損耗。之所以永磁電機沒有轉子損耗，是因為永磁電機轉子是由稀土永磁體磁鋼構成，本身產生磁力，沒有損耗。所以永磁同步電機損耗更小、效率更高。

2.5節能的優勢及特點組成

啟動扭矩大，并針對負載在低載運行的特點特殊設計，使之在更寬的運行區段更具有高效性，當電機額定效率能達到95%，60%負載率情況下能達到90%（異步電機只有70%以下）。

控制變頻器選用國產能驅動永磁電機（如采用進口變頻器成本將增加），采取矢量控制更能使本身效率為最佳。

2.6各種電機負載率與效率的比較

圖1　各種電機負載率與效率的比較

事實上，本套機構為機電一體化共同作用，各自配合發揮到最大能效的組合體，其中每一部分缺一不可。

電機高效：電機從低負載和高負載情況下都能保持高效率，并有相對較大的啟動轉矩（堵轉轉矩），節電率在15%～30%間。

2.7變頻器的功效

與同步啟動永磁電機和異步電機相比，通過變頻器可實現電機的軟啟動和軟停車，避免上述所提到的過大的啟動電流造成永磁電機的反向充磁而導致失磁。

同時，隨著負載轉速的變化，通過改變變頻器頻率調整電機速度，可起到調整轉速的作用，隨著轉速的降低，使用功率也隨之降低。當負載變化提高時可加快電機速度降低使用轉矩，到達節能目的，當使用高速時，功率提高提高效率，達到節能降耗的目的。

以上二者配合各自發揮最佳作用，與各種交流異步電機相比，使節電效果達到15%以上。

3　實際運行分析

以熱力公司仁愛換熱站今年運行44天的運行記錄進行分析。在相同運行狀況下，運行124天同期對比節電量180720kW·h。

表2　改造后設備清單

表3　熱力公司仁愛站2013～2014用電運行數據對比

4　改造后數據進行分析

循環水泵最大負荷為90+90+55+37=272kW；補水水泵最大負荷為4+3+2.2=9.2kW。

4.1異步電機耗電計算

2013年11月12日至2014年3月15日運行電表數為596040kW·h，共124天，平均每天用電4806.8kW·h。

4.2永磁同步電機耗電計算

2014年11月12日至2015年3月15日運行電表數為415320kW·h，共124天，平均每天用電3349.4kW·h。

4.32014年與2013年同期相比每天大約節電1457.4 kW·h，按補水泵去年最大負荷24h運行，每天用電為9.2*24=220.8 kW·h，假設去年補水泵全部使用，而今年補水泵全部沒有使用，大約每天節約1236.6 kW·h，共運行124天節電153338.4 kW·h，按每度電一元考慮，124天共節約153338.4元，每天可節約1236.6元。

兩臺90kW節能水泵價格為52750*2=105500元，一個采暖季除收回初投資外，還可再節約47838.4元。

5　檢驗報告

6　結語

以上永磁同步電機系統在水泵上的應用，不改變任何負載的結構和電機的安裝形式，只是替換電機，），與自啟動永磁同步電機和異步電機一樣替換方便，利用永磁同步電機高效的特點，根據負載要求可設置電機轉速，節能更顯著，并根據量的增減去給定電機調速，不用調節閥門達到調整沖次參量。又由于是變頻器停車，沒有失磁的顧慮，對負載機械設備沒有損壞，對電網也沒有大電流沖擊，對供熱系統的節能改造是更為合理的選擇。