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永磁电动机节能原理分析刘雪东

发表时间：2020/6/30 来源：《电力设备》2020年第5期作者：刘雪东

[导读] 摘要：永磁电动机是胶带输送机上的重要传动设备，常用于油田煤矿开发中。

        （内蒙古京宁热电有限责任公司内蒙古乌兰察布市 012000）
        摘要：永磁电动机是胶带输送机上的重要传动设备，常用于油田煤矿开发中。在井下煤矿开采中，胶带输送机在长时间运行下，常因各种因素降低传动效率，提高电能消耗，是同一种典型的低效率、高耗能的设备。基于此，本文对永磁电动机的节电展开研究，并简述了节电后永磁电动机在应用方面的价值，希望为开采节约能源，提高企业经济效益。
        关键词：永磁；同步；高效；节能
        科学技术的进步，变频技术的发展，在井下使用的胶带输送机上，使用智能永磁直驱同步电动机作为驱动模式，能够有效降低电动机无功消耗，节约电能，提高胶带输送机的效能[1]。节能减排、低碳经济是当今世界共同关注的话题，是我国电力产业战略目标，也是发电企业发展绿色产业应负的社会责任。发电厂用电耗用量的降低是电厂节能降耗工作重点关注的目标。据统计，全国电机类设备耗电比例达到总发电量的70%，因此电机类设备的节能降耗是厂用电降低的首要研究对象和重要目标。
        1永磁电机的发展
        世界上发明的第一台电动机是永磁电机。永磁电机因转子上安装有永磁磁钢材料而得名，特点是具有高效节能的优越性能。因为永磁材料成本较高、磁密度低难以制造大容量电机而陷于发展瓶颈。而异步交流电机因价格成本优势却得到快速广泛应用。随着电力电子技术和微计算机的发展，20世纪70年代永磁同步电动机开始应用于交流变频调速系统。由于永磁材料和永磁电机的飞速发展，尤其是电机体积及重量下降，全球各国都在研制永磁电机，其中德国西门子公司纽伦堡电机厂于1986年研制成功一台额定功率为1100kW、转速为230r/min的六相钐钻永磁同步电动机及其控制系统。加拿大纽芬兰大学的M.A.Rahman教授于1990年研制成功当时功率最大的25hp四极异步起动永磁同步电动机，其中效率最高的达到了94%。英国1996年展出了装有两台2100kW永磁电动机名为“海魂”号的轻型隐身护卫舰设计模型。法国的热蒙-施奈德（Jeumont-Schneider）公司于1987年制造了第一台400kW永磁电动机样机，转速为500r/min。该电机与普通电机相比，体积可减小30%～40%，重量也明显减轻。在国内，永磁同步电机的发展比国外要晚。1980年，沈阳工业大学在国内率先从事高效率永磁电动机的研制，开发出我国第一台稀土钻永磁同步电动机（4kW、4极）和第一台钕铁硼永磁同步电动机（1.1kW、6极）。1987年，在机械工业技术发展基金资助下，研制了功率为3kW的4极永磁同步电动机，效率比异步电动机高3.8%，功率因数比异步电机高0.12。1998年，沈阳工业大学特种电机研究所研制开发出了“高效高起动转矩永磁同步电动机”。
        2永磁电机节能原理分析
        2.1异步电动机应用
        在胶带输送机运行中，异步电动机的应用主要存在以下问题：①异步电动机作为输送机的驱动装置，需要偶合器、制动器、减速器等作为辅助设备，设备复杂，增大了检修难度，增大了成本投入；②在煤矿开采过程中，综合开采、综合掘进技术的应用，矿井产能增强，异步电动机驱动下的输送机效率较低，难以及时将开采原煤及时运输出去；③液力偶合器、减速器等的应用中，常出现轴承损坏、液体渗漏等故障，影响了输送机的运行，维护工作量较大；④当胶带输送机重启时，异步电动机会产生较大电流，对电动机带来较大冲击力，电动机寿命降低，并且，常发生胶带拉裂损坏现象，增强了原煤运输成本[2]。对此，节能高效性驱动设施的改造势在必行。
        2.2永磁电动机节电方法
        通过自身多年工作经验，最终决定，选择永磁直驱变频调速装置代替传统驱动装置，以此提高电动机寿命与输送机效能，节约电能。永磁直驱变频调速设置是一款新型驱动装置，装置主要由安全型变频器，稀土低频永磁同步电动机、胶带输送机滚筒组成[3]。驱动装置的核心为永磁同步电动机，永磁同步电动机的应用，电动机初始电流不再是大电流，而是由零开始随着输送机原料的多少逐步提升，有效保护了电动机，节约了电能，解决了传统电动机效率低、高耗能的缺陷。在胶带输送机中，永磁直驱变频调速设置的应用，有效发挥了永磁同步电动机的特点，高效发挥了变频器的调速功能，减速器与液力偶合器直接被取代，节约了成本，避免了电能在系统运行中不必要的消耗，实现了对胶带输送机的同步变频驱动[4]。
        3应用效果
        三相异步电动机的磁场是由转子感应而来，故又称为感应电动机，运行时存在五种损耗：定子铜耗、转子铜（铝）耗、定（转）铁耗、附加损耗及机械损耗，而电动机实际运行中多数都处于“大马拉小车”的轻载或空载状况，此时电动机的运行效率会更低，电能浪费十分严重。稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、高效节能、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，普通电励磁电机的磁场是由通电线圈产生，稀土永磁电机的磁场则由稀土永磁体提供。目前，稀土永磁材料矫顽力高达1000~3000kA/m以上，也就是说1mm厚的永磁体所提供的磁场相当于1000~3000A电流所生产的磁场，这正是稀土永磁电机可以做到高效、高密度、高可靠性以及结构灵活设计的关键所在。永磁电机实现普通的电励磁电机难以达到的高性能、高效率，是目前电机发展的主流。自起动三相稀土永磁同步电动机为具有自起动能力的同步电动机，由于其励磁磁场由永磁体提供，正常运行时不存在转子铜耗和转子铁耗，电动机的损耗主要是定子铜耗，设计良好的永磁同步电动机不仅可以做到没有转子损耗，也可以做到高功率因数（接近1），定子电流及定子铜耗的可以大幅降低；同时也通过优化设计有效降低其他几种损耗，并使总损耗极小化，所以具有很高的节能效果。
        4节能实例分析
        某发电厂将原有的一台异步电机更换成稀土永磁同步电机作为试点，评估其运行后的经济安全指标。改造后，测试电动机节电率，按照同等负载情况下（转速均达到同一转速），输入电流差值除以异步电机电流输入值来计算。不同转速下异步、同步电机数据对比，如表1所示。根据风机、泵类流体性质负载特性，对同一台设备，当输送的流体密度不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律，流量与转速的一次方成正比，扬程与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比；因同步电动机的转速在运转时要比异步电动机高，故在计算电动机运行效率时，需考虑转速不同对轴功率输出的影响，应予以修正，轴功率修正系数公式：

        考虑到在50%和80%转速下转速接近，不予以修正，在100%转速时，永磁电机转速比异步电机转速高16r/min，功率与转速的立方成正比，实际测量过程中，转速在高频段每转速每增加1%，电流同步增长10~15A，照此修正，最终在100%转速情况下节电率=（300-270）/300×100%=10%。
        5结论
        在充分掌握稀土永磁电动机高能效原理的基础上，针对性的对运行设备中裕量较小的异步电动机换型改造，通过永磁技术的应用，使用稀土永磁同步电动机替换异步电动机，解决电动机在容量不增加、电压等级不提高的情况下，降低设备发热、提高设备带载能力问题，完成发电厂提高电动机能效的综合治理，并提炼形成一整套提高发电厂辅机设备提高能效综合治理、优化改造新技术，对于电动机高效能解决现场实际问题具有一定的借鉴意义。
        参考文献
        [1]烧结钕铁硼永磁材料.
        [2]《高效三相永磁同步电动机技术条件》（GB/T22711-2008）（机座号132-280）.
        [3]张立春．永磁同步推进电机研究[D]．武汉：华中科技大学，2005．
        [4]赵清．中型高效永磁同步电动机设计关键技术研究[D]．沈阳：沈阳工业大学，2006．