永磁同步電動(dòng)機(jī)在化纖行業(yè)中的應(yīng)用

上海市能效中心 劉洋 秦宏波

0 前言

電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑等領(lǐng)域，其耗電量占全國(guó)總用電量的60%左右，占工業(yè)系統(tǒng)用電量的75%左右。由于電機(jī)自身能效低且系統(tǒng)匹配不合理，導(dǎo)致我國(guó)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低10%～20%[1]，尤其是化纖產(chǎn)品制造行業(yè)，其固有的運(yùn)行特點(diǎn)，節(jié)能空間將更大。

1 化纖行業(yè)電機(jī)使用特點(diǎn)

在化纖工業(yè)生產(chǎn)中，聚酯切片干燥設(shè)備--轉(zhuǎn)鼓（圖1）是主要加工設(shè)備，其加工過(guò)程為：加料之后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)鼓，帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓以3.5r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，其運(yùn)行周期一般在12h以上。啟動(dòng)時(shí)，聚酯切片在轉(zhuǎn)鼓的底部，為使轉(zhuǎn)鼓能夠順利起動(dòng)，常按轉(zhuǎn)鼓最大負(fù)荷來(lái)選配電動(dòng)機(jī)，而正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷率僅在30%左右。

我國(guó)轉(zhuǎn)鼓設(shè)備中普遍使用的是Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)鼓負(fù)荷的特殊性，為了滿足設(shè)備啟動(dòng)需要，“大馬拉小車”現(xiàn)象成為必然。因此，運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)一直處在低效率狀態(tài)，造成了能源的浪費(fèi)。

2 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)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(yōu)異磁性能特別適合于制造電動(dòng)機(jī)[2]。充磁后，無(wú)需外加能量就能在電機(jī)內(nèi)部建立進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所必需的磁場(chǎng)，用它制成的高效永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，甚至使功率因數(shù)接近1；在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流，所以不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而降低電機(jī)的溫升，減小風(fēng)扇以減少風(fēng)摩損耗，進(jìn)一步提高電機(jī)效率。

3 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造方案

根據(jù)轉(zhuǎn)鼓設(shè)備及負(fù)載用能特點(diǎn)，對(duì)某化纖公司的兩臺(tái)轉(zhuǎn)鼓設(shè)備實(shí)施了電機(jī)節(jié)能改造工程。主要將原有三相異步電動(dòng)機(jī)改造為高效三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，額定數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，負(fù)載率不同，電機(jī)的效率和功率因數(shù)變化很大，負(fù)載率越低，電機(jī)的效率和功率因數(shù)隨之降低。對(duì)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)而言，在輕載條件下仍能夠保持較高的效率和功率因數(shù)，同時(shí)，在相同負(fù)載率下，效率較異步電動(dòng)機(jī)要高得多。

表1 三相異步電機(jī)與高效永磁同步電機(jī)額定數(shù)據(jù)對(duì)比

為了驗(yàn)證永磁同步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，特對(duì)兩臺(tái)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品和兩臺(tái)原有三相異步電動(dòng)機(jī)的性能按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 1032-2005）進(jìn)行效率測(cè)試，效率曲線和功率因數(shù)曲線見圖2、圖3所示。

從電機(jī)的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，與三相異步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)不僅在額定狀態(tài)下具有較高的效率和功率因數(shù)，而且在輕載時(shí)具有較高的效率和功率因數(shù)，即電動(dòng)機(jī)具有高的且相對(duì)平坦的工作特性曲線，解決了三相異步電動(dòng)機(jī)在輕載時(shí)效率和功率因數(shù)低的突出問題。所測(cè)得的額定運(yùn)行時(shí)的效率和功率因數(shù)見表2。

圖2 電機(jī)效率曲線對(duì)比

圖3 電機(jī)功率因數(shù)曲線對(duì)比

表2 1#電機(jī)效率和功率因數(shù)的測(cè)試值

表3 1#電機(jī)用能測(cè)試數(shù)據(jù)

4 經(jīng)濟(jì)性分析

本電機(jī)系統(tǒng)改造節(jié)電率用對(duì)比測(cè)定法進(jìn)行分析，試驗(yàn)分別在配有三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行，兩臺(tái)轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行工況完全一致，測(cè)試周期為3.5h。表3為三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)在相同時(shí)間內(nèi)測(cè)得的數(shù)據(jù)。

1）有功節(jié)電率計(jì)算

式中：W1—異步電動(dòng)機(jī)有功電量;

W2—稀土永磁電動(dòng)機(jī)有功電量;

2）無(wú)功節(jié)電率計(jì)算

式中：Q1—異步電動(dòng)機(jī)無(wú)功電量；

Q2—稀土永磁電動(dòng)機(jī)無(wú)功電量；

3）年節(jié)電費(fèi)用

表4 1#電動(dòng)機(jī)改造經(jīng)濟(jì)性分析

電機(jī)以每年運(yùn)行6000h，電價(jià)為0.68元/kWh計(jì)算，則年節(jié)電費(fèi)用為：

年節(jié)電費(fèi)用=電機(jī)功率×電機(jī)負(fù)載率×有功節(jié)電率×年運(yùn)行時(shí)間×電價(jià)=5.5×26.5%×21.6%×6000×0.68＝1284（元）

綜上，聚酯切片干燥設(shè)備電機(jī)節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析如表4所示[4][5],即本改造項(xiàng)目在沒有任何政策補(bǔ)貼的情況下，投資回收期約2.5年；考慮到目前國(guó)家和上海市對(duì)高效電機(jī)的補(bǔ)貼以及舊電機(jī)的價(jià)值，投資回收期可降為1.6年，節(jié)能經(jīng)濟(jì)性顯著。

5 結(jié)論

稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種新型高效節(jié)能的產(chǎn)品，其效率和功率因數(shù)在輕載時(shí)較三相異步電動(dòng)機(jī)高很多。在啟動(dòng)力矩要求高、運(yùn)行負(fù)載低的場(chǎng)合節(jié)能效果明顯，對(duì)類似負(fù)載的節(jié)能改造投資回收期較短，充分運(yùn)用國(guó)家和地方的鼓勵(lì)政策后投資經(jīng)濟(jì)性顯著，可在行業(yè)中普遍推廣。

[1]周勝 趙凱.《電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能實(shí)用指南》.機(jī)械工業(yè)出版社.2009.9

[2]王秀和等.《永磁電機(jī)》（第二版）.中國(guó)電力出版社.2011.1

[3]《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 1032-2005）

[4]財(cái)政部 國(guó)家發(fā)展改革委.《關(guān)于做好2011年高效電機(jī)推廣工作的通知》財(cái)建〔2011〕62號(hào)

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