淺談永磁電動機在火電廠中的應(yīng)用

摘 要：本文主要論述了永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理以及相應(yīng)的優(yōu)缺點，并簡析了永磁電動機在火電廠中的應(yīng)用。永磁同步電動機是一種高效低耗、結(jié)構(gòu)簡單的電動機，是火力發(fā)電廠設(shè)備工程的一次良好升級。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；火電廠；應(yīng)用分析；效率

前言

在新時代，中國對于節(jié)約能源的重視程度越來越高，節(jié)能已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略方案，既能帶來較大的社會效應(yīng)和自然效應(yīng)，又具有一定的復(fù)雜性和緊迫性。近些年來，電動機系統(tǒng)的節(jié)能被列為國家的重點工程。我國各種電動機的實際運行效率比國外的電動機相對較低，但是我國的耗電量是非常高的，這就使得我們必須發(fā)展高效節(jié)能的電動機（比如永磁電動機）。永磁同步電動機的使用能夠讓火力發(fā)電廠節(jié)省很多的設(shè)備成本和能量損耗，并且在一定程度上（比如輕載荷情況）提高設(shè)備的工作效率。

1、永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理

1.1永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)

永磁同步電動機（permanent magnet synchronous motor，即PMSM）主要是由端蓋、定子和轉(zhuǎn)子等多個部件構(gòu)成，與異步電動機最大的不同就是永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上放置有永磁體磁極，磁極的質(zhì)量比較高。永磁體磁極的放置位置和放置方式對電動機的影響非常顯著，根據(jù)轉(zhuǎn)子的安放位置可以將永磁同步電動機分為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其中表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體磁極位于轉(zhuǎn)子鐵芯外表面，具有結(jié)構(gòu)簡單、異步轉(zhuǎn)矩小的特點，通常運用于啟動要求低的情況；內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與表面式不同，其永磁體磁極放置在鼠籠導(dǎo)條與轉(zhuǎn)軸之間的鐵芯內(nèi)，具有啟動性能好的特點。鑒于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對突出的優(yōu)勢，目前大多數(shù)的永磁同步電動機都采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

2.永磁同步電動機的工作原理及優(yōu)缺點

永磁同步電動機的工作一般是由定子繞組、永磁體磁極、轉(zhuǎn)子繞組這三個結(jié)構(gòu)完成，在工作過程中，這三個結(jié)構(gòu)相互作用、相互影響形成穩(wěn)定的磁場。永磁同步電動機的工作原理主要是：首先，向定子繞組中通入一定的三項對稱電流并在定子繞組中產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場又在轉(zhuǎn)子繞組中相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運用進而形成電流，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場；定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速通常情況下是不相同的，會產(chǎn)生一定的交變轉(zhuǎn)矩，并且相互作用使得轉(zhuǎn)子在異步轉(zhuǎn)矩的促進下從靜止?fàn)顟B(tài)逐漸開始加速轉(zhuǎn)動。隨著轉(zhuǎn)子的速度不斷增大，定子旋轉(zhuǎn)磁場速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度不斷接近，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度增大到同步轉(zhuǎn)速附近時，定子旋轉(zhuǎn)磁場速度一般稍稍大于永磁磁場，這種情況下，定子旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使得轉(zhuǎn)子進入同步運行狀態(tài)。在同步運行狀態(tài)下，定子旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度非常接近，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)中也幾乎不會再產(chǎn)生電流，只有永磁體磁極產(chǎn)生一定的磁場并且與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。在永磁同步電動機的整個工作過程中，轉(zhuǎn)子繞組的異步轉(zhuǎn)矩是啟動電動機的主要原理，并且轉(zhuǎn)子繞組只在啟動電動機的時候發(fā)揮作用，啟動之后，永磁同步電動機的運行主要是靠永磁體磁極和定子繞組的磁場相互作用產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩支持。

2.1永磁同步電動機的優(yōu)點

1）功率因數(shù)高

永磁同步電動機的功率因素相較于普通異步電動機具有非常明顯的優(yōu)勢，其功率因數(shù)高且不受電動機級數(shù)的影響，并且當(dāng)電動機滿負載的時候其功率系數(shù)更接近于1（普通異步電動機在這種情況下的功率因數(shù)一般在0.85左右）。在高功率因數(shù)的影響下，電動機配套的變壓器（電源）容量可以相應(yīng)的有所降低，還能夠降低相關(guān)設(shè)備的規(guī)格參數(shù)（比如開關(guān)設(shè)備、電線等）。此外，永磁同步電動機的電動機電流相對較小，因此電動機的定子銅耗較少，效率更高。永磁同步電動機的工作效率非常高，并且高效率運行的范圍也比較寬（比如在輕度載荷條件下，永磁同步電動機可以實現(xiàn)在百分之二十五到百分之一百二十的范圍內(nèi)工作效率達到百分之九十以上）。永磁同步電動機的額定效率可以達到國標(biāo)的1級要求，具有良好的經(jīng)濟效應(yīng)和節(jié)能效應(yīng)，這是永磁同步電動機相對于異步電動機的一個突出優(yōu)勢。

在這里需要注意的是，電動機的實際運行中，其運行工作基本不會再滿功率的情況下運行，主要原因有：

（1）在選擇電動機型號時，相關(guān)工作設(shè)計人員為了保證電動機的工作穩(wěn)定性和安全性，主要使根據(jù)負載等工況的極限狀態(tài)來選擇電動機的功率。在實際工作中，這種極限工作狀態(tài)很少發(fā)生，工作人員這樣選擇電動機功率的目的是為電動機保留一定的功率裕量，防止電動機的燒壞、損傷的發(fā)生。

（2）除了滿足電動機的極限工況，設(shè)計人員還會在用戶要求的基礎(chǔ)上再留一定的功率裕量，從而增強電動機的可靠性。

因此，電動機通常情況下是在輕載條件下工作，很多電動機的實際工作效率在額定功率的70%以下，比如火力發(fā)電廠的泵體結(jié)構(gòu)等。在這種前提條件下，永磁同步電動機的輕載工作效率能夠保持非常高的水平，相對于異步電動機具有非常明顯的優(yōu)勢。

2）損耗低、溫升低

一方面，永磁同步電動機的永磁體磁極產(chǎn)生磁場，相對于其它通過勵磁電流產(chǎn)生磁場的電動機，有效的避免了勵磁損耗即銅耗。另一方面，在永磁同步電動機啟動后轉(zhuǎn)子不參與工作，并且轉(zhuǎn)子的運行沒有電流，這就能夠有效地降低永磁同步電動機在工作時的溫度上升現(xiàn)象。

3）其他

除了上述突出優(yōu)點以外，永磁同步電動機還具有啟動時間快、過載能力高等特點。永磁同步電動機的實際控制和管理比較方便，工作的效率比較穩(wěn)定，不隨電動機級數(shù)、電壓和負載的變化而發(fā)生較大波動，并且永磁同步電動機的動態(tài)性能比較好，非常適合變頻控制。此外，由于永磁同步電動機的大范圍高功率，可以適當(dāng)?shù)亟档碗妱訖C的裝機容量，這樣既能節(jié)約能源又能減少電動機的投資成本，帶來非常良好的工作效益和經(jīng)濟效益。

3、永磁同步電動機在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用

在火力發(fā)電廠中采用永磁同步電動機需要著重考慮永磁同步電動機的工作特點和優(yōu)勢以及設(shè)計制造的價格因素，選擇合適的設(shè)備能夠給相關(guān)工程設(shè)計帶來很多的好處，選擇相關(guān)設(shè)備主要遵從的原則主要有：

（1）重視永磁同步電動機工程的運行壽命，選擇合適的參數(shù)指標(biāo)，比如年運行時長、負荷變化率等因素。

（2）重視永磁同步電動機工程的電壓等級、火力電廠電消耗等因素。隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對于電力電能需求不斷上升的背景下，高壓輔機的電量總消耗占據(jù)了非常大的部分，因此正確地選用永磁同步電動機是降低火力發(fā)電廠耗電量、用電率等因素的關(guān)鍵。

（3）在選擇火力發(fā)電廠永磁同步電動機的型號時，一定要計算工程的投資和回收期。主要的測算原理就是：規(guī)定年利用周期為5500個小時，標(biāo)準(zhǔn)煤耗為275g/kWh，價格為400元/噸或者700元/噸，永磁同步電動機的成本價格按照相同型號異步電動機的1.5倍為準(zhǔn)。在這樣的條件下進行計算，選擇運行時間長、年運行小時多的電動機。在測算的過程中可以明顯地發(fā)現(xiàn)，永磁同步電動機帶來的經(jīng)濟效益比異步電動機要大很多。

4、結(jié)束語

永磁同步電動機已經(jīng)在多個行業(yè)得到廣泛的使用，比如橡膠行業(yè)、冶金行業(yè)、紡織行業(yè)等，在這些領(lǐng)域運用累積得到的設(shè)計和工作經(jīng)驗?zāi)軌驗橛来磐诫妱訖C在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用提供豐富的參考。隨著設(shè)備技術(shù)的不斷提高，我國制造業(yè)的制造水平不斷上升，制造的效率不斷提高，而設(shè)備銷售的價格不斷下降。新時代，永磁同步電動機作為降低火力發(fā)電廠耗電量等因素的重要技術(shù)，在制造業(yè)不斷升級的背景，一定會有越來越光明的應(yīng)用前途。

參考文獻：

[1]何濤.趙杰.磨煤機改裝永磁同步電動機節(jié)能效果分析[J].熱力發(fā)電.2017.

[2]段玉強.永磁同步電動機在火力發(fā)電廠的應(yīng)用探究[J].神華科技.2017.

作者簡介：

祝茹龍（1983.6——）男，哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，電氣工程及其自動化大專學(xué)歷，主要從事電氣專業(yè)運行工作。