永磁同步电动机在化纤行业中的应用

上海市能效中心 刘洋 秦宏波

0 前言

电动机广泛应用于工业、建筑等领域，其耗电量占全国总用电量的60%左右，占工业系统用电量的75%左右。由于电机自身能效低且系统匹配不合理，导致我国电机系统运行效率比发达国家低10%～20%[1]，尤其是化纤产品制造行业，其固有的运行特点，节能空间将更大。

1 化纤行业电机使用特点

在化纤工业生产中，聚酯切片干燥设备--转鼓（图1）是主要加工设备，其加工过程为：加料之后，电机转矩通过减速机传递给转鼓，带动转鼓以3.5r/min的转速运行，其运行周期一般在12h以上。启动时，聚酯切片在转鼓的底部，为使转鼓能够顺利起动，常按转鼓最大负荷来选配电动机，而正常运行时负荷率仅在30%左右。

我国转鼓设备中普遍使用的是Y系列三相异步电动机，由于转鼓负荷的特殊性，为了满足设备启动需要，“大马拉小车”现象成为必然。因此，运行过程中电机一直处在低效率状态，造成了能源的浪费。

2 电机系统节能改造原理

稀土永磁是一种高性能的功能材料，它的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积等优异磁性能特别适合于制造电动机[2]。充磁后，无需外加能量就能在电机内部建立进行机电能量转换所必需的磁场，用它制成的高效永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，甚至使功率因数接近1；在稳定运行时，转子与定子磁场同步运行,转子中无感应电流，所以不存在转子电阻损耗，进而降低电机的温升，减小风扇以减少风摩损耗，进一步提高电机效率。

3 电机系统节能改造方案

根据转鼓设备及负载用能特点，对某化纤公司的两台转鼓设备实施了电机节能改造工程。主要将原有三相异步电动机改造为高效三相永磁同步电动机，额定数据如表1所示。

对于异步电动机来说，负载率不同，电机的效率和功率因数变化很大，负载率越低，电机的效率和功率因数随之降低。对稀土永磁同步电动机而言，在轻载条件下仍能够保持较高的效率和功率因数，同时，在相同负载率下，效率较异步电动机要高得多。

表1 三相异步电机与高效永磁同步电机额定数据对比

为了验证永磁同步电动机和三相异步电动机的运行效率，特对两台三相永磁同步电动机产品和两台原有三相异步电动机的性能按国家标准《三相异步电动机试验方法》（GB/T 1032-2005）进行效率测试，效率曲线和功率因数曲线见图2、图3所示。

从电机的测试结果来看，与三相异步电动机相比，永磁同步电动机不仅在额定状态下具有较高的效率和功率因数，而且在轻载时具有较高的效率和功率因数，即电动机具有高的且相对平坦的工作特性曲线，解决了三相异步电动机在轻载时效率和功率因数低的突出问题。所测得的额定运行时的效率和功率因数见表2。

图2 电机效率曲线对比

图3 电机功率因数曲线对比

表2 1#电机效率和功率因数的测试值

表3 1#电机用能测试数据

4 经济性分析

本电机系统改造节电率用对比测定法进行分析，试验分别在配有三相异步电动机和永磁同步电动机在转鼓上进行，两台转鼓运行工况完全一致，测试周期为3.5h。表3为三相异步电动机和永磁同步电动机在相同时间内测得的数据。

1）有功节电率计算

式中：W1—异步电动机有功电量;

W2—稀土永磁电动机有功电量;

2）无功节电率计算

式中：Q1—异步电动机无功电量；

Q2—稀土永磁电动机无功电量；

3）年节电费用

表4 1#电动机改造经济性分析

电机以每年运行6000h，电价为0.68元/kWh计算，则年节电费用为：

年节电费用=电机功率×电机负载率×有功节电率×年运行时间×电价=5.5×26.5%×21.6%×6000×0.68＝1284（元）

综上，聚酯切片干燥设备电机节能改造经济性分析如表4所示[4][5],即本改造项目在没有任何政策补贴的情况下，投资回收期约2.5年；考虑到目前国家和上海市对高效电机的补贴以及旧电机的价值，投资回收期可降为1.6年，节能经济性显著。

5 结论

稀土永磁同步电动机是一种新型高效节能的产品，其效率和功率因数在轻载时较三相异步电动机高很多。在启动力矩要求高、运行负载低的场合节能效果明显，对类似负载的节能改造投资回收期较短，充分运用国家和地方的鼓励政策后投资经济性显著，可在行业中普遍推广。

[1]周胜 赵凯.《电机系统节能实用指南》.机械工业出版社.2009.9

[2]王秀和等.《永磁电机》（第二版）.中国电力出版社.2011.1

[3]《三相异步电动机试验方法》（GB/T 1032-2005）

[4]财政部 国家发展改革委.《关于做好2011年高效电机推广工作的通知》财建〔2011〕62号

[5]上海市人民政府办公厅.《上海市加快高效电机推广促进高效电机再制造工作方案》沪府办发〔2011〕62 号