永磁同步电动机替换异步电动机的应用与节能分析

安振华

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部，河北唐山063200）

供用电

永磁同步电动机替换异步电动机的应用与节能分析

安振华

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部，河北唐山063200）

介绍了永磁同步电动机的应用及节能降耗作用，分析了对系统的影响和稳定性，给出了具体的节能降耗数据。

永磁同步电动机；节能率；电费；稳定

1 高效高压永磁同步电动机简介

高效高压永磁同步电动机是新一代节能降耗电动机，是将永磁技术运用到电动机领域的新技术，它具有以下主要特点：

1.1 高效率

转子改用永磁材料后，不需要无功励磁电流，永磁体提供的磁通取代电励磁，减少了定子电流和定子电阻损耗；在正常运行时，转子与定子磁场同步运行，转子无感应电流，不存在转子电阻损耗和磁滞损耗，提高电机效率。额定运行时，电机效率大于96%，在30%～80%轻负载运行范围内，电机依然具有较高的效率。

1.2 高功率因数

在永磁同步电动机中，转子无感应电流励磁，定子绕组呈阻性负载特性，电机的功率因数接近于1，而且在20%～120%额定负载范围内，均可保持较高的功率因数与效率，使轻载运行时节能效果更为显著，额定负载运行时，功率因数≥0.98。

1.3 启动转矩大

由于采用实心永磁转子结构，永磁同步电动机具有较大的启动转矩，一般异步电动机的启动转矩为1.8～2.2倍,而永磁电动机的启动转矩可达到3.5～4.3范围之内，缩短电机启动时间。

1.4 体积小，重量轻

与同功率电机相比，体积减少40%，重量减轻16.19%。

永磁电动机还具有如下特征：

（1）运行寿命长；

（2）维护成本低；

（3）磁场强度恒定，无明显退磁现象。

由此可见永磁电动机电压等级高、容量大、功率因数高、输出扭矩大、工作效率高，而且体积小、重量轻、运行温度低、有较宽的经济运行范围，是现有电磁式异步电动机不能比拟的。

该电机广泛应用于冶金、化工、矿山、石油、电力、给排水、建材等领域，在电力系统将创造出可观的价值。

2 永磁电动机的节能降耗技术要点

通过一台355 kW永磁同步电动机实际的工业性试用，经过实际计量的电量数据可以看出永磁同步电动机与异步电动机比较，具有非常明显的技术特征：

（1）355 kW异步电动机实际运行电流22.8 A，无功功率230 kvar,有功功率341 kW，空载电流9.9 A，功率因数0.829。

（2）355 kW永磁同步电动机实际运行电流18.8 A，无功功率2.2 kvar，有功功率333 kW，空载电流3.3 A，功率因数0.999。

（3）两台电动机非常明显的差别表现在实际运行电流和空载电流，运行电流相差4 A，空载电流相差6.6 A，无功功率相差227.8 kvar，功率因数相差0.17。

通过上述实际数据特征我们可以看到，永磁同步电动机表现出了明显的节能降耗技术要点：

（1）应用永磁同步电动机可大幅度降低无功功率损耗。

（2）应用永磁同步电动机可有效的提高系统功率因数。

（3）应用永磁同步电动机可有效的提高运行效率。

（4）应用永磁同步电动机可有效的降低综合有功能耗。

（5）应用永磁同步电动机可降低运行成本。

3 永磁同步电动机替换异步电动机经济运行可行性理论计算

3.1 永磁电动机经济运行理论计算

3.1.1 电动机带负载时的输出功率P2

式中，I1——电流表实测电流；

IN——电动机额定电流；

I0——电动机空载电流；

PN——电动机额定功率。

3.1.2 电动机负载率β2

3.1.3 有功损耗

空载功率：P0=×UN×I0×cosφ

=1.732×10.24×3.3×0.085=4.98 kW

式中：ηN——电动机额定效率；

PN——电动机额定功率；

P0——电动机空载功率。

3.1.4 空载时需要的无功功率Q0

3.1.5 额定负载时需要的无功功率QN

3.1.6 无功功率折算有功损耗ΔP2

3.1.7 电动机总损耗ΣP

3.1.8 总的电动机输入功率

3.1.9 同步转速时总的电动机输入功率

3.2 异步电动机经济运行理论计算

3.2.1 电动机带负载时的输出功率P2

式中，I1——电流表实测电流；

IN——电动机额定电流；

I0——电动机空载电流；

PN——电动机额定功率。

3.2.2 电动机负载率β2

3.2.3 有功损耗

空载功率：P0=■3×U×I0×cosφ

=1.732×10.24×9.9×0.2=35.12 kW

式中，ηN——电动机额定效率；

PN——电动机额定功率；

P0——电动机空载功率。

3.2.4 空载时需要的无功功率Q0

3.2.5 额定负载时需要的无功功率QN

3.1.6 无功功率折算有功损耗ΔP2

3.1.7 电动机总损耗ΣP

3.1.8 总的电动机输入功率

3.1.9 同步转速时总的电动机输入功率

3.2 异步电动机经济运行理论计算

3.2.1 电动机带负载时的输出功率P2

式中，I1——电流表实测电流；

IN——电动机额定电流；

I0——电动机空载电流；

PN——电动机额定功率。

3.2.2 电动机负载率β2

3.2.3 有功损耗

空载功率：P0=■3×U×I0×cosφ

=1.732×10.24×9.9×0.2=35.12 kW

式中，ηN——电动机额定效率；

PN——电动机额定功率；

P0——电动机空载功率。

3.2.4 空载时需要的无功功率Q0

3.2.5 额定负载时需要的无功功率QN

3.2.6 无功功率这算有功损耗ΔP2

3.2.7 电动机总损耗ΣP

3.2.8 电动机总的输入功率P1

永磁电动机替换异步电动机理论综合节电率ΣE：

上述是根据实际实验数据做出的理论计算，理论计算证明永磁同步电动机的综合节电率可达到10.6%，但是由于电度表实际电量计量是根据如下公式计算得到：电量E=1.732×额定电压×实际运行电流×功率因数×T，对此实际运行中虽然永磁电动机与异步电动机之间有4 A的运行电流差，但是由于永磁电动机的功率因数大于异步电动机0.17，造成了永磁同步电动机与异步电动机实际输入功率在计量中得到的数值相差不大，从实际计量数据上无法清楚地看到永磁电动机的实际节能效果。根据实际计量的有关数据如下：

（1）永磁电动机的实测输入功率P=333 kW，cosφ=0.999，I=18.8 A，Q=2.2 kvar；

（2）异步电动机的实测输入功率P=341 kW，cosφ=0.829，I=22.8 A，Q=230 kvar。

那么根据计量的实际值可以看到，永磁电动机确实表现不是很突出，经过实际计算综合节电率只有2.3%。根本体现不出由于永磁同步电动机基本没有无功功率的消耗所带给系统的有效节能效果。

上述计算完全忽略电动机在启动过程中启动电流的差别，由于永磁电动机启动转矩大，启动速度快，启动电流小等特点，现有的异步电动机是无法比拟的。

4 应用永磁同步电动机提高功率因数、降低无功损耗的效益分析

异步电动机的应用很广泛，但是其自然功率因数很低，约0.7～0.8左右，因此对异步电动机或供电系统进行无功补偿，提高功率因数，节约电能是很有必要的。

如果更换一台355 kW的永磁同步电动机替换同功率的异步电动机，那就等于减少了233 kvar的无功功率，根据无功当量在三级变压系统取值0.1计算，每年按6000 h运行，节约的无功折合有功就等于ΔP=KQQH=0.1×230×6000=138000 kW·h，一台永磁电动机就可因非常低的无功功率消耗，6000 h可降低138000 kW·h的有功损耗，电费按0.52元/kW·h，那就是71760元，这样直接就通过永磁电动机很好的完成了无功功率的补偿，可见到实际效益，而且无需再考虑安装无功补偿装置了，一举两得。

根据我们10 kV系统,如果实际完成无功总量的30%补偿，那将得到非常可观的效益。我们现有10 kV系统总的无功量大约有270000 kvar，如果我们按照总无功量的30%进行补偿，ΔP=KQQH=0.1× 270000×30%×6000=48600000 kW·h，实际有功功率就可降低48600000 kW·h，如果利用永磁电动机替换异步电动机，对270000 kvar无功补偿30%就可降低81000 kvar，折合有功功率为8100 kW，如果按一台355 kW异步电动机的实际运行无功量230 kvar计算，8100 kW÷355 kW/台=22.8台，安装23台355 kW永磁电动机就可以有效地降低无功损耗81000 kvar。这样还能解决无功补偿装置在实际应用中存在着诸多问题，例如电容器容易出现的问题，造成过补，过电压，补偿装置投入和退出因电流的问题造成设备损坏等等问题。

所以说利用永磁同步电动机解决无功补偿的问题确实是一个好方法，利用永磁电动机是实实在在地减少无功功率的发生，使得系统电压稳定，电压质量高，而异步电动机由于大量可变无功的发生，占用变压器容量，造成系统电压不稳定，进而影响系统稳定。如果大量安装使用永磁电动机，就能一举两得地解决无功补偿问题和系统稳定问题。这样作为发电系统只需向系统补充少量的无功就可以了，用以维持其他电感性负载运行。而且这只是单一对异步电动机而言。然而在其他方面还有很好的表现，可以为企业带来客观的经济效益。

5 应用条件

（1）永磁高效节能电动机应用在老厂高耗能电动机的改造，会直接见到客观的效益。

（2）永磁高效节能电动机应用在新工程项目可以有效地实现节能目标，可以考虑无功补偿的实用性，避免重复性投资无功补偿装置。

6 永磁同步电动机应用的方向和前景

永磁同步电动机如果作为技术节能产品，在已配置完成的工艺系统中以替换的方式要求用户大范围内应用，作为一台用户十分关心的实际计量数字而言那无疑是困难重重，再加上价格高于异步电动机几倍的现实，很难让用户下决心投入大量的资金换取很长时间的投资回收期，再加上更换下来的异步电动机如何处理等，显然存在着诸多问题需要有效地解决，否则很难以替换的形式让用户接受。

但是，根据实际运行数据的理论计算和实际运行结果看，实际电量计量数据的反映和永磁同步电动机的节能降耗技术特征，作为降低系统无功功率的有效技术手段，利用永磁同步电动机的技术特性，提高功率因数，降低无功功率，对于各个领域如果能够有效地安装使用永磁同步电动机意在提高系统功率因数、降低无功损耗、提高发电机和变压器的有功出力，那将非常有价值，带给企业的将是大幅度运营成本的减少，供电系统的安全稳定，不要单纯地追求计量数字体现的有形价值，更要追求大比例的无形价值，那样永磁电动机的应用就能很好地体现出它它的真正实用价值。

Application of Replacing Asynchronous Motor with Permanent Magnet Synchronous Motor and Energy Saving Analysis

AN Zhenhua
(Energy&Environment Dept.of Shougang Jingtang United Iron&Steel Co.,Ltd,Tangshan,Hebei 063200,China)

The application of permanent magnet synchronous motor and its energy saving and consumption reduction effect are introduced,effect on the system and its stability are analyzed and concrete data on energy saving and consumption reduction are provided as well.

permanent magnet synchronous motor;energy saving rate;electricity cost; stable

TM341

B

1006-6764(2014)05-0001-03

2013－11－19

安振华（1955-），男，1975年毕业于北京钢校工企自动化专业，高级工程师，现从事电气设备管理及技术工作。