永磁同步电机在工业领域的节能技术研究

永磁同步电机在工业领域的节能技术研究

李恕

340323198311017113 合肥奕盛智能科技有限公司

摘要：现如今，随着社会建设的不断发展，我国经济发展迅速，节能减排成为工业生产中不可忽视的重要因素，而工业领域耗电的重点之一是电机耗能。永磁同步电机作为一种新型节能电机，凭借其高效率、高功率因数、低损耗、温升低、噪声小等特性，正逐步取代传统的异步电动机。通过对工业领域永磁同步电机的结构、工作原理、性能特点及节能效果进行分析，并对比异步电机的测试数据和用户使用效果，总结出永磁同步电机不同工况和负载下使用的优势，帮助企业在生产中降低电能的消耗，符合国家节能减排要求，同时为工业生产降低成本，实现经济效益最大化。

关键词：永磁同步电机；工业领域；节能技术

引言

随着《中国制造２０２５》的贯彻和实施，我国纺织工业也面临着由纺织大国向纺织强国的全面转型升级。纺织生产设备高速化、智能化、自动化日新月异，节能减排、绿色发展新举措、新方法、新装备不断涌现。节能降耗将成为企业管理的重要课题。纺织厂通用设备的良好运行和节能新技术、新工艺、新理念的运用，会给企业降低成本、提高竞争力带来意想不到的效果。电机是所有纺织设备重要组成部分，电机本身的节电效果直接影响纺织设备的运行效益。本文就永磁同步电机节能改造的实践进行以下总结。

1细纱机电机节能改造的重要性

节能减排已成为我国国策，我国以法制手段实施电机能效提升，对电机节能指标措施严、力度大，国家推行了“十大节能工程”，其中包括电机节能工程。对于纺织行业来讲，纺纱行业是能耗大户，节能潜力更大。对于纺织厂来讲：细纱机是纺纱厂中数量最多的一种设备，细纱机是属于２４ｈ不间断运行、全年几乎不停机的耗电设备，其耗电约占企业总耗电量的７０％左右。

2永磁同步电机性能特点

2.1永磁同步电机的高效率

电机转子上采用永磁材料提供恒定磁场，所以与异步电机相比没有转差率，可达到供电频率下的同步转速，例如50Hz下，4极同步电机达到1500r/min，而异步电机由于转差率的存在，一般为1450～1480r/min，当使用同规格同步电机替代异步电机使用时，二者达到相同转速下，永磁同步电机的定子电流更小，进而定子绕组的铜损下降，系统的效率提高。永磁转子由永磁体励磁，无励磁电流，因此功率因数高，同时，同步电机的铁芯材料牌号一般选择较高，例如WW470、WW310等，异步电机一般选用WW600、WW800的牌号，其铁芯损耗也较异步电机低，以上几点使同步电机整体效率大为提升，超出国标《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》（GB18613—2020）的最高能效1级的效率值。永磁同步电机最大优势是电机在低负载率时仍能保持高效，如在满载时效率95%，而60%负载率时依然能保证效率在94%，而异步电机60%负载率时效率在80%甚至以下，所以使用永磁同步电机替代异步电机的节电率通常可达10%～40%。

2.2永磁同步电机的控制方式

永磁同步电机因使用工况不同，设计理念和控制方式也随之改变，工业领域常见的有变频启动和异步自启动2种控制方式，变频启动需要专用变频器对永磁同步电机进行起动和调节，使用了变频驱动后，不但可根据工况（待料或上料）任意改变电机频率达到调速目的，还可实现软启动软停车（启动电流只有额定电流的1.2倍），避免了对设备和电网的冲击。而对于有些现场空间有限，且转速恒定的工况下，可采用自启动永磁同步电机直接替换，该电机转子上有启动笼条结构，同时具有工频供电启动和电机高效率的特点，但其缺点是转速无法调节，在低负载率的工况下，效率较变频启动的永磁同步电机略低。

2.3永磁同步电机的高功率因数

永磁同步电机无励磁电流，所以功率因数几乎为1（甚至容性），因此工厂电网可减少电容无功补偿。根据国家规定，工厂的功率因数不得低于0.9，因此，大批量使用永磁同步电机后，整个工厂的功率因数大幅提高，无功功率大幅降低，可以减小甚至取消电容无功补偿。同时永磁同步电机的无功补偿是实时就地补偿，从而使得工厂的功率因数更平稳，对其他设备的正常运行非常有利，并可减少工厂内电缆传输的无功损耗，起到综合节能的效果。

3节能效果与经济性分析

3.1水泵、风机类负载节能效果

永磁同步电机在替代异步电机使用时，负载设备不同，节电效果也各有不同，对于水泵、风机类负载，原异步电机在负载变化时，通过调节阀门开度、进风或排风口用闸板，实现对流量、风量的控制。计量原异步电机的能耗时，应准确测量出设备产能下的流量和风量数据，一般采用设备历史流量、风量、风压下的电机电流数据进行计算，也可根据风机的特性曲线以及风门开度进行计算。最终水泵流量、风机风量决定了使用永磁同步电机改造后的节电率，而电机电流大小决定了节电量。在水泵类负载中，通过将原异步电机替换成永磁同步电机并配合变频装置，可根据负载的变化自动调节运行频率，使电机运行在最理想的状态，根据企业大量同类工况实际应用统计，替代后可实现10%～40%的节电率。在风机类负载中，通过将原异步电机替换成永磁同步电机并配合变频装置，可根据负载的变化自动调节运行频率，使电机运行在最理想的状态，根据企业大量同类工况实际应用统计，在钢铁、水泥等行业的节电率也可达到10%～25%。

3.2节能经济效益分析

合理使用永磁同步电机对原工况老旧异步电机进行节能改造，通常关注其节电率是否能达到10%以上，但节电率是与新电机和原电机节电量差值的比值，是一个相对值，节电率高并非节电总量就大、节能经济效益就高。对于主驱动设备的大功率电机而言，要综合考虑电机总功率和运行时间，节能效益不仅要从企业改造投资回收期计算，也需考虑电机全寿命周期带给企业的收益以及设备改造后的节能减排社会效益。根据《包括变速应用的能效电动机的选择-应用导则》（GB/T29326—2012）运行成本中关于电动机的平均寿命周期的规定，11~110kW平均寿命15a，110～370kW平均寿命20a。因此选用永磁同步电动机是一项一次性投资、长期受益的过程。

4细纱机整机能耗分析

在细纱机上外接电表，记录每落纱周期内的电表读数，对改进前后细纱机生产每一落纱纱线的用电量各记录数据20次；并抽样测量每管纱的纱线重量，根据其结果乘以细纱机480锭，估算细纱机本周期内的纱线生产质量。并根据式（3）计算每千克纱线的耗电量，并求取平均耗电量，比较综合节电率。可以看出，改进前生产每千克纱线平均耗电约1.01kW·h；改进后生产每千克纱线平均耗电约0.92kW·h，综合节电率约为9%，改造后的细纱机在纱线生产方面节能效果提升显著。

结语

永磁同步电机能够满足各类驱动设备生产需求，与变频控制系统联合使用，可以适应各类场合产能产量变化的要求，电机本身具有高效率、高功率因数、低启动和运行电流等优良性能。在工业领域使用永磁同步电机，可大量节约电能，合理使用永磁同步电机对老旧异步电机进行更换改造，能达到节能降碳增效的目的，长期使用能切实有效降低运行成本，实现工业领域电机节能增效科学可持续发展，为实现碳达峰、碳中和目标形成强有力的支撑。

参考文献

［1］王秀和.永磁电机［M］.北京：中国电力出版社，2022.

［2］方大千，朱征涛.实用电动机速查速算手册［M］.北京：化学工业出版社，2022.

［3］戴国洪，周自强.机电产品绿色回收与再利用技术［M］.北京：机械工业出版社，2022.