稀土永磁电机与变频技术相结合在供热循环系统中的应用

倪洪伟　隋毅

（1天津市滨海供热集团有限公司天津3004562天津市佰特尔能源科技有限公司天津300162）

稀土永磁电机与变频技术相结合在供热循环系统中的应用

倪洪伟1隋毅2

（1天津市滨海供热集团有限公司天津3004562天津市佰特尔能源科技有限公司天津300162）

众所周知，电机是以磁场为媒介进行电能与机械能相互转换的电力机械。磁场可以由电或由永磁体产生。稀土永磁同步电动机，是在电动机转子内部安装永磁体以代替异步电动机定子绕组产生感应磁场，而制成的具有自起动能力的永磁同步电动机。其在节能方面，有显著的特点，稳定运行时转子没有电阻损耗，定子减少电阻损耗，电机总损耗便可相应减少。其次，由于永磁电机的磁场由永磁体产生，不需要定子增加无功励磁电流，更使得电机的功率因数大幅提高。以下已仁爱花园换热站举例说明。

稀土永磁电机；变频技术；供热循环系统

1　项目背景

仁爱花园供热站始建于2004年，至今运行11年，供热面积为38×104m2。换热站分三个区域供热：低区、高区和工业园区，具体用能设备如表1。

表1　仁爱花园供热站具体用能设备

2　改造方案

通过采用稀土永磁电机水泵+变频技术达到供热节能和安全稳定运行，故我们选用在低区供热系统改造两台地区循环泵，低区循环水泵为两用一备，设备功率为90kW，设备的更换不需要对原系统和管路进行改造。

针对于仁爱换热站的节能改造我公司提出的方案为：稀土永磁电机水泵+变频控制相结合的方案。

2.1电机原理对比和变频控制技术分析

稀土永磁体是一种高性能材料，具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积等优异磁性能，用它制成的永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要用以产生磁场的无功励磁电流，可以显著提高功率因数，使永磁同步电动机的功率因数为1，甚至达到容性，同时也减少了定子电流和定子电阻损耗；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，进而电机的温升有更大裕度，从而可以将风扇减小甚至不安装风扇，以减少风摩损耗，从而可进一步提高电机效率。因此，稀土永磁同步电动机很容易设计或制造成高效或超高效电机。其特点和优点是：（1）稀土永磁同步电动机无滑差，转子上无基波铁耗、铜耗；（2）稀土永磁同步电动机在满载和轻载、空载时，功率因数均可达到1.0左右，无功功率小，使定子电流下降，定子铜耗减少，效率提高；（3）稀土永磁同步电动机效率特性有高而平的特点，在轻载到满载之间相当宽的区域内效率为最高；（4）具有较高的起动转矩。

2.2驱动电机的选择

采用永磁同步电机。

2.3负载对驱动系统要求

由于在大多数供热设计和实际供热中，出末寒的温度不同，负载也不同，所以根据这个特点在工况选型时必须配以超出实际运行功率很多的水泵，以获得在运行期和突发情况下的供热保障。但从整体运行而言，是所谓的“大马拉小车”。实际使用中，实际负载运行功率只有选配电机额定功率的1/2～2/3负载。

上述所配的异步电机由于本身的特点，无论是低效和高效的电机在低负荷运行状态下都呈现较低的效率，如电机满载（额定）时的设计效率为92%，而在其1/2负荷状态下，效率只有70%以下甚至更低，这就导致了很多负载在实际运行时呈低效状态。

这次在水泵设备上我们选用的为稀土永磁电机，既能避免上述不足和缺陷，又能充分发挥永磁电机无论在低载还是高负载率的情况下能效指标高的特点。

2.4电机的损耗对比

异步电机：

P=定子铜耗+定子铁耗+杂散损耗（风损耗）+机械损耗+转子损耗+转子铜耗

永磁同步电机损耗：

P=定子铜耗+定子铁耗+杂散损耗（风损耗）+机械损耗

从上述对比看，除了共同有的四大损耗，异步电机还有转子方面的损耗，而永磁电机没有转子方面的损耗。之所以永磁电机没有转子损耗，是因为永磁电机转子是由稀土永磁体磁钢构成，本身产生磁力，没有损耗。所以永磁同步电机损耗更小、效率更高。

2.5节能的优势及特点组成

启动扭矩大，并针对负载在低载运行的特点特殊设计，使之在更宽的运行区段更具有高效性，当电机额定效率能达到95%，60%负载率情况下能达到90%（异步电机只有70%以下）。

控制变频器选用国产能驱动永磁电机（如采用进口变频器成本将增加），采取矢量控制更能使本身效率为最佳。

2.6各种电机负载率与效率的比较

图1　各种电机负载率与效率的比较

事实上，本套机构为机电一体化共同作用，各自配合发挥到最大能效的组合体，其中每一部分缺一不可。

电机高效：电机从低负载和高负载情况下都能保持高效率，并有相对较大的启动转矩（堵转转矩），节电率在15%～30%间。

2.7变频器的功效

与同步启动永磁电机和异步电机相比，通过变频器可实现电机的软启动和软停车，避免上述所提到的过大的启动电流造成永磁电机的反向充磁而导致失磁。

同时，随着负载转速的变化，通过改变变频器频率调整电机速度，可起到调整转速的作用，随着转速的降低，使用功率也随之降低。当负载变化提高时可加快电机速度降低使用转矩，到达节能目的，当使用高速时，功率提高提高效率，达到节能降耗的目的。

以上二者配合各自发挥最佳作用，与各种交流异步电机相比，使节电效果达到15%以上。

3　实际运行分析

以热力公司仁爱换热站今年运行44天的运行记录进行分析。在相同运行状况下，运行124天同期对比节电量180720kW·h。

表2　改造后设备清单

表3　热力公司仁爱站2013～2014用电运行数据对比

4　改造后数据进行分析

循环水泵最大负荷为90+90+55+37=272kW；补水水泵最大负荷为4+3+2.2=9.2kW。

4.1异步电机耗电计算

2013年11月12日至2014年3月15日运行电表数为596040kW·h，共124天，平均每天用电4806.8kW·h。

4.2永磁同步电机耗电计算

2014年11月12日至2015年3月15日运行电表数为415320kW·h，共124天，平均每天用电3349.4kW·h。

4.32014年与2013年同期相比每天大约节电1457.4 kW·h，按补水泵去年最大负荷24h运行，每天用电为9.2*24=220.8 kW·h，假设去年补水泵全部使用，而今年补水泵全部没有使用，大约每天节约1236.6 kW·h，共运行124天节电153338.4 kW·h，按每度电一元考虑，124天共节约153338.4元，每天可节约1236.6元。

两台90kW节能水泵价格为52750*2=105500元，一个采暖季除收回初投资外，还可再节约47838.4元。

5　检验报告

6　结语

以上永磁同步电机系统在水泵上的应用，不改变任何负载的结构和电机的安装形式，只是替换电机，），与自启动永磁同步电机和异步电机一样替换方便，利用永磁同步电机高效的特点，根据负载要求可设置电机转速，节能更显著，并根据量的增减去给定电机调速，不用调节阀门达到调整冲次参量。又由于是变频器停车，没有失磁的顾虑，对负载机械设备没有损坏，对电网也没有大电流冲击，对供热系统的节能改造是更为合理的选择。