浅谈稀土钕铁硼永磁电机在铁路电力驱动系统中的应用

2013-11-27李宝文

铁路节能环保与安全卫生 2013年5期

李宝文

(兰州铁路局计统处，甘肃兰州 730000)

1 背景

国际能源署电动机工作组报告指出:全世界工业用电动机消耗了总发电量的30% ～40%，其系统优化节能潜力可达到30% ～60%。我国“十二五”十大重点节能工程，电动机系统节能工程是其中之一。该工程的主要内容是:推广高效节能电动机、稀土钕铁硼永磁电动机等;更新淘汰低效电动机及高耗电设备。高效率、高功率因数、高起动转矩、高功率密度、高互换性、低温升稀土钕铁硼永磁同步电动机是电动机中有较高技术含量的产品，是国家“863”计划中重大专项。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土钕铁硼永磁电机为代表的各种永磁同步电机，对我国企业节能减排具有重要的意义。

目前，稀土钕铁硼永磁电机在国内矿山、钢铁、石油等行业已有应用，但铁路电力驱动系统还没有普遍使用。铁路系统电力拖动负载的常规三相异步电机功率因数和使用效率较低。2012年兰州局生产生活电力消耗1.56亿kW·h，主要电力驱动设备耗电1.04亿kW·h，占66.8%。其中耗电较大的动力设备主要有空压机、鼓引风机、水泵、机床、起重机械设备等。对大功率电力驱动设备采取节能措施，对全局节能减排、降低成本支出意义重大。

本文对稀土钕铁硼永磁电机与常规三相异步电机的对比试验研究，通过同等条件下试验数据统计，分析稀土钕铁硼永磁电机与常规电机的能效比，以及所产生的经济效益和应用价值，为下一步在较大范围内使用稀土钕铁硼永磁电机提供科学依据，为节能降耗找到新的突破口。

2 永磁同步电动机的节能原理

永磁同步电动机在其转子磁路中嵌入稀土钕铁硼的永磁材料，保留鼠笼绕组，使得永磁同步电动机能够在额定电压、额定频率下直接异步起动运行。电机运行时，由永磁体的永久磁能提供励磁，无需由电网汲取无功励磁电流，故而功率因数高，在保证同样输出功率的条件下，降低了能耗。

3 研究方法

3.1 技术路线

为建立稀土钕铁硼永磁电机与常规三相异步电机相同条件下的对比实验环境，确定科学研究实验采集数据分析的具体内容，本课题项目研究试点选在兰西工务段沙金坪采石场，采用稀土钕铁硼永磁同步电机系统替代原有异步电动机驱动的破碎机(两台电机运行工况完全相同，见图1)，对比分析改造前后的有关数据(电压、电流、有功功率、无功功率)。

图1 兰西工务段采石场同样工况设备示意图

3.2 测试方法

使用进口高精度功率测试仪，对比测试永磁同步电动机，三相异步电动机。对有功功率、无功功率、功率因数、电压、电流的平均值、最大值、最小值、累计值完整记录。测量接线见图2。

图2 测量接线图

3.3 计算方法

按图3所示的三角法计算。

图3 功率三角法

4 试验效果分析

4.1 试验数据分析

2012年8月22日至9月26日期间运行228 h，对兰西工务段沙金坪采石场永磁电机对比实际测量计算。对比结果见表1。

表1 兰西工务段沙金坪采石场电机对比实验

注:1.永磁同步电动机的有功功率2244 kW·h比异步电动机2009 kW·h高的原因是:破碎机带的大飞轮在石料由大变小或者从有石料到没有石料的变化后，永磁同步电动机带动的大飞轮由于惯性有发电能力，电能通过电度表向电网反馈电能。由于现在的数字式电度表是以脉冲计量的，无论用电与发电都计量为消耗电能;而异步电动机没有发电能力，所以计量的有功功率反而小。

2.力调比值=无功电量/有功电量，即将当月实用无功电量与倒送的无供电量两者的绝对值之和，除以当月的有功电量所得数值。即可按照国家电网公司《关于印发〈国家电网公司业扩报装工作规范(试行)〉和〈国家电网公司业扩供电方案编制导则〉的通知》(国家电网营销［2010］1247号)11.6《功率因数调整电费增减查对表》，查找当月功率因数(力率)、力率标准及电费增减百分率，电价为0.85元 kW·h。

4.2 运行费用节约率分析计算

(1)三相异步电动机电费=单价*有功电量*力率标准

(2)永磁同步电动机电费=单价*有功电量*力率标准

(3)节约电费=3125－1893=1232元

(4)电费节约率=(1－1893/3125)*100%=39.4%

4.3 效率和功率因数分析

永磁电机与异步电机效率和功率因数对比见图4。

图4 普通三相异步电动机与高效永磁同步电动机的效率、功率因数对比图

4.3.1 由图4可以看到普通三相异步电动机(感应电机)运行在额定负荷的80% ～100%时效率与功率因数可以分别达到80%、0.8以上。但当负荷运行到低于额定负荷的70%以下时效率与功率因数急剧下降。

4.3.2 许多工作场所由于负荷波动大，在设计之初就必须将电动机设计成较高功率，以防止负荷波动到最大时不能正常运行。而上述电动机普遍运行在额定负载的60%左右。从图4对比中可以查到永磁同步电动机的效率仍高于94%，功率因数仍高于0.95。而三相异步电动机的效率低于70%，功率因数低于0.7。

4.3.3 采用永磁同步电动机后，由于功率因数的提高，不需要投入无功补偿就可以减小工作电流，进而降低了输电线路上的功率损失，节能效果非常显著。

5 结论

5.1 稀土钕铁硼永磁电动机与异步电动机相比更具经济性

通过实验数据对比分析，在相同工况、相同功率的条件下，永磁电动机与异步电动机相比，电费节约率一般能达到39.4%左右。目前，兰州局共有主要机械动力设备10 836台、总功率68 831 kW，年耗电1亿kW·h左右，若全部更换为永磁电机，年节约电费3 000多万元，投资回收期约2年。

5.2 适宜铁路系统的各类电力驱动设备安装使用

近一年的连续运行中，稀土钕铁硼永磁电机没有出现任何故障。稀土钕铁硼永磁电机的工作环境温度为:－35℃ ＜t＜40℃。稀土钕铁硼永磁电机比普通异步电动机提高效率2% ～8%，功率因数接近1.0，无需无功补偿。配电线路损耗降低。能效曲线在25%～120%负载范围内保持高值、变化平缓。起动转矩高。转速与电源频率保持严格的同步关系、便于控制。非常适合铁路行业各类电力驱动设备安装使用。