倪洪偉　隋毅

（1天津市濱海供熱集團(tuán)有限公司天津3004562天津市佰特爾能源科技有限公司天津300162）

稀土永磁電機(jī)與變頻技術(shù)相結(jié)合在供熱循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用

倪洪偉1隋毅2

（1天津市濱海供熱集團(tuán)有限公司天津3004562天津市佰特爾能源科技有限公司天津300162）

眾所周知，電機(jī)是以磁場為媒介進(jìn)行電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電力機(jī)械。磁場可以由電或由永磁體產(chǎn)生。稀土永磁同步電動機(jī)，是在電動機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部安裝永磁體以代替異步電動機(jī)定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)磁場，而制成的具有自起動能力的永磁同步電動機(jī)。其在節(jié)能方面，有顯著的特點，穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)子沒有電阻損耗，定子減少電阻損耗，電機(jī)總損耗便可相應(yīng)減少。其次，由于永磁電機(jī)的磁場由永磁體產(chǎn)生，不需要定子增加無功勵磁電流，更使得電機(jī)的功率因數(shù)大幅提高。以下已仁愛花園換熱站舉例說明。

稀土永磁電機(jī)；變頻技術(shù)；供熱循環(huán)系統(tǒng)

1　項目背景

仁愛花園供熱站始建于2004年，至今運行11年，供熱面積為38×104m2。換熱站分三個區(qū)域供熱：低區(qū)、高區(qū)和工業(yè)園區(qū)，具體用能設(shè)備如表1。

表1　仁愛花園供熱站具體用能設(shè)備

2　改造方案

通過采用稀土永磁電機(jī)水泵+變頻技術(shù)達(dá)到供熱節(jié)能和安全穩(wěn)定運行，故我們選用在低區(qū)供熱系統(tǒng)改造兩臺地區(qū)循環(huán)泵，低區(qū)循環(huán)水泵為兩用一備，設(shè)備功率為90kW，設(shè)備的更換不需要對原系統(tǒng)和管路進(jìn)行改造。

針對于仁愛換熱站的節(jié)能改造我公司提出的方案為：稀土永磁電機(jī)水泵+變頻控制相結(jié)合的方案。

2.1電機(jī)原理對比和變頻控制技術(shù)分析

稀土永磁體是一種高性能材料，具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積等優(yōu)異磁性能，用它制成的永磁同步電動機(jī)與異步電動機(jī)相比，不需要用以產(chǎn)生磁場的無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，使永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)為1，甚至達(dá)到容性，同時也減少了定子電流和定子電阻損耗；在穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行,轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流，所以不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而電機(jī)的溫升有更大裕度，從而可以將風(fēng)扇減小甚至不安裝風(fēng)扇，以減少風(fēng)摩損耗，從而可進(jìn)一步提高電機(jī)效率。因此，稀土永磁同步電動機(jī)很容易設(shè)計或制造成高效或超高效電機(jī)。其特點和優(yōu)點是：（1）稀土永磁同步電動機(jī)無滑差，轉(zhuǎn)子上無基波鐵耗、銅耗；（2）稀土永磁同步電動機(jī)在滿載和輕載、空載時，功率因數(shù)均可達(dá)到1.0左右，無功功率小，使定子電流下降，定子銅耗減少，效率提高；（3）稀土永磁同步電動機(jī)效率特性有高而平的特點，在輕載到滿載之間相當(dāng)寬的區(qū)域內(nèi)效率為最高；（4）具有較高的起動轉(zhuǎn)矩。

2.2驅(qū)動電機(jī)的選擇

采用永磁同步電機(jī)。

2.3負(fù)載對驅(qū)動系統(tǒng)要求

由于在大多數(shù)供熱設(shè)計和實際供熱中，出末寒的溫度不同，負(fù)載也不同，所以根據(jù)這個特點在工況選型時必須配以超出實際運行功率很多的水泵，以獲得在運行期和突發(fā)情況下的供熱保障。但從整體運行而言，是所謂的“大馬拉小車”。實際使用中，實際負(fù)載運行功率只有選配電機(jī)額定功率的1/2～2/3負(fù)載。

上述所配的異步電機(jī)由于本身的特點，無論是低效和高效的電機(jī)在低負(fù)荷運行狀態(tài)下都呈現(xiàn)較低的效率，如電機(jī)滿載（額定）時的設(shè)計效率為92%，而在其1/2負(fù)荷狀態(tài)下，效率只有70%以下甚至更低，這就導(dǎo)致了很多負(fù)載在實際運行時呈低效狀態(tài)。

這次在水泵設(shè)備上我們選用的為稀土永磁電機(jī)，既能避免上述不足和缺陷，又能充分發(fā)揮永磁電機(jī)無論在低載還是高負(fù)載率的情況下能效指標(biāo)高的特點。

2.4電機(jī)的損耗對比

異步電機(jī)：

P=定子銅耗+定子鐵耗+雜散損耗（風(fēng)損耗）+機(jī)械損耗+轉(zhuǎn)子損耗+轉(zhuǎn)子銅耗

永磁同步電機(jī)損耗：

P=定子銅耗+定子鐵耗+雜散損耗（風(fēng)損耗）+機(jī)械損耗

從上述對比看，除了共同有的四大損耗，異步電機(jī)還有轉(zhuǎn)子方面的損耗，而永磁電機(jī)沒有轉(zhuǎn)子方面的損耗。之所以永磁電機(jī)沒有轉(zhuǎn)子損耗，是因為永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子是由稀土永磁體磁鋼構(gòu)成，本身產(chǎn)生磁力，沒有損耗。所以永磁同步電機(jī)損耗更小、效率更高。

2.5節(jié)能的優(yōu)勢及特點組成

啟動扭矩大，并針對負(fù)載在低載運行的特點特殊設(shè)計，使之在更寬的運行區(qū)段更具有高效性，當(dāng)電機(jī)額定效率能達(dá)到95%，60%負(fù)載率情況下能達(dá)到90%（異步電機(jī)只有70%以下）。

控制變頻器選用國產(chǎn)能驅(qū)動永磁電機(jī)（如采用進(jìn)口變頻器成本將增加），采取矢量控制更能使本身效率為最佳。

2.6各種電機(jī)負(fù)載率與效率的比較

圖1　各種電機(jī)負(fù)載率與效率的比較

事實上，本套機(jī)構(gòu)為機(jī)電一體化共同作用，各自配合發(fā)揮到最大能效的組合體，其中每一部分缺一不可。

電機(jī)高效：電機(jī)從低負(fù)載和高負(fù)載情況下都能保持高效率，并有相對較大的啟動轉(zhuǎn)矩（堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩），節(jié)電率在15%～30%間。

2.7變頻器的功效

與同步啟動永磁電機(jī)和異步電機(jī)相比，通過變頻器可實現(xiàn)電機(jī)的軟啟動和軟停車，避免上述所提到的過大的啟動電流造成永磁電機(jī)的反向充磁而導(dǎo)致失磁。

同時，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化，通過改變變頻器頻率調(diào)整電機(jī)速度，可起到調(diào)整轉(zhuǎn)速的作用，隨著轉(zhuǎn)速的降低，使用功率也隨之降低。當(dāng)負(fù)載變化提高時可加快電機(jī)速度降低使用轉(zhuǎn)矩，到達(dá)節(jié)能目的，當(dāng)使用高速時，功率提高提高效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

以上二者配合各自發(fā)揮最佳作用，與各種交流異步電機(jī)相比，使節(jié)電效果達(dá)到15%以上。

3　實際運行分析

以熱力公司仁愛換熱站今年運行44天的運行記錄進(jìn)行分析。在相同運行狀況下，運行124天同期對比節(jié)電量180720kW·h。

表2　改造后設(shè)備清單

表3　熱力公司仁愛站2013～2014用電運行數(shù)據(jù)對比

4　改造后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

循環(huán)水泵最大負(fù)荷為90+90+55+37=272kW；補(bǔ)水水泵最大負(fù)荷為4+3+2.2=9.2kW。

4.1異步電機(jī)耗電計算

2013年11月12日至2014年3月15日運行電表數(shù)為596040kW·h，共124天，平均每天用電4806.8kW·h。

4.2永磁同步電機(jī)耗電計算

2014年11月12日至2015年3月15日運行電表數(shù)為415320kW·h，共124天，平均每天用電3349.4kW·h。

4.32014年與2013年同期相比每天大約節(jié)電1457.4 kW·h，按補(bǔ)水泵去年最大負(fù)荷24h運行，每天用電為9.2*24=220.8 kW·h，假設(shè)去年補(bǔ)水泵全部使用，而今年補(bǔ)水泵全部沒有使用，大約每天節(jié)約1236.6 kW·h，共運行124天節(jié)電153338.4 kW·h，按每度電一元考慮，124天共節(jié)約153338.4元，每天可節(jié)約1236.6元。

兩臺90kW節(jié)能水泵價格為52750*2=105500元，一個采暖季除收回初投資外，還可再節(jié)約47838.4元。

5　檢驗報告

6　結(jié)語

以上永磁同步電機(jī)系統(tǒng)在水泵上的應(yīng)用，不改變?nèi)魏呜?fù)載的結(jié)構(gòu)和電機(jī)的安裝形式，只是替換電機(jī)，），與自啟動永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)一樣替換方便，利用永磁同步電機(jī)高效的特點，根據(jù)負(fù)載要求可設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速，節(jié)能更顯著，并根據(jù)量的增減去給定電機(jī)調(diào)速，不用調(diào)節(jié)閥門達(dá)到調(diào)整沖次參量。又由于是變頻器停車，沒有失磁的顧慮，對負(fù)載機(jī)械設(shè)備沒有損壞，對電網(wǎng)也沒有大電流沖擊，對供熱系統(tǒng)的節(jié)能改造是更為合理的選擇。