永磁同步电机在钢铁行业的应用

吴昌硕，张 攀

（宁波钢铁有限公司，浙江 宁波 315800）

0 引 言

在全球气候变暖的背景下，国际上将碳中和作为国家的发展战略，并畅想着节能环保的无碳未来。我国提出了实现“碳达峰”和“碳中和”的目标，需要重点关注当前行业发展中能耗相对较为突出的钢铁行业，尽可能降低电力能源的消耗。该背景下，需要对钢铁行业中的电机加以研究分析。对以往的高耗能电机加以改造，形成更加良好的节能效果，有助于钢铁行业持续发展并促使全社会实现节能降耗。

1 永磁同步电机的应用优势

1.1 效率高

通过将永磁材料镶嵌在转子结构上，能够促使永磁同步电机在运行过程中达到相同的转子和定期磁场，在转子绕组过程当中无感生电流，不会产生转子电阻，也能够有效避免磁滞损耗问题，提高电机运行效率。在永磁电机处于正常运转状态时，在转子结构的磁体上含有钕铁硼永磁体，在这样的磁场作用下，促使电机维持稳定运转，电流不会经过转子鼠笼条，就不会出现绕组损耗问题[1]。

1.2 功率因数高

基于无感应的电流励磁表现，优化永磁同步电机的转子结构，且在定子绕组的过程当中，将会出现阻性负载的问题，并且将会形成近似于1 的功率因数状态，促使定子电流有效降低，优化提升电机效率。在有效提升功率因数的基础上，优化电网品质因数，有效避免输变电线路出现严重的损耗问题，在一定程度上降低了输变电实际容量，并促使电网投资成本有效降低。

1.3 转速相对恒定

永磁同步电机在运行中能够始终保持稳定的转速参数，以同步转速的方式加以运行，相较于普通电机具有较高的转速表现。如在正常钢铁厂生产运行中所应用的电机4 级转速表示为1 400 r/min，则永磁同步电机在运行中就能够达到1 500 r/min。相较于普通电机具有更加良好的稳定性。

1.4 运行经济范围相对较宽

对普通电机进行研究，发现其一般经济运行范围能够处于60%～100%额定负载参数内，若实际经济运行范围低于负载参数的60%，则将会促使电机的功率因数以及效率出现较快的曲线下降现象，进而促使二者参数较低，难以满足生产运行需求。而相较于普通电机，永磁同步电机能够形成相对较高的经济运行范围，不仅是在额定负载范围内达到较高的效率，而且在额定负载的20%～125%范围内也能够保持效率水平相对较高[2]。即使在这一区间中，也能够保持较为平滑、变化程度较缓的效率曲线。

1.5 启动转矩较大

永磁同步电机在应用过程当中能够形成相对良好的转矩表现，能够对励磁电机这样的大容量电机加以替代，解决以往在电机应用中“小马拉大车”的问题。

2 钢铁行业中的永磁同步电机应用

2.1 在皮带输送机当中的替换应用

当前大多数的钢铁企业均使用异步电机作为皮带输送机的电机结构，可以使用永磁同步电机对其加以替代应用，在实际中需要创建相应的改造方案。一般情况下，可以分为2 种不同的改造处理方式[3]。

第1 种改造方案是通过使用永磁同步电机直接对异步电机加以替换，按照同规格参数要求，直接替换为可直起永磁同步电机。在实际应用当中进行替换时，按照统一机座号进行替换即可，改造操作相对较为便捷，并无明显的限制条件，无论是处于低压环境或是高压环境均可以进行更换。当永磁同步电机处于负载变化的状态时，能够形成相对较高的功率因数以及效率，因此能够有效解决以往电机效率相对较低难以带动皮带传输的问题，并达到3%～10%的有功节电率。

第2 种改造方案则是通过更改异步电机的运行方式，将以往结合减速机运行的方式改变为使用低速直驱永磁电机结合变频器加以运行的方式。对永磁同步电机的直驱系统结构进行研究，发现其中主要是以永磁电机专用变频器为主体，结合低速大扭矩永磁直驱电机形成更加有效的运行驱动设备。在日常运行中，驱动低速设备主要通过变频器完成矢量控制实现。

基于电机本身所具有的高效率，从提升传动效率的2 个方面上，均能够促使驱动系统中在运行中呈现出更加良好的节能效果。同时，取消减速器以及液力耦合器之后，有效避免以上结构在系统运行中可能会出现的故障问题和漏油现象。保障皮带输送机结构在永磁同步电机的作用下，呈现出较为良好的高效、节能、免维护、低噪音、输出转矩大、启动平稳、体积小、重量轻以及结构相对较为紧凑等优点。且通过对皮带输送机的运行功率进行检测，发现其相较于改造之前能够达到10%～25%的节电效果。

2.2 风机类设备中的替换应用

除了在皮带传输机当中应用异步电机，在钢铁行业中异步电机的应用范围较为广泛，包括除尘风机以及高炉鼓风机等各种风机类中所涉及的电机均为高压异步电机类型。因此，可以使用永磁同步电机对这样的异步电机加以替换。通过同步结合变频器加以应用，能够促使各类风机在运行中以软启动的方式完成运行，进一步避免启动时出现较大的电流冲击风机、电机以及轴承，降低更换周期频率，更好地适应当前阶段钢铁厂的节能生产需求，有效节约成本[4]。

通过对钢铁厂风机类设备中的电机进行改造更换，如在原有的鼓风机当中并没有变频结构，则在变频永磁同步电动机结合变频器的应用下，能够达到20%以上的综合节电率。若不配合变频器使用，单独替换永磁同步电机，则能够达到3%～5%的节电率。

2.3 水泵类设备中的替换应用

对钢铁企业的生产情况进行调查，发现水泵是钢铁企业生产中资源消耗最为严重的设备。这是由于在钢铁生产中需要使用大量的水资源进行降温，而这样的水泵设备中，所应用的电机均为异步电机，能耗较大，同时存在着较为良好的节能降耗空间。通过使用永磁同步电机对其加以替换，并配合变频器运行，同样能够促使水泵在启动时产生较小的电流，实现软启动作用，进而降低冲击问题。可取消水泵阀门的调节作用，促使水泵系统以更高的效率投入钢铁企业的生产，进一步改善设备工况，且降低水泵故障概率，能够进一步延长水泵设备的使用寿命，并促使水泵以较小的噪声加以运行，提升运行功率参数，并对电网侧谐波污染问题起到良好的改善作用。

通过对当前钢铁行业中所应用的电机功率加以研究，若实际参数低于2 500 kW，则均可以使用永磁同步电机对其加以替换。同样可以以2 种不同的方式对其加以改造替换。首先是直接使用直起永磁同步电动机对其进行替换，能够达到3%～5%的有功节电率表现。其次则是同样按照系统改造的方式，通过结合变频器的方式，加以组合替换，进而能够达到20%以上的有效节电率。

3 永磁同步电机替换应用案例

为了进一步研究在钢铁行业当中应用永磁同步电机的节能效果，结合宁波钢铁有限公司在生产中应用永磁同步电机的实际案例，以往在水泵电机中所应用的电机为异步电机，具有能耗较大且效率较低的缺陷，长久用于生产发展面临着一定的问题，难以为钢铁企业创造更好的经济效益。尤其是在我国当前提出可持续发展战略以及节能减排的“双碳”理念之下，更需要积极注重在钢铁企业当中的用电情况，尽可能降低电力能源的消耗，实现健康发展[5]。

宁波钢铁有限公司对在水泵当中所应用的异步电机加以节能改造，将其转换为永磁同步电机。在改造之前，需要对原有水泵电机的运行数据加以统计，对其能耗状态进行整理，便于与改造之后的电机数据进行对比分析其节能效果。水泵电机在改造之前的耗电数据如表1 所示。

表1 水泵电机改造前能耗数据

随后在宁波钢铁公司对水泵电机进行改造，将其转换为永磁同步电机，历时一个月的改造工作之后，使用永磁同步电机代替原有的异步电机。对水泵电机实际用电情况进行调查研究，经过改造前后检测所得的数据进行对比研究，发现4 个水泵电机在实际应用中均能够达到较好的节电效果，并满足设计节电率需求。改造之后电机实际参数如表2 所示。

表2 中心泵站电机节能改造成果

对宁波钢铁有限公司应用永磁同步电机之后的实际情况进行调查研究，发现其逐渐实现更好的收益表现，且在当前阶段中能够满足钢铁企业的生产发展需求，达到了稳定运行效果，充分表明异步电机进行改造促使其成为永磁同步电机的过程当中获得了巨大成功。因此，进一步证明在相似的传统电机中可以广泛应用节能改造技术，将其转变为永磁同步电机。

在众多相似的项目当中对电机进行节能改造，总结发现其均能够形成可观的节能表现。例如：包头钢铁（集团）有限责任公司将永磁同步电机应用到冶炼厂的高炉上料主皮带传输系统，能够达到10%的节电率；将永磁同步电机应用到河北文丰钢铁有限公司的炼铁厂和烧结厂，能够达到8%～10%的节电表现；在青龙钢铁公司，原先生产中应用的风机电动机为400 kW/10 kV，应用异步电机出现超负荷问题，运行中将会产生29 A 的电流，而使用永磁同步电机对其进行替换之后，降低运行电流，实际参数能够达到21 A，降低了约28%的电流消耗。

通过永磁同步电机在各类型的钢铁企业当中的成功应用案例进行分析，表明永磁同步电机具有良好的节能表现，在现代钢铁集团的应用中能够充分发挥出更加良好的节电效果。

4 结 论

通过对永磁同步电机进行研究，发现其应用具有优势，在我国强调节能减排的背景下，需要在钢铁行业广泛应用永磁同步电机。通过对皮带输送机、风机以及水泵当中的电机加以替换，能够达到较好的节电率表现，促使钢铁行业在生产中能够达到更加节能环保的效果，提升了经济效益，并获得更加广阔的发展前景。