基于永磁同步电机在自来水厂的应用探析

基于永磁同步电机在自来水厂的应用探析

孙文雄孟晓威孙凯

海宁长河水务有限责任公司浙江海宁314408

摘要：本文研究了如何将永磁同步电机应用在自来水厂中，首先分析此类电机在节能上的优势，然后分析，使用中的相关技术，最后列举实例研究如何应用在实际工作中。

关键词：永磁同步；自来水厂；应用；探析

引言：传统电动机来维持自来水厂的供水，会有巨大的能源消耗，通过永磁同步电动机能够明显降低用电量，并且在其他性能上也有巨大的优势。因此，自来水厂可以研究永磁同步电动机的特点，合理地应用在工作当中。

一、永磁同步电机使用在自来水厂的必要性

自来水厂的水泵机组用电量很高，从世界范围内来看，水泵机组会占用20%左右的电力消耗。但是，水泵机组的运行效率很低，使用全新的电动机技术有利于电能节约，从而降低二氧化碳排放。城市当中的自来水供应主要来自于自来水厂，自来水供应会大量使用到水泵、电机等电动设备，这些电机的运行效率很低，而且有些地区的电机选择不当，导致电机会有很强的富裕率，大量的电机都在额定功率以下运行[1]。

水泵的节能机组有很多的研究，并且电动机降低能耗也能够让自来水厂控制成本，提升供水的效率。使用永磁同步电机能够获得良好的效果，国内已经经过了一些试验，证明了永磁同步电机应用在自来水厂中可以获得良好的节能效果。

二、永磁同步电动机的优势

永磁同步电动机的优势在于电机的效率很高，能够达到90%左右，从而具有很高的节能水平。用词同步电动机的应用范围非常广泛，在钢铁、电力、石化、机械上都有使用，在高耗能的行业当中展现了良好的性能。水务行业也是永磁电同步电动机的重要应用方向，有效解决了供水在节能方面的不足。

永磁同步电动机包括定子和转子组件，转轴的内衬和外侧有永磁钢和轴套，轴套一般都是被分割成很多块，使用内衬套来连接，轴套的间隙有永磁钢。同步电机利用永磁体代替了电激磁磁极，结构上没有电刷，通过简化结果让转子的体积明显变小[2]。同时也省去了直流电源，这样能够让电机具有更高的利用效率，和异步电机相比，永磁同步电机的功率因数明显更高。

三、永磁同步电动机的相关技术

3.1永磁同步电动机的启动和变频

永磁同步电动机包括异步气动法和变频启动法，异步启动法就是采用老鼠笼式异步启动，然后牵引整个电动机实现同步运行。但是这样的启动发方式有转子结构不对称的问题，交、直轴的电抗并不相等，所以在异步启动的时候可能会出现凸极效应转矩。永磁体激磁会产生气隙永磁场切割定子而产生的感应转变电流，这样就会产生发电机的制动转矩。如果采用变频启动的方法，需要利用变频器逐渐提升定子梁段的电源频率，这样转子的刺激在启动之后就能够和旋转的磁场形成稳定的磁拉力[3]。异步启动的方式比较复杂，相比异步电动机启动方式要复杂很多。使用变频启动的方法，永磁同步电动机和三相异步电动机一样，所以目前变频调速的方法也十分常用。在电子技术和计算机控制技术发展的情况下，同步电动机的控制方法也正在变得成熟，变频启动这个方法逐渐产品化。通过变频启动能够保证电动机有更加可靠的性能，让机器能够平稳可靠的运转，对速度的调整也保证了经济性，降低了电动机的能耗。

使用在自来水厂当中，永磁同步电机的启动和转速控制能够调整水泵负荷，利用变频调节技术，能够提高电动机的启动效率。而且，转子可以不设置启动绕阻，这样能够避免线路对于设备的冲击，从而对水量做好调节。

3.2变频调速供水控制系统

为了能够提高供水服务的水平，会专门建立变频调速供水系统，其中包括压力传感器、控制器、变频器和水泵机组。工作时，会利用压力传感器来感受管道上的压力，之后将压力信号转化成电信号。控制器使用PLC来担任，工作过程中会根据现场的信号和系统工作情况来控制变频器的工作情况，变频器会获得压力的数值，然后根据压力来对频率进行调节，从而实现对压力的调整，与此同时，也会讲变频器自身的工作状态数据输送给PLC，然后传送给控制器终端[4]。通过对水泵转速的调整，就能够保证实际水压和设定的水压可以消除偏差，让供水的水压恒定。

有些永磁同步电动机是无自启动能力的，为此，使用的时候会在变频器的驱动下进行，所以一般都会使用一台电动机配一台变频器的策略。为了避免变频器发生故障造成多台电动机不能正常启动的情况，要避免使用一台变频器来控制多台电动机运行的情况，防止整个机组全部出现问题，造成供水系统瘫痪。而且，需要做好变频器的备份，这样能够在某一台变频器出现问题时及时更换保证工作的可以进行。

四、永磁同步电动机的应用实例

某自来水厂在1987年建立，经过扩建，每日的产水量从5000吨提高到了20000吨，最开始利用S型离心泵和三相异步电动机进行供水。由于供水的需求很高，所以每年消耗的电力非常高，一年的供水量消耗大约在320万千瓦时，而且随着供水量的增加还在继续上升。为了能够解决供水中巨大的电力消耗，虽采用全新永磁同步电动机，利用变频控制器来控制电动机的运行。

该厂在永磁同步电动机供水上使用比较早，所以在项目的实施过程中，比较谨慎的采取了分步改造的策略，对现场的设备进行严格的验收，保证所有的设备数据指标都达到了合同规定的要求。改造过程中，首先对取水泵进行了技改造，经过测量，改造后的运行参数并没有发生改变，水泵的扬程依然是37米，保持了每小时1000立方米的流量。所使用的永磁同步电动机的额定效率在97.5%，同步电机的安装尺寸经过了全新的设计，符合通用电机的要求。自来水厂中使用了PLC控制机组，采取远程控制的方式，控制供水。电动机的额定功率为120千瓦，低于异步电动机所需要的133千瓦。

改造之后，该厂的供水耗电有了明显的下降，千吨供水耗电比原来下降了10%，其中水泵房的电力消耗下降最为明显，相比过去节省了20%的电力。通过继续对方案进行修正，进行更加完整的改造，保证了运行参数和原来基本相同，而且每年的消耗也下降到了250千瓦时。在运行过程中，全新的系统，也具有维护稳定的优势，并且远程操控保证了操控简单，具有极强的节能效果。通过使用全新的系统，该厂总共节约过去20%的电费，再加上维护上减少了花销，明显降低了日常的运营效率。在经过两年的运营之后，就已经实现了投资上的回收，充分体现了节能的优势。

由此可见，通过使用永磁同步电动机能够给企业带来良好的效益，对企业的帮助不仅仅局限在节约用电上，所以企业一定能过获得良好的经济效益。企业在使用永磁同步电动机之后，能够更加相应国家节能减排的要求，从而降低了二氧化碳的排放，在社会效益的创造上也是明显的。最后，使用该技术能够和先进的控制技术结合，从而保证了服务水平。

结束语：永磁同步电动机使用在自来水供应当中，可以明显提升供应的效率，降低电力的使用，相比传统的电动机，也会有更高的可靠性。所以，这种技术很适合在自来水厂家中推广，提升自来水供应的技术水平。

参考文献：

[1]潘俊杰,申今生.永磁同步电机在自来水厂的应用[A].中国城市科学研究会、中国城镇供水排水协会、山东省住房和城乡建设厅、济南市人民政府.第六届中国城镇水务发展国际研讨会论文集[C].中国城市科学研究会、中国城镇供水排水协会、山东省住房和城乡建设厅、济南市人民政府:,2011:3.

[2]阚侃.永磁同步电机位置控制技术研究[D].华南理工大学,2012.

[3]王志敏.城市供水系统节能控制研究[D].哈尔滨工业大学,2012.

[4]阎建峰.电气自动化技术在自来水厂机械设备中的应用[J].机械管理开发,2017,32(11):109-110+177.