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    永磁變頻空壓機可靠性及能效分析
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    永磁變頻空壓機可靠性及能效分析
    * 來源 : 廈門空壓機 * 作者 : 廈門空壓機 * 發表時間 : 2016-10-10 * 瀏覽 : 446

    前言

      永磁變頻空壓機近兩年來在空壓機行業成為節能先鋒的代名詞,甚至有些空壓機廠家以“不用錢買的空壓機”作廣告宣傳詞來吸引用戶的眼球。當然,永磁電機節能相對意義來講,用同樣的控制方法肯定比傳統的異步電機高。正在節能的要點是80%的空壓機處于變量負載狀態,根據用氣量的多少用變頻調速來自動滿足用戶的需求,減少無用功的損耗。但還有20%的場合是滿壓滿負載,這種場合采用變頻控制異步電機比直接啟動還要耗能,因為變頻器本身是IGBT以開關方式控制頻率的高低,它本身有額定功率2~3%需損耗的。所以這種情況采用變頻控制即使采用永磁電機節能效果也不會很明顯。而目前國家標準考核空壓機的能效等級還是以滿壓滿負載時的比功率來執行的,只有高精度的螺桿機頭配高效的電機及空壓機合理的布局設計才能達到1級能效的比功率。所以很多采用變頻控制的螺桿機很難達到1級能效等級(即使是一體機也沒有一家公司能承諾)。

      因此空壓機節能評估應該因工況而定,而且考核依據尚未齊全,至少在變量工況考核概念較淺,很少企業有制定《變頻(變量)空壓機技術條件》的標準來定性變頻(永磁)空壓極的能效水平。而目前市場上永磁空壓機有兩種方式選擇,一種是比較熱銷的一體機式,一種是分體直連式。下面介紹下它們的利與弊。

      空壓機一體的利與弊

      

      按圖所示,螺桿空壓機與電機的結構原理是將螺桿機頭的陽轉子③的軸伸出機頭跟電機的轉子②形成同軸連接。然后電機的定子與機殼固定在螺桿機頭的殼體上,形成電機與機頭的一體化。通過轉子上的自帶風葉經電機繞組與機殼的通風槽冷卻定子。這種結構在很多機電設備場合是一種創新和發展的趨勢,比如空調壓縮機、電梯曳引機、電動葫蘆等,所以受到很多用戶的好評與青睞??諌簷C螺桿一體機由于體積小、結構簡單、系統效率高、價格較低等優點在市場上開始盛行。但從電機專業角度看此設計弊端很多,潛在風險較大。主要問題如下:

      ●電機溫度過高:由于油冷機頭特點工作溫度要到達65~80度之間,所以電機與機頭直聯軸的溫度傳遞給電機永磁轉子,機體溫度傳遞給電機機殼,這樣實際電機工作環境溫度達到了65度左右。一般電機設計合理溫升最高為80K,那么最高電機繞組溫度可能在145度,按38UH的磁鋼退磁(開發式可逆退磁)實驗證明,80度時退磁率為2%;100度5%;120度為7%;150度為12%。說明溫度越高磁通越低,而磁鋼的磁通量與電機效率相關,也就是電機溫度越高效率越低,反電動勢越小,變頻器給定電壓越低。電機電流越大,繞組溫升越高電阻越大,定子銅損耗越大。效率再次下降,所以一體機在滿壓大流量時實際效率達不到設計值。舉具體例說明一體機效率的下降:

      1、假設一體機工作環境溫度為70度,分體機電機環境溫度為30度,并且假設兩種情況下電機實際運行時的溫升均為50度,電機有相同的電磁設計方案,電機的負載相同。一體機的工作溫度為120度,分體機為80度。則前者工作時的電阻將比后者高出約12.7%,銅損耗亦高出約12.7%;

      2、分體機的工作溫度為假設電機按直軸電流為零的控制方式;120度與80度時磁鋼退磁率分別為7%和2%。為此,電機拖動相同的負載時前者的定子電流將比后者高出約5.38%,為此電機的銅損耗將高出11.0%。

      3、合計銅損耗一體機將比分體機高出約25.1%。以永磁同步電機中銅損耗占三分之一計,一般一體機設計效率為94%左右,在120度工作時效率約下降為93.5%左右,(TYB系列在97%左右)所以相對效率相差3.5%。

      另外,永磁電機最怕的是退磁,而退磁是磁鋼決定的,磁鋼最怕的是溫度高,在長時間高溫下頑固性退磁(不可逆)風險越大,常規設計值在15年退磁率是不大于3%。由于我國釹鐵硼技術是近幾年發展起來的,對長期高溫下的壽命無從驗證,在電機行業磁鋼退磁而失效的案例很多,油田、紡機等等。

      ●防護等級IP23:由于溫度關系所以只能設計成開式電機,空壓機很多使用場合比較差,風塵、潮氣、鹽霧等腐蝕性氣體導致其使用壽命低。

      ●機體故障率高:由于一體機轉子直接安裝在螺桿轉子上,螺桿電機轉子側的軸承要承受力比原來大2倍以上的負荷,所以電機側的軸承及油封比原來壽命降低2倍以上。

      ●維修保養麻煩:因為永磁電機轉子是永磁體,在機頭維修保養時一定要先拆電機才能拆機頭,而永磁轉子具有強大的吸引力,取出需專用工具,且人員要求專業性很強,不然很容易造成事故。

      ●束縛制造商的選擇:由于螺桿機頭的質量好壞、比功率的大小及機頭的選型多存在很大的差異,所以機頭是空壓機的核心,選擇優質的機頭及高效的電機才能達到優秀的比功率及可靠性,所以任何一家品牌空壓機制造商都以選擇優質零部件來打造自己的產品,這樣才會體現制造商的質量水平,提高產品可靠性打造企業品牌。

      以上五大劣勢使得螺桿一體機存在很大的潛在風險,須待改進。所以傳統機頭與單電機直聯才是最可靠的方案,但需要有可靠的永磁電機。

      永磁電機的介紹與空壓機配套選型

     

     

      隨著國家對節能減排的要求越來越迫切,磁鋼的技術相對成熟,永磁電機國內是近幾年發展起來的,目前市場上分幾種永磁同步電機:

      1)異步啟動永磁電機

      這款開發的電機比早,主要用于紡織機械、石油磕頭機、水泵等,特點是一般電源直起就可以,所以控制成本低使用方便。但它在直起時與永磁同步有切換過程,大慣量負載難以切入同步,大電流時容易失磁,負載有局限性,且體積較大。

      2)專用電梯曳引機

     

      是變頻控制的多極數電機,將原來的齒輪箱取代,達到提高系統效率、減小噪聲、降低機械故障率的目的。特殊外形不能用于常規設備,且相對效率水平低。

      3)油泵伺服電機

     

      此電機最早是歐洲,引進生產基地在寧波,主要用于注塑機的液壓系統。優點:響應速度快,可以根據注塑機工藝的需要靈活高低速多可以滿足,效率在94~95%左右,所以它在注塑機改造時可以達到30%以上。外形比較美觀,體積較小。缺點:由于伺服電機的特點是定位、速度、力矩,所以以S3~4間斷工作制為設計特點。

     

      TYB系列永磁同步電機

      優點:體積小、重量輕、效率高(達到IE4以上標準要求)、轉速精度高、過載能力強(3倍)、溫升低設計余量大、機身高強度拉伸鋁設計外形美觀獨特符合工業品IEC標準。取代直流電機、滑差調速電機、異步變頻電機、大功率伺服電機、齒輪齒輪減速電機及電主軸電機等。

      缺點:需變頻驅動器、成本交高。

      以上永磁同步電機目前主要應用在電梯、注塑機、壓縮機、磕頭抽油機及家電等行業。由于永磁電機是近年因節能產業而興起的產品,其控制技術及電機設計方面水平較低,使用的材料參差不齊,造成能效差異極大,而用戶以為所有永磁電機都是超高效。經電機歸口部門監督抽查表明50%左右的永磁電機還未達到異步電機(GB18613-2012標準)中規定的3級能效,所以亂象百出?;诖爽F象,國家出臺了《永磁同步電動機能效限定值及能效等級》GB30253-2013的標準。見表1。

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