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      永磁電機替換異步電機的綜合效益分析

      2018-11-28

      永磁電機替換異步電機的綜合效益分析

          從永磁同步電動機的特點出發,結合實際運用來闡述推廣永磁同步電動機的綜合效益。

          同步電動機相對異步電動機而言,優點是高功率因素、高效率、轉子參數可測、定轉子間氣隙大、控制性能好、體積小、重量輕、結構簡單、高轉矩/慣量比等,在石油、化工、輕紡、礦山、數控機床、機器人等領域得到了日益廣泛的應用,正面向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功能化和微型化方面發展。

          永磁同步電動機由定子和轉子組成,定子與異步電動機相同,由三相繞組和定子鐵心組成。轉子上安裝有預先磁化(充磁)過的永磁體,不需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場,既簡化電機結構,又節約能量。本文從永磁同步電動機的特點出發,結合實際運用來闡述推廣永磁同步電動機的綜合效益。

      永磁同步電機的突出優點

          (1)由于轉子采用永磁體制成,因此磁通密度高,不需要勵磁電流,消除了勵磁損耗。與異步電機相比,減少了定子邊繞組的勵磁電流和轉子邊的銅、鐵損耗,大幅度減少了無功電流,由于定、轉子磁勢同步,轉子鐵心無基波鐵耗,因此效率(關系有功電能)和功率因素(關系無功電能)都比異步電動機高。永磁同步電動機一般設計即使在輕載運行時功率因素和效率也較高。

          (2)永磁同步電動機具有較硬的機械特性,對于因負載變化引起的電機轉矩擾動具有較強的承受能力。永磁同步電動機轉子鐵心可做成鏤空結構以減少轉子慣量,而且啟、制動時間都比異步電動機快很多,高轉矩/慣量比使得永磁同步電動機比異步電動機更適合在快速響應的條件下運行。

          (3)永磁同步電動機的尺寸較異步電動機大幅減小,重量也相對減輕。同樣散熱條件和絕緣材料的永磁同步電動機比三相異步電動機功率密度大2倍以上。

          (4)轉子結構大大簡化,便于維護,提高了運行的穩定性。

          交流永磁伺服電機,其轉子上的磁鋼與鐵心通常采用高溫膠粘接在一起,膠水固化時間一般比較長,并且電機在運轉過程中,磁鋼在溫度變化、沖擊力的反復作用下有變形乃至脫落的風險。為解決這一技術難題,四方研制的CM500系列重載型永磁同步電動機,將磁瓦膠粘工藝改為由不銹鋼套機械緊固的方式,完全消除了磁鋼松脫的風險。本項創新應用技術已申請為專利,是電機轉子技術的一大進步。

           三相異步電動機由于要設計較高的功率因素,就必需把定轉子間的氣隙做的很小,同時氣隙的均勻性對電機的安全運行和振動噪聲也至關重要,對此異步電動機對零部件的形位公差和裝配同心度的要求就相對嚴格,對軸承游隙選擇的自由度也比較少,較大機座的異步電機通常使用油浴潤滑方式的軸承,必需在規定的工作時間內加注潤滑油,油腔漏油或加注不及時都會加速軸承失效,在三相異步電動機維修中,軸承的維護占了很大的比例。另外由于三相異步電動機轉子有感應電流的存在,軸承的電腐蝕問題也在近幾年被很多研究者所關注。

           永磁同步電動機則不存在此類問題。永磁電動機由于氣隙較大,以上異步電動機氣隙小而引起的相關問題在同步電動機上表現的并不明顯,同時永磁同步電動機的軸承采用帶防塵蓋的脂潤滑軸承,軸承在出廠時已封入了適量的優質潤滑脂,可終生免維護。

      永磁同步電機的典型應用

      2.1電液伺服注塑機應用方案

           傳統注塑機使用三相異步電動機帶定量泵,注塑機工作過程中,電機需長期運行。通過伺服油泵驅動系統的節能改造,永磁同步電動機的快速響應和大啟動轉矩,可以在注塑機需要完成注塑成型時,才啟動永磁同步電動機帶動油泵產生壓力,在下料和合模的過程中,油泵主電機則處于停機狀態,實現了間歇零功耗,通過對比節能率可達85% 。

          在優異的伺服電機算法控制下,噪音大大低于普通注塑機。在配置低噪聲螺桿泵的理想狀態下,注塑機整機噪音低于70 分貝,實現靜音運行,改善工作環境。

          使用現場為西北某采礦場,多粉塵環境。該設備共使用125臺電動機,揚卷設備啟動時需要有較大的啟動力矩,而正常作業時電動機長期運行在30%~50%額定功率的輕載狀態,原先使用的三相異步電動機其效率僅為65%左右,功率因數為0.4~0.6 左右,造成嚴重的能源浪費,選用永磁同步電動機,節能效果非常明顯。節電測試統計數據如下:

      3.1 電機壽命

          整個電機的壽命取決于軸承的使用壽命,電機外殼采用IP54的防護等級,特殊環境下可以提高至IP65,滿足大部分粉塵和潮濕環境的使用要求。在保證電機軸伸安裝同軸度較好,轉軸徑向載荷適量的情況下,電機軸承使用壽命在2萬小時以上。其次是散熱風機的壽命,風機采用的是單相220V罩極馬達,使用壽命比電容運轉電機長。在粉塵潮濕環境下長期運行時,需定期清除風機上附著的粘性物質,以防止風機因負荷過重而燒毀。

      3.2 永磁材料的失效與保護

          永磁材料對永磁電機的重要性不言而喻,其成本占整臺電機材料成本近1/4以上。對此四方對永磁材料制定了企業標準,其中包含耐腐蝕、一致性、高溫退磁試驗、線性退磁曲線試驗等內容。現在的永磁材料已能在電機繞組極限允許溫升下長時間運行,退磁率在2%以內。常規的永磁材料要求表面鍍層承受大于24小時的鹽霧試驗,對氧化腐蝕較嚴重的環境,用戶需聯系廠家選用防護技術更高的永磁材料。

      3.3線圈燒壞

          傳統的異步電機線圈燒壞故障率高達8%以上,主要與電機的熱保護和電工材料的品質有關。本公司CM500系列永磁同步電動機線圈內埋有熱敏元件,當線圈溫升達到F級絕緣極限溫升105K時,驅動器通過熱敏元件采集的溫度信號對電機實行過熱保護,確保電機安全運行,同時電機定子采用兩次真空浸漆工藝,大大提高了定子合格率。

      結語

          從經濟效益分析:永磁同步電動機特別適合重啟動輕運行的使用場合,推廣使用永磁同步電動機具有積極的經濟效益和社會效益,對節能減排意義重大。在可靠性和穩定性方面,永磁同步電動機也具有可貴的優勢。選用高效永磁同步電動機是一項一次性投資長期受益的過程。


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