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值得探讨的永磁变频空压机可靠性及能效分析

编辑:浙江凯盛压缩机有限公司  时间:2016-09-06

永磁变频空压机近两年来在空压机行业成为节能先锋的代名词,甚至有些空压机厂家以“不用钱买的空压机”作广告宣传词来吸引用户的眼球。当然,永磁电机节能相对意义来讲,用同样的控制方法肯定比传统的异步电机高。正在节能的要点是80%的空压机处于变量负载状态,根据用气量的多少用变频调速来自动满足用户的需求,减少无用功的损耗。但还有20%的场合是满压满负载,这种场合采用变频控制异步电机比直接启动还要耗能,因为变频器本身是IGBT以开关方式控制频率的高低,它本身有额定功率2~3%需损耗的。所以这种情况采用变频控制即使采用永磁电机节能效果也不会很明显。而目前国家标准考核空压机的能效等级还是以满压满负载时的比功率来执行的,只有高精度的螺杆机头配高效的电机及空压机合理的布局设计才能达到1级能效的比功率。所以很多采用变频控制的螺杆机很难达到1级能效等级(即使是一体机也没有一家公司能承诺)。

因此空压机节能评估应该因工况而定,而且考核依据尚未齐全,至少在变量工况考核概念较浅,很少企业有制定《变频(变量)空压机技术条件》的标准来定性变频(永磁)空压极的能效水平。而目前市场上永磁空压机有两种方式选择,一种是比较热销的一体机式,一种是分体直连式。下面介绍下它们的利与弊。

空压机一体的利与弊


螺杆空压机与电机的结构原理是将螺杆机头的阳转子的轴伸出机头跟电机的转子形成同轴连接。然后电机的定子与机壳固定在螺杆机头的壳体上,形成电机与机头的一体化。通过转子上的自带风叶经电机绕组与机壳的通风槽冷却定子。这种结构在很多机电设备场合是一种创新和发展的趋势,比如空调压缩机、电梯曳引机、电动葫芦等,所以受到很多用户的好评与青睐。空压机螺杆一体机由于体积小、结构简单、系统效率高、价格较低等优点在市场上开始盛行。但从电机专业角度看此设计弊端很多,潜在风险较大。主要问题如下:

电机温度过高:由于油冷机头特点工作温度要到达65~80度之间,所以电机与机头直联轴的温度传递给电机永磁转子,机体温度传递给电机机壳,这样实际电机工作环境温度达到了65度左右。一般电机设计合理温升最高为80K,那么最高电机绕组温度可能在145度,按38UH的磁钢退磁(开发式可逆退磁)实验证明,80度时退磁率为2%;100度5%;120度为7%;150度为12%。说明温度越高磁通越低,而磁钢的磁通量与电机效率相关,也就是电机温度越高效率越低,反电动势越小,变频器给定电压越低。电机电流越大,绕组温升越高电阻越大,定子铜损耗越大。效率再次下降,所以一体机在满压大流量时实际效率达不到设计值。举具体例说明一体机效率的下降:

假设一体机工作环境温度为70度,分体机电机环境温度为30度,并且假设两种情况下电机实际运行时的温升均为50度,电机有相同的电磁设计方案,电机的负载相同。一体机的工作温度为120度,分体机为80度。则前者工作时的电阻将比后者高出约12.7%,铜损耗亦高出约12.7%;

分体机的工作温度为假设电机按直轴电流为零的控制方式;120度与80度时磁钢退磁率分别为7%和2%。为此,电机拖动相同的负载时前者的定子电流将比后者高出约5.38%,为此电机的铜损耗将高出11.0%。

合计铜损耗一体机将比分体机高出约25.1%。以永磁同步电机中铜损耗占三分之一计,一般一体机设计效率为94%左右,在120度工作时效率约下降为93.5%左右,(TYB系列在97%左右)所以相对效率相差3.5%。

另外,永磁电机最怕的是退磁,而退磁是磁钢决定的,磁钢最怕的是温度高,在长时间高温下顽固性退磁(不可逆)风险越大,常规设计值在15年退磁率是不大于3%。由于我国钕铁硼技术是近几年发展起来的,对长期高温下的寿命无从验证,在电机行业磁钢退磁而失效的案例很多,油田、纺机等等。

防护等级IP23:由于温度关系所以只能设计成开式电机,空压机很多使用场合比较差,风尘、潮气、盐雾等腐蚀性气体导致其使用寿命低。

机体故障率高:由于一体机转子直接安装在螺杆转子上,螺杆电机转子侧的轴承要承受力比原来大2倍以上的负荷,所以电机侧的轴承及油封比原来寿命降低2倍以上。

维修保养麻烦:因为永磁电机转子是永磁体,在机头维修保养时一定要先拆电机才能拆机头,而永磁转子具有强大的吸引力,取出需专用工具,且人员要求专业性很强,不然很容易造成事故。

束缚制造商的选择:由于螺杆机头的质量好坏、比功率的大小及机头的选型多存在很大的差异,所以机头是空压机的核心,选择优质的机头及高效的电机才能达到优秀的比功率及可靠性,所以任何一家品牌空压机制造商都以选择优质零部件来打造自己的产品,这样才会体现制造商的质量水平,提高产品可靠性打造企业品牌。

以上五大劣势使得螺杆一体机存在很大的潜在风险,须待改进。所以传统机头与单电机直联才是最可靠的方案,但需要有可靠的永磁电机。

永磁电机的介绍与空压机配套选型


随着国家对节能减排的要求越来越迫切,磁钢的技术相对成熟,永磁电机国内是近几年发展起来的,目前市场上分几种永磁同步电机:

 

异步启动永磁电机

这款开发的电机比早,主要用于纺织机械、石油磕头机、水泵等,特点是一般电源直起就可以,所以控制成本低使用方便。但它在直起时与永磁同步有切换过程,大惯量负载难以切入同步,大电流时容易失磁,负载有局限性,且体积较大。

 

专用电梯曳引机

是变频控制的多极数电机,将原来的齿轮箱取代,达到提高系统效率、减小噪声、降低机械故障率的目的。特殊外形不能用于常规设备,且相对效率水平低。


 

油泵伺服电机

此电机最早是欧洲,引进生产基地在宁波,主要用于注塑机的液压系统。优点:响应速度快,可以根据注塑机工艺的需要灵活高低速多可以满足,效率在94~95%左右,所以它在注塑机改造时可以达到30%以上。外形比较美观,体积较小。

缺点:由于伺服电机的特点是定位、速度、力矩,所以以S3~4间断工作制为设计特点。


以上永磁同步电机目前主要应用在电梯、注塑机、压缩机、磕头抽油机及家电等行业。由于永磁电机是近年因节能产业而兴起的产品,其控制技术及电机设计方面水平较低,使用的材料参差不齐,造成能效差异极大,而用户以为所有永磁电机都是超高效。经电机归口部门监督抽查表明50%左右的永磁电机还未达到异步电机(GB18613-2012标准)中规定的3级能效,所以乱象百出。基于此现象,国家出台了《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》GB30253-2013的标准。


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