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      永磁同步电机在节能改造项目中的应用

      永磁同步电机


      随着20世纪70年代稀土永磁材料的发明,永磁同步电机应运而生。近年来,随着科学技术的快速发展,稀土永磁材料在性能、工艺不断改善,再加上电力电子与控制理论的进步,永磁同步电机的性能越来越好,成本越来越低。而随着国家对节能减排工作的重视,可以预见,有着超高效率的永磁同步电机,在市场上将有爆发式的增长。

      一、什么是永磁同步电机

      永磁同步电机(PMSM)是一种旋转交流同步电机,和普通旋转电机一样,包含定子和转子,其中转子中包含永磁体。转子中永磁体产生恒定的磁场,与定子中绕组通过交流电后产生的旋转磁场相作用,产生扭矩,推动转子与定子磁场同步旋转。

       

      JEMECJEM系列永磁同步电机结构:

      永磁电机


      从上面的结构图上可以看出,除了转子以外,其它部件与三相异步电动是完全相同的。JEM系列电机的转子铁芯高性能低损耗硅钢片叠压而成,内插磁钢,具有气隙磁密高,空载磁场波形好,弱磁扩速能力强,动态响应快,齿槽转矩小等优点。

      高效电机


      二、永磁同步电机的优点

      超高效率

      永磁同步电机具有超高的效率,效率高于IE4效率标准值(杂散损耗按112B法推荐值)。并可根据用户需求提供符合IE5或高于IE5效率标准的产品,同时电机可在全范围转速或功率范围提供卓越效率。

      永磁同步电机

      永磁同步电机为什么效率高传统的三相异步电动机

      1. 传统的三相异步电动机的转子为笼形结构,绕组是安装在心槽内的裸导条和两端的端环连接而成。定子绕组的旋转磁场切割转子导条,产生感应电流,感应电流可分为有功分量和无功分量,其中有功分量推动转子旋转,无功分量用来建立磁场。而与三相异步电动机相比,永磁同步电机的转子由永磁体组成,没有转子绕组,也不需要从电网中吸收无功电流激磁,大大减小了转子铁耗与铜耗,因此,同规格的永磁同步电机效率是大大高于异步电机的。

      2. 在低速、低负载情况下仍能保持较高效率

        从永磁同步电机与异步电机在不同负载下的效率曲线可以看出,在负载率下降时,三相异步电动机的效率下降非常大,这对于长期运行在低负载率的异步电机来说,电机的能效是非常低的。而永磁同步电机的效率下降很小,与三相异步电机对比,节能优势巨大。

      永磁同步机电

      3. 功率密度大体积小

      电机转子永磁体磁场与定子旋转磁场同步运行无滑差损耗,定子绕组无需从电网吸收无功电流,从而极大的降低了电机损耗和温升,在同等功率和转矩下电机质量和体积可以减少70%,机座号或中心高可降低1~2个等级。

      4. 电气性能、安装尺寸符合GBIEC标准

      安装尺寸、功率等级与普通工业应用三相异步电机完全相同,有很好的互换性,方便用户直接将传统三相电机升级为更节能的永磁同步电机。

      三、永磁同步电机的缺点

       须由变频器驱动控制

      因为设计及工作原理等原因,永磁同步电机必须由专用的变频器驱动

      成本相对较高

      稀土材料永磁体价格昂贵,并且永磁同步电机必须配变频器使用,因此系统价格要高于传统三相异步电动机

       

      四、永磁同步电机常见问题

      永磁电机的使用寿命

      正常运行条件下的永磁同步电机的使用寿命为15-20年,和三相异步电机寿命相似。而由于永磁同步电机的温升小于三相异步电机,绝缘系统的可靠性要好过三相异步电机。

      永磁同步电机永磁体退磁的问题

      永磁体是永磁同步电机的核心,一但退磁,会使电机性能降低,甚至无法使用。

      很多用户会担心永磁同步电机使用后会发生退磁的情况。的确,当永磁同步电机设计使用不当,电机在冲击电流产生的电枢反应磁场的作用下,或者过高的温度,永磁体氧化或受强烈振动时,都有可能造成永磁体退磁。

      但JPM系统永磁同步电机在设计时,已经采取有效措施防止永磁体退磁。具体措施有:

       

      1)防止电枢反应导致的退磁

      永磁同步电机在工作时,电枢磁场的轴线与永磁体的轴线不重合,电枢磁场对永磁体不产生去磁效应,但如果设计不合理,或在电枢绕组发生Z严重短路时,电枢磁场与永磁体轴线重合,且方向相反,将对永磁体产生严重的去磁效应。

      JPM系列永磁同步电机设计时通过ANSYS软件对电机内磁场进行有限元分析,计算出电机各处磁密的大小,对电枢去磁效应进行定量计算,确定电机的工作点,并同永磁体的退磁曲线比较,确保电机的工作点在曲线拐点以下,以保证电机的安全运行。

      2)防止永磁体因温度过高失磁

      JPM永磁同步电机采用高工作温度为180℃的钕铁硼磁钢,而电机的设计温升为B级(80K),在环境温度40度的情况下,电机内部高温度为120℃,远低于磁钢的工作温度,这确保了电机内磁钢不会因电机工作时产生的热量而失磁。

      JPM永磁同步电机的转子为内插磁钢设计,并开有散热孔,这样永磁体表面因涡流损耗产生的热量可及时传递给转子并散发出去,确保永磁体不会因为涡流产生的表面局部高温而失磁。

      JPM永磁同步电机在设计时通过ANSYS等软件进行磁场分析,计算出磁钢在工作时的剩磁磁感应强度与矫顽力值,确保此值在磁钢工作温度时的退磁曲线拐点之上。

      3)防止磁钢因表面氧化、振动冲击而导致的退磁

      电机磁钢内插在转子中并密封,隔绝了与氧气水份的接触,有效防止表面氧化锈蚀;并且内插式磁钢转子有更好的结构强度,可提高磁钢抗冲击振动能力。

      4)防止冲击电流导致的磁钢退磁

      永磁同步电机必须由变频器驱动,而现在变频器都有完善的电机保护功能,可有效保护电机在运转过程中免受各种原因导致的过电流或冲击电流的影响。

      五、永磁同步电机在节能改造项目中的应用

      纺织行业的应用

      永磁同步电机

       江苏名优织造有限公司的倍捻车间有12台倍捻机,每台倍捻机装变频驱动的15KW电机一台,每天工作18-20小时,是厂内能耗高的车间之一。



      永磁电机

      经现场调研,结合实际工况,捷美达提出了用永磁同步电机替代现有三相异步电机的节能改造方案。为验证方案的可行性及实际节能量,捷美达公司进行了对比试验,试验方法是将其中一台倍捻机的电机更换为永磁同步电机,用电能表记录实际使用电量;




      高效电机

      并用电能表记录另一台使用三相异步电机的倍捻机的用电量作为对比。两台倍捻机在实验期间工作时间完全相同,生产产品及生产率也完全相同。


      运行情况对比

      永磁同步电机

      节电率 (1718-1359)/1718= 20.8%


      客户评价:

      高效电机


      钢管厂的应用


      盱眙华洋工业科技有限公司是一家专业生产钢管的企业,是工信局公布的重点用能工业企业之一。为节约能源,降低经营成本,该公司委托捷美达对其生产设备中使用的电机进行了调研并进行节能改造。

      永磁同步电机


      热轧钢管机所用电机的节能改造

      该热轧钢管机采用两台JR系列电机驱动,一台为JSR137-6A, 功率为320KW,另一台型号为JSR128-6, 功率为155KW, S6负载(一段时间空载,一段时间负载),负载持续率大约为50%

      电机老旧,能效低。由于单台电机功率不能满足要求,不得不采用两台异步电机并联驱动,并联的异步电机负载不平衡,不能输出电机的额定功率。在轧机轧制小尺寸钢管时,为节约能耗,其中一台电机不工作,由主电机拖动,造成功率浪费。

      结合现场实际负载,负载持续率等,捷美达提出采用单台永磁同步电机替换两台JSR电机的方案:

      替换永磁同步电机性能参数:

      电机型号:JEM400-1000-Z355M8

      额定功率:400KW

      服务系数:1.2

      额定效率:97%

      替换电机时施工现场照片:

      高效电机

      节能量计算:

      原来电机实测输入功率

      空载时:

       image.png


      负载时:

      永磁电机

      年消耗有功电量

      【日工作20小时,年工作360天】

      [(254+88.6)*0.5+(35.7+16.2)*0.5]*20*360=1420200kW.h

      年消耗无功电量

      [(151+66)*0.5+(113+42)*0.5]*20*360=1339200kVa.h

      替换成永磁同步电机后,电机运行电流:

          永磁同步电机

      按负载运行平均电流545A, 空载电流40A,电机功率因素0.95,变频器效率0.97计算年用电量:

      有功电量

      (545A*380V*1.732*0.5+40A*380V*1.732*0.5)*0.95/0.97*20*360=1357505kW.h

      无功电量

      因为永磁同步电机用变频器驱动,变频器的功率因素按0.98计算

      无功电量=sqrt(1-0.98^2)*(1357505/0.98)=275653kVA.h

      综合节能量

      1420200-1357505)+0.04*(1339200-275653)=105236kW.h

      注:综合节电量按GB/T 34687.1-2017 11.3.3计算KQ0.04

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      客户评价:

      高效电机

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