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                      永磁同步電機在節能改造項目中的應用

                      永磁同步電機


                      隨著20世紀70年代稀土永磁材料的發明,永磁同步電機應運而生。近年來,隨著科學技術的快速發展,稀土永磁材料在性能、工藝不斷改善,再加上電力電子與控制理論的進步,永磁同步電機的性能越來越好,成本越來越低。而隨著國家對節能減排工作的重視,可以預見,有著超高效率的永磁同步電機,在市場上將有爆發式的增長。

                      一、什么是永磁同步電機

                      永磁同步電機(PMSM)是一種旋轉交流同步電機,和普通旋轉電機一樣,包含定子和轉子,其中轉子中包含永磁體。轉子中永磁體產生恒定的磁場,與定子中繞組通過交流電后產生的旋轉磁場相作用,產生扭矩,推動轉子與定子磁場同步旋轉。

                       

                      JEMECJEM系列永磁同步電機結構:

                      永磁電機


                      從上面的結構圖上可以看出,除了轉子以外,其它部件與三相異步電動是完全相同的。JEM系列電機的轉子鐵芯高性能低損耗硅鋼片疊壓而成,內插磁鋼,具有氣隙磁密高,空載磁場波形好,弱磁擴速能力強,動態響應快,齒槽轉矩小等優點。

                      高效電機


                      二、永磁同步電機的優點

                      超高效率

                      永磁同步電機具有超高的效率,效率高于IE4效率標準值(雜散損耗按112B法推薦值)。并可根據用戶需求提供符合IE5或高于IE5效率標準的產品,同時電機可在全范圍轉速或功率范圍提供卓越效率。

                      永磁同步電機

                      永磁同步電機為什么效率高傳統的三相異步電動機?

                      1. 傳統的三相異步電動機的轉子為籠形結構,繞組是安裝在心槽內的裸導條和兩端的端環連接而成。定子繞組的旋轉磁場切割轉子導條,產生感應電流,感應電流可分為有功分量和無功分量,其中有功分量推動轉子旋轉,無功分量用來建立磁場。而與三相異步電動機相比,永磁同步電機的轉子由永磁體組成,沒有轉子繞組,也不需要從電網中吸收無功電流激磁,大大減小了轉子鐵耗與銅耗,因此,同規格的永磁同步電機效率是大大高于異步電機的。

                      2. 在低速、低負載情況下仍能保持較高效率

                        從永磁同步電機與異步電機在不同負載下的效率曲線可以看出,在負載率下降時,三相異步電動機的效率下降非常大,這對于長期運行在低負載率的異步電機來說,電機的能效是非常低的。而永磁同步電機的效率下降很小,與三相異步電機對比,節能優勢巨大。

                      永磁同步機電

                      3. 功率密度大體積小

                      電機轉子永磁體磁場與定子旋轉磁場同步運行無滑差損耗,定子繞組無需從電網吸收無功電流,從而極大的降低了電機損耗和溫升,在同等功率和轉矩下電機質量和體積可以減少70%,機座號或中心高可降低1~2個等級。

                      4. 電氣性能、安裝尺寸符合GBIEC標準

                      安裝尺寸、功率等級與普通工業應用三相異步電機完全相同,有很好的互換性,方便用戶直接將傳統三相電機升級為更節能的永磁同步電機。

                      三、永磁同步電機的缺點

                       須由變頻器驅動控制

                      因為設計及工作原理等原因,永磁同步電機必須由專用的變頻器驅動

                      成本相對較高

                      稀土材料永磁體價格昂貴,并且永磁同步電機必須配變頻器使用,因此系統價格要高于傳統三相異步電動機

                       

                      四、永磁同步電機常見問題

                      永磁電機的使用壽命

                      正常運行條件下的永磁同步電機的使用壽命為15-20年,和三相異步電機壽命相似。而由于永磁同步電機的溫升小于三相異步電機,絕緣系統的可靠性要好過三相異步電機。

                      永磁同步電機永磁體退磁的問題

                      永磁體是永磁同步電機的核心,一但退磁,會使電機性能降低,甚至無法使用。

                      很多用戶會擔心永磁同步電機使用后會發生退磁的情況。的確,當永磁同步電機設計使用不當,電機在沖擊電流產生的電樞反應磁場的作用下,或者過高的溫度,永磁體氧化或受強烈振動時,都有可能造成永磁體退磁。

                      但JPM系統永磁同步電機在設計時,已經采取有效措施防止永磁體退磁。具體措施有:

                       

                      1)防止電樞反應導致的退磁

                      永磁同步電機在工作時,電樞磁場的軸線與永磁體的軸線不重合,電樞磁場對永磁體不產生去磁效應,但如果設計不合理,或在電樞繞組發生Z嚴重短路時,電樞磁場與永磁體軸線重合,且方向相反,將對永磁體產生嚴重的去磁效應。

                      JPM系列永磁同步電機設計時通過ANSYS軟件對電機內磁場進行有限元分析,計算出電機各處磁密的大小,對電樞去磁效應進行定量計算,確定電機的工作點,并同永磁體的退磁曲線比較,確保電機的工作點在曲線拐點以下,以保證電機的安全運行。

                      2)防止永磁體因溫度過高失磁

                      JPM永磁同步電機采用高工作溫度為180℃的釹鐵硼磁鋼,而電機的設計溫升為B級(80K),在環境溫度40度的情況下,電機內部高溫度為120℃,遠低于磁鋼的工作溫度,這確保了電機內磁鋼不會因電機工作時產生的熱量而失磁。

                      JPM永磁同步電機的轉子為內插磁鋼設計,并開有散熱孔,這樣永磁體表面因渦流損耗產生的熱量可及時傳遞給轉子并散發出去,確保永磁體不會因為渦流產生的表面局部高溫而失磁。

                      JPM永磁同步電機在設計時通過ANSYS等軟件進行磁場分析,計算出磁鋼在工作時的剩磁磁感應強度與矯頑力值,確保此值在磁鋼工作溫度時的退磁曲線拐點之上。

                      3)防止磁鋼因表面氧化、振動沖擊而導致的退磁

                      電機磁鋼內插在轉子中并密封,隔絕了與氧氣水份的接觸,有效防止表面氧化銹蝕;并且內插式磁鋼轉子有更好的結構強度,可提高磁鋼抗沖擊振動能力。

                      4)防止沖擊電流導致的磁鋼退磁

                      永磁同步電機必須由變頻器驅動,而現在變頻器都有完善的電機保護功能,可有效保護電機在運轉過程中免受各種原因導致的過電流或沖擊電流的影響。

                      五、永磁同步電機在節能改造項目中的應用

                      紡織行業的應用

                      永磁同步電機

                       江蘇名優織造有限公司的倍捻車間有12臺倍捻機,每臺倍捻機裝變頻驅動的15KW電機一臺,每天工作18-20小時,是廠內能耗高的車間之一。



                      永磁電機

                      經現場調研,結合實際工況,捷美達提出了用永磁同步電機替代現有三相異步電機的節能改造方案。為驗證方案的可行性及實際節能量,捷美達公司進行了對比試驗,試驗方法是將其中一臺倍捻機的電機更換為永磁同步電機,用電能表記錄實際使用電量;




                      高效電機

                      并用電能表記錄另一臺使用三相異步電機的倍捻機的用電量作為對比。兩臺倍捻機在實驗期間工作時間完全相同,生產產品及生產率也完全相同。


                      運行情況對比

                      永磁同步電機

                      節電率 (1718-1359)/1718= 20.8%


                      客戶評價:

                      高效電機


                      鋼管廠的應用


                      盱眙華洋工業科技有限公司是一家專業生產鋼管的企業,是工信局公布的重點用能工業企業之一。為節約能源,降低經營成本,該公司委托捷美達對其生產設備中使用的電機進行了調研并進行節能改造。

                      永磁同步電機


                      熱軋鋼管機所用電機的節能改造

                      該熱軋鋼管機采用兩臺JR系列電機驅動,一臺為JSR137-6A, 功率為320KW,另一臺型號為JSR128-6, 功率為155KW, S6負載(一段時間空載,一段時間負載),負載持續率大約為50%

                      電機老舊,能效低。由于單臺電機功率不能滿足要求,不得不采用兩臺異步電機并聯驅動,并聯的異步電機負載不平衡,不能輸出電機的額定功率。在軋機軋制小尺寸鋼管時,為節約能耗,其中一臺電機不工作,由主電機拖動,造成功率浪費。

                      結合現場實際負載,負載持續率等,捷美達提出采用單臺永磁同步電機替換兩臺JSR電機的方案:

                      替換永磁同步電機性能參數:

                      電機型號:JEM400-1000-Z355M8

                      額定功率:400KW

                      服務系數:1.2

                      額定效率:97%

                      替換電機時施工現場照片:

                      高效電機

                      節能量計算:

                      原來電機實測輸入功率

                      空載時:

                       image.png


                      負載時:

                      永磁電機

                      年消耗有功電量

                      【日工作20小時,年工作360天】

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

                      年消耗無功電量

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

                      替換成永磁同步電機后,電機運行電流:

                          永磁同步電機

                      按負載運行平均電流545A, 空載電流40A,電機功率因素0.95,變頻器效率0.97計算年用電量:

                      有功電量

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

                      無功電量

                      因為永磁同步電機用變頻器驅動,變頻器的功率因素按0.98計算

                      無功電量=sqrt(1-0.98^2)*(1357505/0.98)=275653kVA.h

                      綜合節能量

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

                      注:綜合節電量按GB/T 34687.1-2017 11.3.3計算,KQ0.04

                      高效電機

                      客戶評價:

                      高效電機

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