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减速机行业注意啦!起重行业驱动系统减速机被永磁同步电机替代

作者:永磁同步电机、直驱电机、矢量驱动器来源:本站阅读次数:42【关闭本页

2020-07-04 14:42:16

减速机行业注意啦!起重行业驱动系统减速机被永磁同步电机替代


永磁电机因其结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高、起动转矩高、经济运行范围宽等优点,于2015年11月被工业与信息化部列入《节能机电设备(产品)推荐目录(第六批)》,是目前节能新技术推广中的重点产品。近年来,在永磁同步电机本体上出现了很多高端电机,比如六相永磁同步电动机。用它为舰船提供动力,其体积比传统的直流电机小近60%,损耗降低近20%;用于舰船推进的永磁同步电动机最大安装容量达38MW;我国已经研制出的3MW高速度永磁风力发电机。现在的永磁同步电机正向着拥有更大的调速范围和更高的精度控制发展,具有高性能的永磁材料得到青睐。但在减速机行业随着永磁电机发展的火热程度确显得诚惶诚恐,原因是时时传来永磁电机替代减速机的声音,今天“今日减速机”就盘点一些行业永磁电机替代减速机的相关情况:

起重行业驱动系统减速机被替代
在传统的起重行业的机械装备中,由异步电动机加机械减速机构构成的驱动系统占主导地位,但其结构复杂、转动惯量大、系统整体效率低下、噪声大、润滑油渗漏污染、维护频繁等缺点

传统起重机如果取消减速机,直接由异步电机直驱几乎是不可能的。这是因为异步电动机低速运行时,电机的极对数会相应较多,此时电机励磁电流所占的比例很大,因此空载电流较大,电机的效率和功率因数很低。

那么将起重机的驱动电机用永磁同步电动机替代,将会解决上述问题。由于永磁同步电机的励磁由永磁体产生,不需要定子提供额外的励磁电流,因而永磁同步电动机的功率因数可以做的很高,同时由于电机定子电流无功分量极低,故其值明显低于同极数、同容量的感应电机,特别在电机极数较多时更加明显,可使定子铜耗减小 30%~50%。永磁同步电动机易于实现多极数,且在很宽的负载范围内具有良好的效率和功率因数的特性,使得取消机械减速机,实现低速大扭矩电机直驱成为了可能。

不同极槽配合起重机起升机构永磁同步电机对比研究
气隙磁密:永磁同步电机气隙磁密的分布对电机性能影响很大,理想情况下的波形呈正弦分布,但由于其磁路的特点,波形并不是严格正弦分布,需要采取一定措施来优化磁密波形。
空载反电势:空载反电势是由气隙基波磁通在绕组中产生的,其大小影响电机的动态性能,并决定电机是工作增磁还是去磁状态,合理设计保证其正弦度,可降低定子电流,,减小谐波引起的损耗和振动。
齿槽转矩:永磁体和定子铁心之间在永磁电机绕组不通电时就能相互作用产生的转矩,是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的,产生转矩脉动。其波形周期等于极槽数的最小公倍数( LCM)。有效削弱齿槽转矩的方法有:斜槽、斜极、不等厚永磁体、调整极弧系数等等。

水泥行业煤磨机减速机被替代
某水泥厂现有两台煤磨,原有电机拖动模式为“电机+减速机”(YRKK560-6型900kW 6kV高压电机 + JCX80型速比为7的减速机)。原有拖动模式电机本身功率因数低,已连续使用15年,设备磨损老化,运行电流较高且波动幅度大,耗电量高。水泥厂决定技改两台煤磨,本次技改主要考虑由永磁电机(TPYM900-30型 900kW 6kV)直接驱动设备的方式替换传统的电机+减速机的拖动模式,省去减速机负荷,提高传动效率。

永磁同步电机的优势:
永磁电机功率因数更高,由高压变频器调节频率,节电效果更好。
永磁电动机与机械负载直接相连,消除了低速大转矩传动系统中的电机与机械负载之间的各个传动环节,大幅度简化了机械装备的传动链。
噪音小,无污染,免维护。取消了减速机、液力耦合器等故障率高的机械装置,节省了日常维护费用、润滑费用及所耽搁的工作时间。

水泥厂将原有电机及减速机拆除后,因技改永磁电机与原电机底座尺寸不同,需重新做电机底座,电机底座制作过程:(1)用风镐、电镐将原有基础混凝土进行松动处理;(2)对原有混凝土基础内面植筋,植筋深度为20d=400mm;(3)新设计混凝土基础砼用C40混凝土;(4)新混凝土基础东、北侧放设挑板1500mm宽,南侧挑板1 000mm,根部150mm,端部100mm;(5)在新基础施工过程中严格执行《混凝土结构工程施工规范》、《混凝土结构工程施工质量验收规范》、《建筑工程冬期施工规程》,基础施工完成后通过4个10t倒链将永磁电机吊装、找正。

技改后,永磁电机由高压变频器驱动,生产运行时频率设定为45~46Hz即可达到原有传统拖动模式下的磨机转速,满足生产需求,运行电流降低。直驱拖动模式没有减速机,降低传动负荷,进一步降低运行电流。相比原有电机,永磁电机功率因数提高,节能效果明显。本项目技改投资约140万元,对水泥厂煤磨主电机进行技术改造,技改完成后一台永磁电机年可节电约120万kWh,折合电费约70万元,预计两年可收回投资成本。一年节电折合标准煤约165. 4t,减少CO 2排放约450t。

永磁电机在抽油机应用相比减速机的优势
油田使用的大多是常规游梁抽油机,属于带负荷启动设备,稳定运行时所需的转矩相对较小,而启动时需要转矩较大,因此需要使用比稳定运行时功率大得多的电机。油田大量配用异步驱动电机降低了电网的功率因数,增加了无功消耗,致使电机平均负载率不足30%,“大马拉小车”现象严重,电能浪费巨大,使得开采成本很高,影响油田的综合经济效益。所以在常规抽油机上推广使用永磁同步电机。

永磁电机采用封闭式外壳结构,完全适应野外工作环境,其外形结构和安装尺寸与Y系列电机完全相同,现场安装方便,经久耐用。除此之外:
效率高,额定效率为92%,高于Y系列电机约4%,节能效果显著,综合节电率15%以上。
功率因数高,功率因数由1/4负载到额定负载时,均保持在0.9以上,而异步电机平均运行功率因数仅为0.4左右。
启动转矩大,过载能力强,启动转矩为额定转矩的3.0~4.0倍,其启动转矩和过载能力均提高了1个座机号,能替换比它大1~2个功率等级的Y系列异步电机。

应用永磁电机,效率提高,体积变小,可以节省能源。对复杂的机械结构没有改变,仅改变动力源达到节能效果。

我们用低速大力矩电机的永磁盘面电动机举例,由于永磁盘面电动机的电机半径较大,能够通过电机圆周得到较大的出力,应用这种新型永磁同步电动机能够直接对抽油机的悬梁进行驱动,不但提高了整个控制系统的工作效率,而且去掉了具有复杂结构的减速机。为了能够得到更大的出力,所以电机的半径较大,但是与传统的抽油机系统相比较而言,体积还是明显减小了很多。

永磁电机在低速大转矩设备上替代减速机
永磁同步电动机具有节能高效、低速直接驱动效果良好的特点,在某大型建材企业对大功率主电机进行了“更新-直驱”改造试验,即采用新型节能高效永磁同步电动机替代原来的鼠笼异步电动机,去掉减速机及其稀油站系统,直接驱动球磨机运行。

本次改造主要采用永磁同步电动机直接驱动球磨机的小齿轮工作,去掉减速机及其稀油站系统,可在显著降低能耗的同时,大大提高工作效率,减少运行维护成本,实现真正意义上的免维护。
改造前系统:现有系统采用异步电动机—减速机—小齿轮—大齿轮的模式驱动,由于异步机和减速机的效率非常低,并且存在着维护频繁、漏油等系列问题,严重影响生产成本与经济效益。
改造后系统:为了提高传动环节的效率,本次改造拟采用低速大转矩永磁同步电动机直接驱动小齿轮,带动大齿轮转动。

技能技术改造经济效益分析
项目改造完成后,通过一段时间的运行,综合比较测算,改造取得了良好的经济效益。
年节电量34.56万kWh,折合电费17.2万元;省掉了减速机稀油站油泵电机(功率2.2 kW),年节电1.1万kWh(按年运行300 h,负荷率75%计算),折合电费0.5万元;永磁直驱电机机械结构简单,省掉了减速机及其稀油站、慢转电机环节,减少设备维护劳动投入,节约减速机及油站备件、油品消耗等费用0.8万元/年;永磁直驱电机除满足正常生产外,还同时满足了断料减转降负荷、检修定位停机等要求,不需岗位人员进行切换操作,降低了人员劳动强度;永磁直驱电机功率因数为0.952,远高于原鼠笼电机的0.834。经测算直驱电机变频器输入侧功率因数为0.99,供电变压器二次侧功率因数不用电容补偿即满足要求,节省采购电容器一次性支出3万元,平均每年节省1万元。

主电机“更新-直驱”改造项目实施后,设备运行平稳、正常,能够满足生产要求,节能效果明显,平均节电率达20%左右,且能显著降低设备维护成本和操作人员劳动强度。此项技术非常适合低速大转矩设备,具有很高的推广应用价值。

电梯驱动系统中的替代减速机
自从鼠笼式三相异步电动机驱动变频式样的调速电梯被日本三菱公司首次推出以来,使得交流电梯舒适感达到可以和直流电梯相对比的程度,这完全归功于矢量控制技术的广泛应用。但同时由于异步电动机自身存在一切缺陷,使得其主流地位受到严重挑战,这个是指在电梯拖动中,同时永磁同步电动机可能使得异步电动机和直流电动机一样被自己取代。

永磁同步电动机的性能
永磁同步电机转子采用稀土永磁体,与定子的旋转磁场同步工作。稀土永磁材料主要是钕铁硼钕铁硼。因为NdFeB 永久磁铁的磁性能高,最大剩磁1.47 T 能够实现,这比感应电动机加入转子磁场更强,转子旋转角度可以容易地确定(磁极的相对位置和所述转子被设置),和使用转子方向的矢量控制很容易。

在永磁同步电机断电后,电机的三相定子绕组可能会被接触器短路(或短路)。当电梯由于错误而展开时,发动机进入发电制动状态。能量负载会产生较大的阻力矩。 电机的角速度按指数曲线增加,角速度的绝对值逐渐减小,最终实现恒速运行,由此公式得出,稳态速度较低。根据相关资料,短路电梯上行或下行速度不超过额定转速的 10%后,能起到很好的限速保护。

永磁同步电动机的类别和区别。对应于电机定子绕组电流波形和产生的反电动势波形,梯形反电动势和方波电流 BLDCM(短无刷直流电机)称为永磁同步电动机,反电动势和电流均为正弦曲线 - 轴同步电机称为交流永磁同步电机(PMSM)。

由于普通电梯采用永磁同步无齿轮牵引传动(特别是1:1传动),其效率高于采用蜗轮减速机的异步电动机传动系统的效率,曳引机采用2:1 卷绕方式。从提高机械效率的观点出发,作为电梯的驱动方法,为了节能而使用永磁同步电动机和高效率减速机(行星齿轮减速机等)更有效。

半驱式永磁电机一体集成驱动系统完美替代传统

半驱式永磁电机由中速永磁电机和行星减速器组成的一体化驱动装置,其输出转速n≤200rpm,输出转矩T=0.15~5502kN.m。可广泛替代《异步电机+齿轮箱+液力偶合器》的传统低速大转矩驱动装置。

运行效率高:在负载、工作制相同的情况下,采用半驱式永磁电机比传统的异步电机驱动系统大约可节省30%左右的电能损耗,完全符合国家节能减排的相关政策。

轻量化:在相同工况条件(功率和转速相同)下,半驱式永磁电机与全直驱永磁电机相比,其体积和重量可减小60%;与传统驱动系统相比,其体积和重量可减小50%。

智能化控制系统:半驱式永磁电机驱动系统配套“专用的控制系统”,可进行平滑起动、调速,智能化操作,可靠性高。控制器可提供CAN、RS485、PROFBUS DP等多种通信接口的接入,可实现与上位机通讯,实现多台设备集中控制运行,可将运行数据传送至地面调度室进行在线监测。

传统驱动系统(异步电机+齿轮箱)使用工频电直接起动,起动电流大,控制功能单一,不便于系统的智能化发展。
无级调速:半驱式永磁电机配置“专用的控制系统”,可通过调节变频器,改变其供电频率实现在一定的范围内进行无级变速,且可保持极高的效率。特别适合在流体输送机械中得到更好的应用,如水泵、风机等。

负载启动:半驱式永磁电机启动时电流是随着负载逐步增加,不会存在大电流冲击的情况且可保持极高的效率。而传统驱动系统中多采用的是异步电机,启动时电流是额定电流的5-7倍,电流冲击大,导致定子绕组的漏阻抗压降增大,从而无法实现重载起动,为了保证设备启动能力,通常需选用更大供电容量的异步电机或者加装液力耦合器从而实现重载起动。

永磁电机的缺点
尽管永磁体在低速时带来了性能优势,但它们也是技术上的“致命弱点”。例如,随着永磁电机速度的增加,反电动势接近逆变器电源电压,从而无法控制绕组电流。这定义了通用永磁电机的基本速度,并且在表面磁体设计中通常代表给定电源电压的最大可能速度。

在大于基本速度的速度下,IPM使用主动磁场弱化,其中操纵定子电流故意压低磁通量。可以可靠实施的速度范围限制在4:1左右。和以前一样,这个限制可以通过减少绕组匝数和接受更大的成本和逆变器中的功率损耗来实现。

磁场弱化的需要是速度相关的,并且不管扭矩如何都会产生相关的损失。这会降低高速下的效率,特别是在轻负载下。在高速公路行驶的电动汽车中,这是非常严重的。永磁电机经常受到电动汽车的青睐,但是在实际驾驶周期进行计算时,效率的好处是值得怀疑的。有趣的是,至少有一家著名的电动汽车制造商已经从PM切换到感应电动机。

其他缺点包括由于其固有的反电动势在故障条件下难以管理的事实。即使变频器断开,只要电机旋转,电流就会持续流过绕组故障,从而导致齿槽转矩和过热,并且都是危险的。例如,由于变频器停机,在高速下的磁场减弱会导致不受控制的发电,并且逆变器的直流母线电压可能上升到危险的水平。

除了那些装有钐钴磁体的永磁电机外,操作温度是另一个重要的限制。而由于逆变器故障而产生的高电动机电流会导致退磁。
永磁电机的最大速度受机械磁铁保持力的限制。如果永磁电机损坏,修理它通常需要返回到工厂,因为安全地提取和处理转子是困难的。最后,报废时的回收也很麻烦,尽管当前稀土材料的高价值可能会使这种材料更具经济可行性。

减速机行业必须存有危机感


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