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单螺杆空气压缩机新型动力源应用研究
日期:2015年11月17日 来源:上海long8国际(www.ccpue.com.cn)

 

  摘要:本文通过介绍单螺杆空气压缩机的大致概况,对新型动力源的特性作了大致介绍。根据目前单螺杆空气压缩机所用动力源情况——电机的应用研究。同时,通过举例新型动力源在相关领域的应用实例,分析了新型动力源在单螺杆空气压缩机方面的应用前景。

  概述

  单螺杆空气压缩机(以下简称:压缩机)在空压机领域作为一种重要类型压缩机。由于其独特而优越的性能,越来越占有更多市场。随着市场占有量的攀升,人们也开始更加关注此类设备的在生活中的能耗消耗情况。基于以上情况,本文特对目前压缩机所能选用的新型动力源作大略介绍。

  目前工业用单螺杆空气压缩机主要有两大核心部件,除压缩机主机机头外,第二核心部件是动力源部件。电机作为主要动力源部件,为压缩机主机提供电能转换为空气能的主要动力,电机的优劣直接关系到压缩机是否节能、可靠,起关键性作用。如何提高电机的效率,即如何让所选择电机更加合理地适应压缩机实际工作工况需要,使其在实际工作中产生的损耗更少,同时让电机转化电能的能力更加合理地作用压缩机主机主轴上实现电能向空气能转化,成为重点。

  目前作为空气压缩机能效考核关键性指标的机组输入比功率,此项指标对机组工作过程中总电量的消耗提出了硬性要求,即怎样让压缩机在工作过程中消耗更少的电量,压缩更多的空气。这就要求设计人员不仅仅对压缩机机主机设计进行考虑,同时对电机本身特性进行分析,针对目前各种类型的电机特性、能耗特点进行深入了解,然后再对选择何种电机对压缩机节能及成本有利等方面进行综合考量。即针对在选择电机作为动力源时如何选择更优、更节能的电机进行总体把握,让压缩机在整体运行过程中耗能更低,从而实现压缩机的节能,让此类压缩机在市场上赢的更多的客户。

  新型动力源——第三代调速系统的介绍

  1、开关磁阻电机概况

  开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor :SRM)是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统,具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点,继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统——俗称第三代电机调速系统,是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制造技术为一体的光、机、电一体化高新技术。此调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早,并已取得显著效果,产品功率等级从数W直到数百kW,广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。同时作为跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其本世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。

  同时随着开关磁阻电机功率的不断增大,性能的不断稳定,近几年在国内很多行业,得到了非常广泛的应用,被传动领域专家称为继直流电机调速系统、变频调速系统之后的第三代调速系统。2005年,由中国国家发改委、科技部、环保总局下发的2005年第65号文件第32项中,明确提出对开关磁阻推广使用,并对该产品做了以下客观描述:“开关磁阻电机系统是一种机电一体化节能型调速电机系统”。开关磁阻电动机调速系统作为节能产品进行推广,在市场上已经得到认可,其节能降噪,提高可靠性等优点已经得到广大改造用户的赞扬和肯定。它由开关磁阻电机、功率变换器及控制器组成。同传统的直流及交流电机调速系统相比,具有以下优点:电机结构坚固、制造成本低;效率高,不仅在额定输出状态下,而且在宽广的调速范围内也能保持高效率运行;一般系统效率达80%以上;启动转矩大、启动电流小;制动性能好,能实现再生制动,节约电能效果显著;系统调控性能好,四象限控制灵活;具有无刷结构,适用于在高粉尘、高速、易燃易爆等恶劣环境下运行;可以在各行业中广泛应用。

  另外此种电机与传统永磁电机相比,由于不需要消耗稀土材料(钴、钕)等材料,使得日本及欧美等国家目前正在积极研发此类电机的应用领域(备注:因为此种电机工作原理特性所决定转子仅仅是硅钢片,不像永磁电机需要磁铁)。

  2、开关磁阻电机驱动系统结构介绍

  开关磁阻电动机驱动系统是高性能机电一体化系统,主要由开关磁阻电动机、功率变换器、传感器和控制器四部分组成。其中开关磁阻电动机为系统主要组成部分,实现电能向机械能的转化。功率变换器是连接电源和电机的开关器件,用以提供开关电动机所需电能。传感器要用来反馈位置及电流信号,并传送给控制器。控制器是系统的中枢,起决策和指挥作用,主要是针对传感器提供的转子位置、速度和电流反馈信息以及外部输入的指令,实现对开关磁阻电动机运行状态的控制。

  开关磁阻电机调速系统性能介绍

  目前对于90%以上的工业应用现场所选用感应电机(或感应电机+变频调速系统),为了提高设备的整体可靠性,或为了增加电机启动扭矩,所选配的电机额定功率总是大于实际所需功率,大部分电机长时间工作在输出功率的80%,70%,60% ,40%,30%甚至更低,故效率偏低,从下图3的功率-效率曲线可见,开关磁阻能够保持高效。同时在很多需要调速的工业现场,传统感应电机调速系统,转速越低,电机效率越低。从下图的速度-效率曲线可见,开关磁阻电机能够保持高效运行,从而解决了这一问题。

  

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  另外从目前SRD调速系统整体性能效率,单位体积功率、噪音、可控性及电机可靠性、成本方面与传统调速电机系统进行分析比较(见表1)。通过表1,我们可以综合得出目前开关磁阻电机调速系统具有突出的优越性,使其该系统目前在很多领域的应用都受到关注。

  

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  SRD调速系统在单螺杆空气压缩机应用性能特点汇总分析

  针对以上调速系统的各项优点以及结合我司目前单螺杆压缩机采用该系统所做的对比测试总结如下表2所示:

  

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  (1)、系统效率高、节能效果好:在所有的调速和功率范围内,SRD调速系统效率都可达到85%以上,整体效率比交流异步电动机变频调速系统(简称变频调速)至少高10%以上,在低速工作的状态下其效率能够提高20~30%以上。与直流调速、串级调速、电磁调速等系统相比,SRM调速系统节电效果更明显,尤其在低转速及非额定负载下高效率则更加突出。

  (2)、起动转矩大:特别适合于那些需要重载起动和负载变化明显并且频繁的场合。SRM调速系统控制器从电源侧吸收较少的电流,在电机侧可得到较大的起动转矩,起动转矩达额定转矩的150%时(车用300%)、起动电流仅为额定电流的30%,比之直流流电动机的100%电流获得100%的转矩的性能,优势非常明显。

  (3)、调速范围广:SR电动机可以在低速下长期运行。由于效率高,在低速下的温升程度比额定工况时还要低。此外,SR电动机最高转速不会像交流电动机那样受极数的限制,可以根据实际需要灵活地设定最高转速,最高转速可达10000rpm。

  (4)、可频繁正、反转,频繁起动、停止:在有制动单元及制动功率满足时间要求的情况下,起停及正反转切换可达每小时一千次以上。

  (5)、起动电流小:避免了对电源的冲击,在整个工作范围内,其起动电流小于额定电流。

  (6)、电机结构简单、坚固、制造工艺简单,成本低:工作可靠,能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境,不存在直流永磁电机的退磁现象。

  (7)、由于控制器中功率变换器与电机绕组串联,不会出现变频调速系统功率变换器可能出现的直通故障,可靠性大大提高。

  (8)、过载能力强:当负载短时远大于额定负载时,转速会下降,保持最大输出功率,不会出现过流现象。当负载恢复正常时.转速恢复到设定转速。

  (9)、可靠性高:由于开关磁阻电动机的转子无绕组和鼠笼条,电动机可高速运转而不变形,机械强度和可靠性均高于其它类电机。转子无永磁体,可有较高的允许温升。

  第三代调速系统特性在其他领域应用举例

  

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  高性能开关磁阻调速节能电动机系统的应用范围非常广泛,随着科技能力的不断进步,以及半导体集成控制技术水半的提高,其系统已有了系列化产品,在工业部门和家用电器及国防军工中得到应用。下面以在油田与中央空调节能系统等领域的应用作为典型举例说明。

  1.基于开关磁阻电机驱动系统的油田抽油机组成与特点

  1)、起动电流小,高起动转矩:起动电流为额定运行电流的30%时起动转矩可达额定转矩的150%。

  2)、没有退磁问题。

  3)、增产效益明显:开关磁阻调速系统可实现上冲程快、下冲程慢,从而使油液充满度大,增加产油量。

  4)、线路及维护效益经明显:使用该系统可以极大的减少线路及供电容量,节约投资成本,减少维护费用。

  5)、调速方便:可频繁起停及正、反向转换运行。

  6)、操作简便:调速时不用转换皮带轮,直接调节按钮就可以调速:可节省以前换皮带轮所花的吊车费、人工费、停产费用等等。

  7)、使用寿命长:开关磁阻调速系统可实现软起动和上快下慢的特性,减少了抽油杆的磨损和井况的影响,延长使用寿命,减少维修次数。 同时基于开关磁阻电机驱动系统的油田抽油机易实现智能化远程驱动系统,其该系统组成与特点具有如下特点:

  可以进行远程监视和控制;可以通过移动网络系统,实现抽油机移峰填谷控制,因此能优化用电模式,降低采油成本,解决电网供需矛盾;实现远程监视控制,不需外加设备和传感器,因此操作更简单,可靠性更高:比如抽油机的冲次可以根据电动机转速间接测得(传统的是通过安装传感器测量,可靠性差,寿命短);油杆拉力可以根据电动机的电流间接换算测得;流量也可以通过电动机转速和电流换算测得:由于开关磁阻电机驱动的空载电流很小,不到一个安培,因此,当皮带断后,可以根据电动机电流判断得出,从而及时通知有关人员进行处理。降低损失,提高生产效率;由于远程系统将远程通讯、刚络、驱动控制集成一体,因此可以大大节约设备本和运行维护成本,大幅度提高了抽油机的信息化和自动化水平,更符合潮流发展方向。本系统可以节能降耗、提高生产效率、提高工艺控制水平,从而提高企业的核心竞争力。

  2. 基于开关磁阻电机驱动系统的中央空调节能系统组成与特点

  1)、工作原理:系统运用了计算机技术+模糊化控制技术,控制单元和信号采集单元组成闭环控制系统,通过对冷却风机、水泵的工艺参数(温度、压力等)和设备参数(电机功率)的优化控制,使风机、水泵一直工作在满足要求条件下的最省电的运行方式。在确保用户舒适的前提下自动调节电机转速,彻底解决电能浪费问题。

  2)、系统特点:采用最先进的开关磁阻电机系统,系统由温度、压力传感系统、PLC控制系统、开关磁阻电机等和冷却泵组成闭环控制系统,将温差、压差的反馈值与设定的目标值进行比较运算,通过PLC系统自动调节电机转速,在满足工艺要求的前提下达到节电目的。改变普通异步电动机定速运行的陈旧模式,克服了目前应用较多的变频器调速范围窄、本身有电耗的局限性,节电效果一般在30%-80%之间。

  3)、同时新一代高性能开关磁阻调速节能电机及控制系统,还开发CAN总线接口,实现了设备的现场总线网络控制,提高了系统的自动化、信息化水平,方便用户控制,实现更佳的控制效果,提高节能的效益。

  另外通过分析汇当前中央空调电机(三相异步电机、三相异步电机+变频控制、SR节能调速系统等三种)节能几种常用技术的对比分析突出体现开关磁阻调速系统在此领域应用的优越性。

  1)、三相异步电机:定速运行,功率因数低,效率低;不可调速、简单可靠,但启动对设备冲击大;启动冲击电流大,影响电网正常运行,存在绝缘老化,承受的匝间峰值电压高达1千多伏,相比寿命居中。

  2)、三相异步电机+变频控制:变频调速、单参量线性控制、变速控制,功率因数较低,节约电能20%~50%;自动化程度较好、调速范围窄,频率在36Hz--45Hz之间最佳,低于36Hz效率急剧下降;启动软启动,对设备无冲击。但控制电路容易发生贯穿短路现象,引起过火灾;存在高次谐波,功率因数低,对电网有污染,长期接触对人体有危害;高次谐波会导致电机绝缘老化(分布绕组,承受的匝间峰值电压高达1千多伏,还有高次谐波电压),电机寿命较短。

  3)、SRD节能调速系统:计算机控制+模糊化控制技术、多参量非线性控制、变速控制,功率因数高,可达0.99,效率高,节约电能30%-80%;自动化程度好、调速范围宽,调速比高于1:20,在很宽的调速范围内效率都在90%左右;软启动对设备无冲击。控制电路不存在贯穿短路现象,电机结构简单,运行安全可靠;启动电流小,启动转矩大,功率因数高,对电网没有冲击和污染; 电机结构简单坚固,不存在绝缘老化(集中绕组,承受的匝间峰值电压仅几十伏),电机寿命最长。

  总结

  空气压缩机作为工业领域主要动力源,能源的消耗一直以来引起能源部门的高度重视。相对于空压机所用异步感应电机、永磁无刷直流电动机,开关磁阻调速电机有着更优越的控制调速及电机运行经济性能,使得空压机在不同负载运行时,通过控制器自动实现调速,以便实现在实际使用中不同工作状况,以及电机本体的低损耗,从而实现压缩机的高效节能。从以上分析第三代调速系统——开关磁阻调速系统各方面均有优势,怎么尽快将该调速系统应用在压缩机领域,以便使压缩机的能耗指标迈上新的台阶,需要相关同行的共同努力。

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