一种新的螺杆空压机变速驱动电机

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螺杆压缩机经过半个多世纪的开发应用,在技术上得到了很大的发展。其中又以喷油螺杆空气压缩机的应用发展最快、最广泛。在空气动力用的压缩机领域,作为同是容积式压缩机的螺杆空压机,其综合运行经济性已被事实证明,比习惯使用的往复式空压机来得更优越。尽管如此,作为越来越广泛使用的螺杆空压机,仍然消耗着大量的能源,仍是许多企业中的用电大户。因此,如何进一步改善螺杆机械的性能,特别是降低螺杆空压机的运行能耗,仍是当前研发的重大课题。

螺杆空气压缩机的节能途径

自从螺杆机械诞生,螺杆转子的型线,经历了多次的改革。随着计算机技术的发展,人们已能开发目前所认识的多种高效率的型线。世界上制造螺杆空压机的厂商,也都能使用所谓的第三代高效率的型线。同样,对整个螺杆空压机系统的研究和应用,也已大致类同。要在短期内,从螺杆机械上获取可观的节能则显得更为艰巨。同时,从能耗角度上讲,用户更关心的不是空压机轴功率的能耗比,而是输入功率的能耗比。为此,人们把节能的潜力关注在空压机的运行上。

另一方面,根据美国能源部2002年的调研报告,各国空压机使用的负载率几乎不可能超过90%(图1)。因此,空压机要运行节能,除了满载时,输入的能耗比要低,而且在部分负载和无负载时也要节能。就此而言,对螺杆空压机的气量调节提出了更高的要求。

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通常调节螺杆空压机气量有三种方法:

(1)进气节流调节。

(2)改变转子有效长度调节。

(3)改变转子转速调节。

从节能角度讲,改变转子转速调节是最有效的。为此,人们想到了变频电机,当然它比固定转速的其他调节方法要节能。但是,由于通常的变频电机在转速下降时,会引起电机功率因素和效率的下降,根据测试它比传统空压机在相同的功率下产气量会下降10%~15%。因此,它还不是最理想的驱动机。而且,通常的电机还不能频繁地启、停。在此,螺杆空压机要消耗25%~30%的空载功率。于是人们期待着一种新的驱动电机的出现。

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一种新的螺杆空压机变速驱动电机

为了满足螺杆空压机运行中的节能,必须有一种高效率变转速的驱动电机。当空压机满负荷运行时,电机能高效运行;当空压机处于部分负载时,电机能随气量改变转速,并仍保持高的效率;当空压机不需要负载时,电机能无限制地启、停,将能耗降为零。这就是美国英格索兰公司同世界著名电气制造商,共同开发的一种HPM混合永磁电机。

HPM混合永磁电机同普通三相异步电机相比,在结构上有如下不同:1)电机定子的绕阻非整体式绕制,而是分为8~12组镶装在电机的定子座里。2)电机转子的矽钢片上分别镶装着几条永磁铁(见图2)。由于永磁铁的存在,使电机定子上的电磁线圈在定子和一排排永磁铁之间产生了强大的电磁力,磁通量被增加三倍,从而使同功率下电机的长度可缩短至1/3。因此,电机的转子可省去支承,悬挂在任何被驱动的转子轴上。

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混合永磁电机同普通的三相变频电机相比,在性能上有如下的特点:

(1)变速范围大。在整个变速范围,电机的效率及功率因素几乎不变。
(2)电机可无限制地起、停。不会造成电机温升增高,电流增大。
(3)电机冷却效果和运行可靠性好。

这是由于磁力强度的增大,使电机定子与转子之间的间隙增大了一倍,大大改善了冷却效果。

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英格索兰NIRVANA螺杆空气压缩机

美国英格索兰公司利用HPM混合永磁电机来驱动喷油和无油螺杆空压机,开发了NIRVANA系列新一代节能型螺杆空压机。由于篇幅的限制,本文仅介绍NIRVANA喷油螺杆空压机的特点。

NIRVANA喷油螺杆空压机同普通喷油螺杆空压机相比,驱动部分的结构被大大简化。

使用HPM混合永磁电机的NIRVANA喷油螺杆空压机,其电机的定子是用法兰同螺杆主机的机壳面联接,而电机的转子是悬挂在螺杆主动转子的轴上。因此,它省去了电机的轴承、密封。从整个传动装置上看,又省去了传统齿轮箱、齿轮以及联接的同心度要求。所以,除了机组传动效率高,还令用户高兴的是省去了日常麻烦的定期更换电机轴承润滑油脂的维护。

使用HPM混合永磁电机要在运行中节能,还要借助于一套完整的控制系统。NIRVANA空压机也进行了优化设计。它将电机的变速控制、软启动控制以及空压机的常规运行和保护控制,全部整合在一起,用模块化集成于机箱内一个低压控制柜内。不但操作维护方便,而且运行可靠。每台空压机相当于有80套电子齿轮,可按用户实际用气的气量和压力,自动实现优化控制。当空压机负载率低于25%时,空压机不需要空载运行消耗电能,而可直接停机,将能耗降为零。一旦系统压力低于设定压力,空压机又会自动软启动。

另外,NIRVANA喷油螺杆空压机同普通变频空压机还有一点不同,当转速降低,气量减少时,它能实现喷油量的调节,使流动损失更小,更节能。

NIRVANA喷油螺杆同普通喷油螺杆测试性能比较如下(图4),如果按空压机通常情况下,平均负载率为70%计算,NIRVANA空压机可降低22%~30%能耗。所以,NIRVANA可以说是目前惟一真正意义上拥有调速变频驱动的螺杆空压机。

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多台螺杆空压机的节能运行

对大多数用户来讲,出于对用气的考虑,在压缩站房内,往往会使用多台空压机。从运行节能考虑,除了利用多台空压机来调节用气负荷外,最理想的方法是选其中一台为节能型调速螺杆空压机,来用作部分负载时的调节,这样不但初次投资增加不多,而且日后的运行更节能。下面是一个实际用气的配置。

IRN-75是NIRVANA调速节能型螺杆空压机,气量是3.7~13m3/min。

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对于上述用户空压机站房的配置,可通过英格索兰IEO智能控制器来设置系统的单点控制压力,实现自动切换控制。

压缩空气系统的集中控制,除了要实现系统的单点压力控制,以避免过大压力带所造成的功率损失,而且,还要尽量避免系统控制压力同实际使用压力的差异,这可以通过英格索兰提供的IntelliFlow智能压力控制器来实现,其系统控制的压力同实际使用的压力波动仅为0.005MPa。

美国英格索兰采用HPM混合永磁电机开发的NIRVANA调速螺杆空气压缩机,对于螺杆空气压缩机的节能,的确是一次重大的技术革新。虽然,到目前为止,在国内投入运行才近百台,还需要不断地收集和积累运行经验。而且,目前此类HPM混合永磁电机还只开发到160kW,有待于进一步研究开发。但是,作为大量使用的螺杆空压机,提出非常切合实效的运行节能的尝试,还是非常令人可喜的,我们坚信经过不断努力,一定会带来螺杆空气压缩机革命性的变革。为改善人类日渐紧缺的能源做出贡献。

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