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        國內空壓機用電動機服務系數淺談

        2018-11-15 09:48:28作者:人瀏覽

        國內空壓機用電動機服務系數淺談

         

        發表于《壓縮機》2013  12 

         

        當前螺桿空壓機行業中經常會遇到用戶對我們使用電動機的服務系數提出疑義,因為我國電動機標準中沒有“服務系數”這么一說,那么電動機的“服務系數”到底從何而來?什么是電動機的“服務系數”,有沒有規定的數值呢?

        電動機的“服務系數”出自美國全國電氣制造商協會(NEMA)編寫出版的

        MG1-2009 電動機和發電機部分》標準,俗稱 NEMA MG1 標準。在該標準中第 1.42 條和第 14.37 條詳細闡述了交流電動機的服務系數(Service Factor, 或稱使用系數,簡稱 S.F和服務系數在交流電動機的應用,其主要內容是交流電動機的服務系數是一個乘數。當它乘上額定功率時,表示在服務系數規定的條件下允許承受的功率負載。在通常使用條件下,按額定負載連續運行。當電壓和頻率保持銘牌上規定值時,電動機可過載至額定功率乘上銘牌上的服務系數。電動機在任何大于 1 的服務系數下運行,其效率、功率因數和轉速可不同于在額定負載條件下的數值,但堵轉轉矩和電流及最大轉矩將維持不變。電動機在任何大于 1 的服務系數下連續運行時,將減少預期使用壽命。與按額定的銘牌功率下運行相比,絕緣壽命和軸承壽命將會減少。 12.43  a.2.條中給出了服務系數為 1.15 及以上的電動機,在服務系數的負載下運行時,其溫升值的規定:絕緣等級 A 級時為 70;絕緣等級 B 級時為 90;絕緣等級 F 級時為 115,并指出如果采用 F 級絕緣時應對軸承溫度和潤滑等予以特殊考慮。

        為什么空壓機行業就螺桿空壓機比較特殊呢?

        要回答上述這些問題我們就要從螺桿空壓機的兩種設計方案和運行方式談起。我們先談兩種設計方案,一種是等功率設計方案,另一種是等排氣量設計方案。在談到等功率設計方案前,我們先看一個我們身邊的現象,大家都知道我們駕駛的汽車在上大坡的時候要減檔變低速,為什么呢?因為汽車發動機的功率是一定的,當汽車上坡的時候需要加大車輪的扭矩來克服上坡的阻力,而此時發動機的功率是一定的,我們在中學物理課中學到,要加大扭矩必須降低速度來達到目的,這就是汽車在上大坡時為什么要降速的原因?,F在我們就螺桿空壓機而言, 所謂等功率設計方案是指在同一個空壓機主機類型中電動機功率不變的情況下, 隨著排氣壓力的增加或減小,陽轉子的轉速減小或增加,同時排氣量也隨之減少或增加(陽轉子轉速與排氣量成正比。那么陽轉子的轉速通常是通過什么方式


        變速的呢?答案是通過齒輪或皮帶輪進行變速的。眾所周知在我國電頻率 50 

        茲的情況下,其異步電動機的同步轉速,兩極電動機每分鐘 3000 (噪音和振

        動大,四極電動機每分鐘 1500 (相對兩極電機噪音和振動小,為了降低成

        本通常螺桿空壓機所需要的轉速比 3000 /分鐘或 1500 /分鐘大的多,也就是說通常我們采用的齒輪或皮帶輪是增速的,通俗地講就是電動機帶動的齒輪或皮帶輪直徑大于帶動陽轉子的齒輪或皮帶輪直徑。在此要說明的是增速齒輪的材質、嚙合精度和加工成本遠遠高于減速齒輪,尤其在熱處理方面難度比較大,搞不好齒輪就會出問題導致壓縮機主機抱死,這就是為什么國內許多生產空壓機主機的公司不想生產齒輪的原因。

        下面我們再來談談等排氣量設計方案,所謂等排氣量設計方案是指在同一個空壓機主機類型中(通??諌簷C主機比等功率設計用空壓機主機要略大一點排氣量基本保持不變的情況下,即空壓機主機轉速保持不變(與異步電動機轉速相同,隨著排氣壓力的增加或減小,那么只能是電動機功率隨之增大或減小。也就是說在同一個空壓機主機類型中我們要用不同功率的電動機來匹配用戶對最高排氣壓力變化的需求,可想而知如果按此方案設計空壓機,生產企業要儲備多少不同功率的電動機啊。但是我們要說回來,如果在電動機上想辦法,也就是說加大電動機實際功率來滿足不同排氣壓力的需求,為了使電動機額定功率與等功率設計方案的電動機額定功率相同,只能加大服務系數來應對,這是目前螺桿空壓機行業的一個“潛規則”。其實站在螺桿空壓機生產商的角度看,單從電動機本身考慮,其成本并沒有下降,下降的是采購和管理成本(電動機種類減少了,那么在當今低成本競爭的情況下不失為一種權宜之計,因為沒有了齒輪傳動,空壓機主機輸入端與電動機輸出軸之間采用彈性聯軸器連接,即沒有了齒輪傳動帶來的問題,又降低了成本,這種設計方案在當今空壓機行業中稱之為直聯機。目前空壓機行業中所采用的該設計方案所帶來的最大弊端就是使得空壓機用電動機功率亂象叢生,而用戶在購買前很難知道其實際電動機功率,也無從知道其運行電流,從而導致后續為該空壓機所匹配的開關柜或其它供電設備選配容量過小,使得空壓機今后的安全運行上帶來了很大的隱患。

        從上面我們談到的兩種設計方案也許你對螺桿空壓機的“服務系數”看出了一絲端倪,接著我們再來談談螺桿空壓機其運行方式??諌簷C是壓縮空氣的制造者,壓縮空氣它無法像河流中的水一樣我們可以觀察它流的快與慢,壓縮空氣是通過管網壓力的變化來反映氣量的變化。就是說壓力變化是氣量供求變化的反映,壓力變化是現象,氣量變化是本質。對于空壓機而言,電動機負載的大小呈周期性變化,它隨著使用者對氣量的需求而變化,當達到了使用者所設定的最高工作壓力時空壓機開始卸載,通常普通固定式螺桿空壓機卸載后的電動機功率是


        滿負荷功率的 30%-45%,當管網的工作壓力下降到使用者所設定的最低工作壓力時空壓機自動加載,真正處于滿負荷運轉(接近最高工作壓力的時間非常短。在我國螺桿空壓機從上世紀九十年代初逐步發展成為空壓機行業的主力機型,其智能化控制水平隨著計算機和電子行業的發展而大大提高,由于其智能控制性能比較好,運行起來就更加安全平穩了。

        綜上所述無論采用哪種設計方案其運行方式如何,對于電動機的功率選擇來說,就是使電動機在效率最高與功率因數較大的情況下工作是最理想的。電動機的容量定額是一些離散的、非連續的值,而我們所確定的電動機負荷是介于這些離散值之間。在以往的教科書或機械設計手冊中對于電動機功率的選擇通常是軸功率乘上 1.1 倍來選擇電動機功率,且電動機的額定功率不小于其上述兩項的乘積。用此種方法來選擇電動機功率沒有了我們所說的“服務系數”,但運用于螺桿空壓機用電動機的選擇,其后果就是電動機的效率和功率因數都比較偏低,造成能源和成本方面的浪費。

        如何利用和使用好電動機的“服務系數”,并將其控制在規定的、合理的游戲規則中進行,這是我們螺桿空壓機行業當前亟待解決的問題。再有就是雙螺桿空壓機主機由于先天所固有的壓縮氣體傳遞給轉子的軸向力和徑向力無法平衡而帶來的一系列問題,隨著無齒輪傳動而多多少少傳遞給電動機軸承,從而使一些電動機軸承經常運行高溫并損毀,這也是驅動雙螺桿空壓機主機所要求選用的電動機與電動機生產廠商所生產的電動機沒有完全匹配好的主要原因之一,相信這方面隨著主機生產商和電動機生產廠商不斷總結經驗教訓會加以解決的。

         

        參考文獻:

        [1] 美國全國電氣制造商協會編寫 MG1-2009 電動機和發動機部分 上海市電機技術研究所譯 2011.3

        [2] 郁永章 主編 容積式空壓機技術手冊 機械工業出版社出版

        [3] 金巍.  淺談壓縮空氣系統節能.  壓縮機技術,20106;42-44

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