Синхронные двигатели с постоянными магнитами против асинхронных двигателей: сравнение вариантов для промышленных условий и анализ энергосбережения

С введением в действие нового стандарта энергоэффективности GB18613-2020 и продвижением политики «двойного углерода» сфера применения синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM) в промышленности быстро расширяется. Однако двигатели с постоянными магнитами не являются универсальной альтернативой — в некоторых условиях эксплуатации традиционные асинхронные двигатели по-прежнему остаются более экономичным выбором. В данной статье проводится систематическое сравнение этих двух типов двигателей с практической инженерной точки зрения, чтобы помочь инженерам и лицам, принимающим решения о закупках, сделать обоснованный выбор.

СианьТайфу Сигма МоторсГруппа компаний производит как серию асинхронных двигателей высокого напряжения (YKK, YRKK), так и серию синхронных двигателей с постоянными магнитами (TYC), и может предоставить сравнение технических характеристик этих двух типов продукции.Ознакомьтесь с полным ассортиментом высоковольтных двигателей Xima。

Технические принципы: существенное различие между двумя типами двигателей

Асинхронный двигатель (асинхронный индукционный двигатель)

Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока основан на том, что вращающееся магнитное поле статора наводит ток в проводниках ротора, и взаимодействие этого тока с вращающимся магнитным полем создает крутящий момент. Частота вращения ротора всегда ниже синхронной частоты (существует коэффициент скольжения, обычно 2%—5%), поэтому такие двигатели называются асинхронными. Они не требуют внешнего возбуждения, имеют простую конструкцию и в настоящее время являются наиболее широко используемым типом двигателей в промышленности.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Ротор использует постоянные магниты (преимущественно из неодима-железа-бора) для создания магнитного поля, при этом не требуется индукционный ток, поэтому потери в меди ротора отсутствуют. Ротор вращается синхронно с вращающимся магнитным полем статора, а коэффициент скольжения равен нулю. Обычно для пуска и регулирования скорости требуется привод с частотно-регулируемым преобразователем.

Сравнение основных характеристик

Сравнение эффективности (ключевые показатели)

При одинаковой мощности и коэффициенте загрузки синхронные двигатели с постоянными магнитами обычно имеют КПД на 3%—8% выше, чем асинхронные двигатели класса IE3:

• Устранены медные потери в роторе (составляющие 20%—30% от общих потерь асинхронного двигателя)
• Коэффициент мощности близок к 1, поэтому компенсация реактивной мощности не требуется
• При частичной нагрузке преимущество в КПД становится ещё более заметным (у асинхронных двигателей КПД при малой нагрузке резко снижается, а у двигателей с постоянными магнитами — снижается плавно)

Расчет экономии электроэнергии (на примере двигателя мощностью 500 кВт, работающего 5000 часов в год):

При разнице в эффективности 31 TP и 3 T: годовая экономия электроэнергии = 500 кВт × 5000 ч × (1/0,95 – 1/0,98) ≈ 80 000 кВт·ч

При промышленном тарифе на электроэнергию 0,7 юаня/кВт·ч: годовая экономия составляет около 56 000 юаней

Сравнение коэффициентов мощности

• Асинхронный двигатель: коэффициент мощности обычно составляет 0,80–0,90 (при полной нагрузке), при малой нагрузке он значительно снижается до значения ниже 0,6
• Синхронный двигатель с постоянными магнитами: коэффициент мощности близок к 1,0 (регулируемый) и сохраняется на высоком уровне во всем диапазоне нагрузок

Низкий коэффициент мощности означает необходимость установки устройств компенсации реактивной мощности в системе электрораспределения, что приводит к увеличению первоначальных инвестиций и затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание. Естественно высокий коэффициент мощности электродвигателей с постоянными магнитами позволяет сэкономить на затратах на оборудование для компенсации реактивной мощности.

Сравнение характеристик регулирования скорости

• Регулирование скорости асинхронного двигателя с помощью частотного преобразователя:В диапазоне частоты вращения 20%—100% наблюдается довольно заметное снижение КПД; для обеспечения высокого крутящего момента на низких оборотах требуется компенсация тока; алгоритм управления относительно прост
• Регулирование скорости синхронного двигателя с постоянными магнитами с помощью частотного преобразователя:Сохранение высокой эффективности в широком диапазоне регулирования скорости; отличные характеристики постоянного крутящего момента на низких скоростях; требуется векторное управление или управление прямым крутящим моментом, что предъявляет более высокие требования к системе управления

В условиях, где требуется широкий диапазон регулирования частоты вращения и высокая эффективность (например, в горнодобывающих подъемниках, станах тонкой прокатки, а также при регулировании скорости вентиляторов и насосов), синхронные двигатели с постоянными магнитами обладают явными преимуществами.

Сравнение затрат на техническое обслуживание

Преимущества технического обслуживания асинхронных двигателей:

• Простая конструкция, ротор без постоянных магнитов, простота ремонта на месте
• Запасные части (подшипники, вентиляторы) отличаются высокой степенью стандартизации и низкой стоимостью
• Технология хорошо отработана, а ремонтные возможности в различных регионах высоки
• Может запускаться напрямую от электросети (что позволяет сократить затраты на преобразователь частоты)

Рекомендации по техническому обслуживанию синхронных двигателей с постоянными магнитами:

• Высокая температура постоянных магнитов ротора может привести к необратимому размагничиванию (температура Кюри магнитов Nd-Fe-B составляет около 310 °C, однако в реальных условиях эксплуатации их использование ограничено температурным диапазоном 80–120 °C).
• Для демонтажа ротора требуется специальное оборудование; сильное магнитное поле оказывает опасное притяжение на металлические инструменты
• Требуется установка частотно-регулируемого преобразователя, что увеличит количество точек технического обслуживания
• Технологии ремонта носят относительно специализированный характер, и не все ремонтные организации обладают необходимыми компетенциями

Если вы хотите узнатьУслуги по ремонту постояннотоковых двигателей Xima, мы предоставляем профессиональные услуги по проверке размагничивания и намагничиванию роторов с постоянными магнитами.

Сравнение начальных затрат

Первоначальная стоимость синхронного двигателя с постоянными магнитами значительно выше, чем у асинхронного двигателя той же мощности:

• Стоимость корпуса электродвигателя с постоянными магнитами: примерно в 1,5–3 раза выше, чем у асинхронного двигателя класса IE3 той же мощности (в значительной степени зависит от колебаний цен на редкоземельные элементы)
• Стоимость частотно-регулируемого привода: если ранее использовался прямой пуск на сетевой частоте, то при переходе на двигатель с постоянными магнитами потребуются дополнительные инвестиции в частотно-регулируемый привод
• Срок окупаемости: с учетом совокупной экономии электроэнергии дополнительные инвестиции окупаются, как правило, за 2–4 года

Пример расчета срока окупаемости (500 кВт, 5000 ч/год):

Дополнительные инвестиции (разница в стоимости двигателя с постоянными магнитами + частотно-регулируемый преобразователь): около 300 000 юаней

Годовая экономия на электроэнергии: около 56 000 юаней (повышение эффективности 3%)

Срок окупаемости: примерно 30 ÷ 5,6 ≈ 5,4 года

Примечание: если преобразователь частоты уже установлен или повышение эффективности превышает 5%, срок окупаемости сократится до 2–3 лет.

Рекомендации по выбору оборудования для различных промышленных условий эксплуатации

Ситуации, в которых предпочтительно использовать синхронные двигатели с постоянными магнитами

• Вентиляторы и насосы, требующие регулирования скорости в широком диапазоне (с длительным годовым временем работы и значительной экономией энергии)
• Шахтный подъемник (широкий диапазон регулирования скорости, высокие требования к надежности)
• Приводы производственных линий, требующие высокой точности (сервоуправление)
• В условиях ограниченного пространства и при необходимости обеспечения высокой удельной мощности (постоянномагнитные двигатели имеют меньшие габариты)
• Объекты с высоким энергопотреблением, где эффективность электродвигателей оказывает значительное влияние на производственные затраты

Ситуации, в которых предпочтительно использовать асинхронные двигатели

• Нагрузки с прямым пуском на сетевой частоте, не требующие регулирования скорости (например, дробилки и ленточные конвейеры с фиксированной скоростью вращения)
• Условия высокой температуры (существует риск размагничивания постоянных магнитов)
• Объекты в отдалённых районах с ограниченными возможностями по ремонту (ремонт асинхронных двигателей проще)
• Проекты, в которых из-за ограниченного бюджета экономия за счет повышения энергоэффективности не может покрыть дополнительные инвестиции
• Ситуации, требующие частых запусков и остановок (высокая сложность управления с помощью частотного преобразователя)

Двигатели SimoРекомендации по продуктам

Группа «Сиан Тайфу Сима» предлагает комплексные решения в области электродвигателей для различных потребностей:

• Асинхронный двигатель высокого напряжения:Серия YKK (6 кВ/10 кВ, 55 кВт—25 000 кВт) подходит для работы как с частотой сети, так и с частотой преобразователя, и соответствует стандарту энергоэффективности IE3
• Синхронный двигатель с постоянными магнитами:Серия TYC соответствует требованиям к сверхвысокому КПД класса IE4 и даже IE5 и подходит для объектов с высокими требованиями к энергосбережению
• Услуги по подбору оборудования:Предоставляем бесплатный анализ затрат на весь жизненный цикл (LCC), чтобы помочь клиентам определить оптимальный вариант

Если необходимоПолучить коммерческое предложение на двигатели с постоянными магнитами или асинхронные двигатели высокого напряженияА также для расчета экономии энергии — обращайтесь к технической команде «Сима». Также можноПерейти прямо к линейке продуктовОзнакомьтесь с подробными техническими характеристиками.

общие проблемы

Вопрос: Можно ли запускать синхронный двигатель с постоянными магнитами напрямую от сети?

Ответ: Обычные синхронные двигатели с постоянными магнитами нельзя запускать напрямую от сети; для этого необходимо использовать частотно-регулируемый привод или специальное пусковое устройство. Некоторые асинхронные синхронные двигатели с постоянными магнитами (с пусковым короткозамкнутым ротором) можно запускать напрямую, однако их возможности по регулированию скорости ограничены.

Вопрос: Как колебания цен на редкоземельные металлы влияют на закупки двигателей с постоянными магнитами?

Ответ: Цены на сырье для постоянных магнитов из неодима-железа-бора подвержены значительным колебаниям, что напрямую влияет на стоимость двигателей с постоянными магнитами. Рекомендуется при планировании проекта предусмотреть ценовой запас или заключить с производителем долгосрочный договор на поставку.

Вопрос: Можно ли восстановить работу электродвигателя с постоянными магнитами после размагничивания?

Ответ: В случае необратимого размагничивания постоянных магнитов необходимо демонтировать ротор для повторного намагничивания или замены постоянных магнитов, что сопряжено с высокими затратами. Компания «Сима» предоставляет профессиональные услуги по восстановлению роторов с постоянными магнитами. Подробнее см.Страница услуг по ремонту электродвигателей。

Сианская группа компаний «Тайфу Сима» | Производитель синхронных двигателей с постоянными магнитами и асинхронных двигателей высокого напряжения | simo.org.cn