Постійномагнітні синхронні двигуни проти асинхронних двигунів: порівняння моделей для промислового застосування та аналіз енергоефективності

З впровадженням нового стандарту енергоефективності GB18613-2020 та просуванням політики «подвійного вуглецю» сфера застосування синхронних електродвигунів з постійними магнітами (PMSM) у промисловості стрімко розширюється. Однак електродвигуни з постійними магнітами не є універсальним рішенням — за певних умов експлуатації традиційні асинхронні електродвигуни залишаються більш економічним вибором. У цій статті з практичної інженерної точки зору проводиться систематичне порівняння цих двох типів двигунів, що допоможе інженерам та особам, відповідальним за прийняття рішень щодо закупівель, зробити обґрунтований вибір.

СіаньЕлектродвигун Taifu SimoГрупа також виробляє серії асинхронних двигунів високої напруги (YKK, YRKK) та серії синхронних двигунів з постійними магнітами (TYC) і може надати порівняння технічних параметрів цих двох типів продукції.Переглянути повний асортимент високовольтних двигунів Xima。

Технічні принципи: суттєва відмінність між двома типами електродвигунів

Асинхронний двигун (асинхронний індукційний двигун)

Трифазний асинхронний двигун на змінний струм працює за рахунок того, що обертове магнітне поле статора індукує струм у провідниках ротора, а взаємодія цього струму з обертовим магнітним полем створює крутний момент. Швидкість обертання ротора завжди нижча за синхронну швидкість (існує коефіцієнт ковзання, зазвичай 2%—5%), тому такі двигуни називаються асинхронними. Вони не потребують зовнішнього збудження, мають просту конструкцію і на сьогодні є найпоширенішим типом двигунів у промисловості.

Силовий синхронний двигун з постійними магнітами

Ротор використовує постійні магніти (переважно з неоду-заліза-бору) для створення магнітного поля, що не потребує індукційного струму, тому втрати на мідь у роторі відсутні. Ротор обертається синхронно з обертовим магнітним полем статора, а коефіцієнт ковзання дорівнює нулю. Зазвичай для запуску та регулювання швидкості обертання необхідний привід на базі частотного перетворювача.

Порівняння основних характеристик

Порівняння ефективності (найважливіші показники)

При однаковій потужності та коефіцієнті завантаження синхронні електродвигуни з постійними магнітами зазвичай мають на 3%—8% вищий ККД, ніж асинхронні електродвигуни класу IE3:

• Усунуто мідні втрати в роторі (що становлять 20%—30% від загальних втрат асинхронного двигуна)
• Коефіцієнт потужності наближається до 1, тому компенсація реактивної потужності не потрібна
• Переваги в ефективності стають ще більш очевидними в умовах часткового навантаження (ефективність асинхронного двигуна при невеликому навантаженні різко знижується, тоді як у двигуна з постійними магнітами зниження відбувається плавно)

Розрахунок економії електроенергії (на прикладі двигуна потужністю 500 кВт, що працює 5000 годин на рік):

При різниці в ККД 31 TP 3 T: річна економія електроенергії = 500 кВт × 5000 год × (1/0,95 – 1/0,98) ≈ 80 000 кВт·год

За промисловим тарифом на електроенергію 0,7 юаня/кВт·год: щорічна економія становить приблизно 56 000 юанів

Порівняння коефіцієнтів потужності

• Асинхронний двигун: коефіцієнт потужності зазвичай становить 0,80—0,90 (при повному навантаженні), а при невеликому навантаженні значно знижується до рівня нижче 0,6
• Синхронний двигун з постійними магнітами: коефіцієнт потужності наближається до 1,0 (регулюється) і залишається високим у всьому діапазоні навантажень

Низький коефіцієнт потужності означає необхідність встановлення пристроїв компенсації реактивної потужності в системі розподілу електроенергії, що збільшує початкові інвестиції та витрати на експлуатацію та технічне обслуговування. Високий коефіцієнт потужності, властивий електродвигунам з постійними магнітами, дозволяє заощадити на витратах на обладнання для компенсації реактивної потужності.

Порівняння характеристик регулювання швидкості

• Регулювання швидкості асинхронного двигуна за допомогою частотного перетворювача:У діапазоні частот обертання 20%—100% спостерігається досить помітне зниження ККД; для забезпечення великого крутного моменту на низьких обертах необхідна компенсація струму; алгоритм керування є відносно простим
• Регулювання швидкості обертання синхронного електродвигуна з постійними магнітами за допомогою частотного перетворювача:Зберігає високу ефективність у широкому діапазоні регулювання швидкості; відзначається чудовими характеристиками постійного крутного моменту на низьких обертах; вимагає векторного керування або прямого керування крутним моментом, що ставить вищі вимоги до системи керування

У ситуаціях, де потрібне широке діапазон регулювання швидкості за допомогою частотного перетворювача та висока ефективність (наприклад, у гірничих підйомниках, машинах точного прокату, регулюванні швидкості вентиляторів та насосів), синхронні електродвигуни з постійними магнітами мають очевидні переваги.

Порівняння витрат на технічне обслуговування

Переваги технічного обслуговування асинхронних двигунів:

• Проста конструкція, ротор без постійних магнітів, нескладне технічне обслуговування на місці
• Запасні частини (підшипники, вентилятори) мають високий рівень стандартизації та низьку ціну
• Технологія є досконалою, а сервісні можливості в різних регіонах — високими
• Можливий прямий запуск від електромережі (що дозволяє зменшити витрати на частотний перетворювач)

Рекомендації щодо технічного обслуговування синхронних електродвигунів з постійними магнітами:

• Висока температура постійних магнітів ротора може призвести до незворотного розмагнічування (температура Кюрі магнітів Nd-Fe-B становить приблизно 310 °C, а фактична температура експлуатації обмежується діапазоном 80—120 °C)
• Для демонтажу ротора потрібне спеціальне обладнання, а сильне магнітне поле створює небезпечну силу притягання для металевих інструментів
• Потрібен відповідний частотний перетворювач, що збільшить кількість точок технічного обслуговування
• Технології ремонту є відносно спеціалізованими, і не всі ремонтні підприємства мають відповідні можливості

Для отримання додаткової інформаціїПослуги з ремонту постійномагнітних двигунів Xima, ми надаємо професійні послуги з перевірки розмагнічування та намагнічування роторів з постійними магнітами.

Порівняння початкових витрат

Початкова вартість синхронного електродвигуна з постійними магнітами значно вища, ніж у асинхронного електродвигуна тієї ж потужності:

• Ціна самого двигуна з постійними магнітами: приблизно в 1,5–3 рази вища за ціну асинхронного двигуна класу IE3 такої самої потужності (значною мірою залежить від коливань цін на рідкісні землі)
• Витрати на частотний перетворювач: якщо раніше використовувався прямий пуск на мережевій частоті, то для переходу на двигун з постійними магнітами потрібно додатково інвестувати в частотний перетворювач
• Термін окупності: з урахуванням загальної економії електроенергії додаткові інвестиції зазвичай окупаються за 2–4 роки

Приклад розрахунку терміну окупності (500 кВт, 5000 годин на рік):

Додаткові інвестиції (різниця в ціні на двигуни з постійними магнітами + частотні перетворювачі): приблизно 300 000 юанів

Економія електроенергії під час свят: приблизно 56 000 юанів (підвищення ефективності на 31 TP3T)

Термін окупності: приблизно 30 ÷ 5,6 ≈ 5,4 року

Примітка: Якщо частотно-регульований привід вже встановлено або підвищення ефективності перевищує 5%, термін окупності скоротиться до 2–3 років.

Рекомендації щодо вибору обладнання для різних промислових сфер застосування

Ситуації, в яких слід надавати перевагу синхронним електродвигунам із постійними магнітами

• Вентилятори та насоси, що потребують широкого діапазону регулювання швидкості (тривалий час роботи протягом року, значна економія енергії)
• Гірничий підйомник (широкий діапазон регулювання швидкості, високі вимоги до надійності)
• Приводи для виробничих ліній, що вимагають високої точності (сервоуправління)
• Місця з обмеженим простором, де потрібна висока питома потужність (електродвигуни з постійними магнітами мають менші розміри)
• Об'єкти з високим енергоспоживанням, де ефективність електродвигунів має значний вплив на виробничі витрати

Ситуації, в яких слід надавати перевагу асинхронним двигунам

• Навантаження з прямим запуском на мережевій частоті, що не потребують регулювання швидкості (наприклад, дробарки та конвеєри з фіксованою швидкістю обертання)
• Умови високої температури (існує ризик розмагнічування постійних магнітів)
• Об'єкти у віддалених районах із обмеженими можливостями технічного обслуговування (ремонт асинхронних двигунів є простішим)
• Проєкти з обмеженим бюджетом, у яких економія від енергозбереження не покриває додаткові інвестиції
• Ситуації, що вимагають частих запусків і зупинок (висока складність управління частотним перетворювачем)

Simo MotorsРекомендації щодо продукції

Група «Сіан Тайфу Сіма Електродвигуни» пропонує комплексні рішення у сфері електродвигунів для різних потреб:

• Асинхронний двигун високої напруги:Серія YKK (6 кВ/10 кВ, 55 кВт—25 000 кВт) підходить для роботи як на промисловій частоті, так і з частотним перетворювачем, і відповідає стандарту енергоефективності IE3
• Синхронний електродвигун з постійними магнітами:Серія TYC відповідає вимогам до надвисокої ефективності класів IE4 та навіть IE5 і підходить для об’єктів із високими вимогами до енергоефективності
• Послуги з підбору моделей:Надаємо безкоштовний аналіз витрат протягом усього життєвого циклу (LCC), щоб допомогти клієнтам визначити оптимальний варіант

Якщо потрібноОтримати цінову пропозицію на електродвигуни з постійними магнітами або асинхронні електродвигуни високої напругиА також для розрахунку енергозбереження, звертайтеся до технічної команди «Сіма». Також можнаПереглянути асортимент продукціїОзнайомтеся з докладними технічними характеристиками.

Часто задавані питання

Питання: Чи можна синхронний електродвигун з постійними магнітами запускати безпосередньо від електромережі?

Відповідь: Звичайні синхронні електродвигуни з постійними магнітами не можна запускати безпосередньо від електромережі; для цього необхідний частотний перетворювач або спеціальний пусковий пристрій. Деякі асинхронні синхронні електродвигуни з постійними магнітами (з пусковим клітчастим ротором) можна запускати безпосередньо, але їхні можливості з регулювання швидкості обмежені.

Питання: Як коливання цін на рідкісні землі впливають на закупівлю електродвигунів із постійними магнітами?

Відповідь: Ціни на сировину для постійних магнітів з неоду-заліза-бора піддаються значним коливанням, що безпосередньо впливає на вартість електродвигунів з постійними магнітами. Рекомендуємо під час планування проєкту передбачити ціновий резерв або укласти з виробником довгостроковий контракт на постачання.

Питання: Чи можна відновити роботу електродвигуна з постійними магнітами після розмагнічування?

Відповідь: У разі незворотного розмагнічування постійних магнітів необхідно демонтувати ротор для повторного намагнічування або замінити постійні магніти, що пов’язано з високими витратами. Компанія «Сіма» надає професійні послуги з відновлення роторів з постійними магнітами. Детальніше див.Сторінка послуг з ремонту електродвигунів。

Група компаній «Сіан Тайфу Сіма Електродвигуни» | Виробник синхронних електродвигунів з постійними магнітами та асинхронних електродвигунів високої напруги | simo.org.cn