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空压机相关电机服务系数浅谈

   【压缩机网电机服务系数一词出自美国全国电气制造商协会(NEMA)编写出版的《MG1-2009电动机和发电机部分》标准,俗称NEMA MG1标准。该标准详细阐述了交流电动机的服务系数(Service Factor,或称使用系数,简称S.F)和服务系数在交流电动机上的应用,其主要内容是:交流电动机的服务系数是一个乘数。当它乘上额定功率时,表示在服务系数规定的条件下允许承受的功率负载。
  在通常使用条件下,按额定负载连续运行。当电压和频率保持铭牌上规定值时,电动机可过载至额定功率乘上铭牌上的服务系数。电动机在任何大于1的服务系数下运行,其效率、功率因数和转速可不同于在额定负载条件下的数值,但堵转转矩和电流及最大转矩将维持不变。电动机在任何大于1的服务系数下连续运行时,将减少预期使用寿命。与按额定的铭牌功率下运行相比,绝缘寿命和轴承寿命将会减少。
  此外还给出了服务系数为1.15及以上的电动机,在服务系数的负载下运行时,其温升值的规定:绝缘等级A级时为70℃;绝缘等级B级时为90℃;绝缘等级F级时为115℃,并指出如果采用F级绝缘时应对轴承温度和润滑等予以特殊考虑。以上是NEMA标准所谈到的电机服务系数。
  通俗讲,电机服务系数表示允许电机长期连续工作的最大负载率,是衡量电机连续负载工作能力的一个参数。它是为了满足特殊应用场合或者工作制式备用的过载率,数值上为允许的最大输出功率与额定功率的比值,工作制式是运行模式,与能力系数不应混淆在一起。
  如:功率为30kW的电机,如果服务系数为1.15,那么它的实际可输出最大功率为30×1.15=34.5kW。
  今天,我们讨论一下工作制式和服务系数,通过一些实例解读服务系数,旨在指导电机设计和合理使用电机。
  空压机电机服务系数实例解读
  电机常见工作制式有S1连续工作制、S2短时工作制、S3~S7周期工作制,不常见的有S8变速变负载的连续周期工作制及S9负载、转速非周期性变化工作制。当运行模式与标准模式S1~S9工作制中的任何一种都不吻合,如要求电机变负荷连续运行,可以用“S1连续工作制+服务系数”等组合方式约束、表征电机性能。尽管“工作制+服务系数”组合实际上确实是一种工作制式,但却不能说服务系数是工作制式。
  服务系数是一个综合指标,数值上等于最大过载率。根据三相异步电动机的运行特性,服务系数大小一般规定为1.15-1.25,因为使用偏低的服务系数,实际没有实质性的应用效能;服务系数偏高,电机运行经济性不理想。
  以螺杆空压机为例,电动机负载的大小呈周期性变化,它随着使用者对气量的需求而变化,当达到了使用者所设定的最高工作压力时空压机开始卸载,当管网的工作压力下降到使用者所设定的最低工作压力时空压机自动加载。
  电动机的功率选择就是使电动机一般在预期的负荷下工作时效率最高、功率因数较大。但电动机的轴功率同时必须能满负荷运行,即适应客户长时间过载运行的实际工况。通常,满负荷运行时电动机功率的选择是预期经济运行轴功率乘上1.1倍。
  若直接用1.1倍预期经济运行轴功率选择电动机功率就没有了我们所说的“服务系数”,其后果就是电动机的效率和功率因数都比较偏低,造成能源和成本方面的浪费。因此,“服务系数”实际又是确保空压机高效率经济运行的重要参数。
  表1是一台2极15kW、IP23、服务系数1.15电机的实测参数。
空压机相关电机服务系数浅谈
  从表中数据可以看出,定子绕组温升、轴承温度、机壳温度都有明显的升高。有的电机厂家做型式试验时只按照标准电机进行试验,不能准确判断电机在其它服务系数状况下的性能指标。
  空压机行业“电机服务系数”潜规则
  目前国内空压机行业所谓的“电机服务系数”,它实际上已经完全背离了NEMA的准则,比如原本是额定功率为110kW的电机,电机铭牌上则写成额定功率90kW,S.F标记为1.2或1.25。对于行业外人士可能想不通,大功率电机当小功率卖岂不是亏本了吗?其实从纸面看110kW比90kW功率大20kW,在机组输入比功率相同的情况下(同样都是1级能效),当然90kW的空压机节能。
  即将于今年7月1日正式实施的GB19153-2009《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》标准,规定了回转空压机机组输入功率试验值,应小于驱动电动机额定功率大一档的值。比如电动机额定功率90kW,其在空压机额定排气压力下运行时,机组输入功率不得超过110kW,这从源头上遏制了电机服务系数的恶性膨胀。同时为了获得较小的机组输入功率(对于风冷空压机来说还要考虑冷却风扇电机),则需要采用高效率的电动机。尤其是变频空压机,为了满足容积流量40%时能获得更好地能效指标,也就是说电动机在低转速时电机效率仍然很高,这就需要采用永磁同步电机或有同样功效的电动机。
  总之,利用和使用好电动机的“服务系数”,方可将空压机类设备控制在规定的、合理的范围内运行。否则,电机的初始设计必然会偏离实际负荷状况,电机效能或得不到充分发挥或无法胜任”满负荷”长期连续运行。
  参考资料
  高效电机领跑者,《新版GB19153标准即将发布,容积式空压机节能减排“更接地气”》,2019.11.27

来源:压缩机杂志第157期综述栏目

标签: 空压机系数电机  

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