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提高齒輪電機的效率

發(fā)布時間:2009-03-20 來源:今日電子

中心議題:
  • 如何提高齒輪電機的效率

解決方案:
  • 即使是功率很小的電機,也可能會節(jié)省大量的能量
  • 在有些情況下,通過使用永磁直流電機代替固定分相電容式交流電機能夠?qū)崿F(xiàn)效率的顯著改善
  • 三相電機的效率通常要高于單相電機
  • 使用變頻器將115或230V的單相輸入電壓轉(zhuǎn)換為頻率從0~120Hz可調(diào)的230V三相輸出
  • 為了最大化齒輪電機系統(tǒng)的總體效率,要避免低的傳動效率抵消電機效率的增加

隨著人們對日益嚴重的能源危機的擔心,電機效率已經(jīng)成為重要的、適時的話題。這是因為電機用掉了美國國內(nèi)生產(chǎn)用電量的63%~70%,占美國總電能消耗量的23%。但是,到目前為止,大多數(shù)用于改善電機效率的工作都只集中在電機總耗電量的1 0 % 左右。原始設(shè)備制造商(OEM)機械設(shè)計人員可以為能源節(jié)約做出獨特的貢獻,方法是謹慎地選擇和使用合適的新型電機、齒輪電機以及駕駛裝置。

為效率立法
《1992能源政策法案》(EPAct)和《2007能源獨立和安全法案》(EISA)針對提高電機效率新水平方面的立法進行了大量的工作。有理由相信,這些工作主要針對的是整馬力(大于1馬力,即746W)電機。

找出問題所在
美國環(huán)保署(EPA)的一項研究表明,電機所消耗的總電能中的80%以上來自于具有20 馬力或更高馬力值的電機。但是,這些大功率電機在所有啟用的電機中所占份額不足1%,據(jù)估計,功率在1~19馬力范圍內(nèi)的電機構(gòu)成了所有啟用的電機中另外的9%。

其余的90%是由無處不在的數(shù)十億臺分馬力(FHP,即小于1馬力)電機所構(gòu)成的,這些電機包括:排氣器、制冰機、真空吸塵器、高爐鼓風機、車庫門自動啟閉裝置以及數(shù)以千計的其他消費類電器。在成千上萬種商業(yè)和工業(yè)電器中,還有數(shù)百萬的分馬力電機,它們涉及到抽吸、分發(fā)、制冷、輸送、攪拌以及自動化的各個方面。

對分馬力電機的研究讓我們認識到,一般而言,電機的效率會隨著其尺寸的增加而增加。同時,隨著電機額定馬力值的增加,一般效率電機和超高效率電機之間的差別將會減小。例如,1馬力電機的一般效率額定值可能是78%,而同等尺寸電機的最優(yōu)效率可能是82.5%。不過,對250馬力的電機而言,一般效率增加到94.1%,而最優(yōu)效率是95.8%。

提高分馬力電機的效率
不過,在分馬力電機中,標稱效率要比這個數(shù)值低得多,這是因為它們的尺寸太小,無法使用整馬力電機中用來增進效率的技術(shù):包含更多的銅或其他方法。此外,傳統(tǒng)的分馬力電機的效率與經(jīng)過改善之后的效率之間的差別可能會高達30%或者更多。

因此,即使是功率很小的電機,也可能會節(jié)省大量的能量。例如,如果在加利福尼亞州或伊利諾伊州使用一個效率為50%的1/8馬力(93W)齒輪電機,假設(shè)費率是10美分/kWh,那么每年的成本是164.25美元。比較一下,如果能源效率可以達到80%,那么工作成本將為102.20美元,用戶在這臺機器的生命周期內(nèi)每年能夠節(jié)省62.05美元。

永磁直流電機與固定分相電容式電機
在有些情況下,通過使用永磁直流(PMDC)電機代替固定分相電容式(PSC)交流電機能夠?qū)崿F(xiàn)效率的顯著改善。PSC電機的最大效率可能要更高一些,但是它們的效率在工作負載點處可能會低得多。

三相勝過單相
三相電機的效率通常要高于單相電機。例如,單相1/20馬力(37W)齒輪電機的效率可能是53%,而三相電機的效率則可以達到64%。除了效率更高之外,三相電機也更加可靠。單相電機不能自啟動。因此,人們開發(fā)了多種不同的啟動機制,這些啟動機制會增加成本、零件數(shù)量,而且可能是導(dǎo)致電機壽命無法最大化的弱點所在。

那么,既然三相電機如此之好,為什么沒有完全替代單相電機呢?這是因為有許多工業(yè)設(shè)備裝置中沒有提供三相電源。

使用變頻器
一種合理的解決方案是使用變頻器將115或230V的單相輸入電壓轉(zhuǎn)換為頻率從0~120Hz可調(diào)的230V三相輸出,作為三相電機的電源。得益于成本不斷降低的電子產(chǎn)品,變頻器(VFD)變得體積更小,功能更多,而且還提供了額外功能,絲毫不遜色于低成本的直流調(diào)速器。

根據(jù)ARC Advisory Group的數(shù)據(jù),在2007年,小功率VFD的全球市場總值超過70億美元,而且預(yù)計到2012年將增長到近110億美元。雖然經(jīng)濟比較疲軟,但小功率交流驅(qū)動器的市場需求仍然很強勁,這是因為工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施姍姍來遲的現(xiàn)代化終于開始起步了。

據(jù)美國能源部估計,使用VFD來控制速率,所節(jié)省的能源將高達電機總耗電量的18%。在電扇、鼓風機以及抽吸應(yīng)用中,VFD可以節(jié)省大量的能源。E與使用機械系統(tǒng)來減少流量相比,在VFD 中安裝壓力傳感器能夠更精確高效地調(diào)節(jié)流量。在風扇,鼓風機或抽吸應(yīng)用中使用VFD,當工作在額定速率的80%時,能量消耗可以降低一半。對分馬力電機而言,VFD要比簡單的直流調(diào)速器稍微貴一些。但是它們提供了許多新的功能,比如通過軟啟動來降低對機械部件的震動并延長設(shè)備的使用壽命。

不要忘記傳動效率
為了最大化齒輪電機系統(tǒng)的總體效率,要避免低的傳動效率抵消電機效率的增加。雖然直角蝸輪減速器是一種空間利用率很高的方案,但是它們的效率只有50%或更低,而平行軸減速器中的正齒輪和斜齒輪的效率通??梢赃_到98%左右。
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