大中型軸流泵配電機(jī)維修套電機(jī)選型探討

時(shí)間：2019-12-22 12:00

　我國(guó)的大中型排水泵站的主泵一般采用軸流泵或混流泵20世紀(jì)50~80年代，由于電網(wǎng)容量和供電質(zhì)量的限制，多選用同步電動(dòng)機(jī)作為水泵的動(dòng)力機(jī)雖然同步電動(dòng)機(jī)具有能夠改善負(fù)荷功率因數(shù)，效率較高和效率曲線平坦等特點(diǎn)，但也存在著起動(dòng)力矩小，失步時(shí)常需重新起動(dòng)，需要直流勵(lì)磁設(shè)備等缺點(diǎn)目前，我國(guó)的電網(wǎng)已足夠強(qiáng)大，泵站用電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響也越來(lái)越小，因此，有必要對(duì)大中型軸流泵配套電機(jī)的選型加以重新討論。

　　1軸流泵對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)類(lèi)負(fù)載，對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求是能夠時(shí)時(shí)為負(fù)載提供所需的機(jī)械功率和扭矩。由于軸流泵的功率隨流量減小而增加，當(dāng)流量等于0時(shí)，功率達(dá)到最大值，因此，對(duì)于驅(qū)動(dòng)大型軸流泵的電機(jī)來(lái)說(shuō)，除了要為軸流泵提供足夠的功率和扭矩外，還必須滿(mǎn)足水泵對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性的要求另外，由于泵類(lèi)負(fù)載的負(fù)荷是變化的，因此要求電動(dòng)機(jī)在輸入電壓、頻率等電量不變時(shí)，能夠自行調(diào)整工作狀態(tài)，滿(mǎn)足軸流泵的負(fù)荷要求軸流泵類(lèi)負(fù)載一般為低轉(zhuǎn)速、大扭矩負(fù)載，在起動(dòng)或水流情況變化劇烈時(shí)，可能會(huì)瞬時(shí)超載，因此還要求電動(dòng)機(jī)有較強(qiáng)的過(guò)載能力。

　　2種電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理的比較異步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組接到三相電源后，即在定子、轉(zhuǎn)子的氣隙內(nèi)建立了以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于短路的轉(zhuǎn)子繞組被這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線切割，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生電丨流由于線圈處在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，并載有感應(yīng)電流，這樣轉(zhuǎn)子線圈必然會(huì)受到電磁力，從而產(chǎn)生一與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同方向的電磁轉(zhuǎn)矩。如果這個(gè)力矩有足夠的大小克服制動(dòng)力矩的話，轉(zhuǎn)子就將沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n同步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組接到三相電源、勵(lì)磁繞組接到直流電源并且同步電動(dòng)機(jī)已起動(dòng)后，在定子、轉(zhuǎn)子的氣隙內(nèi)產(chǎn)生了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，一個(gè)是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（轉(zhuǎn)速亦為另一個(gè)是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（轉(zhuǎn)速為n）由于兩個(gè)磁場(chǎng)的相互作用，定子磁場(chǎng)就拖著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電機(jī)就處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)這時(shí)定子磁場(chǎng)超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。如果轉(zhuǎn)子由其他原動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速拖動(dòng)，這時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)超前于定子磁場(chǎng)，那么定子端就會(huì)產(chǎn)生輸出的電流，向機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)都可以拖動(dòng)軸流泵。

　　表i同步。異步電動(dòng)機(jī)的工作特性比較對(duì)比項(xiàng)目同步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n不變隨負(fù)荷增加略有下降電磁轉(zhuǎn)矩M隨負(fù)荷增加而增加隨負(fù)荷增加而增加功率因數(shù)cosh隨負(fù)荷增加而下降隨負(fù)荷的增加先升后降效率Z略有下降略有下降1994-2015ChinaAcademic正是由于2種電機(jī)運(yùn)行原理的不同，導(dǎo)致兩者結(jié)構(gòu)的差異。定子部分2種電動(dòng)機(jī)相似，轉(zhuǎn)子部分差異較大。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組為不封閉繞組，需要輸入勵(lì)磁電流；異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組為一短接的封閉繞組另外，由于同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的需要，在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上還裝有一個(gè)籠形的起動(dòng)繞組由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子較異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，導(dǎo)致在相同功率和極對(duì)數(shù)的情況下，同步電動(dòng)機(jī)的價(jià)格較異步電動(dòng)機(jī)高。另外，同步電動(dòng)機(jī)需要直流的勵(lì)磁電流，因此同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)要多出一套勵(lì)磁及其相應(yīng)的保護(hù)、控制設(shè)備，這也提高了水泵機(jī)組的造價(jià)。總的來(lái)說(shuō)，同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，配套設(shè)備也較多，水泵機(jī)組的造價(jià)也較高。

　　2種電動(dòng)機(jī)工作特性的比較本文所述的工作特性是指電網(wǎng)電壓Ui勵(lì)磁電流If電網(wǎng)頻率乃為常值的情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)、效率與輸出功率之間的關(guān)系。分別為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的工作特性。

　　從圖中看出2種電動(dòng)機(jī)在輸入電壓、頻率等電量不變時(shí)，可根據(jù)負(fù)荷的變化自行調(diào)整工作狀態(tài)，滿(mǎn)足軸流泵的要求。同時(shí)輸出功率在重荷區(qū)時(shí)，有以下對(duì)比結(jié)果：由表1可以看出，除轉(zhuǎn)速一項(xiàng)同步電動(dòng)機(jī)略勝一籌外，其余幾項(xiàng)2種電動(dòng)機(jī)并無(wú)多大區(qū)別。且異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，在穩(wěn)定工作時(shí)的取值范圍僅為0~0.04，特別是對(duì)于大功率、低轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)差率約為0.01，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低很少，對(duì)水泵性能的影響不大因此，僅從工作特性上來(lái)說(shuō)，異步電動(dòng)2種電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停機(jī)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的水泵機(jī)組，在起動(dòng)過(guò)程中的力矩平衡方程式可用下式來(lái)表示：總阻力矩；Mp為機(jī)組起動(dòng)時(shí)的靜摩擦阻力矩；Mf為水泵轉(zhuǎn)子起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)矩；（GD2/4g）dk/dt為機(jī)組轉(zhuǎn)子的加速慣性轉(zhuǎn)矩上式可用表示。圖中M，是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，機(jī)組在起動(dòng)前是靜止的，起動(dòng)瞬間要克服機(jī)組轉(zhuǎn)子的摩擦阻力矩才能使水泵轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，并逐漸加速，所以要求Mi>Ma起動(dòng)后如電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Mm大于機(jī)組總阻力轉(zhuǎn)矩M，就能把剩余轉(zhuǎn)矩Mm-M傳給轉(zhuǎn)子，使其加速旋轉(zhuǎn)，故（GD2/4g）dk/dt又稱(chēng)為加速慣性轉(zhuǎn)矩起動(dòng)過(guò)程中各種轉(zhuǎn)矩示意圖異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可用下式來(lái)表達(dá)：此電磁轉(zhuǎn)矩僅是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)，如中的Mm曲線所示。從中可以看出，只要異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)瞬間未堵轉(zhuǎn)，那么就可保證它的起動(dòng)，并使轉(zhuǎn)子加速當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值時(shí)，機(jī)組總阻力矩曲線與電磁轉(zhuǎn)矩曲線相交于A點(diǎn)，則Mm-M=0，即dk/dt=0，此時(shí)，n為常數(shù)，機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)和起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)都是滯后的，所以對(duì)采用異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)水泵的泵站，在起動(dòng)第2臺(tái)及以后的電動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)引起較大的壓降同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)一般分為2個(gè)階段。第i階段定子繞組接至交流電網(wǎng)，使同步電動(dòng)機(jī)作為異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)（異步起動(dòng)）。第2階段，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的95%時(shí)，將轉(zhuǎn)子的激磁繞組接入直流電源，使電動(dòng)機(jī)牽入同步，并轉(zhuǎn)入穩(wěn)定運(yùn)行。在異步起動(dòng)階段，除起動(dòng)繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩MD之外，勵(lì)磁繞組（此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)單相繞組）中的感應(yīng)電流與氣隙磁場(chǎng)相*Mf.單軸轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)是，在轉(zhuǎn)差率s =0.5的附近（M則可投入勵(lì)磁，牽入轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入同步。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)時(shí)的M=f（s）曲線必須指出，同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)時(shí)勵(lì)磁繞組不能開(kāi)路，否則，起動(dòng)時(shí)勵(lì)磁繞組內(nèi)將感應(yīng)危險(xiǎn)的高壓，擊穿繞組絕緣，引起事故因此，必須注意勵(lì)磁裝置的投勵(lì)環(huán)節(jié)。如果投勵(lì)過(guò)早，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相差較大，將不能產(chǎn)生足夠的牽入轉(zhuǎn)矩使同步電動(dòng)機(jī)牽入同步。

　　同步電動(dòng)機(jī)在異步起動(dòng)時(shí)為感性負(fù)載，但運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)卻是容性負(fù)載，由于感性與容性互相補(bǔ)償，所以對(duì)采用同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)水泵的泵站，起動(dòng)第2臺(tái)及以后的電動(dòng)機(jī)時(shí)，在起動(dòng)壓降方面比采用異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)同步電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，勵(lì)磁繞組內(nèi)儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量很大如果勵(lì)磁繞組開(kāi)路，將在勵(lì)磁繞組兩端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，有可能擊穿轉(zhuǎn)子絕緣所以，同步電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，需要將一個(gè)滅磁電阻與勵(lì)磁繞組短接，把存儲(chǔ)在勵(lì)磁繞組中的能量消耗在電阻上。由此可見(jiàn)，同步電動(dòng)機(jī)的起停較異步電動(dòng)機(jī)的起停復(fù)雜得多，而且容易出問(wèn)題。

　　5同步電動(dòng)機(jī)的其他方面問(wèn)題同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需要直流電源，目前，直流電源大多采用可控硅勵(lì)磁裝置在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停止時(shí)，勵(lì)磁電路要求有很大的阻抗，而在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電路需要較小電阻。

　　因此，勵(lì)磁裝置要求有較高的穩(wěn)定性。一旦勵(lì)磁部分有微小異常，都有可能使整個(gè)勵(lì)磁裝置損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。勵(lì)磁裝置既要滿(mǎn)足正常工作的需要（投勵(lì)、滅磁），同時(shí)又要避免開(kāi)停機(jī)時(shí)正負(fù)半波電流不對(duì)稱(chēng)、寄生電路的產(chǎn)生、可控硅及電力二極管元件承受太高的正負(fù)電壓、整流橋的顛覆等。毫無(wú)疑問(wèn)，勵(lì)磁裝置的電路會(huì)很復(fù)雜，元器件會(huì)很多。這樣，一方面會(huì)提高造價(jià)，另一方面可靠性又會(huì)降低所以，勵(lì)磁裝置很容易出問(wèn)題，維護(hù)保養(yǎng)也很困難由于同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，導(dǎo)致維護(hù)保養(yǎng)的要求較高，運(yùn)行時(shí)又需要2種電源，特別是直流電源的需求，所有這些都將直接影響水泵機(jī)組的投資和維修費(fèi)甩通過(guò)上面的分析，同步、異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行特征的比較可用表2來(lái)說(shuō)明表2同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)的特征比較比較項(xiàng)目同步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流與鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)大致起動(dòng)力矩小鼠籠型小，繞線型大轉(zhuǎn)差率無(wú)功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)超前，異步起動(dòng)時(shí)滯后，高滯后，低勵(lì)磁裝置要不要機(jī)組造價(jià)高低維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜簡(jiǎn)單從表2可以看出，同步和異步電動(dòng)機(jī)都能滿(mǎn)足大中型排灌泵站對(duì)主泵配套電機(jī)的要求與異步電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)具有功率因數(shù)較高，運(yùn)行時(shí)不僅不使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，相反地卻能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)以及效率較高和效率曲線平坦等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，起動(dòng)力矩小，起動(dòng)過(guò)程技術(shù)要求高，失步時(shí)常需重新起動(dòng)，控制和保護(hù)設(shè)備多以及投資和維修保養(yǎng)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。

　　綜上所述，在當(dāng)前我國(guó)電網(wǎng)已足夠強(qiáng)大，泵站的用電負(fù)荷在地區(qū)電網(wǎng)所占比重減少和長(zhǎng)距離輸電電壓等級(jí)提高，電網(wǎng)供電質(zhì)量比較好，并且越來(lái)越好的情況下，泵站采用同步電動(dòng)機(jī)來(lái)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償已無(wú)必要，即采用同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)已不明顯，在此情況下，選擇異步電動(dòng)機(jī)作為大中型軸流泵的配套電機(jī)更為合適。□

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