噴泉泵用潛水電機設(shè)計初探

吳永忠+李明德+林坤茂

摘 要：本文通過分析變頻器驅(qū)動對于潛水電機性能的作用，探究了變頻噴泉泵用潛水電機在電磁設(shè)計、絕緣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的對策。

關(guān)鍵詞：噴泉泵；潛水電機；變頻器；諧波

中圖分類號：TH311 文獻標(biāo)識碼：A

0.引言

隨著人民生活水平的不斷提高，優(yōu)美的居住環(huán)境成為大眾的追求，各種休閑廣場、公園的建設(shè)也越來越怡人，其中噴泉水景的獨特效果成為城市景觀建設(shè)的重要組成部分，為實現(xiàn)形態(tài)各異的水景造型，噴泉水景設(shè)計時大多要選擇潛水電泵作為增壓設(shè)備，并采用變頻驅(qū)動，而普通潛水電泵配套電機大多按井用潛水異步電動機和小型潛水電泵標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，主要考慮的是市電水井連續(xù)提水工況。在通過變頻器變頻供電的狀況下，電流、電壓中會有高次諧波的產(chǎn)生，影響了潛水異步電動機的功率因數(shù)、效率、溫升等性能。因此，變頻器驅(qū)動下的噴泉泵用潛水電機的設(shè)計分析對噴泉泵用潛水電機設(shè)計的完善具有重要的意義。

1.變頻器驅(qū)動對潛水電機的作用

1.1 潛水電動機的效率和溫升的問題。現(xiàn)今國內(nèi)普遍采用電壓源型變頻器，其變頻器輸出一般均為正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）方式。除正弦形基波，其輸出電壓還包括kHz數(shù)量級（可達(dá)幾十kHz）的高頻成分。高次諧波可以增加潛水電機的各種損耗，尤其是轉(zhuǎn)子銅耗。由于噴泉泵用潛水電機異步轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率接近基波頻率，但其高次諧波頻率高，所以轉(zhuǎn)差大造成了大量轉(zhuǎn)子損耗，同時還包括由集膚效應(yīng)帶來的附加銅耗。所有這些損耗都可以造成電動機的額外溫升，從而減小其輸出功率、降低效率。普通潛水三相異步異步電機用于變頻驅(qū)動的噴泉應(yīng)用時，其溫升會提高15%左右。

1.2 噴泉潛水電動機絕緣。變頻器載波采用高脈沖頻率，脈沖升降時間很短，這決定了電動機定子繞組要負(fù)擔(dān)起極高的電壓上升率，無異于對電動機加以極大的沖擊電壓。這會在電動機繞組中帶來高電壓應(yīng)力，給電動機的匝間絕緣帶來嚴(yán)峻考驗（電壓脈沖峰值比標(biāo)稱電壓高得多，尤其是每相的開始部位）。這樣就可能造成匝間局部放電，相間同樣可能存在。所以須重新探討普通潛水三相異步電動機絕緣系統(tǒng)，以從容應(yīng)對其變頻驅(qū)動。

1.3電磁振動與噪聲。變頻驅(qū)動的噴泉泵采用普通潛水三相異步電動機，其振動和噪聲更為復(fù)雜，諧波頻率若接近噴泉機組的固有振動頻率時，會引發(fā)共振而增大噪聲。因為噴泉電動機工作頻率范圍寬轉(zhuǎn)速變化范圍廣，因此難以避免諧波頻率和噴泉電動機噴泉機組的固有振動頻率相近。

1.4 潛水電動機對頻繁啟停的適應(yīng)能力。出于噴泉水形的需求，變頻器驅(qū)動的噴泉潛水電動機可能經(jīng)常在10赫茲甚至更低的頻率下待機運行，且經(jīng)?？焖賳又苿?，頻繁的啟動制動，系統(tǒng)受到機械和電磁循環(huán)應(yīng)力的影響，機械和絕緣加速疲勞及老化。

2.電磁設(shè)計

普通潛水異步電機的電磁計算只針對市電額定工作狀態(tài)，而變頻噴泉電機在額定功率范圍內(nèi)調(diào)速范圍寬廣，因此電機設(shè)計時既要考慮低速性能參數(shù)又要考慮高速額定功率下的參數(shù)。電磁設(shè)計應(yīng)考慮整個工作頻率范圍，電磁參數(shù)的選取應(yīng)特別重視：應(yīng)使工作頻率區(qū)段內(nèi)的各點轉(zhuǎn)矩參數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)熱不高于溫升限值。同時磁力參數(shù)達(dá)到相應(yīng)材料性能需求，市電頻率點滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1 電阻。為減小銅耗，應(yīng)盡量減小定子線圈與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和端環(huán)的電阻。這樣既能減小市電頻率銅耗，更能減小高次諧波銅耗，從而提高效率、降低溫升。

2.2 電感。電動機電感的增加，是為了減小電流中的高次諧波。但必須從整個調(diào)速范圍內(nèi)考慮阻抗匹配之合理性。

2.3 主磁路磁密。變頻驅(qū)動噴泉泵用潛水電機的主磁路通常為不飽和狀態(tài)，這主要考慮兩個方面，第一是變頻時高次諧波會引起磁路趨向飽和，第二是為了噴泉泵在低頻時提高輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到要求的水型而適當(dāng)增大變頻器的輸出電壓。

2.4 低頻起動性能。由于變頻器的驅(qū)動下噴泉泵潛水電機通常能以低頻迅速啟動，所以要讓電機基本保持在最大轉(zhuǎn)矩的條件下低頻啟動，設(shè)計時可盡量使其最大轉(zhuǎn)矩提高。因此將轉(zhuǎn)子設(shè)為槽形構(gòu)造（上寬下窄），這種槽型能是集膚效應(yīng)減弱，減小附加損耗，同時有利于減少轉(zhuǎn)子漏抗。設(shè)計的調(diào)整能大幅提高電機低頻運行時的轉(zhuǎn)矩。

3.絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

據(jù)以上變頻驅(qū)動噴泉泵用潛水電機的絕緣損耗原理，可知加強其絕緣結(jié)構(gòu)的主要措施有：嚴(yán)選電磁線的材料，優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)的整體性，提升其機械強度，同時輔以合理的加工步驟及工藝。

3.1 電磁線材料的嚴(yán)選化。在大量諧波與瞬態(tài)變化的脈沖電壓合力強作用下，變頻驅(qū)動噴泉泵用潛水電機中的電磁線易出現(xiàn)早期損壞的情況。所以，變頻驅(qū)動噴泉泵用潛水電機絕緣結(jié)構(gòu)是否可靠，電磁線的絕緣性能至關(guān)重要。變頻驅(qū)動噴泉泵用潛水電機大多為水線式潛水電機，其電磁線為耐水線，宜選三包線且加厚絕緣，內(nèi)層聚酰亞胺漆膜、中間選擇耐溫不低于150℃工藝性好的絕緣塑料、外層尼龍護套。

3.2 絕緣之機械強度應(yīng)加強。為減小電磁激振力以及振動影響，變頻驅(qū)動噴泉泵用潛水電機的絕緣結(jié)構(gòu)整體機械強度應(yīng)得到最大限度的提高。所以，在選取絕緣和輔助材料時，應(yīng)特別注意選取易置于線圈結(jié)構(gòu)內(nèi)各部位的材料以最大限度填充繞組間的空隙，但要兼顧散熱性。

3.3 繞線、穿線等工藝選擇。變頻驅(qū)動的噴泉泵用潛水電機必須有較高電磁線的質(zhì)量和絕緣結(jié)構(gòu)。所以，繞線、嵌線、綁扎等必須有嚴(yán)格合理的作業(yè)指導(dǎo)書，特別是在繞線、嵌線時要務(wù)必杜絕損傷導(dǎo)線。線圈端部應(yīng)綁扎牢固，確保端部是一個整體，從而提高絕緣結(jié)構(gòu)機械強度。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮了諧波引起變頻驅(qū)動噴泉泵用潛水電機的振動、噪聲冷卻方式等方面，重點考慮：

4.1 振動頻率。在變頻器供電時，噴泉用潛水電機頻繁地啟動、停止。設(shè)計時應(yīng)重點計算電動機構(gòu)件整體的強度和剛度，盡量提高電機的固有頻率以避免與各次力波產(chǎn)生共振。提高轉(zhuǎn)子的動平衡精度，使轉(zhuǎn)子殘余不平衡力降低至最低極限。

4.2 電機冷卻方式。變頻潛水電機內(nèi)腔可采用強迫冷卻液循環(huán)冷卻，提高冷卻效率。

4.3 長徑比選取。噴泉電機對加速度有較高要求，電機的轉(zhuǎn)動慣量不宜選大值。但過長影響剛度和噴泉泵在水體中安裝空間，因此應(yīng)兼顧考量多種因素設(shè)計。

4.4 軸承結(jié)構(gòu)。噴泉泵一般要求其在5Hz～60 Hz頻率區(qū)間均可正常運行，因此軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計時對潛水電機低速和高速運行均應(yīng)進行設(shè)計驗證。

結(jié)語

變頻器的發(fā)展改變了噴泉泵用潛水電機的設(shè)計，變頻器驅(qū)動下的噴泉泵用潛水電機的廣泛使用也對噴泉泵用潛水電機的設(shè)計要求越來越高。優(yōu)化變頻器驅(qū)動下的噴泉泵用潛水電機設(shè)計使其更加適應(yīng)噴泉水景行業(yè)的發(fā)展需要，具有重要的現(xiàn)實意義。要想獲取滿意的運行效果，就要結(jié)合變頻器和一系列控制方式，全面設(shè)計及進一步優(yōu)化電機。優(yōu)化設(shè)計后的實際運用案例：臺灣宜蘭冬山河親水公園噴泉水景工程，采用廈門海源泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的300多臺HSP系列噴泉泵（配套噴泉泵用潛水電機），2007年開始采用變頻驅(qū)動運行，至今運轉(zhuǎn)安全、正常，節(jié)電效果顯著。

參考文獻

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