大中型轴流泵配套电机选型探讨

我国的大中型排水泵站的主泵一般采用轴流泵或混流泵20世纪50~80年代，由于电网容量和供电质量的限制，多选用同步电动机作为水泵的动力机虽然同步电动机具有能够改善负荷功率因数，效率较高和效率曲线平坦等特点，但也存在着起动力矩小，失步时常需重新起动，需要直流励磁设备等缺点目前，我国的电网已足够强大，泵站用电负荷对电网的影响也越来越小，因此，有必要对大中型轴流泵配套电机的选型加以重新讨论。

　　1轴流泵对电动机的要求以电动机为原动机的拖动类负载，对电动机的基本要求是能够时时为负载提供所需的机械功率和扭矩。由于轴流泵的功率随流量减小而增加，当流量等于0时，功率达到最大值，因此，对于驱动大型轴流泵的电机来说，除了要为轴流泵提供足够的功率和扭矩外，还必须满足水泵对电动机起动特性的要求另外，由于泵类负载的负荷是变化的，因此要求电动机在输入电压、频率等电量不变时，能够自行调整工作状态，满足轴流泵的负荷要求轴流泵类负载一般为低转速、大扭矩负载，在起动或水流情况变化剧烈时，可能会瞬时超载，因此还要求电动机有较强的过载能力。

　　2种电动机运行原理的比较异步电动机定子三相绕组接到三相电源后，即在定子、转子的气隙内建立了以同步转速旋转的旋转磁场。由于短路的转子绕组被这种旋转磁场的磁力线切割，转子绕组内会产生感应电动势，进而产生电丨流由于线圈处在旋转磁场中，并载有感应电流，这样转子线圈必然会受到电磁力，从而产生一与旋转磁场同方向的电磁转矩。如果这个力矩有足够的大小克服制动力矩的话，转子就将沿着旋转磁场方向旋转，转速为n同步电动机定子三相绕组接到三相电源、励磁绕组接到直流电源并且同步电动机已起动后，在定子、转子的气隙内产生了两个旋转磁场，一个是定子旋转磁场（转速亦为另一个是转子旋转磁场（转速为n）由于两个磁场的相互作用，定子磁场就拖着转子旋转，电机就处于电动机状态这时定子磁场超前于转子磁场。如果转子由其他原动机以转速拖动，这时转子磁场超前于定子磁场，那么定子端就会产生输出的电流，向机、同步电动机都可以拖动轴流泵。

　　表i同步。异步电动机的工作特性比较对比项目同步电动机异步电动机转速n不变随负荷增加略有下降电磁转矩M随负荷增加而增加随负荷增加而增加功率因数cosh随负荷增加而下降随负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种电机运行原理的不同，导致两者结构的差异。定子部分2种电动机相似，转子部分差异较大。同步电动机的转子绕组为不封闭绕组，需要输入励磁电流；异步电动机的转子绕组为一短接的封闭绕组另外，由于同步电动机起动的需要，在转子磁极的极靴上还装有一个笼形的起动绕组由于同步电动机的转子较异步电动机复杂，导致在相同功率和极对数的情况下，同步电动机的价格较异步电动机高。另外，同步电动机需要直流的励磁电流，因此同步电动机比异步电动机要多出一套励磁及其相应的保护、控制设备，这也提高了水泵机组的造价。总的来说，同步电动机的结构较异步电动机复杂，配套设备也较多，水泵机组的造价也较高。

　　2种电动机工作特性的比较本文所述的工作特性是指电网电压Ui励磁电流If电网频率乃为常值的情况下，电动机转速、电磁转矩、功率因数、效率与输出功率之间的关系。分别为同步电动机和异步电动机的工作特性。

　　从图中看出2种电动机在输入电压、频率等电量不变时，可根据负荷的变化自行调整工作状态，满足轴流泵的要求。同时输出功率在重荷区时，有以下对比结果：由表1可以看出，除转速一项同步电动机略胜一筹外，其余几项2种电动机并无多大区别。且异步电动机的转差率s，在稳定工作时的取值范围仅为0~0.04，特别是对于大功率、低转速异步电动机来说，转差率约为0.01，电动机转速降低很少，对水泵性能的影响不大因此，仅从工作特性上来说，异步电动2种电动机的起动和停机电动机带动的水泵机组，在起动过程中的力矩平衡方程式可用下式来表示：总阻力矩；Mp为机组起动时的静摩擦阻力矩；Mf为水泵转子起动过程的转矩；（GD2/4g）dk/dt为机组转子的加速惯性转矩上式可用表示。图中M，是电动机起动转矩，机组在起动前是静止的，起动瞬间要克服机组转子的摩擦阻力矩才能使水泵转动起来，并逐渐加速，所以要求Mi>Ma起动后如电动机电磁转矩Mm大于机组总阻力转矩M，就能把剩余转矩Mm-M传给转子，使其加速旋转，故（GD2/4g）dk/dt又称为加速惯性转矩起动过程中各种转矩示意图异步电动机的电磁转矩可用下式来表达：此电磁转矩仅是转差率s的函数，如中的Mm曲线所示。从中可以看出，只要异步电动机在起动瞬间未堵转，那么就可保证它的起动，并使转子加速当转速达到某一值时，机组总阻力矩曲线与电磁转矩曲线相交于A点，则Mm-M=0，即dk/dt=0，此时，n为常数，机组进入稳定运转状态。异步电动机运行时和起动时的功率因数都是滞后的，所以对采用异步电动机拖动水泵的泵站，在起动第2台及以后的电动机时，会引起较大的压降同步电动机的起动一般分为2个阶段。第i阶段定子绕组接至交流电网，使同步电动机作为异步电动机起动（异步起动）。第2阶段，当电动机转速达到同步转速的95%时，将转子的激磁绕组接入直流电源，使电动机牵入同步，并转入稳定运行。在异步起动阶段，除起动绕组所产生的转矩MD之外，励磁绕组（此时相当于一个单相绕组）中的感应电流与气隙磁场相*Mf.单轴转矩的特点是，在转差率s =0.5的附近（<0.5处）产生一个负的转失矩这样，由于单轴转矩的影响，电动机的合成转矩曲线将在0.5的附近发生明显的下凹，形成一个“最小转矩”见因此，如果起动负载较重，以致超过电动机的最小转矩，则电动机就可能在一半同步速率a附近被“卡住”而不能继续升速为减小单轴转矩，可在励磁绕组中串入一个限流电阻，等转速超过0.5ns以后，再将此电阻逐步切除。当转速接近9览同步转速（即转差率s=0.05，其对应的电磁转矩称为牵入转矩，如中的m2）时，如果m2>M则可投入励磁，牵入转矩将转子牵入同步。

　　同步电动机异步起动时的M=f（s）曲线必须指出，同步电动机异步起动时励磁绕组不能开路，否则，起动时励磁绕组内将感应危险的高压，击穿绕组绝缘，引起事故因此，必须注意励磁装置的投励环节。如果投励过早，转子转速与同步转速相差较大，将不能产生足够的牵入转矩使同步电动机牵入同步。

　　同步电动机在异步起动时为感性负载，但运行时对电网来说却是容性负载，由于感性与容性互相补偿，所以对采用同步电动机拖动水泵的泵站，起动第2台及以后的电动机时，在起动压降方面比采用异步电动机优同步电动机停机时，励磁绕组内储存的磁场能量很大如果励磁绕组开路，将在励磁绕组两端产生很高的感应电压，有可能击穿转子绝缘所以，同步电动机停机时，需要将一个灭磁电阻与励磁绕组短接，把存储在励磁绕组中的能量消耗在电阻上。由此可见，同步电动机的起停较异步电动机的起停复杂得多，而且容易出问题。

　　5同步电动机的其他方面问题同步电动机运行时需要直流电源，目前，直流电源大多采用可控硅励磁装置在电动机起动和停止时，励磁电路要求有很大的阻抗，而在电动机正常运行时励磁电路需要较小电阻。

　　因此，励磁装置要求有较高的稳定性。一旦励磁部分有微小异常，都有可能使整个励磁装置损坏，严重时甚至损坏电动机的转子。励磁装置既要满足正常工作的需要（投励、灭磁），同时又要避免开停机时正负半波电流不对称、寄生电路的产生、可控硅及电力二极管元件承受太高的正负电压、整流桥的颠覆等。毫无疑问，励磁装置的电路会很复杂，元器件会很多。这样，一方面会提高造价，另一方面可靠性又会降低所以，励磁装置很容易出问题，维护保养也很困难由于同步电动机结构较复杂，导致维护保养的要求较高，运行时又需要2种电源，特别是直流电源的需求，所有这些都将直接影响水泵机组的投资和维修费甩通过上面的分析，同步、异步电动机的起动和运行特征的比较可用表2来说明表2同步电动机与异步电动机的特征比较比较项目同步电动机异步电动机起动电流与鼠笼型异步电动机大致起动力矩小鼠笼型小，绕线型大转差率无功率因数运行时超前，异步起动时滞后，高滞后，低励磁装置要不要机组造价高低维护保养复杂简单从表2可以看出，同步和异步电动机都能满足大中型排灌泵站对主泵配套电机的要求与异步电动机相比，同步电动机具有功率因数较高，运行时不仅不使电网的功率因数降低，相反地却能够改善电网的功率因数以及效率较高和效率曲线平坦等优点，但也存在着结构复杂，起动力矩小，起动过程技术要求高，失步时常需重新起动，控制和保护设备多以及投资和维修保养费用高等缺点。

　　综上所述，在当前我国电网已足够强大，泵站的用电负荷在地区电网所占比重减少和长距离输电电压等级提高，电网供电质量比较好，并且越来越好的情况下，泵站采用同步电动机来对地区电网进行无功补偿已无必要，即采用同步电动机的优点已不明显，在此情况下，选择异步电动机作为大中型轴流泵的配套电机更为合适。