吳永忠+李明德+林坤茂

摘 要：本文通過(guò)分析變頻器驅(qū)動(dòng)對(duì)于潛水電機(jī)性能的作用，探究了變頻噴泉泵用潛水電機(jī)在電磁設(shè)計(jì)、絕緣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：噴泉泵；潛水電機(jī)；變頻器；諧波

中圖分類號(hào)：TH311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(chǎng)、公園的建設(shè)也越來(lái)越怡人，其中噴泉水景的獨(dú)特效果成為城市景觀建設(shè)的重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)形態(tài)各異的水景造型，噴泉水景設(shè)計(jì)時(shí)大多要選擇潛水電泵作為增壓設(shè)備，并采用變頻驅(qū)動(dòng)，而普通潛水電泵配套電機(jī)大多按井用潛水異步電動(dòng)機(jī)和小型潛水電泵標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，主要考慮的是市電水井連續(xù)提水工況。在通過(guò)變頻器變頻供電的狀況下，電流、電壓中會(huì)有高次諧波的產(chǎn)生，影響了潛水異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、效率、溫升等性能。因此，變頻器驅(qū)動(dòng)下的噴泉泵用潛水電機(jī)的設(shè)計(jì)分析對(duì)噴泉泵用潛水電機(jī)設(shè)計(jì)的完善具有重要的意義。

1.變頻器驅(qū)動(dòng)對(duì)潛水電機(jī)的作用

1.1 潛水電動(dòng)機(jī)的效率和溫升的問(wèn)題?，F(xiàn)今國(guó)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(jí)（可達(dá)幾十kHz）的高頻成分。高次諧波可以增加潛水電機(jī)的各種損耗，尤其是轉(zhuǎn)子銅耗。由于噴泉泵用潛水電機(jī)異步轉(zhuǎn)速對(duì)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(shí)還包括由集膚效應(yīng)帶來(lái)的附加銅耗。所有這些損耗都可以造成電動(dòng)機(jī)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(jī)用于變頻驅(qū)動(dòng)的噴泉應(yīng)用時(shí)，其溫升會(huì)提高15%左右。

1.2 噴泉潛水電動(dòng)機(jī)絕緣。變頻器載波采用高脈沖頻率，脈沖升降時(shí)間很短，這決定了電動(dòng)機(jī)定子繞組要負(fù)擔(dān)起極高的電壓上升率，無(wú)異于對(duì)電動(dòng)機(jī)加以極大的沖擊電壓。這會(huì)在電動(dòng)機(jī)繞組中帶來(lái)高電壓應(yīng)力，給電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)（電壓脈沖峰值比標(biāo)稱電壓高得多，尤其是每相的開(kāi)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(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)，以從容應(yīng)對(duì)其變頻驅(qū)動(dòng)。

1.3電磁振動(dòng)與噪聲。變頻驅(qū)動(dòng)的噴泉泵采用普通潛水三相異步電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲更為復(fù)雜，諧波頻率若接近噴泉機(jī)組的固有振動(dòng)頻率時(shí)，會(huì)引發(fā)共振而增大噪聲。因?yàn)閲娙妱?dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)噴泉機(jī)組的固有振動(dòng)頻率相近。

1.4 潛水電動(dòng)機(jī)對(duì)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(dòng)的噴泉潛水電動(dòng)機(jī)可能經(jīng)常在10赫茲甚至更低的頻率下待機(jī)運(yùn)行，且經(jīng)?？焖賳?dòng)制動(dòng)，頻繁的啟動(dòng)制動(dòng)，系統(tǒng)受到機(jī)械和電磁循環(huán)應(yīng)力的影響，機(jī)械和絕緣加速疲勞及老化。

2.電磁設(shè)計(jì)

普通潛水異步電機(jī)的電磁計(jì)算只針對(duì)市電額定工作狀態(tài)，而變頻噴泉電機(jī)在額定功率范圍內(nèi)調(diào)速范圍寬廣，因此電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)應(yīng)考慮整個(gè)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(diǎn)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(shí)磁力參數(shù)達(dá)到相應(yīng)材料性能需求，市電頻率點(diǎn)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(dòng)機(jī)電感的增加，是為了減小電流中的高次諧波。但必須從整個(gè)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(dòng)噴泉泵用潛水電機(jī)的主磁路通常為不飽和狀態(tài)，這主要考慮兩個(gè)方面，第一是變頻時(shí)高次諧波會(huì)引起磁路趨向飽和，第二是為了噴泉泵在低頻時(shí)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(dòng)性能。由于變頻器的驅(qū)動(dòng)下噴泉泵潛水電機(jī)通常能以低頻迅速啟動(dòng)，所以要讓電機(jī)基本保持在最大轉(zhuǎn)矩的條件下低頻啟動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)有利于減少轉(zhuǎn)子漏抗。設(shè)計(jì)的調(diào)整能大幅提高電機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩。

3.絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

據(jù)以上變頻驅(qū)動(dòng)噴泉泵用潛水電機(jī)的絕緣損耗原理，可知加強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)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(qiáng)作用下，變頻驅(qū)動(dòng)噴泉泵用潛水電機(jī)中的電磁線易出現(xiàn)早期損壞的情況。所以，變頻驅(qū)動(dòng)噴泉泵用潛水電機(jī)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(dòng)噴泉泵用潛水電機(jī)大多為水線式潛水電機(jī)，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(hù)套。

3.2 絕緣之機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)加強(qiáng)。為減小電磁激振力以及振動(dòng)影響，變頻驅(qū)動(dòng)噴泉泵用潛水電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)整體機(jī)械強(qiáng)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(shí)，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(dòng)的噴泉泵用潛水電機(jī)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(shí)要?jiǎng)?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(gè)整體，從而提高絕緣結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

4.1 振動(dòng)頻率。在變頻器供電時(shí)，噴泉用潛水電機(jī)頻繁地啟動(dòng)、停止。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)計(jì)算電動(dòng)機(jī)構(gòu)件整體的強(qiáng)度和剛度，盡量提高電機(jī)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(dòng)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(jī)冷卻方式。變頻潛水電機(jī)內(nèi)腔可采用強(qiáng)迫冷卻液循環(huán)冷卻，提高冷卻效率。

4.3 長(zhǎng)徑比選取。噴泉電機(jī)對(duì)加速度有較高要求，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不宜選大值。但過(guò)長(zhǎng)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(jì)。

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(yùn)行，因此軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)潛水電機(jī)低速和高速運(yùn)行均應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

結(jié)語(yǔ)

變頻器的發(fā)展改變了噴泉泵用潛水電機(jī)的設(shè)計(jì)，變頻器驅(qū)動(dòng)下的噴泉泵用潛水電機(jī)的廣泛使用也對(duì)噴泉泵用潛水電機(jī)的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高。優(yōu)化變頻器驅(qū)動(dòng)下的噴泉泵用潛水電機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)意義。要想獲取滿意的運(yùn)行效果，就要結(jié)合變頻器和一系列控制方式，全面設(shè)計(jì)及進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的實(shí)際運(yùn)用案例：臺(tái)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(tái)HSP系列噴泉泵（配套噴泉泵用潛水電機(jī)），2007年開(kāi)始采用變頻驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，至今運(yùn)轉(zhuǎn)安全、正常，節(jié)電效果顯著。

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