[摘 要] 目前,水泵站普遍采用同步电机立式轴流泵。该同步电动机具有结构简单、运行可靠、坚固耐用、价格低廉、维护方便等一系列优点。然而,机组在投入运行时,往往会出现失步跳闸、运行中或常规交直流电压试验、电机线圈击穿等故障。在此基础上,文章简要分析了同步电动机在泵站运行中的应用。 [关键词] 同步电动机；水利泵站；故障；原因；应用
过去, 大型泵站修建时根据南北差异和当地实际的水位情况进行水力机组的选型和配套, 运行过程中通常能够满足设计扬程工况和平均扬程工况下工作点位于高效区的要求。但近年来, 由于区域性水文条件变化、河床底部抬升和大型水利工程修建等原因, 长江、黄河水位呈较大幅度的季节性变化, 流域内河道、湖泊、水库汛期与枯水期的水位变化也相应加大。这就使得运行过程中, 机组工作点偏离高效区, 运行效率低、功率大, 甚至引发汽蚀, 不利于泵站的安全与经济运行。
1 大型泵站工况变速调节
工况调节是解决水泵实际运行中工作点偏离高效区这一问题的主要方法, 通过变动水泵的工作点, 扩大工作范围, 使之符合高效运行的要求。其中, 大型泵站的工况变速调节通主要是变频调速和变极调速。变频调速要改变电源频率, 需配置专用的控制柜, 占地面积大、操作复杂、投资也大, 其应用受到诸多条件的限制;相对而言, 变极调速只改变电动机内部结构和接线方式, 不需要控制柜, 操作方便、投资小。就我国机电灌排工程的现状而言, 大型泵站中采用操作便捷、投资节省的变极调速方式更为合适。 目前, 国内大型电力灌排泵站广泛采用凸极同步电动机。过去, 由于存在很多难以解决的技术问题, 同步电动机的变极调速一直未能实现, 直至2008年才在样机试验的验证下宣告初步成功。2009年, “凸极同步电机转子变极的设计方法”发明专利出现, 标志着国内率先研发成功适合于大型电力排灌站的新型双速凸极同步电动机。这种电动机在原有电动机的基础上, 通过对其内部结构的改造, 变换接入电流的方向实现变极调速。与水泵配套后可以针对泵站运行时间较长的扬程设计两档转速, 在扩大水泵工作范围并满足机组高效运行要求的同时, 还可以节省成本。由于同时具有变角、变速调节的条件, 配套该类电动机的大型泵站还可以通过变速-变角综合经济运行来实现节能目标。
2 双速凸极同步电动机研究
凸极同步电动机变极调速应用于大型泵站的思想最早出现在20世纪90年代。1996年, 湖南省常德市汉寿县岩汪湖电力排灌站第二次大型技术改造进行电机增容提速后, 出现水泵机组在高扬程下运行状况良好, 在低扬程下严重偏离高效区, 引发汽蚀和振动的问题。水利部泵站测试中心根据岩汪湖电力排灌站的改造实践及测试结果, 提出“在更换电机线圈时, 按照增容和变极调速的要求进行设计”的建议。当时的武汉水利电力大学并与湖南省水利厅洞庭湖工程建设管理局等单位联合组成科研小组共同进行大型泵站双速电动机改造项目的研究, 推动了同步电动机双速改造技术研究的起步。
1997年湖南省仙桃电排站水泵机组增容技术改造时, 又一次提出将同步电动机进行调速改造的方案:采用丢极式变极法增速, 将原为40极的同步电动机, 在圆周均匀“丢掉”4个磁极后以36极运行。该方案中, 转子变极不改动转子结构, 磁极仍为正规型等距分布, 电机原有的40个极不改动。40极运行时与原来的状态相同, 而36极时则改变一半磁极方向, 同时“丢掉”4个磁极。“丢极”变极方式的实现在于改变部分磁极的接线, 引向一个电动的三极双投开关, 通过其三相电机低压电源线沿转子线槽穿出轴端引向三个线桩, 在停机状态下进行控制得到所需的转子磁极。定子变极则使用对称轴线法, 得到40极变为36极后的对称的三相绕组。这一尝试采用了国内外先进的试验研究成果, 作为泵站更新改造的一项新技术, 在我国属首
创, 在国外也十分罕见。
随着国内大型电力排灌站对凸极同步电动机变极调速需求的加大, 相关企业也开始着手进行相关研究。2007年10月, 湖北华博电机有限公司与华中科技大学国家专业重点电机试验室联合, 在传统电动机的基础上进行大型同步电动机变极调速的改造。在不改变原TL800-24/2150的结构尺寸的情况下, 仅通过减少磁极的数量、增加磁极线圈的匝数、改变磁极的布置及接线方法等技术手段, 用20个磁极实现电动机在250r/min和300r/min两档转速间的切换, 来实现变极变速的目标。经过5次试验验证, 电动机改造取得了初步成功。制造完成的双速凸极同步电动机可分别在250r/min和300r/min两种转速下运行, 电机效率可达94%以上, 额定功率满足两种工况下水泵运行的要求, 且结构和机座尺寸未发生改变, 各项技术指标接近传统同步电动机的水平。但在电动机内部结构改造过程中, 仍存在定子接线方法较复杂等问题。
经过不断地探索、改进, 该项研究近年来取得了突破性进展。2009年, 名为《一种凸极同步电机转子变极的设计方法》的发明专利采用了最新交流电机定子绕组变极理论和独特的凸极转子变极技术, 在国内率先研发成功适合于大型电排灌站应用的新型双速凸极同步电动机。
其特点在于: (1) 转子采用非均匀凸极分布新型结构; (2) 转子电路采用最少3个滑环即可方便实现变极换接; (3) 转子绕组导体在两种极数下励磁磁势谐波含量均较低, 且材料的有效利用率与标准电机相当; (4) 两种极数下的电机总体性能, 与相同极数标准电机相当。目前, 已经研发成功且适用于大型电力排灌泵站的双速凸极同步电机变极比有24:20、36:32、44:36等。经过多次的试验、测试及实际应用表明:这种新型双速凸极同步电机通过低速启动来减少对电网的冲击, 励磁电流小;转速变化不需停机, 操作迅捷、控制简单;两种速度下效率高, 可靠性好;且接线方便, 不改变电动机的原有结构尺寸, 投资节省、通用性强, 达到国内领先和国际先进水平。
3 应用效果分析
凸极同步电动机在某大型泵站中投入运行后, 取得了很好的使用效果:
3.1 节能效果
典型年7天的运行情况表明:在相同的排涝条件下, 双速双调机组比单速机组节约能源5.22万k Woh, 占对照组能耗的10.3%, 按0.6元/ (k Woh) 电价计算, 这一周观音港泵站可节省排涝
费用3.1万元。若泵站在汛期6~8月持续开机运行, 按上述计算结果推算, 观音港泵站整个汛期可节省电能约68.6万k Woh, 电费约41.2万元。
双速凸极同步电动机在该泵站安装试运行后, 进行了节能监测。湖北省节能监测中心提出的检测报告显示:双速凸极同步电动机在20极、1000k W、负载率为73.70%运行时, 运行效率为93.39%;24极、800k W、负载率为67.28%运行时, 运行效率为92.94%。两种极数下正常运行时, 均处于高效范围。
3.2 成本投入
该泵站原TL1000-20/2150型电动机市场价格为64万元, 双速凸极同步电动机价格为该电机的1.3倍, 约83万元, 4台电动机的差价76万元经过两个汛期的运行就可以完全收回, 第三个汛期双速双调机组就可以完全发挥经济效益。
结论：综上所述,泵站同步电动机的故障在于原可控硅励磁装置的性能只能满足基本功能要求。微机励磁装置利于泵站现代化管理功能趋于完善,可以有效减少电机故障。
[参考文献]
[1] 张巍,张宙.某大容量立式同步电动机电磁方案的设计与优化[J]. 上海大中型电机. 2021(04):56-58.
[2] 马文博,赵倩.励磁电流对同步电动机稳定性的影响[J]. 防爆电机. 2021(02):98-100.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议