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1、1交流复励电动机作为水泵配用电机的优越性林 青 1 陈 坚 2（1.福建电大，福州 350003 ；2.福州大学，福州 350002）摘 要：介绍水泵的性能曲线，分析其对配套电机的特殊要求，对一种新型的交流换向器电机交流复励电动机与水泵配套的前景进行了探讨。关键词：水泵特性；配套电机；交流复励电动机引言水泵是一种量大面广的产品，据统计资料显示，水泵与风机所用的电量占总发电量的20以上，所以水泵电机的配用、设计，是具有重要技术和经济价值的问题。目前水泵所配用的电机大多是普通交流异步电动机，在大多数情况下可以满足水泵性能的要求，但也存在一些不足，如电机的最高转速不到 3000 rmin ，某些水泵
2、需要更高的转速便无法满足；使用最普遍的单相电容运转式交流异步电动机的起动转矩偏低，而单相电容起动式或双值电容交流异步电动机因为增加了离心开关等元件，结构复杂、成本提高、可靠性降低，适用性不是很好。1、交流复励电动机的特性分析交流复励电动机是在直流电动机和交流串励电动机的基础上发展起来的一种新产品。和交流复励电动机相仿的直流电机一般都有串励和并励线圈，从而组成复励的工作方式。把交流并励和串励方式结合起来制成的交流复励电动机，其工作状态就和直流电动机基本一样了，同样可以拥有优良的调速特性。交流复励电动机长期以来只有串励方式，曾有观点认为并励方式不实用，主要是因为并励线圈直接接在电源上，其匝数较多，
3、绕组的电感量较大，使并励线圈的励磁电流 İ B 滞后于电源电压的相位角比串励励磁电流 İ C要大得多。由于电枢电流 İ A 和串励励磁电流 İ C 的相位相同，所以 İ B 与 İ A 有较大的相位差就会造成 İ B所产生的磁通 B 与 İ A 有较大的相位差，其后果是产生的力矩较小，甚至在每一周波的一小段时间里会产生反向的力矩，达不到我们的要求，因此，实现交流复励方式的关键是让并励磁通 B 和串励磁通 C的相位相同或基本同相，也就是让 İ B 和 İ C 同相，这样才能产生符合我们要求的附加力矩，使 交流复励电机具有较高的起动力矩。要弥合 İ B 与 İ C 的相位差，可以用移相的方法来解决
4、，使 İ B 的相位向前移动，从而与 İ C 的相位大致相当。移相的相位可以通过计算或试验来得出，可以用电感、电容测试仪测试，也可以用双通道示波器测量两电流的相位，在并励线圈上联接不同容量的电容来观察移相的效果，并决定选用的数值。图 1 是交流串励电动机加挂并励绕组、并接上不同电容量时的力矩测试曲线。2图 1 串励电动机加挂并励绕组、并接上不同 电容量时的力矩 测试曲线由图 1 可见，在加上移相元件后，工作曲线向右、向上移动，力矩增大，并且特性曲线变“硬” ，使交流复励电机具有较高的起动力矩等力能指标，并且能达到较高的转速。因此交流复励电动机作为与水泵配套的电机具有一些独特的优势。3 水泵工作
5、特性分析我们对具有代表意义的两种水泵的工作特性作一些分析。3.1 旋涡泵工作特点与其对电机的性能要求的分析水泵性能可以扬程H、流量Q与效率 水 等指标来衡量。这些性能指标亦与电机性能密切相关。因此在设计电机时，应考虑到与水泵性能的配合问题，而使整机性能趋于最佳。旋涡型水泵的典型工作特性曲线如图2所示。图 2 旋涡型水泵的典型工作特征曲线由图 2 可见， 在一定的流量下， 水泵的效率最高， 通常都将水泵的额定工作点选在两条曲线的交点或其附近。水泵的 H、Q 与 水 和电机的输出功率 P2、效率 电 及转速 n 有关。功率一定，泵的 H、Q 与电机的n 有关，n 增加则H、 Q皆随之增加。增加泵的
6、叶轮转速就可以提高泵的效率 【1】 ，所以电机转速 n 是个重要的性能指标，在可能条件下与允许范围内，n 越高，泵性能越好。泵的整体效率是水泵效率和电机效率的乘积： 水 电3水泵大部分用户在农村， 一般电压较低， 波动大，因此需要电机具备一定的起动力矩与较低电压下的运行能力。旋涡泵的叶轮与泵体间的间隙很小，当水中有杂质或泵体腐蚀产生铁锈便有“卡壳”现象，或上部管道中有一定高度液体时，需要有相当的起动力矩。上述水泵工作特点对电机设计提出的要求：l）转速 n 较高，对水泵Q、H、 水 有利；2） 电 较高，对整机效率无疑有利；3）保证相当的起动力矩倍数Tst 。3.2 离心泵电机的输出转矩、转速和
7、水泵转矩、转速的关系如图 3 所示：图 3 电机输出转矩、转速和水 泵转矩、 转速曲线图 3 中，曲线 1 是电动机的机械特性，当转速为零时转矩为堵转转矩 Md，此时电动机转子处于堵转状态。A 点为最大转矩 Mmax。图 3 中的曲线 2 为泵的机械特性，即泵的阻力转矩特性，它由随转速增加而降低的静摩擦阻力转矩和与转速成二次抛物线关系的水力阻力转矩合成，所以呈马鞍形。两条曲线相交于 B 点，该点为电泵的工作点，工作点应在转速大于 nA点的曲线段。因为有某种原因使负载转矩增加而使转速下降，此时电动机转矩大于负载力矩，从而使电动机加速回至 B 点。如有某种原因使转速升高，此时阻力矩大于电动机转矩，
8、从而电动机又减速至 B 点，所以说，B 点是稳定工作点。电动机的稳定工作段是转速大于最大转矩点转速的呈下降趋势段。从水泵的基本特性来看，水泵的扬程H 正比于转速的平方，水泵的流量Q 正比于转速。所以，若电源电压达不到额定电压，将 影 响 电 泵 的 转 速 ， 从而也影响电泵的水力性能。由于电泵工作场所的电源条件较恶劣，大多为工地、农村、边远地区，电网电压不稳、波动大且电压偏低，电机的端电压很难达到额定电压，这是因为电泵工作场所往往在 水 边 、 工 地 、 野 外 ， 附近没有常设的电源，要拉比较长的电线才能把电泵与电源相连接。若线 路 较 长 而 线 径 又不粗的话，那 么 线压降相当可观
9、，降3050 V是常事，甚至更多，当电源容量不 大 或 拉线较长时， 电泵开机所引起的瞬时压降和工作压降都有相当大的数值。另外水泵工作时，电机绕组和铁心的热量经过机壳由水带走，冷却条件较好，因此可取较高的电磁负荷。由于水泵的机械密封装置摩擦阻力较大，以及为防止杂物卡住，电机应当有较高的力能指标，即较高的起动转矩和最大转矩。综上所述：水泵对配套电机的性能要求可以大体归纳为：1） 较高的电磁负荷，抗电压波动能力：42） 较高的力能指标，尤其是对起动力矩的要求；3） 较高的工作转速。对于这些要求，三相交流异步电动机比较容易达到，但由于电源条件限制，大部分水泵配用的单相电容运转异步电动机就较难达到了。
10、然而，同样使用单相电源的交流复励电动机由于有较高的力矩指标，特别是能达到比异步电动机更高的转速并且能在大范围内平滑调速，因此有望成为水泵的优良动力源之一。4 交流复励电机应用于水泵的情况用交流串励电动机作为水泵配套己经有若干产品问世并用于出口，福建福安“电机城”的一些厂家也用串励电机为水泵配套，出口到中东一带。其突出的优点就是体积小，大幅节省制造和运行费用，例如，原电机工作转速为近 3000rmin，改成串励电机后达到 6000rmin 左右，原来电机输出为 750W，现在只要 370W 就够了，而且泵体和叶轮的体积也成比例缩小，同样性能的泵，显得“小巧”多了，技术经济指标大幅提高。由于串励电
11、机的机械特性是“软”的，重载时转速大幅下降，对于电动工具一类的机械合适，但对于水泵来说尚有待改进之处。因此我们在交流串励电动机上加一个并激线圈，在并激线圈上接一个移相电容，使并激磁通相位和串励磁通相位大致相同。交流串励电动机的机械特性有了很大的改善，力矩增大，工作特性曲线“变硬” ，己接近异步电动机的水平，而且具有起动力矩等力能指标显著优于异步电机和转速不受极数限制等突出优点，使水泵的扬程和流量等性能大为提高。 我们提供交流复励电动机给用户配套水泵试用，取得了比较满意的效果。用户报告说“我厂水泵原使用普通单相交流异步电动机配套，存在起动力矩小，调速困难等问题。试用交流复励电动机后，起动力矩显著
12、提高，并且迅速达到额定转速；调速方便。对提高泵的扬程和流量等性能十分有利。”也有用户报告说“我公司将交流复励电动机与水泵配套使用后，发现泵的流量和扬程等主要性能均大为提高，超过有关性能标准，转速可以达到每分钟 6000 多转甚至 7000 多转，由于电机转速高，水泵的各方面性能均大为提高，但叶轮的汽蚀有可能加大。”5 水泵的汽蚀与汽蚀比转数水泵的转速高到一定程度，其汽蚀将加剧。所谓汽蚀就是水中的微小汽体对叶轮的侵蚀作用，水泵设计理论对此有专门的计算方法，给出一个重要参数称为汽蚀比转数。汽蚀比转数的公式为： 43min62.5hQChmin 为最小汽蚀余量。可见随着转速的增加汽蚀比转数也将增大，
13、叶轮在工作中的侵蚀有可能加速。当然，正常工作时也有汽蚀问题，只是程度不同而己，因此在提高水泵转速时应选择适当的汽蚀余量。6、结论1、水泵配用的电动机需要较高的力能指标，尤其是起动力矩，以及较高的工作转速。交流复励电动机与水泵配套使用时具有独特的优势，使起动力矩显著提高，转速不受极数限制,并且迅速达到额定转速；调速方便，对提高泵的扬程和流量等性能十分有利，可在一定的场合下选用。2、体积小，出力大，节省制造材料和费用。3、交流复励电动机结构与直流电机相仿，比其他技术方式简单，因而成本较低。在实现同功率同样调速性能时，成本只有变频技术等其他调速方式的 4070%，因此拥有高性能价格比。54、交流复励电动机由于并励部分能产生一定的附加力矩，比交流串励电动机有更大的过载力矩，而且其机械特性曲线变“硬” ，能满足更多类型工作机械的要求。由于并励绕组需要一定的空间安放，因此在空间不紧张的情况下可以实行将交流串励电动机改装成交流复励电动机。并励绕组和移相电容的成本不高，相对于其产生的功率、转矩增加和机械特性曲线的优化来说，其投入产出比是比较高的。参考文献1 IJ卡拉西克.泵的理论、性能、结构、使用、试验M.北京：机械工业出版社，1983.2 关醒凡.泵的理论与设计M.北京：机械工业出版社，1987.3 陈世坤.电机设计M.北京：机械工业出版社，2002.
