大功率電動泵組的測試裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及電動水泵測試技術(shù)領(lǐng)域,公開了一種大功率電動泵組的測試裝置。為配合電動機(jī)與水泵的運行特性,設(shè)計發(fā)電機(jī)的輸出電壓為電動機(jī)額定電源電壓的50%增加3~5%補償。電源裝置既可應(yīng)用380V的低壓電動泵組,也可用于檢測6kV或10kV級別的高壓電動泵組。為減少電動機(jī)啟動時電流對其沖擊,對電動機(jī)實施二次降頻/降壓軟啟動方式。本實用新型的測試裝置的輸出功率僅需為被檢測電動泵組額定軸功率的12.5%。由于所需的裝建容量較小,可令投資費用大幅度下降至所有泵廠可承受的程度。該測試裝置完全可以滿足水泵行業(yè)按現(xiàn)行國家有關(guān)水力性能試驗規(guī)范試驗的需求。
【專利說明】
大功率電動泵組的測試裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型涉及電動水栗測試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 大功率電動栗組的測試臺架建設(shè)由于投資資金龐大,特別是高壓電網(wǎng)資源不足的 地方(超過200kW的電動機(jī),大多為6kV/10kV的供電),要得到栗廠常用的1~2MVA的配電是 非常困難的事。這一直困擾著我國中小型電動栗組的生產(chǎn)企業(yè),所以大部分的企業(yè)就選擇 電動機(jī)與栗頭裝配成套后不做測試直接出廠。這根本無法保證產(chǎn)品的質(zhì)量,特別是有嚴(yán)格 質(zhì)量要求的消防給水栗組更得不到保障。這個現(xiàn)實存在的問題既危及公共安全又大大影響 了行業(yè)的發(fā)展。
[0003] 國際標(biāo)準(zhǔn):IS0 9906及國家標(biāo)準(zhǔn):GB/T 3216《回轉(zhuǎn)動力栗水力性能驗收試驗1級和 2級》規(guī)定:"可以在規(guī)定轉(zhuǎn)速的50 %~120 %范圍內(nèi)的試驗轉(zhuǎn)速下進(jìn)行流量、揚程和輸入功 率確定試驗"。
[0004] 目前大部分的水栗生產(chǎn)廠除了新產(chǎn)品要做形式試驗,基本都是采用4極電動機(jī)驅(qū) 動2900轉(zhuǎn)的水栗、采用8極電動機(jī)驅(qū)動1450轉(zhuǎn)水栗。用小功率多極數(shù)的電機(jī)驅(qū)動相對少極數(shù) 的較大功率水栗的方法進(jìn)行檢驗(也可配置大功率的變頻電機(jī),通過降頻/降速測試較大功 率的水栗)。但這個方法雖然解決了電源功率容量的問題,但只能對單一的水栗栗頭進(jìn)行出 廠試驗,而不能對成套后的電動栗機(jī)組進(jìn)行測試,特別是不能對配置了高壓電動機(jī)的大功 率栗組進(jìn)行功能檢驗。當(dāng)然有相對資源的企業(yè),不但可以建設(shè)專用的高壓配電房,還可以配 置高壓變頻電源。但是其建設(shè)成本巨大,是中小型電動栗組的生產(chǎn)企業(yè)難以承受的。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型針對上述水栗行業(yè)存在的實際問題,針對成套后的電動水栗組,特別 是配置了高壓電動機(jī)的大功率電動栗組,為其出廠檢驗提供一套完整的解決方案,提供一 種大功率電動栗組的測試裝置。本實用新型是一種高性價比的解決方案:設(shè)計一種為市電 額定頻率50%的發(fā)電系統(tǒng)作為水栗的測試電源,測試電源的輸出功率為被檢測的電動栗組 的12.5%。由于所需的輸出功率較小,其投資費用大大下降,完全可以滿足水栗行業(yè)的需 求。
[0006] 本實用新型的技術(shù)方案如下:
[0007] 大功率電動栗組的測試裝置,包括發(fā)動機(jī)、減速箱、萬向聯(lián)軸器、同步發(fā)電機(jī)以及 智能控制器。發(fā)動機(jī)通過減速箱和萬向聯(lián)軸器驅(qū)動同步發(fā)電機(jī),發(fā)動機(jī)受智能控制器控制, 同步發(fā)電機(jī)包括勵磁控制系統(tǒng),其特征在于還包括含繼電保護(hù)的輸出斷路器、升壓變壓器、 電氣連接配電系統(tǒng),同步發(fā)電機(jī)輸出端通過輸出斷路器與升壓變壓器相連,電氣連接配電 系統(tǒng)包括設(shè)置于輸出斷路器的輸出端的低壓電參數(shù)計量器和設(shè)置于升壓變壓器的升壓輸 出回路的高壓電參數(shù)計量器,輸出斷路器還受智能控制器控制用于實現(xiàn)被測大功率電動栗 組的軟啟動合閘。進(jìn)入測試流程時,大功率電動栗組的實時轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速的50 %~ 60%。大功率電動栗組通常是指功率不小于200kW的電動栗組。
[0008] 進(jìn)一步的,為了滿足本測試裝置的多用途,既能對高壓電動栗組進(jìn)行測試,也能對 低壓電動栗組進(jìn)行測試,電氣連接配電系統(tǒng)還包括雙回路切換開關(guān),輸出斷路器經(jīng)雙回路 切換開關(guān)可選擇與升壓變壓器相連,或選擇雙回路切換開關(guān)的另一輸出端直接輸出低壓電 源。
[0009] 進(jìn)一步的,減速箱為2:1的減速箱。
[0010] 進(jìn)一步的,發(fā)動機(jī)為柴油發(fā)動機(jī),額定轉(zhuǎn)速為1500~1800rpm。
[0011] 進(jìn)一步的,同步發(fā)電機(jī)為4極無刷發(fā)電機(jī),輸出頻率為25~30Hz,輸出線電壓為可 調(diào)110~240V。
[0012] 大功率電動栗組的測試裝置的測試方法,采用如上所述的測試裝置,同步發(fā)電機(jī) 恒速時的輸出頻率為被測大功率電動栗組的額定頻率的50~60%,采用二次降頻/降壓方 式啟動大功率電動栗組:同步發(fā)電機(jī)在被測大功率電動栗組啟動過程中緩慢升速并同步升 壓,然后同步發(fā)電機(jī)恒速、恒壓持續(xù)運行;啟動時,當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的輸出頻率未達(dá)到第一頻 率閾值時,智能控制器使輸出斷路器處在斷路狀態(tài),當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的輸出頻率達(dá)到第一頻 率閾值時,輸出斷路器合閘對被測試的大功率電動栗組送電,第一頻率閾值為恒速時的輸 出頻率的66~67%,輸出送電帶載后,同步發(fā)電機(jī)緩慢升速并同步升高電壓,直至達(dá)到額定 的頻率,然后恒速、恒壓持續(xù)運行,恒壓的電壓值為大功率電動栗組的額定頻率/電壓比例 換算后增大3~5%,被測的大功率電動栗組正式進(jìn)入測試。
[0013] 本實用新型的理論依據(jù)如下:
[0014]同一臺葉片栗的特性,其流量、揚程、功率與轉(zhuǎn)速之間的比例關(guān)系:
(水栗的流量與水栗轉(zhuǎn)速的變化成正比)
(水栗的揚程與水栗轉(zhuǎn)速變化的平方成正比) 水栗的軸功率與水栗轉(zhuǎn)速變化的立方成正比)
[0018] Q、Η、N分別表示水栗流量、揚程、功率;η表示水栗的轉(zhuǎn)速。
[0019]下標(biāo)1相對于轉(zhuǎn)速1的物理量、下標(biāo)2相對于轉(zhuǎn)速2的物理量。
[0020] 根據(jù)上述的公式,水栗的運行轉(zhuǎn)速降低50%,其軸功率為全速的i的丄,即 12.5%。按此推算,一臺需輸入功率為10001^(謂1)的水栗,其結(jié)構(gòu)不變的情況下降低50% 的轉(zhuǎn)速運行,其水栗所需的電源功率多125kW就可滿足產(chǎn)品出廠測試的需要。
[0021] 降低電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,最簡單有效的辦法就是提供低頻率的電源,降速50%,就是將 原標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)設(shè)計為50Hz的電源頻率降頻為25Hz。
[0022] 電源系統(tǒng)的頻率已決定,下面給出電源系統(tǒng)的輸出電壓的確定方法。
[0023] 根據(jù)電機(jī)的定子電壓:U = E+I*R(I為電流、R為定子電感與直流電阻的復(fù)合阻抗、E 為感應(yīng)電勢);
[0024]而:E = k*f*X(k:常數(shù)、f:頻率、X:磁通);
[0025] 對異步電機(jī)來說:T = k*I*X(k:常數(shù)、I:電流、X:磁通、T:轉(zhuǎn)矩)
[0026] 感應(yīng)電勢Ε是隨著頻率f而變化,則定子的電壓也應(yīng)該是變化的,也就是加在定子 兩端的電壓也應(yīng)是隨之成正比變化的。
[0027]電動機(jī)的功率計算:
[0028] a、三相電動機(jī)的輸入功率的計算公式如下:
[0029] Ρχχ ~ COS 0]^
[0030] 式中Pix:頻率為fJ寸電動機(jī)的輸入功率,kW;
[0031] Ulx:頻率為f J寸電動機(jī)輸入的線電壓,V;
[0032] 11:電動機(jī)每相的電流,A;
[0033] COS 01:電動機(jī)定子側(cè)的功率因數(shù)。
[0034] b、電動機(jī)的輸出功率:電動機(jī)輸出的是機(jī)械功率,計算公式如下:
[0036] 式中Pmx :頻率為f X時電動機(jī)軸上的輸出功率,kW;
[0037] TM:電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩(與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡),N · m;
[0038] mix:頻率為fx時的轉(zhuǎn)速,r/min。
[0039] c、電磁功率:從電功率和機(jī)械功率之間起傳遞和轉(zhuǎn)換作用的磁場功率,用Pm表示。 其大小反映了電動機(jī)磁路內(nèi)磁通的大小。
[0040] 頻率下降時各部分功率的變化:假設(shè)電源電壓的頻率fx降低了,這時,電動機(jī)的轉(zhuǎn) 速必下降:
[0042] 式中fx:電動機(jī)的工作頻率,Hz;
[0043] πμχ:頻率為fx時的轉(zhuǎn)速,r/min;
[0044] p:為電機(jī)極對數(shù),例如四極電機(jī)的p = 2;
[0045] s:異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率。
[0046] 對于葉片栗,在進(jìn)出口徑與葉輪直徑不變的情況下,電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降將導(dǎo)致輸 出功率大幅度下降;但是,電動機(jī)的輸入功率P1X表明,電動機(jī)的輸入功率和頻率之間并無 直接關(guān)系,就是說,當(dāng)頻率下降而電源電壓不變時,電動機(jī)的輸入功率并不隨之下降。
[0047] 所以,在單純將頻率下降時,將出現(xiàn)輸入功率Plx和輸出功率PMX之間的嚴(yán)重失衡, 使傳遞能量的電磁功率和磁通大幅增加,電動機(jī)的磁路將嚴(yán)重飽和,導(dǎo)致勵磁電流激增且 波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。
[0048] 所以若降低電源的頻率,為了維持輸入功率和輸出功率之間的平衡,在頻率下降 的同時,必須必須同步降低電源的電壓。
[0049] 但是,當(dāng)頻率下降時若完全成比例地降低電壓,那么由于頻率下降而使電動機(jī)的 交流阻抗變小,而電動機(jī)的直流電阻卻維持不變。這將造成在電動機(jī)在降速后的轉(zhuǎn)矩相對 減小,從而導(dǎo)致異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差增大(實際達(dá)不到原電動機(jī)一半的轉(zhuǎn)速)。最終影響水栗 揚程、流量、功率的測量數(shù)據(jù)。因此,在電動機(jī)降頻并比例降壓使用時,要使輸入電動機(jī)的電 壓相應(yīng)提高一些,才可以維持電動機(jī)原設(shè)計的轉(zhuǎn)矩降低的比率。
[0050] 我國按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的異步電機(jī)的基準(zhǔn)電壓:低壓電機(jī)為380V、高壓電機(jī)為6kV或 1 OkV,基準(zhǔn)頻率為50Hz。按低壓電動機(jī)設(shè)計的測試電源系統(tǒng),若頻率降低50 %至25Hz,則電 動機(jī)的電源電壓則應(yīng)為380V*0.5 = 190V,通過臺架驗證,將電源電壓升高3~5 % (不同極數(shù) 的電動機(jī)稍有差別,但都在允許范圍內(nèi)),例如190V*1.05~200V,即可補償電動機(jī)因降頻導(dǎo) 致的直流電阻損耗。同理:6kV電機(jī)設(shè)計電源輸入為3.15kV、10kV電機(jī)設(shè)計電源輸入為 5.25kV。既滿足了測試的精度要求,又不會發(fā)生電動機(jī)超電流運行的現(xiàn)象。
[0051] 配電裝置的同步發(fā)電機(jī)額定輸出電壓決定了,但發(fā)電機(jī)的運行特性如何設(shè)計才能 適配異步電動機(jī)的啟動電流,這依然是一個必須解決的問題。眾所周知:普通的電動機(jī)啟動 過程仍需較大(幾倍)的啟動電流,而柴油發(fā)電機(jī)組過載能力卻非常有限(內(nèi)燃機(jī)超扭矩,有 可能在短時間內(nèi)驟然停機(jī))。按常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,就只有增大發(fā)電機(jī)組的容 量!本實用新型為了更好的匹配電機(jī)啟動特性并減少發(fā)電機(jī)組的適配功率,創(chuàng)新采用二次 降頻/降壓方式啟動電栗組:設(shè)計的發(fā)電機(jī)組在電動機(jī)啟動過程中實現(xiàn)緩慢升速并同步升 壓,最后柴油發(fā)電機(jī)組恒速、恒壓持續(xù)運行。由于葉片栗在低轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩相對下降,所以只 要選擇在柴油機(jī)允許帶載,并其輸出扭矩滿足水栗運行的轉(zhuǎn)速要求,就可以在更低的轉(zhuǎn)速 (同步降低發(fā)動機(jī)的輸出電壓)拖動被檢測的水栗組軟啟動。實際上,額定轉(zhuǎn)速1500rpm的柴 油機(jī),在lOOOrpm的轉(zhuǎn)速點都允許帶較輕的負(fù)載運行。本實用新型設(shè)計當(dāng)柴油機(jī)啟動成功后 轉(zhuǎn)速達(dá)到lOOOrpm(經(jīng)過2:1減速器驅(qū)動的發(fā)電機(jī)為500rpm運行,發(fā)電機(jī)輸出頻率~16.7Hz (圖3的厶點),轉(zhuǎn)速500印111:750印111~0.67,則發(fā)電機(jī)的輸出電壓也同步調(diào)整為200*0.67 = 134V),此時輸出斷路器合閘對被測試的電動機(jī)送電。此時按上述頻率、電壓、功率的計算公 式推算,被測試的水栗組的負(fù)荷功率約為25Hz運行時的(0.67) 3~30 % (大大減少了啟動電 流對發(fā)/配電裝置的沖擊)。輸出送電帶載后,發(fā)電機(jī)組緩慢升速并同步升高電壓(圖3曲線 的A~B斜坡段),直至達(dá)到額定的頻率25Hz/200V(圖3 B點)輸出后,恒速、恒壓持續(xù)運行,被 測的水栗組可正式進(jìn)入測試程序。
[0052] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實用新型綜合了柴油機(jī)調(diào)速控制、發(fā)電機(jī)勵磁控制、高低壓配 電等技術(shù),采用較小發(fā)電功率的25Hz低頻同步發(fā)電機(jī)組直接驅(qū)動較大功率的電動栗組,然 后通過合符規(guī)范的換算完成對大功率電動水栗組的基本性能測試。本實用新型還采用軟啟 動的方式,從而解決了電動機(jī)啟動時導(dǎo)致發(fā)動機(jī)超扭矩停機(jī)的問題,為大功率電動栗組的 測試提供了一種切實可行的解決方案。
【附圖說明】
[0053] 圖1是本實用新型測量裝置的示意圖;
[0054] 圖2是本實用新型測量裝置的結(jié)構(gòu)外形圖;
[0055] 圖3是實施例的發(fā)電機(jī)輸出頻率與電壓的特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0056] 下面結(jié)合實施例對本實用新型做進(jìn)一步的說明。
[0057] 實施例
[0058] 1、同步發(fā)電機(jī)4采用輸出25Hz的4極同步發(fā)電機(jī),其同步轉(zhuǎn)速是750rpm。
[0059] 2、同步發(fā)電機(jī)4采用柴油發(fā)動機(jī)1變速后間接拖動,柴油發(fā)動機(jī)1的額定轉(zhuǎn)速為 1500rpm(也可設(shè)置為1800rpm運行),柴油發(fā)動機(jī)1通過2:1的減速箱2連接萬向聯(lián)軸器3向同 步發(fā)電機(jī)4輸出750rpm(當(dāng)柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1800rpm時同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為900rpm)的驅(qū) 動扭矩。
[0060] 3、同步發(fā)電機(jī)4輸出頻率為25Hz(當(dāng)柴油發(fā)動機(jī)1設(shè)為1800rpm時,發(fā)電頻率為 30Hz),輸出線電壓為低壓200V(可設(shè)計為110~240V可調(diào),滿足多種不同電壓等級的電動機(jī) 測試)。
[0061] 4、同步發(fā)電機(jī)4的輸出電壓調(diào)節(jié)由勵磁控制系統(tǒng)41控制,當(dāng)同步發(fā)電機(jī)4在啟動過 程的輸出頻率< 16.7Hz (圖3的0~八點),勵磁控制系統(tǒng)41的勵磁電流輸出被關(guān)斷(避免發(fā)電 機(jī)低速過勵),同步發(fā)電機(jī)4靠轉(zhuǎn)子的剩磁發(fā)電。機(jī)組啟動后的轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高,當(dāng)同步發(fā)電機(jī) 4的輸出頻率》16.7Hz,勵磁控制系統(tǒng)41控制同步發(fā)電機(jī)4輸出134V,與此同時,同步發(fā)電機(jī) 4后面的輸出斷路器5合閘,對被測試的水栗電動機(jī)送電,被測試的水栗在16.7Hz的低頻下 軟啟動。輸出斷路器5合閘送電后,勵磁控制系統(tǒng)41隨著同步發(fā)電機(jī)4的轉(zhuǎn)速升高同步控制 增加同步發(fā)電機(jī)4的勵磁電流,使同步發(fā)電機(jī)4的輸出電壓與升速(升頻)的斜率相同。最終 在非常低的啟動電流"沖擊"下,配電裝置順利完成大功率電動栗組的軟啟動。
[0062] 5、同步發(fā)電機(jī)4輸出的200V線電壓通過輸出斷路器5,電氣連接配電系統(tǒng)7的雙回 路切換開關(guān)72,雙回路切換開關(guān)72可選擇低壓輸出10(輸出驅(qū)動380V低壓電動機(jī)水栗組的 電源),或選擇通過升壓變壓器6升為高壓后輸出9(輸出驅(qū)動10kV高壓電動機(jī)水栗組的高壓 電源)。
[0063] 6、升壓變壓器6工作頻率為25Hz(允許+20%,可增加對60Hz電動機(jī)的測試),初級 電壓為200V(允許+20%,可適配對60Hz電動機(jī)的測試),次級電壓為5.25kV(允許+20%,可 適配對60Hz的高壓電動機(jī)進(jìn)行測試),容量為320kVA(基于設(shè)計檢測最大為2MW的電動水栗 組,可根據(jù)實際測試負(fù)荷的大小,按上述的計算公式重新優(yōu)化機(jī)組的適配容量)。
[0064] 7、電氣連接配電系統(tǒng)7包含低壓計量器71、高壓計量器73及雙回路切換開關(guān)72。
[0065] 8、同步發(fā)電機(jī)4送電的輸出斷路器5包含整套發(fā)電系統(tǒng)的綜合電力保護(hù)。
[0066] 9、柴油發(fā)動機(jī)1由智能控制器8完成啟動、升速、恒速、加載、卸載、降速及冷卻停機(jī) 等過程控制、運行監(jiān)測與故障報警與保護(hù)。
[0067] 10、降速50%后測試的結(jié)果,將現(xiàn)測得的流量*2、揚程*4、功率*8、功率因素不變, 即可推算出被測電動栗組的運行參數(shù)。
[0068] 11、為了適應(yīng)對60Hz電動水栗組的測試,測試裝置的柴油發(fā)動機(jī)1選用可1500rpm 與1800rpm兩種轉(zhuǎn)速切換運行的機(jī)型。同步發(fā)電機(jī)4設(shè)計對應(yīng)的輸出為25Hz或30Hz兩種頻 率。與此同時,同步發(fā)電機(jī)4的輸出電壓可完全按上述的計算方法根據(jù)不同的電壓等級進(jìn)行 設(shè)計。
【主權(quán)項】
1. 大功率電動栗組的測試裝置,包括發(fā)動機(jī)(1)、減速箱(2)、萬向聯(lián)軸器(3)、同步發(fā)電 機(jī)(4)以及智能控制器(8),發(fā)動機(jī)(1)通過減速箱(2)和萬向聯(lián)軸器(3)驅(qū)動同步發(fā)電機(jī) (4),發(fā)動機(jī)(1)受智能控制器(8)控制,同步發(fā)電機(jī)(4)括勵磁控制系統(tǒng)(41),其特征在于還 包括含繼電保護(hù)的輸出斷路器(5)、升壓變壓器(6)以及電氣連接配電系統(tǒng)(7),同步發(fā)電機(jī) (4)輸出端通過輸出斷路器(5)與升壓變壓器(6)相連,電氣連接配電系統(tǒng)(7)包括設(shè)置于輸 出斷路器(5)的輸出端的低壓電參數(shù)計量器(71)和設(shè)置于升壓變壓器(6)的升壓輸出回路 的高壓電參數(shù)計量器(73),輸出斷路器(5)還受智能控制器(8)控制用于實現(xiàn)被測大功率電 動栗組的軟啟動合閘,進(jìn)入測試流程時,大功率電動栗組的實時轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速的50%~ 60% 〇2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率電動栗組的測試裝置,其特征在于電氣連接配電系統(tǒng) (7)還包括雙回路切換開關(guān)(72),輸出斷路器(5)經(jīng)雙回路切換開關(guān)(72)與升壓變壓器(6) 相連,雙回路切換開關(guān)(72)的另一輸出端直接輸出低壓電源。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率電動栗組的測試裝置,其特征在于減速箱(2)為2:1的 減速箱。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率電動栗組的測試裝置,其特征在于發(fā)動機(jī)(1)為柴油發(fā) 動機(jī),額定轉(zhuǎn)速為1500~1800 rpm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率電動栗組的測試裝置,其特征在于同步發(fā)電機(jī)(4)為4 極無刷發(fā)電機(jī),輸出頻率為25~30 Hz,輸出線電壓為110~240V。
【文檔編號】F04D15/00GK205669496SQ201620610741
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】鄭浩, 趙永順, 鄭全, 王偉, 鄭建偉
【申請人】廣州三業(yè)科技有限公司, 國家固定滅火系統(tǒng)和耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心