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当水专业人员在市场上购买潜水电机来驱动他们的抽水系统时,通常会考虑许多因素。从最初的选择标准到安装需求,从使用参数到安装因素-列表可以帮助驱动决策。
维护和系统寿命可能是未来需要考虑的问题,但是提前计划安装什么以及如何安装可以帮助避免潜在的问题和昂贵的停机时间。
本文着眼于潜水电机如何运行,以及用户应考虑选择适合其应用需求的最佳电机。
潜水泵系统是如何工作的
潜水泵系统由多级离心泵和潜水电机组成,专为窄井/井眼设计。潜水电机有多种结构设计,包括封装式和可回转式,它们的马力范围和物理尺寸各不相同。
潜水器的分类通常是根据能够容纳泵的最小套管直径进行的:通常是4英寸到12英寸。这些通常包括额定功率低至1/3马力至250马力。
对于特殊应用,潜水电机设计包括定制的解决方案,以满足更苛刻的环境,如高温和腐蚀性环境。他们还可以使用永磁技术,以更高的效率等级执行。
潜水电机具有各种工程考虑因素,使其与地面安装的同类产品区别开来。由于钻井和建井成本随着井径的增加而急剧增加,因此潜水泵和电机的特点是结构细长(见图1)。
电机设计比较
•电气设计:感应电机和永磁技术
并非所有的潜水电机都采用相同的设计;有几种不同的技术可供选择,包括感应和永磁(PM)。
感应电动机通常被认为是潜水系统的主力。它们通常采用鼠笼设计,因为转子和定子之间没有需要保持水密的电气连接。此外,与其他电机设计相比,这种类型的感应电机可以重复生产,以确保高质量和低成本,使其成为泵系统所有者和运营商的可行解决方案。
由于电动机是感应驱动的,转子以低于同步速度转动,这就是为什么这种电动机类型通常被称为异步电动机。这种速度差被定义为滑移。由于转子滑移和电机转矩-转速特性曲线的形状,电机具有非常稳定的运行特性,即使在短过载和峰值负载条件下,也使其成为理想的驱动器。
如果选择得当,鼠笼式感应电动机可以很容易地满足离心泵的负载需求。
永磁电机在潜水应用中越来越受欢迎。不像感应电机,内部转子是一个电磁铁,并成为由系统的电源激励,永磁转子在任何时候都是磁化的,由于原材料的选择。这些内部磁转子使他们更有效率,特别是在降低速度和部分负载。
稀土磁体转子的包含消除了在感应式电机中看到的滑移因素。这为实现完全同步转速创造了机会,在这种情况下可以提供操作效益。另一种方式来看,这是较低的输入功率所需要的等效输出功率产生的感应设计电机-节省运行成本,每次电机运行。
•封装与可转电动机的热特性
封装电机和可复卷电机最显著的区别是允许的绕组温升。一般情况下,可复卷电机的允许绕组温升必须小于封装电机。因此,可回转电机必须在更接近环境流体温度的温度下运行。这也意味着在达到永久损坏点之前,封装电机允许更大的应用温升裕度。
可转电机的温升越低,并不意味着它的热稳定性越好。事实上,封装电机具有更宽的温度工作范围,使其更加热稳健,并且不太可能在较高的环境水温下需要降额。
在分析电机应用时——比较水环境温度、允许绕组上升和电机的额定输出功率——通常可以保持系统中效率和性能损失的线性关系(见图2)。
在正常工作条件下,潜水电机和泵具有固有的低内部惯性损耗和启动非常快,因此启动过程中的温升是完全可以接受的。但是,如果电动机由于某种原因不能加速,则可回转电动机将比封装电动机更容易损坏。这是因为可转电机具有较低的允许绝缘温度和相对较高的温度上升速率。
尽管存在这些差异,但重要的是要记住,过热是许多潜水电机应用中失败的主要原因。因此,无论结构类型如何,建议使用“快速跳闸”(在500% IN时必须在10秒内跳闸)过载保护来保护封装和可旋转电机。
•能够修理/维护封装或可回转电机
当电机发生故障时,快速确定原因是很重要的。如果故障与误用或安装不当有关,则必须在安装另一台电机之前纠正所有安装缺陷。两种类型的电机都是可维修的,备件往往是现成的。模块化概念将电机分为其主要部件:定子,转子,上下端钟,密封件和轴承。
可靠和成熟的机械部件,端钟,密封和轴承是可互换的两种设计。当故障模式为失效定子时,可更换封装电机的定子或可复卷电机。
封装的电机可以用原厂定子快速维修。这导致电机性能没有变化,因为每个定子都使用相同的原材料,自动绕线和制造工艺进行绕线。
可复卷电机,便于现场复卷。18槽定子的两端是开放的,以便于拆卸,重新安装和形成绕组线圈。电机用PVC线缠绕,应用广泛;绕组数据公布。按照工厂规定的材料和绕组数据修理电机是很重要的。如果不这样做,将导致运动性能的改变。
如果您或维修店更喜欢使用工厂组件,则可以从工厂获得包含预绕线圈,槽绝缘和电缆拼接材料的维修套件(见图3)。
选择潜水电机时要考虑的其他因素
如果使用和安装得当,潜水电机和泵可以提供多年的免维护服务。但是,为了实现潜在的使用寿命,必须解决几个关键的应用考虑因素,包括:
•正确选择泵。泵和电机的尺寸必须正确,以使泵不会使电机的输出功率能力或推力承载能力过载。此外,泵应在其最佳效率点附近运行,以避免上推力和在曲线上的低效率点运行。在线和基于web的选择工具可以帮助您轻松地简化此指定过程。
•充足的电力供应.电源必须提供足够的电压和电流平衡,以防止电机过热。应安装适当接地的防雷装置,以防止高压尖峰。此外,供电电缆必须足够大,以允许足够的电压到达电机端子。电机设计用于宽电压变化范围。目前的收支不平衡不能超过5%。
•水温及所需冷却流量。为了避免电机过热,确保适当的电机冷却是很重要的。表1显示了不同井径和马达尺寸下的最小流量,单位为加仑/分钟(gpm)。确保提供最小流速和足够的水流通过电机,以保持安全的操作温度
如果流量小于规定,则必须使用诱导流套。在开放的水体中,总是需要一个流动套筒。图4显示了一个典型的诱导流套结构。
选定的潜水电机设计用于在较高温度或较低流量条件下在水中运行。例如,一些电机可以在最高水温高达86华氏度(30摄氏度)的额定负载下运行。其他电机专门设计用于在更高的水温下运行-有些甚至高达194华氏度(90摄氏度)。
•可靠的电机保护。在保护电机时需要考虑各种因素,包括适当调整系统的大小以确保长期运行。应根据电机铭牌电流选择快脱过载保护。
该装置必须设置尽可能接近运行安培,最大设置为90%的标称电机电流和跳闸时间小于10秒在500%的标称电流。它还应防止单相和电压变化。
•增强操作与软启动和变频驱动器。对于日常启动,变频驱动器(vfd)通过软启动功能提高系统寿命。这控制电流和电压,因为它提供给电机,它减少了与每次启动相关的系统压力。这种在全速下入时的“放松”将整个系统的压力降至最低。它还有助于减少电机上的热量输出,对延长电机寿命有很大帮助。
如果每天的开始量随时间波动或增加,vfd也会有所帮助。每天在电机制造商推荐的范围内启动将提供最佳的系统寿命。当与正确配置的变频器一起使用时,7.5至30马力的三相电机可以启动到每24小时内指示最大值的两倍。
选择最好的电机来驱动您的潜水泵对您的整体操作至关重要。您的电机的长期性能-以及您的泵系统的性能-在很大程度上依赖于您的现场和您的需求有正确的配置。
杰夫·弗兰克是富兰克林电气公司的全球产品经理。作为一名喜欢直接与客户打交道的机械工程师,他于2006年加入富兰克林电气公司,转而从事市场营销工作。现在,凭借在水系统行业15年的经验,Jeff通过赞助和支持推出许多流行的水泵产品线来帮助促进产品创新,同时仍然通过产品培训,市场开发和产品生命周期支持直接与客户联系。