開關磁阻電機高速潛深(湯)井電泵的製作方法

2023-05-13 22:59:41

專利名稱：開關磁阻電機高速潛深(湯)井電泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種嶄新結構的潛深(湯)井電泵。
背景技術：
我國的交流市電是50Hz的，小型2極三相異步電動機的轉速為2850到2900r/min，因井徑的限制單級潛井電泵的揚程很小。例如對於揚程60mφ150井徑需要7級段節泵串聯，φ100井徑則需13級段節泵串聯。如要輸送10m3/h流量，60m揚程的井泵需要大於3kW容量的電機，放不下φ100井徑內。故福州地區的湯井只能用長軸深井泵，一定泵的葉輪直徑D2，其揚程與n2成正比，最近江蘇曾引用400Hz電機製造高揚程水泵，但需要一套由50Hz變頻為400Hz電源，造價是很高的。

發明內容
本發明的目的，是提供一種結構瘦小堅實又可獲得高速高揚程的潛深(湯)井電泵，而價格低廉且長壽命。
本發明引入一種與市電頻率無關近年新開發的高速電機，其特徵是開關磁阻電機其轉速最高可達100×103r/min，其容量自數十瓦至數千kW；並引入新結構的主從內外磁對調的磁性聯軸器，將電機完全密封起來，杜絕電機滲水之虞。外磁轉子與葉輪聯結，內磁帶簡形與電機轉子軸直聯，旋轉於電機腔內空氣中，外磁為短柱形旋轉於外部潛水隔離罩中，柱狀外磁並刻劃一道反螺旋溝槽，高速旋轉時總是力圖把隔離杯內的滲水甩出來，免除帶水旋轉阻力。隔離杯(罩)為聚醚醚酮所制，厚度雖薄而強度高。因為電機轉速高達9700r/min傳遞3kW扭矩僅為3.5N·m，又引用釹鐵硼強永磁合金，故磁性聯軸器很小，價格低廉。因為轉速高，揚程60m流量10m3/h的葉輪，僅用單級，外徑68mm。所以容易裝入φ100井徑中，其餘導流器、逆止閥與常規井泵相同，出水管為帶加強筋的軟塑料管，內徑φ40管內流速僅為2.2m/s，故摩擦損頭很小。這種潛深(湯)井電泵裝入井內與拔出不過幾分鐘與長軸深井泵每次裝卸需費時半日大不相同。除高速開關磁阻電機以磁性聯軸器在井內與泵部結合外，其附屬部分包括功率變換器、控制器、轉速給定、電流及位置檢測等電子電路及電源都在井上用電纜連到井內開關磁阻高速電機內不另佔井內空間。
由於本發明引用開關磁阻電機，轉速不受市電頻率的限制，在9700r/min下井徑φ100內的葉輪單級揚程即達60m，井徑φ150單級揚程可達百m，從此潛深井電泵引用成串的多級段節泵將完全改觀；其二由於電機功率P∝D2Ln，在同功率下轉速n提高3倍電機體積縮為1/3，如果電機鐵芯長L不變，則電機直徑降至1/，原來普通50Hz電源潛井異步電動機要揚程60m，揚水流量10m3/h電機體積大裝不進φ100井徑，要改用長軸深井泵，將被高速的開關磁阻電機與泵結合的高速潛深(湯)井電泵所取代，終將使長軸深井泵逐漸退出歷史舞臺，理論上開關磁阻電動機拖動系統具有最低的電機、控制器及功率變換器的製造成本，開關磁阻電動機的堅固性又只需要相對低的開關頻率，在疊片性能和軸承滿足要求並精確的動平衡的條件下可高速運行，其轉子結構極其簡單，僅由矽鋼片疊壓而成，特適於高速運行。且開關磁阻電動機其定子採用集中繞組，端部較短，沒有異步電動機相間跨接線，因而具有製造工序少，成本低，工作可靠維修最少的特點；開關磁阻電動機的功率變換器電路與電機定子繞組直接串聯，不會出現直通故障，因此該系統中，無論電機還是功率變換器都十分堅固可靠，毋須或很少需要維護。
這種開關磁阻電機高速潛深(湯)井電泵(包括功率變換驅動電源)其造價僅相當於長軸深井泵的1/2。鑑於我國深井有數百萬眼，需量甚大，如推廣應用開關磁阻電機高速潛深(湯)井電泵來改造井灌，可節約上百億元。福州的湯井一向用長軸多段節深井泵，因湯溫高，易腐蝕，壽命短，尤其適合改用此開關磁阻電機高速潛湯井泵。


本發明的實施情況通過一個例子參考以下附圖進行說明圖1為開關磁阻電機高速潛深(湯)井電泵結構簡圖。
圖2為開關磁阻電機高速潛深(湯)井電泵系統圖。
圖3為水泵葉輪。
圖4為三相6/4開關磁阻電動機結構簡圖。
圖5為三相開關磁阻電動機功率變換器主電路。
圖6為EXB841驅動電路原理圖。
圖7為基於TMS320LF2407 DSP控制器的開關磁阻電動機-電泵控制系統。
圖8為控制系統框圖。
圖9為磁性聯軸器結構簡圖。
具體實施例方式
本發明的實施情況通過一個具體的高速開關磁阻電動機驅動的潛深(湯)井電泵實例加以說明，圖2為開關磁阻電機高速潛深(湯)井電泵系統圖。
(1)泵設深井揚程H＝60米，抽水量Q＝10立方米/小時，井徑φ100。
圖1是本發明的開關磁阻電機高速潛深(湯)井電泵結構簡圖。其中1-呼吸膜片應對熱脹冷縮用。2-定子有三相每相各自一對的磁極繞組。3-轉子四極無繞組。4-內磁。5-隔離罩。6-外磁。7-端面密封和止推軸承。8-濾柵。9-葉輪。10-導流器。11-泵軸。12-PTFE軸承。13-單向閥。14-電纜。15-吊繩。16-輸水軟塑料管。
選取電泵的電動機轉速為9700r/min，則泵的比轉速為ns=3.65nQH3/4=3.659700103600603/486.56]]>葉輪外徑D2=84.6Hn=84.66097000.0676]]>(米)φ值隨ns而變化，當ns在80～90時，φ值為1.03，故D2＝68mm葉輪結構簡圖參見圖3。
選取效率高的葉輪模型縮小到葉輪外徑68mm，這種泵在流量Q＝10立方米/小時下效率為55％，則該泵所需的驅動功率
P=QH102=100003600601020.552.97(KW)]]>(2)開關磁阻電動機圖4為三相6/4開關磁阻電動機(SRM)結構簡圖，SRM由於轉子結構極其簡單，既無永久磁鋼又無繞組，僅由矽鋼片疊壓而成，其轉子結構非常的緊固，所以可以非常高的速度下運行，其轉速的限制來源於逆變器的開關頻率，而不是電動機本身，本例高速SRM其轉速為9700r/min，額定功率為3kW，額定電壓為570V，三相，定子外徑為95mm，鐵心疊長為300mm，當某相繞組勵磁後，如圖4中的A相繞組通電，轉距總是力圖牽引轉子達到最近能使磁鏈達到最大時的位置，如圖4中的定子A相磁極與轉子磁極對齊。在該相繞組勵磁斷開後，下一相繞組接著勵磁，轉子又被牽引到新的最大磁鏈位置。由此可見，SRM的轉子轉速由相繞組電流的頻率決定。
(2)功率變換器主電路主電路整流側採用三相全橋整流，經電容濾波得到穩定直流電壓源。在圖5中，380伏的三相交流電壓有效值U線，經過三相全波整流，其輸出電壓是三相線電壓的包絡線。整流輸出的直流電壓的峰值為UM＝U線＝×380＝537(伏)平均值為 而輸出電壓的有效值 功率變換器主電路採用三相雙開關器件式逆變器電路，如圖5所示。6個1GBT組成3個直流通道，分別與SRM的3個定子繞組串聯，每相有主開關管及兩個續流二極體。整流後的電源加到電機繞組的兩端，故電機繞組兩端的電壓為U＝1.11Ud＝1.11×514≈570(伏)式中係數1.11是電容濾波的存在導致電壓升高的係數。
功率變換器主開關管選擇及參數計算絕緣柵雙極型電晶體(1GBT)是80年代出現的新型複合開關器件，是功率場效應管(MOSFET)和雙極型功率電晶體(GTR)複合而成的，它綜合了MOSFET和GTR的優點，具有前者的輸入阻抗高，速度快，熱穩定性好和驅動電路簡單的特點，又具有後者的通態電壓低，耐壓高和承受大電流的特點。目前已廣泛應用於小體積，低噪音，高性能的變頻電源，斬波器，不間斷電源等場合。本系統選用1GBT作為本系統的主開關元件。
在系統中，採用三相橋式整流交流電壓380V，直流側電壓的峰值為537V，主開關管承受的電壓最大值等於直流電源電壓，考慮到2倍的電壓裕量，則主開關器件的耐壓定額為Ur＝2US＝2×537＝1074V對於電流定額的計算，在SRD變換器中主開關器件的電流定額有兩種一是體現電流脈衝作用的定額，即峰值電流定額；二是體現電流連續作用的定額，即有效值電流定額。在已知開關磁阻電動機額定功率PN的情況下，根據文獻給出的經驗公式，則電流額定值近似為1SRS＝0.8PN/US＝0.8×3.0×1000/537＝4.47A最大峰值電流為1＝2.1PN/US＝2.1×3.0×1000/537＝11.73A根據市場已有規格，選取30A/1200V的1GBT作為系統的主開關器件。
(4)驅動電路設計目前市場上推出了各種系列的驅動模塊，如日本富士公司的EXB841系列，英達公司的HR065系列，美國NNITRODE公司生產的UC3726/3727系列，東芝公司生產的驅動模塊TLP250，日本三菱公司生產的混合型集成驅動器，美國IR公司生產的IR2110，西門康公司生產的SKHI系列驅動模塊等。
採用日本富士公司專為快速型1GBT設計的專用混合集成驅動電路EXB841模塊。其EXB841模塊電路原理結構如圖6。該驅動電路內集成有檢測1GBT集電極與發射極電壓降實現被驅動1GBT欠飽和的保護電路，同時還集成了一對外部+20V整流供電電源，以分配產生+15V開柵電壓和-5V關柵電壓，防止開關狀態時的誤動作，確保1GBT可靠關斷的內裝電路網絡，並且其內裝TLP550高速光耦，具有過流檢測及切斷電路的功能，且對10ps以下的過流信號不予響應，一但確認過流，則低速切斷電路以便慢速關斷1GBT。低速切斷電路的原因是為了防止以過快的速度切斷過流時，因電路中電感的存在，集電極產生電壓尖脈衝損壞1GBT。該電路的優點是驅動電路集成化，抗幹擾能力強，速度較高，保護功能較完善，可實現IGBT的最優驅動。
(5)控制電路採用數位訊號處理器(Digital Signal Processor)DSP晶片作為控制中心來進行控制，它綜合處理速度指令，速度反饋信號及電流傳感器，位置傳感器的反饋信號，控制功率變換器中主開關器件的工作狀態，實現對SRM運行狀態的控制。TMS320LF240X是美國TI(德州儀器)公司專為電機數字控制應用而推出的一種低價格，高性能16位定點運算數位訊號處理器。它具有高速信號處理和數字控制所必需的體系結構特點，而且有為電機控制應用提供單片解決方案所必需的外圍設備。作為系統的管理者，DSP具有強大的片內I/O埠和其它外圍設備。這個應用優化的外圍設備單元和DSP內核一起，使在這所有類型電機的高精度，高效，全變速控制中實用先進的控制技術成為可能。
TMS320LF2407控制器是所有240X控制器中的一種超級控制器，TMS320LF2407控制器上有比較豐富的外圍接口。基於TMS320LF2407DSP控制器的開關磁阻電動機-電泵控制系統如圖7。
在本系統中，DSP根據轉子的位置信息，並綜合各種保護信號和給定給出相通斷信號，實現數字PI調節和產生定頻調寬的PWM信號，為驅動電路提供控制信號，從而控制1GBT管的開通和關斷。
由於轉子旋轉，使得定子相繞組的電感不僅是電流的函數，且隨轉子空間位置角變化而變化。功率電路相開關的通斷時刻，對應著轉子的一定控制位置角。設相開關的導通時刻對應空間位置角θon為開通角，相開關的關斷時刻對應空間位置角θoff為關斷角，也就是合理地控制相繞組電流的通斷時刻，是SR電動機正常運行的關鍵。
開關磁阻電機調速系統的控制方式指電動機運行時控制哪些參數及如何控制，使電動機按規定的工況運行，並保持較高的性能指標。開關磁阻電機調速系統幾種控制方式角度位置控制開通角θon和關斷角θoff是開關磁阻電機最主要的控制參數，通過改變θon或θoff可實現相電流性質(如電動和制動)，大小和波形的控制，從而可有效調節電機的轉距，轉速以及轉向。
當SR電機高速運行時，因旋轉電動勢較大，且各相主開關器件導通時間較短，電流較小。控制開通角θon或關斷角θoff通常是固定關斷角，而僅改變開通角，來達到調節導通區間角θon-θoff的目的。
2電流斬波控制當電機在起動或低速(一般係指在額定轉速的40％以下)運行時，定子相繞組中反電勢較小，可能產生過大的衝擊相電流。為防止可能出現的過電流和較大電流尖峰，必須採取斬波方式加以限制，即將檢測到的相電流與某一給定電流上限值比較，當導通相繞組電流達到設定值時使開關關斷，相電流下降；當電流降至電流設定的下限值時，再重新導通功率開關，使相繞組電流上升，這樣反覆通斷功率開關，形成在給定電流值附近上下波動的斬波電流波形。
3電壓斬波控制在θon-θoff導通區間內，使功率開關按PWM方式工作。其脈衝周期T固定，佔空比可調。改變佔空比，則繞組電壓的平均值變化，繞組電流也相應變化，從而實現轉速和轉矩的調節，這就是電壓斬波控制，又稱調壓調速。
電壓斬波控制是通過PWM方式調節繞組電壓平均值，間接調節和限制過大的繞組電流，既能用於高速運行，又適合於低速運行。其它特點則與電流斬波控制方式相反，適合於轉速調節系統，抗負載擾動的動態響應快，缺點是低速運行時轉矩脈動較大。
採用電氣傳動中PWM控制技術，能實現調節相繞組的平均電壓。PWM控制技術是利用半導體開關器件的導通和關斷，把直流電壓變成電壓脈衝列，並通過控制電壓脈衝寬度或周期以達到調節相繞組電壓目的。
本調速系統主要特徵是以轉速值為給定量，並要求電動機轉速自動跟隨給定量，為保證良好的調速性能，控制系統應採用閉環控制系統。
本系統採用的是變角度與調壓調速組合控制方法，控制系統框圖見圖8。
調節相繞組的平均電壓，實現SR電機調速。在一定負載轉矩條件下，相繞組平均電壓升高，轉速增大；相反，相繞組平均電壓降低，轉速減小。速度外環反饋的速度與速度給定值產生偏差，通過速度控制生成電流參考值。它與電流反饋構成電流閉環控制，靠控制PWM的佔空比來能實現調節相繞組的平均電壓，從而調節電流，實現輸出轉矩的控制，TMS320LF2407有PWM發生單元，可以產生16路PWM信號，PWM信號經過光電隔離後輸入驅動電路，用以驅動電路中的1GBT。
根據編碼器的位置信息對開關磁阻電動機進行換相控制，保證電動時在電感的上升段通斷電。根據電流信息和速度信息對開通角和關斷角進行控制，低速時延後開通角，提前關斷角，以減小通電時間，減小電流的幅值。高速時，提前開通角，以減弱電流滯後作用。
(6)電流檢測電路開關磁阻電動機驅動(SRD)系統在低速運行時採用電流斬波控制，是通過調節相繞組電流的大小來控制轉矩的，因此要求有反饋電流；在高速運行時採用角度位置控制方式，系統通過調節開通角θon和關斷角θoff來實現對轉矩的控制，儘管電流不再是控制量，但為了防止系統過載或故障，仍要採取過電流保護，所以，系統始終都要可靠地檢測電流。
在SRD系統中，電流是方向的且有較大的尖峰，因此要求電流檢測電路的性能要好，如工作範圍大，穩定，可靠，抗幹擾能力強，線性度好等。
電流檢測的方法一般可採用磁敏電阻法，霍爾元件直接測量法，電阻取樣直接隔離法等。輸出的模擬電壓信號經過放大電路後，連接到DSP的ADC模數轉換輸入通道ADCIN00，ADCIN01，作為電流環的反饋信號。
(7)位置傳感器電路位置檢側器實際上是位置。速度檢側器，它的作用是向控制器DSP埠正確提供開關磁阻電機轉子的位置，速度信息，經邏輯處理後形成驅動電路的控制信號，從而保證轉子位置與相繞組通電次序有機地配合。
本系統的轉子位置信號傳感器採用增量式編碼器作為位置和速度檢測傳感器，本例採用360線的編碼器，編碼器的兩個輸出連接到DSP的QEP接口。
圖9為磁性聯軸器4.-內磁為為鈦制筒形內壁嵌3對釹鐵硼瓦狀永磁，異極間有空隙，用環氧樹脂充填；並磨成內徑Φ35(在電機內)。
5.-隔離罩筒形上部帶法蘭為聚醚醚酮高強度塑料所制，壁厚1mm。
6.-外磁泵軸下端頸部緊套鈦圈外徑Φ20，外嵌3對瓦狀釹鐵硼永磁，異極相對，瓦長佔105°寬12mm異極間留有空隙，外徑Φ30。空隙充填環氧樹脂。外徑刻劃一道螺旋淺槽以帶出滲水。
權利要求
現有的潛深井電泵是一臺用50Hz交流市電驅動的二極三相異步電動機通過機械密封直聯成串的段節泵組裝而成，至於Φ100的小井徑因裝不下3KW電機，只能改用長軸深井泵，本發明的特徵是引入新近開發的高速開關磁阻電動機通過內外磁對調的磁性聯軸器把電機與水隔絕全封閉起來，其外磁轉子再與單級至雙級泵串聯而成，由於轉速高近萬轉/分，井徑Φ100即可容納3KW的高速開關磁阻電動機，包括井上的功率變換器、控制器、及位置、電流檢測和給定的轉速頻率的電子電路元器件，組成全套高速開關磁阻電機的潛深井電泵。
全文摘要
本發明公開了一種高速開關磁阻電動機潛深(湯)井電泵，如圖1所示。此近萬轉/分的高速開關磁阻電動機，通過磁性聯軸器把電機全封閉起來，其外磁轉子再與泵串聯，因高轉速容量≥3KW的這種電動機，容易納入Φ100井徑中，且只用單級泵，揚程即達60m，流量10m
文檔編號F04D13/10GK1885681SQ200510081518
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月26日 優先權日2005年6月26日
發明者肖鴻傑 申請人:肖鴻傑