高速磁力泵启动特性的试验研究11.doc

高速磁力泵启动特性的试验研究孔繁余，屈晓云，蒋万明，宿向辉（江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013）摘要：高速磁力泵受系统电源制约，对启动性能有特定的要求。研究高速磁力泵启动瞬态特性，从理论上分析了启动转矩和启动时间，对其在三种不同电压下的启动电流和启动时间进行了试验研究，对比分析了不同启动电压，不同工况下的启动电流波形图和启动时间。试验结果表明：系统处于高电压区启动时，高速磁力泵随着流量的增大，对系统的冲击越来越小，响应时间也越来越快；相反低电压区启动时，随着流量的增大，对系统冲击越来越严重，系统的反应越来越慢；额定电压启动时，高速磁力泵在设计工况下运行对系统的冲击最小，响应时间最短。关键词：高速磁力泵 启动电流 启动时间 试验研究中图分类号：TH311 文献标志码：A 文章编号：Experimental Study on Transient Characteristics of High-Speed Magnetic Drive Pump During Starting periodKong Fanyu， Qu Xiaoyun，Jiang Wanming，Su Xianghui (Research Center of Fluid Machinery and Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang, jiangsu 212013, China)Abstract：Constrained by the system power, high-speed magnetic pump has particular requirements on start-up performance. Studied on transient characteristics of high-speed magnetic drive pump,theoretically analyzed the start torque and start time, the three different voltage starting current and start time have been studied, and the comparative analysis of the different starting voltage, under different working conditions starting current oscillogram and start time.The experiment results show that the system is in high voltage area, when activated, high-speed magnetic pump with the increase of the flow rate, the impact of the system more and more small, response time is also more and more short; Instead the low voltage area, when activated, along with the increase of the flow rate, the system is more and more serious impacted, the system response more and more slow. Rated voltage start, high-speed magnetic pump runs in the design condition impact of the minimum, shortest response time .Key words：high-speed magnetic drive pump, start-up current, start-up time, experiment study1.前言磁力泵具有稳态的工作性能得到了广泛的运用。人们研究了泵的稳态工况下的流量、扬程、效率等性能1，并有规定的试验方法，然而对于瞬态工况下高速磁力泵的特性缺少研究。泵的瞬态特性在特定用途的启动等场合有着特定的要求。此前泵的瞬态研究主要是针对含泵管路的水锤的计算上，泵仅仅只是作为计算的一个边界条件，采用全特性曲线来描述泵的工作性能。在上世纪八十年代日本的H.Tsukamoto等人2研究了泵启动瞬态的工作性能，对泵在开机、停机等瞬态工况下的水力性能进行了试验和计算，试验采用的水泵是低比转速离心泵，计算采用了直列叶栅绕流假设方法。在1993年印度的P.Thanapandi等人34，对离心泵在普通加速度下的启动和停机过程进行了试验和理论研究。在1995年美国的P.J.Lefebvre等人5，通过试验给出了比转速为220的离心泵瞬态工作下的水力性能。到目前为止，国内对泵的瞬态特性开展了一定的研究工作。王乐勤等人68分别对混流泵管路负载快速变化过程瞬态特性和瞬态水力性能做了试验研究和数值计算。此外，隋荣娟9、李志峰10等人对离心泵启动阶段的内部流场作了一些分析。以往的试验未涉及高转速启动工况。为了适应特定系统的要求，研究高速磁力泵的瞬态性能意义重大。以一高速磁力泵为实型样机，进行启动试验，对不同电压下，不同工况下的启动电流进行了对比分析，并从理论上分析了启动转矩与转速的关系，确定了启动时间的大小。2高速磁力泵启动过程理论分析高速磁力泵的启动过程是指叶轮转速从零很快加速到稳态转速的瞬变过程，把启动过程所用的时间就称为泵的反应时间。它反映了高速磁力泵在启动时对整个系统响应的快慢程度，与电动机和启动载荷有关。电动机除了转速和功率满足高速磁力泵的要求外，还有启动特性要求，以保证它的正常启动，所以启动瞬间电动机的最大启动转矩必须大于高速磁力泵的总阻力矩，而电动机的最大转矩应大于泵启动和运行过程中可能出现的最大阻力矩。对一个磁力耦合器而言，所能传递的最大转矩是恒定的，若它承受的负载转矩超过磁耦合器设计时的最大转矩，磁力耦合器即会产生滑脱，从而导致金属隔离套的涡流急剧增加使永磁体温度升高而产生退磁以至于造成设备的损坏。电动机拖动高速磁力泵，在启动过程中的力矩平衡可表示为 （1）式中是电动机的电磁力矩，是电动机拖动的负载力矩，是电动机转子的转动惯量。高速磁力泵机组启动过程中，各转矩之间应满足下列方程 （2）式中是电动机提供的转矩，是高速磁力泵机组的总阻力矩，是启动过程中泵机组的各种机械摩阻（如轴承）形成的阻力矩，是启动过程中由于水力摩阻形成的阻力矩，是启动过程中磁力耦合器形成的阻力矩，是泵机组的惯性矩。根据角速度公式知，泵机组惯性矩知，代入（2）中可得 (3)式（3）即是高速磁力泵启动过程转矩与启动加速度的微分关系，是表征泵机组的转动惯量，是启动过程中，转速对时间的变化率，可以视为启动的加速度。对方程两边进行积分可得启动时间 （4）式（4）即是高速磁力泵启动过程的反应时间，式中电机转矩由电机理论11可知：在三相异步电机中，电机参数一旦确定其启动转矩仅与输入相电压的二次方成正比；而泵机组的总阻力矩在泵确定后可以根据经验公式确定，根据已有的结论我们知道负载的转矩是与液流的压力成正比，与转速的二次方成正比12，所以通过分析我们可以知道电机的启动转矩越大即输入的相电压越高，启动时间就越短。3 高速磁力泵性能启动试验装置和方法3.1 性能指标本课题研究的高速磁力泵实型样机型号为GCB70-80A，进口直径为32mm，出口直径为25mm，设计转速为7800r/min，设计流量为5.1m3/h，设计扬程为70m，电机功率为3kW，额定电压200V，频率为400Hz。其试验用泵的主要设计几何参数13如表1，表2。表1 高速磁力泵叶轮几何参数Tab.1 Geometric parameters of high-speed magnetic pump impeller叶片数Z叶轮外径D2 /mm叶片出口宽度b2/mm叶片进口直径D1 /mm叶片进口宽度b1/mm叶片出口安放角b2 /叶片进口安放角b1 /686432123216表2 高速磁力泵蜗壳几何参数Tab.2 Geometric parameters of high-speed magnetic pump volute蜗壳基圆直径D3/mm蜗壳宽度b3/mm蜗壳喉部面接Ft/mm2隔舌安放角/10010150103.2 试验装置试验装置为一闭式泵试验台。试验台的结构及测试仪器的布置如图1所示。试验系统是由高速磁力泵及管路系统、测量仪器系统、动力驱动系统和系统保护电路组成。其中高速磁力泵及管路系统是由试验样机和进出口管路组成。测量系统是由控制柜，电脑采集系统，数字荧光示波器和打印机组成，控制柜上还有含有电参数测量仪和流量转速测量仪，可以实的测量和显示三相电机的图1 高速磁力泵启动试验装置Fig.1 Start-up testing apparatus of high-speed magnetic pump1.400Hz航空静变电源 2.400Hz电机 3.高速磁力泵 4.进口压力传感器 5.进口测压管 6.水封调节阀 7.储水罐 8.真空泵或压力控制系统 9.气体抽送管 10.冷却或加热盘管 11.出口调节阀 12.涡轮流量计 13.流量传感器 14.出口压力传感器 15.出口测压管 16.系统保护电路 17.转速传感器 18.Tektronix TDS3012C示波器（配用专用TCP A400探头放大器和TCP 404XL电流探头）图2 保护电路系统Fig.2 Protection circuit system电压、电流、功率、频率以及电机的转速和高速磁力泵输出的流量等参数。动力驱动系统是由400Hz静变航空电源与400Hz高速电机组成。系统保护电路如图2所示，它是整个系统是否能正常启动运行的关键。3.3 试验方法试验装置的进、出口都与储水罐相连，高速磁力泵及管路系统构成一个循环回路，试验装置中，在进、出口管路上分别装有压力表和压力传感器用以测量管路上的静压，在出水管路上装有涡轮流量计用以测量流量，进、出口管路装有阀门，用来调节管路的负载状况。电机与400Hz静变电源相连，可以通过调节电源输出端的电压旋钮改变系统的输入电压，在电机上装有转速传感器用以测量电机运行的转速。示波器的电流探头与高速电机的输出端相连，通过转换器把启动时的测试信号输入示波器并通过示波器显示屏输出启动时的电流波形和启动反应时间。本试验关键在于测试高速磁力泵在不同启动电压、不同工况下，启动电流对整个系统的冲击下是否能正常启动。其主要测试方法是在不同的启动电压下直接启动试验泵，通过调节出口阀门的开度来改变工况，选择正确的示波器触发方式，设置示波器的幅值和量程，捕捉到高速磁力泵系统在不同电压、不同工况下的电流波形以及反应时间。4 试验结果与分析启动过程是高速磁力泵叶轮转速从零很快加速到稳定转速的快速瞬变过程。考虑整个系统能够快速正常运行，保证系统保护电路正常工作不断电，其静变电源输送给电机的电压必须保证在200V10%。为了研究快速启动过程的系统启动电流和反应时间，分析输入不同启动电压对整个系统的影响，进行了三种启动电压下的快速启动试验，其试验值分别为额定电压200V，高电压210V，低电压184V，并且测试出三种电压下高速磁力泵在各工况下的反应时间。4.1 额定电压200V的启动试验结果额定电压200V下启动过程的动态结果如图3所示。从图3（a），（b），（c）可以看到，高速磁力泵在额定电压200V下，启动电流和启动时间随工况点的变化而变化。（a）0.8Qd工况点的启动波形图 （b）Qd工况点的启动波形图 （c）1.2Qd工况点的启动波形图图3额定电压200V下的不同流量下的启动波形图0.8Qd和1.2Qd流量下启动电流的峰-峰值均为219A,启动电流大小均为109.5A，而设计流量下的启动电流峰-峰值是216A，启动电流的大小则是108A，试验表明高速磁力泵在额定电压启动时，在设计工况点的启动电流最小，启动时对整个系统的冲击最小。另外，在设计工况点的启动时间是680ms，而对应0.8Qd和1.2Qd流量下的启动时间分别是790ms和800ms，这也说明额定电压启动时，在设计工况点的系统反应时间最短，整个系统的响应最快，有利于系统的快速运行。（a）0.8Qd工况点的启动波形图 （b）Qd工况点的启动波形图 （c）1.2Qd工况点的启动波形图图4 高电压210V下的不同流量下的启动波形图4.2 高电压210V的启动试验结果高电压210V下启动过程的动态结果如图4所示。从图4（a），（b），（c）可知，高速磁力泵在高电压210V下直接启动时，0.8Qd和1.2Qd流量下启动电流的峰-峰值分别为222A和216A，启动电流大小分别为111A和108A,启动时间分别为760ms和800ms；而在设计工况点的启动电流则为108A，启动时间为800ms。试验表明高速磁力泵在额定工况点启动时对整个系统有利，但是若从启动对整个系统的冲击上来看，由图6（a）可知，在高电压210V时小流量工况（0.6Qd）和大流量工况（1.1Qd）的启动电流都要比设计工况下的启动电流小，对系统保护有利。从系统的反应时间上看，由图6（b）可知，整个系统在高电压时启动时随着流量的增大，系统的反应时间是越来越迅速，所以在高电压启动时，若要提高系统的快速反应时间，高速磁力泵运行在大流量工况下对系统的快速启动是有利的。4.3 低电压184V的启动试验结果低电压184V启动过程的动态结果如图5所示。从图5（a），（b），（c）可知，高速磁力泵在低电压184V下直接启动时，0.8Qd（a）0.8Qd工况点的启动波形图 （b）Qd工况点的启动波形图 （c）1.2Qd工况点的启动波形图图5 低定电压184V下的不同流量下的启动波形图和Qd流量下启动电流的峰-峰值均为209A,启动电流大小均为104.5A ，启动时间都为880ms，而在1.2Qd流量下启动电流的峰-峰值为210A,启动电流大小为105A，启动时间是890ms。试验表明高速磁力泵在低电压运行时，随着流量的增加，启动电流和启动时间都在增大，负载越大对整个系统的冲击越大，所需的响应时间越长，所以低电压启动时，若要提高系统的快速反应时间和减小启动时对系统的冲击，高速磁力泵在小流量工况下启动对系统是有利的。4.4 三种启动电压下不同工况点试验结果的对比分析比较三种不同电压下的启动数据，如图6（a）是不同工况时三种启动电压下的启动电流值，图（b）是三种不同启动电压下的启动时间。（a） 不同工况时三种电压下的启动电流值（b） 不同工况时三种电压下的启动时间图6 三种不同启动电压下的启动数据图6（a），（b）可以看出高速磁力泵在相同工况时，三种电压下的启动电流和启动时间不同，但是启动电流的峰峰值均未超过224A，启动时间都小于1000ms。对系统的冲击而言，低电压启动时的电流明显比额定电压和高电压下要小，在电机绕组中高电压启动将产生更高的瞬时电流，更容易导致启动失败甚至对整个系统的安全运行造成冲击。但是从系统的响应时间上看，由图6（b）可知，在相同的工况下，低电压下的启动最慢（这与前面的启动过程理论分析是一致的），反应时间比额定电压和高电压明显要慢，显然这对系统的快速运行是不利的。5 结论通过建立高速磁力泵瞬态性能试验台，对高速磁力泵实型样机进行了启动试验研究，得到了三种不同启动电压、不同工况时的启动电流和启动时间。高速磁力泵在高电压区启动时能使整个系统更快达到稳态运行，但是对系统的冲击较大，为减小高电压启动瞬间对系统的冲击，高速磁力泵在大流量工况下启动对系统是比较有利的；相反在低电压区启动时，能减小对系统的冲击，但是整个系统达到稳态运行的响应时间慢得多，不利于系统的快速运行，为提高系统的快速反应能力，低电压启动时高速磁力泵在小流量工况下启动时对系统是有利的；当在额定电压启动时，高速磁力泵在设计工况点启动，它对系统的冲击最小并且系统的响应时间也最短。高速磁力泵快速启动过程中的这些基本特性为其在特殊场合的运用提供了试验依据，但是对于在启动过程瞬态效应的内在机理和控制方法需要作进一步的研究。 参考文献(References)1 关醒凡.现代泵理论与设计M.北京：中国宇航出版社.20112H.Tsukamoto,H.Ohashi.Transient Characteristicsof a Centrifugal Pump During Starting PeriodJ.ASME.Journal of Fluids Engineering, 1982,104(1);6-13 3P.Thanapandi,R.Prasad. A Quasi-Steady Performance Prediction Model for Dynamic Characteristics o