大功率电动泵组的测试装置及测试方法
【专利摘要】本发明涉及电动水泵测试技术领域，公开了一种大功率电动泵组的测试装置及测试方法。为配合电动机与水泵的运行特性，设计发电机的输出电压为电动机额定电源电压的50%增加3~5%补偿。电源装置既可应用380V的低压电动泵组，也可用于检测6kV或10kV级别的高压电动泵组。为减少电动机启动时电流对其冲击，对电动机实施二次降频/降压软启动方式。本发明的测试装置的输出功率仅需为被检测电动泵组额定轴功率的12.5%。由于所需的装建容量较小，可令投资费用大幅度下降至所有泵厂可承受的程度。该测试方法与装置完全可以满足水泵行业按现行国家有关水力性能试验规范试验的需求。
【专利说明】
大功率电动泵组的测试装置及测试方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及电动水栗测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 大功率电动栗组的测试台架建设由于投资资金庞大，特别是高压电网资源不足的 地方(超过200kW的电动机，大多为6kV/10kV的供电），要得到栗厂常用的1~2MVA的配电是 非常困难的事。这一直困扰着我国中小型电动栗组的生产企业，所以大部分的企业就选择 电动机与栗头装配成套后不做测试直接出厂。这根本无法保证产品的质量，特别是有严格 质量要求的消防给水栗组更得不到保障。这个现实存在的问题既危及公共安全又大大影响 了行业的发展。
[0003] 国际标准：IS0 9906及国家标准:GB/T 3216《回转动力栗水力性能验收试验1级和 2级》规定："可以在规定转速的50 %~120 %范围内的试验转速下进行流量、扬程和输入功 率确定试验"。
[0004] 目前大部分的水栗生产厂除了新产品要做形式试验，基本都是采用4极电动机驱 动2900转的水栗、采用8极电动机驱动1450转水栗。用小功率多极数的电机驱动相对少极数 的较大功率水栗的方法进行检验(也可配置大功率的变频电机，通过降频/降速测试较大功 率的水栗）。但这个方法虽然解决了电源功率容量的问题，但只能对单一的水栗栗头进行出 厂试验，而不能对成套后的电动栗机组进行测试，特别是不能对配置了高压电动机的大功 率栗组进行功能检验。当然有相对资源的企业，不但可以建设专用的高压配电房，还可以配 置高压变频电源。但是其建设成本巨大，是中小型电动栗组的生产企业难以承受的。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述水栗行业存在的实际问题，针对成套后的电动水栗组，特别是配 置了高压电动机的大功率电动栗组，为其出厂检验提供一套完整的解决方案，提供一种大 功率电动栗组的测试装置及测试方法。本发明是一种高性价比的解决方案:设计一种为市 电额定频率50%的发电系统作为水栗的测试电源，测试电源的输出功率为被检测的电动栗 组的12.5%。由于所需的输出功率较小，其投资费用大大下降，完全可以满足水栗行业的需 求。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] 大功率电动栗组的测试装置，包括发动机、减速箱、万向联轴器、同步发电机以及 智能控制器。发动机通过减速箱和万向联轴器驱动同步发电机，发动机受智能控制器控制， 同步发电机包括励磁控制系统，其特征在于还包括含继电保护的输出断路器、升压变压器、 电气连接配电系统，同步发电机输出端通过输出断路器与升压变压器相连，电气连接配电 系统包括设置于输出断路器的输出端的低压电参数计量器和设置于升压变压器的升压输 出回路的高压电参数计量器，输出断路器还受智能控制器控制用于实现被测大功率电动栗 组的软启动合闸。进入测试流程时，大功率电动栗组的实时转速为其额定转速的50 %~ 60%。大功率电动栗组通常是指功率不小于200kW的电动栗组。
[0008] 进一步的，为了满足本测试装置的多用途，既能对高压电动栗组进行测试，也能对 低压电动栗组进行测试，电气连接配电系统还包括双回路切换开关，输出断路器经双回路 切换开关可选择与升压变压器相连，或选择双回路切换开关的另一输出端直接输出低压电 源。
[0009] 进一步的，减速箱为2:1的减速箱。
[0010] 进一步的，发动机为柴油发动机，额定转速为1500~1800rpm。
[0011] 进一步的，同步发电机为4极无刷发电机，输出频率为25~30Hz，输出线电压为可 调110~240V。
[0012] 大功率电动栗组的测试装置的测试方法，采用如上所述的测试装置，同步发电机 恒速时的输出频率为被测大功率电动栗组的额定频率的50~60%，采用二次降频/降压方 式启动大功率电动栗组：同步发电机在被测大功率电动栗组启动过程中缓慢升速并同步升 压，然后同步发电机恒速、恒压持续运行；启动时，当同步发电机的输出频率未达到第一频 率阈值时，智能控制器使输出断路器处在断路状态，当同步发电机的输出频率达到第一频 率阈值时，输出断路器合闸对被测试的大功率电动栗组送电，第一频率阈值为恒速时的输 出频率的66~67%，输出送电带载后，同步发电机缓慢升速并同步升高电压，直至达到额定 的频率，然后恒速、恒压持续运行，恒压的电压值为大功率电动栗组的额定频率/电压比例 换算后增大3~5%，被测的大功率电动栗组正式进入测试。
[0013] 本发明的理论依据如下：
[0014] 同一台叶片栗的特性，其流量、扬程、功率与转速之间的比例关系：
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] Q、Η、N分别表示水栗流量、扬程、功率;η表示水栗的转速。
[0019]下标1相对于转速1的物理量、下标2相对于转速2的物理量。 / \3 ,
[0020] 根据上述的公式，水栗的运行转速降低50%，其轴功率为全速的i的+，即 8 12.5%。按此推算，一台需输入功率为10001^(謂1)的水栗，其结构不变的情况下降低50% 的转速运行，其水栗所需的电源功率多125kW就可满足产品出厂测试的需要。
[0021] 降低电动机的转速，最简单有效的办法就是提供低频率的电源，降速50%，就是将 原标准电动机设计为50Hz的电源频率降频为25Hz。
[0022] 电源系统的频率已决定，下面给出电源系统的输出电压的确定方法。
[0023] 根据电机的定子电压:U = E+I*R(I为电流、R为定子电感与直流电阻的复合阻抗、E 为感应电势）；
[0024]而:E = k*f*X(k:常数、f:频率、X:磁通）；
[0025] 对异步电机来说:T = k*I*X(k:常数、I:电流、X:磁通、T:转矩）
[0026] 感应电势Ε是随着频率f而变化，则定子的电压也应该是变化的，也就是加在定子 两端的电压也应是随之成正比变化的。
[0027]电动机的功率计算：
[0028] a、三相电动机的输入功率的计算公式如下：
[0029]
[0030] 式中Pix:频率为fJ寸电动机的输入功率，kW;
[0031] Ulx:频率为f J寸电动机输入的线电压，V;
[0032] 11:电动机每相的电流，A;
[0033] COS 0!:电动机定子侧的功率因数。
[0034] b、电动机的输出功率:电动机输出的是机械功率，计算公式如下：
[0035]
[0036] 式中Pmx :频率为f X时电动机轴上的输出功率，kW;
[0037] TM:电动机的转矩(与负载转矩相平衡），N · m;
[0038] mix:频率为fx时的转速，r/min。
[0039] c、电磁功率:从电功率和机械功率之间起传递和转换作用的磁场功率，用Pm表示。 其大小反映了电动机磁路内磁通的大小。
[0040] 频率下降时各部分功率的变化:假设电源电压的频率fx降低了，这时，电动机的转 速必下晚
[0041]
[0042] 式中fx:电动机的工作频率，Hz;
[0043] πμχ:频率为fx时的转速，r/min;
[0044] p:为电机极对数，例如四极电机的p = 2;
[0045] s:异步电动机的转差率。
[0046] 对于叶片栗，在进出口径与叶轮直径不变的情况下，电动机转速的下降将导致输 出功率大幅度下降；但是，电动机的输入功率P1X表明，电动机的输入功率和频率之间并无 直接关系，就是说，当频率下降而电源电压不变时，电动机的输入功率并不随之下降。
[0047] 所以，在单纯将频率下降时，将出现输入功率Plx和输出功率PMX之间的严重失衡， 使传递能量的电磁功率和磁通大幅增加，电动机的磁路将严重饱和，导致励磁电流激增且 波形发生严重畸变。
[0048] 所以若降低电源的频率，为了维持输入功率和输出功率之间的平衡，在频率下降 的同时，必须必须同步降低电源的电压。
[0049] 但是，当频率下降时若完全成比例地降低电压，那么由于频率下降而使电动机的 交流阻抗变小，而电动机的直流电阻却维持不变。这将造成在电动机在降速后的转矩相对 减小，从而导致异步电动机的转差增大(实际达不到原电动机一半的转速）。最终影响水栗 扬程、流量、功率的测量数据。因此，在电动机降频并比例降压使用时，要使输入电动机的电 压相应提高一些，才可以维持电动机原设计的转矩降低的比率。
[0050] 我国按标准生产的异步电机的基准电压：低压电机为380V、高压电机为6kV或 1 OkV，基准频率为50Hz。按低压电动机设计的测试电源系统，若频率降低50 %至25Hz，则电 动机的电源电压则应为380V*0.5 = 190V，通过台架验证，将电源电压升高3~5 % (不同极数 的电动机稍有差别，但都在允许范围内），例如190V*1.05~200V，即可补偿电动机因降频导 致的直流电阻损耗。同理：6kV电机设计电源输入为3.15kV、10kV电机设计电源输入为 5.25kV。既满足了测试的精度要求，又不会发生电动机超电流运行的现象。
[0051] 配电装置的同步发电机额定输出电压决定了，但发电机的运行特性如何设计才能 适配异步电动机的启动电流，这依然是一个必须解决的问题。众所周知:普通的电动机启动 过程仍需较大(几倍)的启动电流，而柴油发电机组过载能力却非常有限（内燃机超扭矩，有 可能在短时间内骤然停机）。按常规柴油发电机组的标准设计，就只有增大发电机组的容 量!本发明为了更好的匹配电机启动特性并减少发电机组的适配功率，创新采用二次降频/ 降压方式启动电栗组:设计的发电机组在电动机启动过程中实现缓慢升速并同步升压，最 后柴油发电机组恒速、恒压持续运行。由于叶片栗在低转速时转矩相对下降，所以只要选择 在柴油机允许带载，并其输出扭矩满足水栗运行的转速要求，就可以在更低的转速(同步降 低发动机的输出电压)拖动被检测的水栗组软启动。实际上，额定转速1500rpm的柴油机，在 lOOOrpm的转速点都允许带较轻的负载运行。本发明设计当柴油机启动成功后转速达到 1000印111(经过2:1减速器驱动的发电机为500印111运行，发电机输出频率~16.7他（图3的八 点），转速500rpm:750rpm~0.67,则发电机的输出电压也同步调整为200*0.67 = 134V)，此 时输出断路器合闸对被测试的电动机送电。此时按上述频率、电压、功率的计算公式推算， 被测试的水栗组的负荷功率约为25Hz运行时的（0.67) 3~30 % (大大减少了启动电流对发/ 配电装置的冲击）。输出送电带载后，发电机组缓慢升速并同步升高电压（图3曲线的A~B斜 坡段），直至达到额定的频率25Hz/200V(图3B点）输出后，恒速、恒压持续运行，被测的水栗 组可正式进入测试程序。
[0052] 与现有技术相比，本发明综合了柴油机调速控制、发电机励磁控制、高低压配电等 技术，采用较小发电功率的25Hz低频同步发电机组直接驱动较大功率的电动栗组，然后通 过合符规范的换算完成对大功率电动水栗组的基本性能测试。本发明还采用软启动的方 式，从而解决了电动机启动时导致发动机超扭矩停机的问题，为大功率电动栗组的测试提 供了一种切实可行的解决方案。
【附图说明】
[0053]图1是本发明测量装置的示意图；
[0054]图2是本发明测量装置的结构外形图；
[0055] 图3是实施例的发电机输出频率与电压的特性曲线图。
【具体实施方式】
[0056] 下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
[0057] 实施例
[0058] 1、同步发电机4采用输出25Hz的4极同步发电机，其同步转速是750rpm。
[0059] 2、同步发电机4采用柴油发动机1变速后间接拖动，柴油发动机1的额定转速为 1500rpm(也可设置为1800rpm运行），柴油发动机1通过2:1的减速箱2连接万向联轴器3向同 步发电机4输出750rpm(当柴油发动机转速设为1800rpm时同步发电机转速为900rpm)的驱 动扭矩。
[0060] 3、同步发电机4输出频率为25Hz(当柴油发动机1设为1800rpm时，发电频率为 30Hz)，输出线电压为低压200V(可设计为110~240V可调，满足多种不同电压等级的电动机 测试）。
[0061] 4、同步发电机4的输出电压调节由励磁控制系统41控制，当同步发电机4在启动过 程的输出频率< 16.7Hz (图3的0~八点），励磁控制系统41的励磁电流输出被关断(避免发电 机低速过励），同步发电机4靠转子的剩磁发电。机组启动后的转速继续升高，当同步发电机 4的输出频率》16.7Hz，励磁控制系统41控制同步发电机4输出134V，与此同时，同步发电机 4后面的输出断路器5合闸，对被测试的水栗电动机送电，被测试的水栗在16.7Hz的低频下 软启动。输出断路器5合闸送电后，励磁控制系统41随着同步发电机4的转速升高同步控制 增加同步发电机4的励磁电流，使同步发电机4的输出电压与升速(升频）的斜率相同。最终 在非常低的启动电流"冲击"下，配电装置顺利完成大功率电动栗组的软启动。
[0062] 5、同步发电机4输出的200V线电压通过输出断路器5,电气连接配电系统7的双回 路切换开关72,双回路切换开关72可选择低压输出10(输出驱动380V低压电动机水栗组的 电源），或选择通过升压变压器6升为高压后输出9(输出驱动10kV高压电动机水栗组的高压 电源）。
[0063] 6、升压变压器6工作频率为25Hz(允许+20%，可增加对60Hz电动机的测试），初级 电压为200V(允许+20%，可适配对60Hz电动机的测试），次级电压为5.25kV(允许+20%，可 适配对60Hz的高压电动机进行测试），容量为320kVA(基于设计检测最大为2MW的电动水栗 组，可根据实际测试负荷的大小，按上述的计算公式重新优化机组的适配容量）。
[0064] 7、电气连接配电系统7包含低压计量器71、高压计量器73及双回路切换开关72。
[0065] 8、同步发电机4送电的输出断路器5包含整套发电系统的综合电力保护。
[0066] 9、柴油发动机1由智能控制器8完成启动、升速、恒速、加载、卸载、降速及冷却停机 等过程控制、运行监测与故障报警与保护。
[0067] 10、降速50%后测试的结果，将现测得的流量*2、扬程*4、功率*8、功率因素不变， 即可推算出被测电动栗组的运行参数。
[0068] 11、为了适应对60Hz电动水栗组的测试，测试装置的柴油发动机1选用可1500rpm 与1800rpm两种转速切换运行的机型。同步发电机4设计对应的输出为25Hz或30Hz两种频 率。与此同时，同步发电机4的输出电压可完全按上述的计算方法根据不同的电压等级进行 设计。
【主权项】
1. 大功率电动栗组的测试装置，包括发动机（1)、减速箱(2)、万向联轴器(3)、同步发电 机(4)以及智能控制器(8)，发动机（1)通过减速箱（2)和万向联轴器（3)驱动同步发电机 (4)，发动机(1)受智能控制器(8)控制，同步发电机(4)括励磁控制系统(41)，其特征在于还 包括含继电保护的输出断路器(5)、升压变压器(6)以及电气连接配电系统(7)，同步发电机 (4)输出端通过输出断路器(5)与升压变压器(6)相连，电气连接配电系统(7)包括设置于输 出断路器(5)的输出端的低压电参数计量器(71)和设置于升压变压器(6)的升压输出回路 的高压电参数计量器(73)，输出断路器(5)还受智能控制器(8)控制用于实现被测大功率电 动栗组的软启动合闸，进入测试流程时，大功率电动栗组的实时转速为其额定转速的50%~ 60% 〇2. 根据权利要求1所述的大功率电动栗组的测试装置，其特征在于电气连接配电系统 (7)还包括双回路切换开关(72)，输出断路器(5)经双回路切换开关(72)与升压变压器(6) 相连，双回路切换开关(72)的另一输出端直接输出低压电源。3. 根据权利要求1所述的大功率电动栗组的测试装置，其特征在于减速箱(2)为2:1的 减速箱。4. 根据权利要求1所述的大功率电动栗组的测试装置，其特征在于发动机（1)为柴油发 动机，额定转速为1500~1800 rpm。5. 根据权利要求1所述的大功率电动栗组的测试装置，其特征在于同步发电机(4)为4 极无刷发电机，输出频率为25~30 Hz，输出线电压为110~240V。6. 大功率电动栗组的测试装置的测试方法，其特征在于采用权利要求1所述的测试装 置，同步发电机(4)恒速时的输出频率为被测大功率电动栗组的额定频率的50~60%，并采用 二次降频/降压方式软启动大功率电动栗组:同步发电机(4)在被测大功率电动栗组启动过 程中缓慢升速并同步升压，然后同步发电机(4)恒速、恒压持续运行;在启动过程中，当同步 发电机(4)的输出频率未达到第一频率阈值时，智能控制器(8)使输出断路器(5)处在分断 状态，当同步发电机(4)的输出频率达到第一频率阈值时，输出断路器(5)合闸对被测试的 大功率电动栗组送电，第一频率阈值为恒速时的输出频率的66~67%，输出送电带载后，同步 发电机(4)缓慢升速并同步升高其输出电压，直至达到额定的频率，然后恒速、恒压持续运 行，恒压的电压值为大功率电动栗组的额定频率/电压比例换算后增大3~5%，被测的大功率 电动栗组正式进入测试。
【文档编号】F04D15/00GK105952662SQ201610447192
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】郑浩, 赵永顺, 郑全, 王伟, 郑建伟
【申请人】广州三业科技有限公司, 国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心