一种高效电机潜水搅拌器的研究与应用

摘要：  以高效潜水搅拌器为研究目的，对搅拌器应用进行电动机理论分析，利用当前高效永磁同步电机的应用，解决潜水搅拌器在污水处理过程中效率偏低的现象。通过实验数据及现场实践案例，充分说明了异步起动永磁同步电机搅拌器具有高效性，及可观的节能效益和经济效益。

1   引言
污水用潜水搅拌器作为一种在全浸没条件下连续工作，兼搅拌混合和推流功能为一体的浸没式设备，可适用于各类污水处理的搅拌，能对周围水体进行搅拌、混合，从而提高污水处理效率。搅拌器选型和应用对提高污水厂污水处理率和优化污泥排放具有非常关键的作用。但是目前潜水搅拌器普遍电机效率不高，额定功率因数偏小，这是搅拌器自身的应用特点造成的。据初步统计，在污水处理工艺过程中搅拌混合的能耗占总能耗的近 20%。近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，高效永磁同步电动机得以迅速的推广应用。高效电机在潜水搅拌器中使用，极大降低污水处理的能耗，对于日益紧缺的能源来说，具有重要的现实
意义。
2 传统潜水搅拌器
2.1 潜水搅拌器选型
大家知道，整体流速目前仍是污水处理中最可行的对通用搅拌状态进行定量分析的方法，整体流动是由潜水搅拌器射流的动量驱动的，其根本上就是搅拌器的反应推力，它与搅拌器的位置共同决定着所产生的流动形式。
搅拌器推力是由潜水电机旋转带角度叶轮产生，电动机的高效与否某种程度上直接决定了搅拌器的效率。搅拌器需要产生越大水下推力，意味着电机需要越大的转矩，因此根据三相鼠笼型异步电动机的特性，搅拌器电机的转速一般都比较低，从而实现更大的转动扭矩。见以下电机转速及扭矩公式：

转速公式：

(n -转速 rpm/min，f -电源频率 Hz，p -磁极对数)

扭矩公式：

(T -扭矩N/m， P -输出功率KW， n -电机转速rpm/min)因此在没有变频装置下，T 与 n 成反比，n 越小，T 越大；

2.2  搅拌器异步电机特点
目前企业中广泛应用的是三相鼠笼型异步感应电动机（图1），电机容量越小，效率就越低，随着电机容量的增大，高效电机效率得到改善。一般来讲，潜水搅拌器的功率都较小(低于 22kW)，也导致异步电机效率不可能很高。而且潜水搅拌器普遍更低，电机效率≤75%，额定功率因数≤0.7，有时甚至非常低；并且搅拌器若选型不当或工况变化，低于50%负载运行，电机效率还将显著下降。

异步电动机产生旋转磁场，要求电源供给必要的励磁电流，异步电动机定、转子之间的气隙是很小的，中小型励磁电流是无功电流，该电流增大会使异步电机的功率因数变坏（功率因数降低）。励磁电流为：

式中：M1 –定子相数   

N1 –定子每相绕组串联匝数 
Kdp1 –定子绕组系数
p -磁极对数
(AT)(IP) –每极所需的安匝数

励磁电流 I0与电机极数 p、安匝数(AT)(IP)成正比，故电机功率因数 cosφ 随电机极数增多而降低。同时功率因数随着异步电机容量减小和负载的降低而降低，见图2。

在额定功率一定的情况下，为了实现大转矩，通常就需要通过增大电机极数降低电机额定转速。但是由于电机极数增大，额定功率因数 cosφ 降低，经常造成搅拌器额定工况下小功率大电流的状况，电源侧的输入额定电流增大，动力电缆势必增大导线直径，线损及电压降也会增加，增加投入成本。电机额定电流为：

式中：P –电机额定功率 kW   

U –电源电压V[#page#]

3   异步起动永磁同步（Line-Started Permanent-Magnet）电机搅拌器
近年来，永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步，推动了异步起动永磁同步电机（LSPM）的开发，有力地促进了电机产品技术、品种及功能的发展。异步起动起动永磁同步（LSPM）电机是具有自起动能力的永磁同步电动机，兼有感应异步电机和电励磁同步电机的特点。它依靠定子旋转磁场与笼型转子相互作用产生的异步转矩实现起动。正常运行时，转子运行在同步转速，笼型转子不再起作用，其工作原理与电励磁同步电机基本相同，不同之处在于永磁同步电机由永磁体提供机电能量转换所需的磁场，取消了电励磁同步电机中的集电环、电刷以及励磁电源，结构简单紧凑，能量密度显著提高。图3为典型 LSPM 电机结构示意图。

图 3 典型异步起动永磁同步电动机结构示意图
1 –定子铁心；2 –定子槽； 3 –转子槽（起动笼条）；
4 –转子铁心； 5 –永磁体； 6 –轴

3.1  LSPM 电机特点
异步起动永磁同步 LSPM 电机相比三相异步感应电机具有以下特点：
1） 转速恒定，为同步转速，相对同极数异步电机，转速高；
2） 功率因数高:永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于 1 ，减小了定子电流，提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网品质因数，减小了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省了电网投资。
3） 性能受气隙长度影响较感应电机小，因而气隙可比同容量感应电机大；
4） 体积小，重量轻，耗材少：采用合适的磁极结构，可以提高气隙磁密，减少电机体积，同容量的永磁电机体积、重量、所用材料可以减小 30%左右。
5） 效率高:在转子上嵌入永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，即没有异步电机转子与定子磁场的滑差 s，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，效率比感应异步电机高，这在小功率电机中体现尤为明显。
6） 具有宽的经济运行范围[4]：感应电机的经济运行范围一般为额定负载 60%～100%，永磁同步电机运行范围远比感应电机宽，不仅在额定负载效率高，而且在 25%～120%额定负载范围内都有较高的的效率。
7） 力能指标好[5]：电机的力能指标是指电机效率与功率因数的乘积，代表电机的力能指标。异步电机在 60%的负荷下工作时，其效率下降 15%，功率因数下降 30%，力能指标下降 40%。而永磁同步电机的效率和功率因数近似一条水平曲线，即使电机只有 20%负荷时，永磁电机的力能指标仍为满负荷的 80%以上，这进一步提高了电能的使用效率和电网的品质因数。

8） 运行温升低:转子绕组中几乎不存在电阻损耗，因而电机运行温升低。
9） 成本高：采用低性能永磁材料的永磁同步电机，由于气隙磁密地，往往体积较大。目前小型永磁同步通常采用高性能稀土永磁材料钕铁硼，制造成本价较高。
10） 可靠性较低：钕铁硼永磁材料在高温环境下易退磁，使电机工作可靠性变差。随着耐高温钕铁硼永磁材料出现，这种情况已有很大改善。
11） 加工工艺负载，机械强度差：永磁体放置在转子铁心内部，工艺复杂，且需要隔磁，导致转子机械强度较感应电机差。
12） 电机性能受温度、供电电压等因素影响很大。
3.2 LSPM 电机起动特性
LSPM 电机的直接起动从转子静止到牵入同步的整个过程，靠定子旋转磁场与转子导条相互作用产生异步转矩起动，由于转子上存在永磁体以及转子交直轴磁路的不对称，事实上其起动是一个复杂的机电瞬变过程。根据电机理论，当定子磁场与转子磁场相对静止且极数相同时，它们相互作用产生恒定转矩；当两个磁场之间有相对运动时，产生脉冲转矩。

图 4 LSPM 电机起动过程仿真曲线

在设计不当时，会导致 LSPM 不能正常起动及运行。研究表明[6]，永磁同步电动机只要将同步电抗比值 Xq /Xd控制在＜6，电动机起动性能都良好。图4 为某LSPM 电机起动过程仿真曲线，同步电动机从零时刻开始至达到稳定运行状态需要大致1.2s。从图中可以清楚地看到，由于电动机转动惯量大，电机在起动初期速度上升缓慢，从图中A 点开始，永磁电动机开始牵入同步，至 B 点达到同步转速，但由于脉动转矩仍然为正向转矩且大于负载转矩，电机进一步加速，至C 点后转速又降至同步转速，经过瞬间微弱的转速波动到达D点，最终稳定在同步速度，至此 LSPM 成功牵入同步正常运行。
3.3 LSPM 电机在潜水搅拌器中的应用
异步起动永磁同步电机 LSPM 电机体积小、损耗低、效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，在很多行业得到广泛应用。尤其针对潜水搅拌器的应用，LSPM 具有三相异步电机无可比拟的优点，结合了同步电机与感应电机的优势，既有永磁同步电机的高效，也有异步感应电机简单的直接起动方式（勿需通常永磁同步电机的变频器起动）。
各类污水处理的过程中，潜水搅拌器的使用场合也比较固定，三相外部供电电源电压一般基本都需要符合国家电网品质要求（±7%），电压数值浮动变化不大。由于潜水搅拌器长期处于液面下运行，搅拌介质温度也属于通常温范围（0～60℃）之内，同时也具备优于一般干式安装电机的对流传导散热环境。基于异步起动永磁同步 LSPM 电机特点及起动特性分析，只要我们选用合适的 LSPM 电机，完全可以在潜水搅拌器中应用。Flygt 公司推出了新型4650系列高效异步起动永磁同步电机（LSPM）紧凑型搅拌器，LSPM 技术极大地降低可观的能耗和大额定电流相关的成本，同时4650 系列LSPM 搅拌器减少动力部分的尺寸，实现高效、可靠、易安装的特点，紧凑的尺寸也方便放置于池中最佳推力位置点，产生污水有效的整体流动，易达到高效的搅拌系统。同时 LSPM 电机的绝缘等级为H 级，可达180℃；搅拌介质温度可适用于 90℃.

图 5 Flygt 搅拌器传统电机转子（左）与 LSPM 电机转子（右）比较[#page#]

以额定轴功率 5kW 电机（6 对极）为例，4650.410——传统异步感应电机，4650.510——LSPM 电机。见图 5，实验数据表明 LSPM 搅拌器有以下优势：高电机效率（见图 6），高电机功率因数（见图 7、8）。

图 8 Flygt 搅拌器 5kW 电机电流曲线

图6Flygt 搅拌器 5kW 电机效率曲线

图8Flygt 搅拌器 5kW 电机电流曲线

4   应用案例分析
上海罗门哈斯化工有限公司的废水处理改造项目中，工艺需要，污水和污泥的混合液必须以一定的流速在池体内循环流动，如果流速过低，不仅会使污水处理无法连续进行，而且会使混合液中的污泥絮凝沉淀，使池底大量积泥，大大减少池体的有效容积，降低处理效果，影响出水水质。因此，需要借助潜水搅拌器的搅拌、推动，使得混合液保持一定流速，防止污泥沉积在池底部。

单个矩形搅拌池的污水介质流速≥0.30 m/s，温度 40℃，尺寸：长 L=18m，宽 W=9m，深 D=6.5m；

经过计算，搅拌器推力最小需要 1414 N（牛顿），Flygt 选型如下：

可以看出，在相同的叶轮条件下，很明显 4650-LSPM（7kW）搅拌器相比普通电机 4660（7.5kW），产生的推力更大，而采用的电机功率更小，电机负载率上升，搅拌器的整体尺寸随之而减小。针对这2种搅拌器进行生命周期成本分析（LCC），假设

分析如图 9 所示，故4650-LSPM（7kW）搅拌器是正确的选择，其生命周期成本低于普通电机搅拌器。

图 9 4650-LSPM 与 4660-普通电机搅拌器LCC分析

由于废水处理项目投入运行初始，整个污水处理的负荷约仅为设计的 50～60%，搅拌池水位偏低。以下连续5周运行的平均数据显示，电机的功率因数仍近0.7，运行电流基本不变。从搅拌效果和现场运行结果来说，4650-LSPM 搅拌器达到设计预期并依然高效，也解决了“大马拉小车”的现象，这是异步感应电机根本无法实现的。

5   结论
在相同的条件下，LSPM永磁同步电机相比同容量的异步感应电机潜水搅拌器，降低至少约 10%能耗，提高约 15%电机效率，减少约 40%电流损耗。因此 LSPM电机事实表明完全适合潜水搅拌器的应用，随着产品的推广和实践，尤其在低负荷运行下依然高效，对于污水处理节约能耗具有重大的意义。

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