矿山用大型主排水泵站节能目标与对策

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发布时间：2021-08-26

资料介绍

本文通过对矿山大型主排水泵站系统关键技

术的研究，完成高压高效节能三相异步电动机和

主排水泵系列产品设计、典型规格样机试制、试验

和示范应用，形成产品标准及机组能效等级和评

价方法标准，并根据矿山用排水泵机组的使用工

况，研究自适应控制技术和系统运行模型，实现系

统效率提高15％以上(即干式排水系统的吨水百

米电耗小于0．5kW ·h)的节能目标。

2 高效、超高效电机的设计

以提高电机效率为目标，电机材料成本为约

束条件的实用化电机优化设计软件，通过电机三

维场理论、瞬态有限元磁场、流体场计算等，得到

电机最佳优化设计模型，有效降低了电机的温升

和其他各项损耗，最终提高了电机效率。

根据IEC60034—30标准的规定，高效电动机

比标准效率电动机平均效率提高接近于3％，超

高效电动机比标准效率电动机平均效率提高近

5％，效率提高的幅度很大。众所周知，电动机的

损耗主要由定子铜耗、转子铜耗、铁耗、机械损耗

和杂散损耗组成，高效、超高效电动机的设计出发

点即从降低这五大损耗着手。

增加有效材料，降低铜耗和铁耗。根据电动

机相似原理，当电磁负荷不变，且不考虑机械损

耗时，电动机的损耗与电动机铁心长度的3次

方成反比，而电动机的输入功率约与铁芯长度

的4次方成比例，电动机效率的变化可以近似

表征为：

7／=l一 (1一*／0) (1)

式中 ——现电动机的效率

0——电动机的长度比例系数

— — 原始电动机的效率

从式(1)可见，损耗与有效材料长度的线性

增长成反比。为了在一定的安装尺寸条件下获得

较大的空间，以便能放置较多的有效材料来提高

电动机的效率，定子冲片外径尺寸就成为一个重

要因素，对于超高效电动机，由于其效率提高幅度

较大，仅靠增加轴向尺寸来提高效率很难，为此部

分机座选择了放大冲片外径的方案。

铁芯材料的电磁性能对电动机的效率及其他

性能影响较大，同时铁芯材料费用又是构成电动

机成本的主要部分之一，因此选用合适的磁性材

料是设计和制造高效、超高效电动机的关键。通

过样机试算结果对比，在满足性能要求的同时，综

合分析电动机的性价比，确定超高效电动机冷轧

硅钢片牌号为：H80一H180选用50WW470，H200

一H355选用50WW350。

降低杂散损耗的措施。杂散损耗是指由气隙

磁场高次谐波所产生的负载杂散损耗，高效、超高

效电动机采用低不确定度的测试方法—— 美国的

IEEE112B法实测杂散损耗，不同于现行电动机产

品以输入功率的0．5％估算杂散损耗的方法，这

就要求更加重视电动机设计与制造质量，同时寻

求更多的降低杂散损耗的措施。

通过对电动机各种损耗降低措施的综合运

用，在设计中可大幅降低电动机的各种损耗，有效

提高电动机的效率，也有利于相对减少有效材料

的使用，降低成本，提高产品的性价比。

经过优化设计的干式电机，其效率达到了

96％

3 高效大型耐磨多级离心泵的优化设计

运用计算流体力学数值模拟的方法预测离

心泵内的流场分布和性能，基于宽高效区和无

过载设计原则，通过改变离心泵叶轮与导叶关

键数据以得到效率优先的水力模型。通过对原

型多级离心泵进行三维建模，运用ICEM划分非

结构网络，用Fluent软件进行计算，分析泵内部

复杂的三维湍流流场的速度分布、压力分布等，

分别采用雷诺时均法、大涡模拟法和分离涡模

拟法对离心泵内流场进行三维模拟，通过与试

验扬程和效率的对比，优化出最佳的湍流

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