混流式、軸流式潛水泵空載電流與空載損耗測定檢測技術(shù)

一、檢測原理

空載電流與空載損耗的測定是評估潛水泵電機設(shè)計合理性、制造工藝水平及核心性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1. 空載電流測定原理：潛水泵在空載狀態(tài)下（即泵輪在水中自由旋轉(zhuǎn)，無外加揚程負載），電機運行所需克服的阻力矩主要來源于以下部分：

   • 機械損耗：包括軸承摩擦、機械密封摩擦以及轉(zhuǎn)子與周圍水介質(zhì)的流體摩擦損耗。這部分損耗需要消耗一定的轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)電機定子繞組中的電流分量。

   • 鐵芯損耗：電機定子與轉(zhuǎn)子鐵芯在交變磁場作用下產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。該損耗與電源電壓的平方近似成正比，在空載電壓恒定時基本恒定。

   • 風(fēng)磨損耗：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的空氣流動損耗，在充水式潛水泵中表現(xiàn)為水摩擦損耗。

   • 空載電流（I?）可分解為兩個分量：用于產(chǎn)生氣隙磁場以平衡鐵損的勵磁電流（Iμ，無功分量）和用于補償機械損耗與少量銅損的有功電流（Iw）。其矢量關(guān)系為 I? = √(Iμ² + Iw²)。通過測量空載時的電壓和電流，可直接獲取空載電流值。

2. 空載損耗測定原理：空載損耗（P?）是指潛水泵在空載運行時從電網(wǎng)吸收的總有功功率。它主要由以下幾部分構(gòu)成：

   • 定子銅耗：空載電流流經(jīng)定子繞組電阻產(chǎn)生的損耗。

   • 鐵耗：如前所述的核心電磁損耗。

   • 機械損耗：如前所述的各類摩擦損耗。

   • 雜散損耗：空載時相對較小，主要由磁場高次諧波引起。
     測定原理基于功率測量法。使用高精度功率分析儀或電能質(zhì)量分析儀，同時采集空載狀態(tài)下的電壓、電流信號，通過其內(nèi)部運算直接得到輸入有功功率，此功率值即為空載損耗。在工程上，常通過空載試驗分離鐵耗和機械耗：在不同電壓下測量空載損耗，繪制損耗-電壓曲線，外推至額定電壓時可得到總鐵耗與機械耗之和。由于機械耗與電壓無關(guān)，在低電壓區(qū)（鐵耗顯著減?。?，損耗曲線趨于平坦，該平坦區(qū)的損耗值可近似視為機械耗。

二、檢測項目

檢測項目系統(tǒng)分為直接測量項目與派生計算項目。

1. 直接測量項目：

   • 空載電流（I?）：在額定電壓和額定頻率下，電機穩(wěn)定運行時的線電流平均值。

   • 空載輸入功率（P?）：在額定電壓和額定頻率下，電機穩(wěn)定運行時的三相有功功率總平均值。

   • 空載電壓（U?）：施加于電機接線端的線電壓平均值，需穩(wěn)定在額定值。

   • 空載頻率（f?）：電源的實際頻率。

   • 空載轉(zhuǎn)速：使用非接觸式轉(zhuǎn)速計測量泵軸的實際旋轉(zhuǎn)速度，用于驗證電機同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率。

2. 派生計算與分析項目：

   • 三相電流不平衡度：評估電機繞組對稱性及電源質(zhì)量。

   • 空載功率因數(shù)：由P?、U?、I?計算得出，反映空載時無功功率占比。

   • 單位空載電流/損耗：與同類產(chǎn)品或設(shè)計值進行比較的標(biāo)幺值。

   • 鐵耗與機械耗的分離：通過空載特性曲線分析獲取，用于深入診斷損耗構(gòu)成。

三、檢測范圍

本檢測技術(shù)適用于所有使用異步或同步電動機作為驅(qū)動源的混流式、軸流式潛水泵，其應(yīng)用領(lǐng)域及具體要求包括：

• 水利工程與防洪排澇：大型軸流泵、混流泵是核心裝備。空載參數(shù)是現(xiàn)場安裝調(diào)試和定期維護的必檢項目，用于判斷電機是否處于良好狀態(tài)，避免帶病運行導(dǎo)致重大故障。要求檢測設(shè)備便攜、抗震，能在現(xiàn)場環(huán)境下獲得可靠數(shù)據(jù)。

• 農(nóng)業(yè)灌溉與供水：中小型潛水泵應(yīng)用廣泛。檢測目的在于保證能效，降低運行成本。對空載電流的穩(wěn)定性要求高，以保障長期連續(xù)運行的可靠性。

• 市政污水處理：潛水推進器（屬于軸流式原理）及回流泵。環(huán)境惡劣，檢測需關(guān)注機械密封摩擦對空載損耗的影響，該值是判斷軸承和密封系統(tǒng)健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。

• 工業(yè)冷卻水循環(huán)：在電廠、化工廠等場合，潛水泵是循環(huán)水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。檢測不僅關(guān)注初始值，更注重長期運行后空載參數(shù)的變化趨勢，作為預(yù)測性維護的依據(jù)。

• 礦山與冶金：用于礦井排水等場景的潛水泵。要求檢測系統(tǒng)具備高可靠性，并能適應(yīng)可能的變頻電源供電情況下的測量。

• 新產(chǎn)品研發(fā)與型式檢驗：制造商用于驗證電磁設(shè)計、優(yōu)化效率、控制生產(chǎn)成本。要求檢測精度高、重復(fù)性好，能準(zhǔn)確分離各項損耗。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對潛水泵空載試驗均有明確規(guī)定，但側(cè)和限值存在差異。

對比分析：IEC和IEEE標(biāo)準(zhǔn)在損耗分析和測量精度上更為細致嚴(yán)謹，尤其在雜散損耗的處理上。中國標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上等效或參照IEC標(biāo)準(zhǔn)，保證了技術(shù)上的接軌。在實際檢測中，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品目標(biāo)市場、客戶要求或認證體系選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測方法

1. 試驗準(zhǔn)備：

   • 將泵體完全浸入足夠大的清水試驗池中，確保泵吸入口和出口水流暢通，無外加背壓。

   • 使用經(jīng)過校準(zhǔn)的電源，其電壓和頻率的諧波畸變率應(yīng)低于規(guī)定值（通常THD<2%）。

   • 連接所有測量傳感器和儀器，并進行系統(tǒng)調(diào)零。

2. 試驗步驟：

   • 施加額定頻率的電壓于電機端子，電壓值應(yīng)穩(wěn)定在額定電壓（Un）的±0.5%以內(nèi)。

   • 啟動電機，使其在空載狀態(tài)下運行，直至機殼溫度達到穩(wěn)定（通常以半小時內(nèi)輸入功率變化不超過1%為準(zhǔn)）。

   • 同時記錄三相電壓、三相電流、輸入功率、頻率和轉(zhuǎn)速。至少應(yīng)在額定電壓下取5個以上穩(wěn)定讀數(shù)，求取平均值。

   • （可選，用于損耗分析）在（0.2~1.2）倍額定電壓范圍內(nèi)，改變電源電壓，從高到低逐點測量空載輸入功率和電流，繪制空載特性曲線（P? = f(U?/U?)， I? = f(U?/U?)）。

3. 操作要點：

   • 電源質(zhì)量：劣質(zhì)電源會導(dǎo)致測量結(jié)果嚴(yán)重失真。

   • 穩(wěn)定運行：必須在熱穩(wěn)定狀態(tài)下讀數(shù)，否則摩擦損耗未達穩(wěn)態(tài)，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。

   • 傳感器安裝：電流互感器和電壓引線應(yīng)盡量靠近電機端子，以減少線路損耗引入的誤差。

   • 非對稱性處理：若三相電壓不對稱，應(yīng)取三相電壓的平均值作為U?。計算功率和電流時也應(yīng)使用三相平均值。

六、檢測儀器

1. 高精度功率分析儀：

   • 技術(shù)特點：核心設(shè)備。需具備多通道同步測量能力，基本精度優(yōu)于±0.1% of rdg。帶寬足夠高以準(zhǔn)確捕獲諧波功率。具備積分功能和矢量運算能力，可直接顯示功率、功率因數(shù)、電壓、電流、頻率等參數(shù)。

2. 電流傳感器（互感器或羅氏線圈）：

   • 技術(shù)特點：應(yīng)選擇精度高、相位誤差小的型號。對于大電流潛水泵，常使用開口式電流互感器或羅氏線圈，便于安裝。精度通常要求不低于±0.2%。

3. 電壓測量模塊/差分探頭：

   • 技術(shù)特點：功率分析儀內(nèi)置或外接的高精度電壓模塊。需具備高輸入阻抗和共模抑制比，確保電壓測量不受接地回路影響。

4. 可編程交流電源：

   • 技術(shù)特點：在研發(fā)實驗室，使用可編程電源可以精確控制輸出電壓和頻率，自動完成空載特性曲線的掃描，提高測試效率和準(zhǔn)確性。

5. 非接觸式數(shù)字轉(zhuǎn)速表：

   • 技術(shù)特點：采用光電或激光原理，用于驗證空載轉(zhuǎn)速，判斷電機極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率是否正常。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)分析方法：

   • 直接比較法：將測得的空載電流I?和空載損耗P?與產(chǎn)品的技術(shù)條件、設(shè)計值或同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)樣機的數(shù)據(jù)進行對比。

   • 趨勢分析法：對同一臺泵進行周期性檢測，觀察I?和P?隨時間的變化趨勢。顯著增大往往預(yù)示著故障。

   • 損耗分離法：利用空載特性曲線，通過曲線擬合或圖解法定量分離出鐵耗和機械耗，進行深度診斷。

2. 評判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 空載電流異常：

     • I?偏高：可能原因包括：定轉(zhuǎn)子氣隙過大或不均勻；鐵芯質(zhì)量差或片間短路導(dǎo)致鐵耗增加；轉(zhuǎn)子有缺陷（如鑄鋁不良）導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電阻過大；機械裝配過緊，摩擦損耗大。

     • I?偏低：較為少見，可能為定子繞組匝數(shù)過多或連接錯誤。

     • 三相I?不平衡：通常說明電源電壓不平衡或電機存在三相繞組不對稱、匝間短路、相間短路等故障。

   • 空載損耗異常：

     • P?偏高：是能效偏低的主要標(biāo)志。需結(jié)合損耗分離結(jié)果判斷：

       • 若鐵耗偏高，原因可能是硅鋼片材質(zhì)不佳、鐵芯疊壓不緊、定子軛部或齒部磁密設(shè)計過高、鐵芯局部過熱。

       • 若機械耗偏高，原因明確指向軸承潤滑不良、磨損、機械密封過緊或安裝不當(dāng)、或轉(zhuǎn)子與定子/密封件發(fā)生摩擦。

     • P?正常但I?高：通常表明勵磁電流大（無功分量大），可能源于氣隙過大或鐵芯磁路設(shè)計問題，導(dǎo)致功率因數(shù)偏低。

   • 合格判定：一般情況下，實測的空載電流和空載損耗不應(yīng)超過設(shè)計值或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的允許公差（通常為+10%）。對于能效等級考核，空載損耗是計算電機部分損耗的關(guān)鍵輸入，直接影響整泵效率的評定結(jié)果，必須滿足目標(biāo)能效等級對應(yīng)的限值要求。任何持續(xù)增大的趨勢都應(yīng)被視為潛在故障預(yù)警，需進行進一步檢查。