CN108591080A - 一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体机械领域与智能控制领域的结合，具体公开了一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵。该智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵通过内置的变频器监测电机的输入电流，实时调整电机的转速，完全避免了因为超功率而导致的电机烧毁问题，真正实现了潜水泵的无过载运行。与此同时，提出了高效的叶轮设计方案以及内部控制系统及电机的散热问题解决方案。
Description
技术领域
本发明属于流体机械领域与智能控制领域的结合，涉及一种潜水泵，特别涉及的是一种能够智能变频的低比速无过载潜水泵，主要用于抽取地下水。
背景技术
在水泵领域中，比转速是泵的重要性能参数。低比速潜水泵具有额定流量小、额定扬程高的特性，这导致它的比转速较低。传统的低比转速潜水泵在使用中，常常会出现在大流量工况时轴功率过大而导致电机烧毁的现象。
现有的专利90214606.8号专利“一种无过载低比速离心泵叶轮”、201010151477.1号专利“无过载离心泵叶轮的五工况点设计法”、ZL200410014937.0号专利“一种低比转速离心泵叶轮设计方法”等，通过机械设计优化的方法，对低比速潜水泵的无过载特性进行了优化，虽然取得了明显的效果，但是仍然存在以下几个问题：1、叶轮的包角太大或者出口宽度太小，对生产过程中的铸造工艺有较高的要求。2、为了优化低比速潜水泵的无过载特性，在叶轮的设计过程中，一些重要的几何参数选择导致低比速潜水泵的效率较低。因为无过载特性与高效特性之间存在一定的冲突，传统的低比速潜水泵在改善无过载特性的过程中仅通过优化水力设计的方法无法根本性的解决这个冲突。
发明内容
为了从根本上解决低比速潜水泵的无过载问题，同时实现无过载潜水泵的高效化。本发明提供了一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵。该智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵通过内置的变频器监测电机的输入电流，实时调整电机的转速，完全避免了因为超功率而导致的电机烧毁问题，真正实现了潜水泵的无过载运行。
本发明的技术方案是：潜水泵的泵体仅有一级叶轮，压水室结构为蜗壳，电机为内置了变频器的变频电机。
本发明的技术方案为：
一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，进口位于泵体下方，出口位于泵体上方，包括内置变频器、变频电机、叶轮、蜗壳、泵盖，叶轮为单级叶轮并置于蜗壳内，蜗壳下方安装有泵盖，
蜗壳上方安装有变频电机和电机部分外壳，所述变频电机上安装有内置变频器，内置变频器装在内置变频器底座上，内置变频器底座安装在控制部分外壳上，控制部分外壳和电机部分外壳密封安装；
外接电源线与内置变频器以及变频电机通过控制部分线路连接为一个整体。
根据变频电机的自身参数，设置变频电机运行时的恒定功率值，根据恒定的功率值设定变频电机的运行的输入电流额定值，外界电源接入变频电机时先通过内置变频器，内置变频器实时监测通过的变频电机的输入电流，当输入电流小于额定值时，内置变频器将输入电源的频率增大，使得变频电机的转速增加，变频电机转速增加后，水泵的轴功率就会增加，进而导致变频电机的负载增加，输入电流增大；当输入电流高于额定值时，内置变频器将输入电源的频率减小，使得变频电机的转速降低，变频电机转速降低后，水泵的轴功率就会降低，进而导致变频电机的负载减小，输入电流减小；通过内置变频器内置程序的负反馈调节机制，变频电机将保持恒功率运行的状态。
由于水泵可以智能调速，所以可以在较高的转速下运行，仅用一个叶轮就可满足扬程需求，因此其水泵的叶轮只有一个，传统的潜水泵如果要达到该智能变频潜水泵的流量扬程参数，要么采用多级结构，要么增大叶轮的外径，采用牺牲效率来提高水泵的无过载特性，这都会导致泵部分的体积很大。不仅如此，与传统的无过载设计不同，该叶轮的水力设计追求水力效率的极大值，无需考虑因水力设计而导致轴功率进而导致的电机烧毁的问题，为了追求效率的极大值，与传统的叶轮设计相比，叶轮进口宽度有所减小，叶轮出口宽度有所增加，叶轮叶片出口安放角选择25°-30°，这不仅降低了生产过程中的难度，也极大的增加了潜水泵的水力效率。
本发明中，叶轮进口直径为D0，
式中，Q为额定流量，m3/h；D1为轮毂直径，m；
出口宽度为b2，
式中，Q为额定流量，m3/h；D2为叶轮出口直径，m；k为出口系数，k＝0.5～0.8。
水泵的压水室形式是蜗壳，蜗壳下部的止口直径大于叶轮直径，蜗壳下部与泵盖采用止口配合，并且可以轴向调整使泵盖与叶轮的间隙为0.5mm～1mm。泵盖与叶轮之间形成总体间隙截面形状为“L”型的进口密封结构，不仅具有较好的密封作用，更可以有效的防止固体杂志进口叶轮进口密封间隙，造成磨损。
变频器底座采用铝合金材料，传热效果好，结构为圆筒结构，圆筒半径为R；圆筒一侧加厚，宽度为L，L等于内置变频器中单片机电路板的宽度；加厚部分的厚度为
内置变频器与内置变频器底座之间以及内置变频器底座与控制部分外壳之间皆采用树脂材料填充缝隙。
本发明的有益效果是：
(1)通过智能控制实现了低比速潜水泵的无过载特性，通过叶轮的水利设计，提高了低比速潜水泵的效率，降低了低比速潜水泵叶轮的制造难度，提出了电机与控制部件的散热方案，结构较为简单，易于实现。
(2)潜水泵在工作时一般是潜入水中，散热条件较好，所以传统的潜水泵一般不用考虑电机的散热问题，但是智能变频潜水泵的变频模块的发热量极大，传统的散热条件根本无法满足其散热要求，必须考虑其电机与控制模块的散热问题。所以本发明智能潜水泵采用上端出水的结构，液体介质在蜗壳流出后会以较高流速流过电机与控制模块的外壳，提供较好冷却的作用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的一个实施例；
图2是本发明实施例的水泵部分放大图；
图3是本发明实施例的内置变频器底座的结构示意图；a-主视图，b-俯视图；
图中：1.外接电源线，2.内置变频器，3.内置变频器底座，4.控制部分外壳，5.电机部分外壳，6.变频电机，7.叶轮，8.蜗壳，9.泵盖，10.进口密封结构。
具体实施方式
图1所示实施例是一台智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，包括内置变频器2、变频电机6、叶轮7、蜗壳8和泵盖9。图2所示是智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵的水泵部分放大图，采用单级叶轮7配合蜗壳8的水力结构，叶轮7的设计无需考虑轴功率因素，以追求其水力效率最高为目标。
叶轮7为单级叶轮并置于蜗壳8内，蜗壳8下方安装有泵盖9，蜗壳8上方安装有变频电机6和电机部分外壳5，所述变频电机6上安装有内置变频器2，内置变频器2装在内置变频器底座3上，内置变频器底座3安装在控制部分外壳4上，控制部分外壳4和电机部分外壳5密封安装；外接电源线1与内置变频器2以及变频电机6通过控制部分线路11连接为一个整体；
叶轮7叶片出口安放角选择区间为25°-30°，出口宽度大于普通无过载潜水泵(额定性能相同，叶轮7进口直径小于普通无过载潜水泵(额定性能相同)，这些参数的调整可以极大的提高低比速潜水泵的效率，具体为：叶轮7进口直径为D0，
式中，Q为额定流量，m3/h；D1为轮毂直径，m；
叶轮7出口宽度为b2，
式中，Q为额定流量，m3/h；D2为叶轮出口直径，m；k为出口系数，k＝0.5～0.8。
蜗壳8下部有一个泵盖9，与蜗壳8下部的止口配合，蜗壳8下部的止口直径大于叶轮7直径。泵盖9与叶轮7的轴向间隙为0.5mm～1mm，两者之间形成总体间隙截面形状为“L”型的进口密封结构10，具有较好的密封性能，能够降低叶轮7进口处的容积损失。
图1所示，外接电源线1与内置变频器2以及变频电机6通过电机与控制部分线路11连接为一个整体。电源首先接入内置变频器2，内置变频器2内部编入了预先设置好的程序，该程序的核心即为以电机输入电流为监测目标的负反馈调节机制：程序设定了变频电机6运行的输入电流额定值，内置变频器2监测通过的变频电机6输入电流，当输入电流小于额定值时，内置变频器2将输入电源的频率增大，使得变频电机6的转速增加，变频电机6转速增加后，水泵的轴功率就会增加，进而导致变频电机6的负载增加，输入电流增大。
当输入电流高于额定值时，内置变频器2将输入电源的频率减小，使得变频电机6的转速降低，变频电机6转速降低后，水泵的轴功率就会降低，进而导致变频电机6的负载减小，输入电流减小。通过内置变频器2内置程序的负反馈调节机制，变频电机6将保持恒功率运行的状态，这不仅可以通过设定电流额定值来保持变频电机6电机始终保持在高效区运行，更从根本上解决了潜水泵电机容易过载烧毁的问题。
在该电泵工作过程中，变频电机6与内置变频器2部分的散热量将会很大，即使处在水下也不一定能满足散热要求，因此智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵采用上方出水的结构，从蜗壳8流出的水以较大的流速沿着电机部分外壳5与控制部分外壳4流过，这将提供给变频电机6与内置变频器2更好的散热性能。
图3所示为内置变频器底座3的结构示意图，a为主视图，b为俯视图，变频器底座3采用传热效果较好的铝合金材料，结构为圆筒结构，圆筒半径为R；圆筒一侧加厚，宽度为L，L等于内置变频器2中单片机电路板的宽度；加厚部分的厚度为
内置变频器2与内置变频器底座3之间以及内置变频器底座3与控制部分外壳4之间皆采用树脂材料填充缝隙，以达到更好的传热效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，其特征在于，进口位于泵体下方，出口位于泵体上方，包括内置变频器(2)，变频电机(6)，叶轮(7)、蜗壳(8)和泵盖(9)，叶轮(7)为单级叶轮并置于蜗壳(8)内，蜗壳(8)下方安装有泵盖(9)，蜗壳(8)上方安装有变频电机(6)和电机部分外壳(5)，所述变频电机(6)上安装有内置变频器(2)，内置变频器(2)装在内置变频器底座(3)上，内置变频器底座(3)安装在控制部分外壳(4)上，控制部分外壳(4)和电机部分外壳(5)密封安装；外接电源线(1)与内置变频器(2)以及变频电机(6)通过控制部分线路(11)连接为一个整体；
设置变频电机(6)的运行的输入电流额定值，外界电源接入变频电机(6)时先通过内置变频器(2)，内置变频器(2)实时监测通过的变频电机(6)的输入电流，通过内置变频器(2)内置程序的负反馈调节机制，变频电机(6)将保持恒功率运行的状态。
2.如权利要求1所述的一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，其特征在于，内置变频器(2)内置程序的负反馈调节机制为：当输入电流小于额定值时，内置变频器(2)将输入电源的频率增大，使得变频电机(6)的转速增加，变频电机(6)转速增加后，水泵的轴功率就会增加，进而导致变频电机(6)的负载增加，输入电流增大；当输入电流高于额定值时，内置变频器(2)将输入电源的频率减小，使得变频电机(6)的转速降低，变频电机(6)转速降低后，水泵的轴功率就会降低，进而导致变频电机(6)的负载减小，输入电流减小。
3.如权利要求1所述的一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，其特征在于，叶轮(7)的叶片出口安放角选择区间为25°-30°。
4.如权利要求1所述的一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，其特征在于，叶轮(7)的进口直径为D0和出口宽度为b2分别为：
进口直径为D0，
式中，Q为额定流量，m3/h；D1为轮毂直径，m；
出口宽度为b2，
式中，Q为额定流量，m3/h；D2为叶轮出口直径，m；k为出口系数，k＝0.5～0.8。
5.如权利要求1所述的一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，其特征在于，蜗壳(8)下部与泵盖(9)采用止口配合，蜗壳(8)下部的止口直径大于叶轮(7)直径。
6.如权利要求1所述的一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，其特征在于，叶轮(7)与泵盖(9)的轴向间隙为0.5mm～1mm，两者之间形成总体间隙截面形状为“L”型的进口密封结构(10)。
7.如权利要求1所述的一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，其特征在于，变频器底座(3)采用铝合金材料，结构为圆筒结构，圆筒半径为R；圆筒一侧加厚，宽度为L，L等于内置变频器(2)中单片机电路板的宽度；加厚部分的厚度为
8.如权利要求1所述的一种智能变频调速的高效恒功率低比速潜水泵，其特征在于，内置变频器(2)与内置变频器底座(3)之间以及内置变频器底座(3)与控制部分外壳(4)之间皆采用树脂材料填充缝隙。
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