Преимущества двигателей с постоянными магнитами для погружных грунтовых насосов

Эти двигатели экологически безопасны и способствуют снижению затрат на энергию для пользователей.

Двигатели с постоянными магнитами, которые используются в насосах водозаборных скважин, как правило, называют синхронными двигателями с постоянными магнитами, двигателями с электронным управлением, двигателями с электронной коммутацией, бесколлекторными двигателями постоянного тока и двигателями с внутренними постоянными магнитами.

 

Эти названия не всегда корректны для всех конфигураций двигателей с постоянными магнитами. Это упрощенное обозначение особенностей электродвигателей. В асинхронном двигателе электрический ток подается на статор. Ток огибает статор в виде магнитного поля, которое индуцирует магнитное поле в роторе. Статор и ротор имеют отдельные магнитные поля. По мере вращения магнитного поля статора магниты ротора притягиваются, заставляя ротор поворачиваться. Поскольку ротор закреплен на вале двигателя, соединенном с валом насоса, рабочие колеса насоса вращаются и вызывают перемещение воды.

 

Все двигатели работают от вращающегося магнитного поля статора, вызывающего вращение ротора. Как в асинхронных двигателях, так и в двигателях с постоянными магнитами, электричество подается на статор. Разница между ними заключается в том, как создается магнитное поле ротора. Как описано выше, в асинхронных двигателях магнитное поле статора индуцирует магнитное поле в роторе. Однако в двигателях с постоянными магнитами магнитное поле ротора создается в процессе производства ротора. В ротор встраиваются высокопрочные постоянные магниты, поэтому нет необходимости индуцировать магнитное поле. Кроме того, при использовании больших двигателей с постоянными магнитами возможно значительное снижение энергопотребления и множество других преимуществ.

 

Рисунок 1. Двигатели с постоянными магнитами для насосов водозаборных скважин (изображение предоставлено компанией Grundfos)

 

Снижение потребления энергии означает не только то, что двигатели с постоянными магнитами экологически безопасны, но и то, что затраты на энергию для пользователей также сократятся. Хотя этот фактор может быть незначительным в небольших системах жилых домов, которые не функционирует в течение длительного времени, в других областях применения, например, в больших оросительных или муниципальных системах, можно получить существенную экономию.

 

Все двигатели с постоянными магнитами работают от частотно-регулируемых приводов. Как и в любом устройстве, управляемом частотно-регулируемыми приводами, такая форма управления частотой вращения позволяет настраивать характеристики насоса согласно различным требованиям к расходу, что является стандартом для большинства областей, где применяются погружные насосы.

 

Рисунок 2. Двигатели работают от вращающегося магнитного поля статора, вызывающего вращение ротора.

 

Преимущества двигателей с постоянными магнитами

 

Двигатели с постоянными магнитами небольших размеров могут работать с повышенной частотой вращения, что потенциально сокращает количество ступеней и размеры рабочих колес, при этом обеспечивая необходимый расход и напор. Благодаря этому насосы диаметром 3 дюйма могут устанавливаться в скважины, в которые было бы сложно разместить стандартные 4-дюймовые погружные насосы.

 

При использовании малогабаритных двигателей с постоянными магнитами повышенная удельная мощность, возможности развивать заданную скорость и уменьшение размера в целом упрощают установку и техническое обслуживание. Насосы с постоянными магнитами меньше и легче. Насос с асинхронным двигателем мощностью 1,5 л.с. весит приблизительно 35 фунтов, а насос с двигателем с постоянными магнитами мощностью 1,5 л.с. весит приблизительно 16 фунтов. Двигатели с постоянными магнитами обеспечивают более длительный срок службы обмотки благодаря работе охладителя.

 

При низкой частоте вращения двигатели с постоянными магнитами имеют более высокий пусковой крутящий момент, что является преимуществом в водозаборных скважинах с высокой концентрацией минералов. Насос будет меньше подвержен заеданию, связанному со скоплением минералов в зонах с жестким допуском. Кроме того, однофазные двигатели с постоянными магнитами имеют пусковой момент, сопоставимый с пусковым моментом трехфазных асинхронных двигателей. Представьте насос с допустимым диапазоном частоты вращения от 100% до 28% от полной номинальной частоты вращения. Чтобы воспользоваться преимуществом такого диапазона, насос обычно работает при постоянном давлении.

 

Как показано на примере кривой (рисунок 3), насос и двигатель будут поддерживать давление 60 фунтов/дюйм2, т.е. напор 139 футов при различных значениях расхода, от 30 галлонов/мин до нуля. Установка автоматически отключается при прекращении подачи. Двигатели с постоянными магнитами, управляемые частотно-регулируемыми приводами, отличаются плавным пуском, что приводит к ослаблению ударной нагрузки на электрическую и трубопроводную системы.

 

Интегральная логическая схема, встроенная в установку, обеспечивает широкий спектр возможностей контроля, самозащиты и диагностики. При контроле характеристик самозащита заключается в автоматическом реагировании на сухой ход, перегрузку, превышение температуры и избыточное/недостаточное напряжение.

 

Рисунок 3. Кривая характеристик насоса показывает, как насос и двигатель поддерживают давление 60 фунтов/дюйм2 (System performance line at 60 psi constant pressure setting - Характеристики системы при постоянном заданном давлении 60 фунтов/дюйм2, 22 GRM – Model 225QE15-220 60 Hz - Модель 225QE15-220, 22 галлона/мин, 60 Гц)

 

Диагностика заключается в составлении отчетов о давлении, температуре, частоте вращения двигателя, потреблении энергии, количестве запусков и часах работы.

 

Сигналы подаются при сухом ходе, необходимости в обслуживании, неисправности источника питания, неисправности датчика, перегрузке, избыточной температуре, снижении частоты вращения, отклонениях напряжения или потере контакта с датчиком.

 

В будущем повышенная эффективность больших двигателей с постоянными магнитами позволит таким насосам соответствовать строжайшим требованиям Министерства энергетики США, которые уже установлены для более крупных погружных грунтовых насосов. Повышенная эффективность также поможет насосам соответствовать требованиям предприятий коммунального обслуживания по снижению потребления энергии. Более высокий коэффициент мощности двигателей с постоянными магнитами может привести к общему снижению затрат на коммунальные услуги в определенных сферах применения.

 

Двигатели с постоянными магнитами также подходят для использования в погружных насосах, в которых применяются альтернативные источники энергии (солнечные панели, ветроустановки, аккумуляторы, генераторы и топливные элементы) и которые достигают расхода от 3 до 60 галлонов/мин и напора до 820 футов. Такие насосы имеют те же функции управления, контроля и диагностики, которые были описаны выше.

 

Джим Светай, за плечами которого более 42 лет работы в различных должностях в области насосов, - вице-президент по образовательной части в Институте гидравлики. В декабре 2020 года он ушел из компании Grundfos, в которой занимался обучением технических специалистов в Северной Америке.

 

Дополнительную информацию о двигателях с постоянными магнитами и погружных грунтовых насосах можно получить у Стива Доджетта по эл. почте sdoggett@grundfos.com или на сайте www.grundfos.com.