1. Giới thiệu
Trong chuyển hướng nước, kiểm soát lũ và thoát nước, xử lý nước thải, tưới tiêu đất nông nghiệp, bảo vệ môi trường, v.v., các dự án bảo tồn nước cửa bơm có lực nâng thấp, lưu lượng lớn được sử dụng rộng rãi. Thông thường, hầu hết các máy bơm tốc độ thấp được sử dụng trong các dự án bảo tồn nước như vậy đều là máy bơm tốc độ thấp dưới 500 vòng/phút. Động cơ máy bơm nước thường được sử dụng bao gồm động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ và động cơ chìm đặc biệt. Tuy nhiên, nhiều tốc độ thấp đạt được bằng cách dựa vào động cơ tốc độ cao được kết nối với bộ giảm tốc. Do bản thân các bộ giảm tốc có tổn thất cơ học và dễ bị mòn nên loại hệ thống bơm tốc độ thấp này cũng dẫn đến hiệu suất thấp, tiêu thụ điện năng cao, tiếng ồn và độ rung cao, khối lượng lớn và khả năng bảo trì cao.
Tuy nhiên, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có những ưu điểm ứng dụng vô song trong các ứng dụng kỹ thuật bảo tồn nước như vậy. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được thiết kế có tốc độ thấp và có thể dẫn động trực tiếp cánh quạt, loại bỏ sự cần thiết của cấu trúc giảm tốc. Hiệu suất tổng thể của hệ thống cao, tiếng ồn và độ rung nhỏ, hoạt động an toàn và đáng tin cậy hơn. Nó hợp tác với hệ thống điều khiển đặc biệt nam châm vĩnh cửu để tạo thành một hệ thống truyền động, dựa vào những ưu điểm to lớn về bảo tồn năng lượng và bảo vệ môi trường, đồng thời đã trở thành xu hướng mới trong việc phát triển máy bơm tốc độ thấp.
2. Hiện trạng ứng dụng máy bơm cột nước thấp, lưu lượng cao, tốc độ thấp trong các công trình thuỷ lợi
2.1 Bơm ngang trục có động cơ không đồng bộ + hộp giảm tốc
Dạng cấu trúc và ứng dụng kỹ thuật của bơm ngang trục có động cơ không đồng bộ + hộp giảm tốc được thể hiện trên Hình 1. Loại bơm chéo trục đứng này thường được dẫn động bởi động cơ không đồng bộ + hộp giảm tốc 4 cực đến 8 cực. Chiều dài trục lớn, bánh răng giảm tốc dễ mòn, dầu bôi trơn cần được thay thế thường xuyên. Khối lượng công việc bảo trì lớn, chi phí bảo trì cao và hệ thống kém hiệu quả. Do có các bộ phận quay và ma sát tốc độ cao nên độ ồn rung cao và hiệu suất hệ thống thấp.
2.2 Bơm trục nghiêng dẫn động trực tiếp bằng động cơ không đồng bộ
Dạng cấu trúc và ứng dụng kỹ thuật của máy bơm trục xiên dẫn động trực tiếp động cơ không đồng bộ được thể hiện trên Hình 2. Tốc độ động cơ không đồng bộ được sử dụng trong loại bơm trục xiên dẫn động trực tiếp động cơ không đồng bộ này thường nằm trong khoảng từ 200 đến 300 vòng/phút. Mặc dù động cơ không đồng bộ tốc độ thấp trực tiếp dẫn động bộ giảm tốc nhưng động cơ không đồng bộ đa cực tốc độ thấp lại bị ảnh hưởng bởi cấu trúc, công nghệ và khả năng tản nhiệt. Bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, cấu trúc động cơ phức tạp, quy trình khó khăn và động cơ có kích thước, khối lượng lớn, hiệu suất thấp và hệ số công suất cos cực kỳ nhỏ (thường khoảng 0.6, thậm chí thấp hơn ở mức tải thấp và cao). -Cần cấu hình bù công suất phản kháng). Hơn nữa, dòng điện phản kháng của động cơ lớn nên công suất truyền tải và phân phối điện phải tăng ít nhất 1/3.
2.3 Bơm dòng trục thẳng đứng dẫn động bằng động cơ không đồng bộ tốc độ thấp
Dạng cấu trúc và ứng dụng kỹ thuật của bơm dòng trục thẳng đứng dẫn động bằng động cơ không đồng bộ tốc độ thấp được thể hiện trên Hình 3. Loại bơm dòng trục thẳng đứng này được dẫn động bởi động cơ không đồng bộ tốc độ thấp thẳng đứng giống như bơm trục nghiêng được điều khiển trực tiếp bởi động cơ không đồng bộ. Động cơ đa cực tốc độ thấp có kết cấu phức tạp, gia công khó khăn, kích thước lớn, khối lượng lớn, hiệu suất thấp và hệ số công suất cực thấp.
2.4 Động cơ không đồng bộ + hộp giảm tốc và bơm chìm dòng chảy trực tiếp dẫn động trực tiếp bằng động cơ không đồng bộ tốc độ thấp
Đối với động cơ không đồng bộ + bộ giảm tốc và máy bơm chìm dòng chảy trực tiếp dẫn động bằng động cơ không đồng bộ tốc độ thấp, các vấn đề về độ rung của hệ thống và tiếng ồn cao càng nổi bật hơn, đồng thời cấu trúc phức tạp hơn. Cấu trúc của động cơ không đồng bộ tốc độ thấp chủ yếu bị ảnh hưởng bởi kích thước lớn của động cơ không đồng bộ, và các vấn đề như diện tích mặt cắt kênh dòng chảy giảm sẽ nổi bật hơn.
3 Ưu điểm to lớn của động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ thấp và mô-men xoắn cao
3.1 Phát triển và ứng dụng động cơ nam châm vĩnh cửu
Động cơ nam châm vĩnh cửu là một thiết bị sử dụng nam châm vĩnh cửu để thiết lập từ trường kích thích nhằm đạt được sự chuyển đổi năng lượng cơ điện. Kể từ sự ra đời của vật liệu nam châm vĩnh cửu NdFeB hiệu quả cao với đặc tính từ tính cao hơn và giá tương đối thấp hơn vào năm 1983, trọng tâm nghiên cứu và phát triển trong và ngoài nước đã chuyển sang động cơ nam châm vĩnh cửu công nghiệp và dân dụng. Trong mười năm qua, nó đã có nhiều ứng dụng thành công trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Hiệu suất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu NdFeB hiệu suất cao ở tải định mức cao hơn 2% ~ 8% so với động cơ không đồng bộ cảm ứng có cùng thông số kỹ thuật và nó có thể duy trì hiệu suất cao và hiệu suất cao trong phạm vi tải định mức của 25%~120%. Hệ số công suất lớn làm cho hiệu quả tiết kiệm năng lượng trở nên đáng kể hơn khi vận hành với tải nhẹ.
3.2 So sánh cấu trúc stato và rôto của động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ thấp và động cơ không đồng bộ tốc độ thấp
Để phân tích sâu hơn về đặc tính của động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ thấp và mô-men xoắn cao, sau đây là phân tích ưu điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu dựa trên sự khác biệt về cấu tạo cụ thể của stato và rôto của động cơ nam châm vĩnh cửu 20 cực và Động cơ không đồng bộ 20 cực. Hình 4 thể hiện stato và rôto của động cơ nam châm vĩnh cửu, Hình 5 thể hiện stato và rôto của động cơ không đồng bộ.
Stator của động cơ không đồng bộ thường có hơn 120 cuộn dây và thanh đồng rôto thường có hơn 100 thanh đồng. So với động cơ nam châm vĩnh cửu, quy trình stato và rôto của động cơ không đồng bộ phức tạp hơn nhiều, khiến các nhà sản xuất động cơ nói chung gặp khó khăn trong việc sản xuất chúng. Đặc biệt khi rôto động cơ không đồng bộ quay, thanh đồng rôto có điện áp thấp và dòng điện lớn, rôto cũng có dòng điện xoáy và sinh ra một lượng nhiệt lớn, gây ra các vấn đề tản nhiệt gai góc (thường áp dụng hướng tâm, xuất trục bên ngoài thân máy). và các biện pháp tản nhiệt toàn diện khác), thể tích rôto phải được tăng lên. Rôto động cơ nam châm vĩnh cửu không cần tản nhiệt, giúp đơn giản hóa đáng kể quy trình và cấu trúc, đồng thời cải thiện độ an toàn và độ tin cậy.
3.3 Ưu điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ thấp dùng trong máy bơm tốc độ thấp
Động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ thấp được sử dụng trong máy bơm tốc độ thấp và có những ưu điểm sau:
① Kích thước nhỏ, khối lượng nhỏ, dễ lắp đặt, yêu cầu thấp đối với các phương tiện cơ bản và hỗ trợ khác. Ví dụ, khối lượng của động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ thấp 20 cực 300r/phút chỉ tương đương 1/2 đến 1/3 động cơ không đồng bộ có cùng tốc độ;
②Tiết kiệm năng lượng và hiệu quả, hiệu suất chung của động cơ nam châm vĩnh cửu là trên 96% và hệ số công suất trên 0.97, trong khi hiệu suất của động cơ không đồng bộ là dưới 92% và hệ số công suất khoảng 0.66;
③ Độ rung và tiếng ồn thấp, lực nâng thấp và bơm tốc độ thấp lưu lượng lớn sử dụng hệ thống truyền động động cơ nam châm vĩnh cửu. Không có phần chạy tốc độ cao. Bản thân động cơ có độ ồn và độ rung thấp. Đồng thời, bộ giảm tốc và các thiết bị truyền động khác bị loại bỏ. Bộ giảm tốc và các thiết bị truyền dẫn khác bị loại bỏ. Giảm độ rung và tiếng ồn, giúp toàn bộ hệ thống truyền động bớt rung và ồn hơn;
④ Do cấu trúc đơn giản của động cơ nam châm vĩnh cửu nên không có vấn đề tản nhiệt trong rôto nên vận hành an toàn và đáng tin cậy hơn, khối lượng công việc bảo trì nhỏ;
⑤ Dễ dàng điều khiển thông minh, sử dụng bộ biến tần đặc biệt, điều khiển tốc độ thuận tiện, chức năng bảo vệ lỗi hoàn chỉnh, mô-men xoắn khởi động lớn, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng và vận hành hệ thống an toàn và ổn định;
⑥Vì rôto không có dòng điện cảm ứng nên rôto không sinh nhiệt, tăng nhiệt độ thấp và dễ tản nhiệt;
⑦ Do dòng điện phản kháng rất nhỏ nên tổng dòng điện của động cơ nhỏ hơn 1/3 so với động cơ không đồng bộ, điều này có thể làm giảm yêu cầu công suất đối với việc truyền tải và phân phối điện ngược dòng (bao gồm máy biến áp, công tắc, cáp, v.v.) và giảm đầu tư vào hệ thống truyền tải và phân phối điện.
