学术︱潜液式LNG泵用变频低温异步电机的运行性能研究

中国科学院电工研究所、中国科学院大学的研究人员艾程柳、黄元峰等，在2015年第14期《电工技术学报》上撰文，为了详细研究潜液式LNG（liquid natural gas）泵变频低温异步电机的运行性能，本文针对11.1kW低温变频异步电机样机建立了仿真模型，并通过样机的液氮试验验证了该仿真模型的准确性。

基于该仿真模型，文中计算了该样机50Hz和100Hz时在液氮（196℃）中的工作特性和机械特性，结果表明，低温异步电机的性能要优于常温电机，稳定运行转速非常接近同步转速，且电机的恒压频比调速的带载能力强。此外，文中仿真计算了样机在液氮和LNG（161℃）中的运行性能，结果表明样机在两种流体环境的运行性能差异不大。

随着天然气的大量使用，LNG泵在天然气产业中有着广阔的应用前景。但目前美国的J. C. Carter公司，日本的Ebara、Nikkiso、Shinko公司，法国的Cryostar公司等少数几家公司基本垄断着LNG泵技术[1-7]，我国尚无自主知识产权的相关产品[1-3,6,7]，开展LNG泵相关部件的研制非常重要。

潜液式LNG泵具有运行安全，操作简便等优点，已成为LNG泵的主要结构形式[8,9]。潜液式LNG泵的一种常见结构形式如图1所示，其所用电机密封于泵体内、浸泡在161℃低温LNG中运行，为潜液式LNG泵的核心部件之一。

潜液式LNG泵所用电机为低温异步电机，国外学者已对低温异步电机的选材、电磁–热耦合仿真模型及驱动特性进行了相关研究[10-14]。文献[11-13]用暂态电磁-热耦合模型仿真计算了恒频低温异步电机的空载启动、堵转运行性能，发现低温异步电机从启动到稳定运行耗时较长，且堵转转矩减小。

文中还在液氮（-196℃）中对低温异步电机进行了堵转和空载试验，验证了仿真计算结果。文献[11]采用等效电路稳态模型研究了恒频低温异步电机转矩-转速特性。目前，我国关于-161℃深冷环境下的低温异步电机的研究还未见报道，有关异步电机的研究主要还是集中在常温领域[15-17]。

目前，关于低温异步电机的研究集中在恒频异步电机，但对于LNG泵而言，采用变频低温异步电机能够实现高效调速。而有关变频低温异步电机的驱动特性还缺乏相关研究。因此，本文对一台11.1kW变频低温异步电机进行了仿真和试验研究，通过试验结果验证了仿真模型的准确性，并用仿真模型讨论了变频低温异步电机的各种驱动性能。

结论

本文以LNG泵用11.1kW变频低温异步电机为研究对象，建立了该样机的仿真模型，该模型的计算结果能够接近试验测试结果。

基于此仿真模型，本文对低温异步电机的驱动特性进行了研究，得到如下结论：

（1）低温异步电机在较宽的输出功率范围内均能保持高效率和高功率因数运行，运行转差率较小；

（2）低温与常温异步电机的机械特性总体变化趋势基本相同，但低温异步电机的峰值转差率小，在峰值转差率附近电机电磁转矩Te和定子电流I1急剧变化，当转差率稍大于峰值转差率时，随着转差率的增大，电机电磁转矩Te保持较小值，定子电流I1保持较大值；

（3）低温异步电机带泵类负载时，不适合通过恒频调压进行调速；

（4）低温变频异步电机在液氮和LNG中的运行特性差别不大，用液氮对LNG泵用低温异步电机进行试验比较合适。