某污水处理厂潜水泵配套变频器的关键参数设计

何 皓

（武汉市政工程设计研究院有限公司，武汉 430033）

变频器是应用变频技术与微电子技术，利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能从而控制交流电动机运行的电力控制设备。

由于潜水泵起动时的急钮和忽停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的烧毁；同时电机起动/停止时需要开启/封闭相对应的阀门来减小水锤的影响，操纵一方面工作强度大，且难以满足工艺的需要。在潜水泵安装变频器以后，可以根据工艺的需要，软启动、可控加速、可调运行速度、可调转矩极限、可控停止方式、节能、可逆运行控制以及减少机械传动部件等显著特点。并且具有明显的节能效果。

本文基于某污水处理厂的实际需要，设计所需变频器的容量以及变频器制动电阻等关键参数，进而选择合理的变频器，达到工程需要。

1 电机容量的计算

1.1 水泵轴功率计算

泵在一定流量和扬程下，原动机单位时间内传给泵轴的功称为轴功率。轴功率是多用在泵上的一个专业术语，即轴承将动力（电机功率）传给功部件（叶轮）的功率。功率值小于电机额定功率。实质上轴功率跟联轴器有很大的关系。电机通过联轴器连接泵头叶轮，当电机转动时，带动联轴器，联轴器和泵内的叶轮连接，进而带动叶轮旋转。因为有联轴器这个部件，那么电机功率就不能完全转化为叶轮转动的实际效率，所以轴功率小于电机功率（额定功率）。

潜水泵所需轴功率计算为

式中，N为水泵设备所需的轴功率（kW）；ED% =t/T× 1 00%—水泵出水量（kW）；γ为水的密度（Kg/m3）；H为水泵总杨程（m）；η为水泵效率（一般取值为0.6～0.84）。

根据工艺要求，管道要求的数据如下：Q=694L/sH=4.1m；η=0.75。

由公式计算出轴功率为37.2kW。

1.2 电机功率计算

水泵机组配套电机的功率计算式为：

式中，P为电机功率kW；ηc=t/T×1 00%为电机与水泵间的传动效率，与电机直接连接时取1；K为裕量系数，见表1。

表1 裕量系数

根据以上计算，电机选容量计算结果为43kW。考虑实际运行的效率在90%左右，选择50kW的电机。电机参数见表2。

表2 电机参数

1.3 负载机械特性的确定

水泵电动机作为一种将电能转化成机械能带动水泵进行工作的设备。我们最关心的是电动机的机械特性。确定负载机械特性对选择变频器非常重要，否则所选变频器不能充分发挥性能，如产生大马拉小车或电机过热等现象。负载特性主要有如下几种：

1）恒转矩负载。转速n变化，转矩T基本不变，如输送带、起重机、台车、机床进给、挤压机等。

2）恒功率负载。转速越高，转矩越小，如卷取机、机床主轴、轧机等。

3）风机、泵类负载。转速降低，转矩也变小。

水泵属于泵类负载，又称平方力矩负载，实际上力矩只是近似与速度平方成正比。本文所选水泵为离心式水泵，不考虑水泵的过负载能力，水泵在低速运行时功率小，要求的调速范围不大，因对此变频器的性能要求不高。

2 变频器容量的选择

常见的变频器控制方式（控制变频器输出电压和频率）有：

1）电压/频率线性关系，用于同步电机或多台电机并联。

2）磁通电流控制（FCC），可保持电机处于全磁通状态，降低功耗。

3）电压/频率平方关系，用于风机、泵类。

4）免测速机矢量控制，变频器可计算出用于维持所需电机转速的输出电压变化量，该方式提供最优磁通控制和较高转矩。

由于大部分通用变频器的控制方式采用电压/频率平方关系，对泵类负载也适用。施耐德ATV61系列变频器可以满足使用要求。

先初步按电机容量计算的结果来配匹变频器的容量，本文中所选电机容量为50kW，变频器的容量应不小于50kW，在这个初步原则确定后。根据施耐德ATV61 系列变频器产品样本（图1）。

图1 ATV61 系列变频器产品样本

50kW 水泵电机可以选择的变频器为ATV61HD55N4以上等级的变频器。同时应当注意到ATV61HD55N4 变频器最大连续工作电流为116A，根据图一电机参数中的电机额定电流为131.3A。变频器作为电机的电源供给系统，变频器输出电流应当大于电机额定电流。因此变频器容量的选择原则主要为：电动机额定电流不大于变频器输出电流。根据图一中的数据可以选择ATV61HD75N4 以上等级变频器。当变频器容量过大，则运行时变频器裕量过大，运行不经济，因此变频器容量不宜选择过大，50kW 电机应选择ATV61HD75N4 变频器。

3 制动电阻的选择

水泵电机在实际运用中，当转速降低时，相应工作频率也处于下降过程中，电机处于再生制动状态，电机产生再生能量反馈到直流电路中，使变频器直流母线电压不断上升，甚至可能达到危险的地步。必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。

目前关于制动电阻的计算方法有很多种，从工程的角度来讲，要精确的计算制动电阻的阻值和功率在实际应用过程中不是很现实，主要是参数无法做到精确测量。目前通常用的方法就是估算方法。

1）变频器最小连接电阻

为了保证变频器不受损坏，流过制动电阻的电流不应超过电机的额定电流，此时计算出的电阻数值为变频器最小连接电阻。最小连接电阻可按下面公式为

其中，UD为制动电压；IN为电机的额定电流。2）变频器必要制动电阻

工程实践证明，当放电电流等于电动机额定电流的一半时，可以得到与电动机的额定转矩相同的制动转矩了，此时的电阻即为变频器必要制动电阻，工程计算公式为

3）制动电阻使用率

制动电阻使用率ED%定义为减速时间t 除以减速的周期T，使用率主要是为了能让制动单元和刹车电阻有充分的时间来散除因制动而产生的热量；当制动电阻发热时，电阻值将会随温度的上升而变高，制动转矩亦随之减少。

其中，t为减速时间（能量再生时间）；T为负载周期动作的时间

4）制动电阻功率的选择

由于再生能量的产生是电机减速时，转矩方向相反的时候产生的。平均再生能量指的是一个周期内所有再生能量的总和除以该周期占有时间，公式为

为保证制动电阻安全使用，因此制动电阻的额定功率必须大于系统的平均再生能量。

4 应用

某污水处理厂A/A/O 生物池采用轴功率为39kW，扬程为4.1m，流量为694L/s，水泵效率为75%的潜水轴流泵对污泥进行回流，由于水泵供电距离达到300m，需对电机进行变频启动。变频器选择步骤：

1）根据水泵参数进行电机功率计算，水泵所选电机额定功率为50kW。

2）水泵属于泵类负载，对变频器要求不高，采用电压/频率平方关系控制的通用变频器，由于水泵所选电机额定电流为131.3A，变频器最大连续输出电流选择为160A；变频器选择为施耐德的ATV61HD75N4变频器。

3）施耐德的ATV61HD75N4变频器制动电压UD= 785V ，电机的额定电流IN= 131.3A，计算出的Rmin= 5.98Ω，Rmax= 11.96Ω；根据实际水泵运行工况，水泵制动时，电机平均再生能量为0.6kW。制动电阻阻值选择为8Ω，在制动周期内可用的平均额定能量为1kW，满足制动能量的要求。

5 结论

根据以上分析，变频器的主要参数选择原则为

1）平均再生能量≤制动电阻额定功率。

2）必要制动电阻阻值≥制动电阻阻值≥变频器最小连接电阻。

由于本文所介绍变频器的选择是根据工程应用的角度来考虑的，因此在实际的应用时需要结合现场实际的具体情况进行适当的修正，最终形成一个经济适用的可行的选择方案。