浅析水泵应用中变频电机的选择

史伟栋

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院；2.ABB高压电机有限公司，上海 200240)

0 引言

泵是一种通用机械，种类甚多，应用极广，在国民经济各部门中，凡是有液体的地方就有泵在工作。其主要应用范围是：农田灌溉，石油化工，动力工业，城市给排水，采矿和船舶工业等[1-2]。在我国，由于泵的用户多，用量大，使用情况千差万别。大多数情况下，由设计院设计的系统，选材都比较合理，结合变频器，泵的经济技术指标比较高，节能效果比较好。但也有客户不经过设计院，自己设计采购，因不理解具体工况，做出错误判断，使得在需要变频器的情况下没有使用变频器，或在不需要使用变频的情况下增加变频器，造成了整个系统对能源的浪费。

1 客户选择变频电机的主要原因

变频电机的核心是控制。变频器和电机制造厂商需要根据客户的需要，控制电机的转速和转矩等参数。目前，基本所有行业都有变频电机的应用。常见的如钢铁行业的卷曲机，火电行业的磨煤机，石化行业的挤压机，船舶行业的推进器。不同的行业不同的电机，使用变频器的目的是不一样的，但相同点都是落到控制上，以控制为手段达到不同的目的。比如钢厂的卷取机会根据实际工况将转速范围分为恒转矩和恒功率两部分。火电厂磨煤机主要是通过变频电机解决启动转矩和启动电流的问题。限于篇幅，文中主要讨论水泵行业客户在选择水泵用变频电机时的原因。本文将从三个角度列举常见的原因。

1.1 从简化系统，统一泵和电机尺寸的角度

泵的作用就是满足用户流量和扬程的需要。当同一个用户需要不同流量和扬程时，我们可以选择用不同的泵满足不同的流量和扬程。也可以选用相同的泵，根据需要并联使用，或者利用变频器的调速能力使相同的泵满足不同的流量和扬程。对不同方案的比较，就可以得出是否使用变频器的结论。

假设有一个系统，需要分别在以下流量和扬程长时间运行。

最大流量：2 000 m3/h(60 m)；

平均流量：1 000 m3/h(30 m)；

最小流量：500 m3/h(15 m)。

为了满足要求，有以下三种方案：

(1)选用三种不同型号的泵，分别满足上述三种流量和对应的扬程，此方案的优缺点如下。

优点：每个泵都会根据所需流量和扬程设计，工程师会使每个泵的最高效率点落在额定点。

缺点：泵的尺寸和电机尺寸变化，使系统变得复杂，采购成本急剧上升，而且不同电机不具备互换性。如果客户对不间断运行要求高，需要每个型号备一台电机，又间接导致采购成本上升。

(2)选用相同型号的泵，500 m3/h(60 m)四台，不使用变频器，此方案的优缺点如下。

优点：较第一种方法采购成本低。电机间具备可换性，可以不买备机或者只买一台备机。

缺点：虽然能在四台电机同时使用时满足2 000 m3/h(60 m)的要求，但是在客户需要500 m3/h(15 m)时，按500 m3/h(60 m)设计的水泵，产生的流量远高于需求的500 m3/h。不仅造成水量的浪费，而且运行点的效率会很差，浪费电能。同时，运行点有可能会落在水泵的推荐运行范围之外，从而急剧缩短水泵寿命。

(3)选相同型号的泵，500 m3/h(60 m)四台，使用变频器。通过减速，使得水泵在满足500 m3/h(15 m)时，依然保持高效率。此方案的优缺点如下。

优点：较第一种方案采购成本低，较第二种方案效率高，保证水泵寿命。

缺点：需要额外变频器采购成本。

综上所述，第三种方法是最好的。较第一种方案，可以简化系统，较第二种方案，可以提高电机效率，保证水泵寿命。

1.2 从电机启动的角度

因为电网要求，用户一般对电机启动电流有要求，常见的降低鼠笼电机启动电流的方法如下。

1.2.1 降压启动+闭阀启动

降压启动包括自偶变压器启动(Auto transformer start)、电容器启动(Capacitor start)、软启动器启动(Soft starters)(大部分的软启动器只调节电压，不调节频率)、星角接启动(Star-Delta (Y/D)starting)和电抗器启动(Reactor start)等。这种启动方式简单可靠，成本低。但是，降压启动方式的缺点也很明显，其缺点主要有：

(1)电机转矩和电压的二次方成正比，所以降压启动一般需要水泵闭阀启动来降低启动时的负载转矩。对不能闭阀启动的水泵，降压启动对启动电流的影响很有限。

(2)受限于电机温升或转子电密等因素，很多时候，即使空载启动，启动电流也达不到变频器的效果。

(3)一般会使用合金铜转子，高电阻率的转子会降低电机效率。

(4)一般会使用更长的铁心甚至更大的中心高来增大启动电抗或保证电机温升，同时导致电机尺寸和成本上升。

1.2.2 变频器启动

变频启动与降压启动相比，有如下优势：

(1)不需要闭阀启动。

(2)启动电流倍数可以控制到1倍的额定电流左右。

(3)不需要改变转子设计，效率更高。

(4)不需要改变铁心长度和中心高，电机成本低。

变频器启动需要额外采购变频器。如果启动后依然由变频器供电，而且电机不需要变速运行，则会降低系统效率，因为变频器本身有能耗。

一般情况下，客户不会选择变频器启动，因为变频器购买成本高。随着近些年来变频器价格日益走低，尤其是当电机功率大，而且为了满足启动电流需要选择大一档中心高电机的时候，越来越多的客户会选择变频器启动。对于只用来启动的电动机，客户会加装一套转换装置，使得电机变频启动，工频运行，从而避开的由变频器引起的系统效率降低的问题。

1.3 从提高效率角度

如果某水泵机组，不存在简化系统问题，比如只有一台电机，也不存在启动问题，即直启时就能满足启动电流的要求，那么剩下的就是运行时的效率问题。

1.3.1 系统效率

对于效率，应该考虑整个系统的效率，而不仅仅是泵，电机或变频器，单个设备的效率。

由图1水泵效率曲线可以看出，水泵的效率会随流量和负载点的变化而变化。不同的扬程，不同的流量，对应的效率是不同的。水泵设计时都会把额定点设计在最高效率点附近(BEP，best efficiency point)。工作点离最高效率点越远，效率越低。

图1 水泵效率曲线

由图2电机效率曲线可以看出，电机的效率随工作点的变化而变化。一般来说负载和转速越低，效率越低。

图2 电机效率曲线

由图3变频器效率曲线可以看出，变频器的效率不仅和工作点有关，而且和负载类型有关。一般来说，转速越低效率越低，负载越低效率越低。

图3 变频器效率曲线

因此，系统效率是由泵、电机、变频器效率共同决定的。系统效率可以表述为下方公式：

系统效率=泵效率×电机效率×变频器效率

和钢铁行业不同，钢铁行业使用变频器主要是为了控制转矩，水行业中变频器的应用主要是为了节省电费。这往往会造成一种错觉，变频器可以提高效率。其实不然，如果客户对流量和扬程的要求只有一个工作点，那么加入变频器，反而会降低整个系统的效率，因为变频器本身有能耗，它自身的效率肯定低于100%。和其他变频器的应用一样，变频和效率没有直接关系，和变频器有直接关系的是控制。只有当客户要求水泵有多个工作点的时候，才需要控制频率，变频器也才有用武之地。只有一个工作点，使用变频器，只会带来额外的费用。

1.3.2 通过控制提高系统效率

由上一章可知，如果负载工作点恒定，加入变频器反而会降低系统效率。但水行业中的大部分应用，工作点都不是恒定的，这样就可以通过控制来提高效率。以水行业中的取水泵为例，水泵的实际扬程会根据水平面的起伏而变化。无论河水还是海水，水平面的高度在不同时间是不一样的，如图4所示，水泵是按扬程最大点(A点)，即水平面最低点设计的。当水平面上升，实际需要的扬程和流量为B点。水泵消耗的能量等于流量乘以扬程，即图中工作点对应流量和扬程所组成的矩形面积。如果客户需要的扬程低(B点)，而电机依然在额定点运行(A点)，图中A点对应的矩形面积与B点对应的矩形面积之差，就是浪费的能量(功率)，再乘以运行时间和电费单价，就可以得到浪费的电费。如果通过控制，把运行点从A点调整到B点，就可以节省出相应的电费。

图4 水泵的设计运行点(A)和实际负载点(B)

1.3.3 控制方法

改变水泵的工作点，控制方法有很多，除了变频器，还可以通过调整水泵叶轮或增加阀门来达到控制的目的。

(1)通过调整水泵叶轮，改变水泵曲线

图5为不同叶轮所对应的不同水泵曲线。这种控制方法不用额外购买变频器。但是，却有如下缺点：

图5 不同叶轮所对应的不同水泵曲线

(a)水泵制造完成后，对叶轮的改造非常有限，水泵曲线的变化有限，节省的能量也很有限。所以常常需要其他改变管阻曲线的方法去配合，比如调整阀门。

(b)叶轮改造是不可逆的，将失去增大流量的能力。

(c)水泵效率会降低，电机效率也会降低，因为电机是按照之前额定功率设计的，负载功率降低会减低电机效率。

(2)增加阀门，改变水泵曲线

通过调整阀门，增大流量和增大扬程，来改变水泵曲线。图6是调整阀门增大流量水泵曲线，图7是调整阀门增大扬程水泵曲线。这种控制方法优点是操作简单，且大幅调节，过程可逆。其缺点如下：

图6 调整阀门增大流量水泵曲线

图7 调整阀门增大扬程水泵曲线

(a)调节后的工作点往往只能满足流量或扬程中的一个值，与客户需要的额定点相同，造成能量浪费。

(b)改变电机额定工作点，降低电机和水泵的效率。

(3)通过调速(变频器)改变泵曲线

图8是变频器调速水泵曲线。通过调速(变频器)改变泵，其优点如下：

(a)操作简单。

(b)可以根据客户要求改变工作点，是所有方法中最高效的，回报也是最高的。

(c)设计泵时可以根据最大流量设计。

(d)可以通过调速使电机和水泵的效率保持较高水平。

图8 变频器调速水泵曲线

此控制方法缺点也是显而易见的，首先，变频器价格昂贵，一般是电机价格的两到三倍；其次需要对变频器支付额外的维护成本。

2 从投入和回报的角度考虑是否使用变频器

综上所述，客户使用变频器的原因主要有三种。分别是简化系统，电机启动和提高效率。作为电机厂商，搞清楚客户使用变频器的原因，并从投入和回报的角度分析得失，可以帮助客户在是否使用变频器的问题上做出合适的决定。

2.1 简化系统

就上文分析，在这种情况下，使用变频器(方案三)是投入最少，产出最多的。选用三种不同型号的泵(方案一)，需要客户购买不同基座的电机和相应的备机，前期购买和后期维护费用很高。而在不使用变频器的情况下，选用相同型号的泵(方案二)，会降低泵的效率，影响泵的使用寿命，从而增加使用和维护费用。所以长期看，变频器是最优方案，符合客户的长期利益。

2.2 电机启动

对于水泵这种二次方负载，降压启动(方案一)一般是最经济的选择。因为软启动器，诸如自偶变压器等降压启动设备的成本，较变频器要便宜的多。降压启动会同时降低电机转矩曲线，往往需要水泵闭阀启动，从而得到更低的负载曲线。当水泵本身不具备闭阀启动功能时，降压启动往往达不到降低启动电流的效果，甚至会影响电机正常启动。这种情况下，往往需要从电机设计入手，加长铁心或增大中心高来满足启动要求。这种大中心高电机加软启动的组合，会造成设备成本直线上升。随着近年来变频器价格的降低，客户也可以选择小中心高电机加变频器的组合。有时，后者要比大中心高和软启动器的组合性价比更高。

2.3 提高效率

就上文所述，如果电机只有一个工作点，增加变频器不仅不能提高效率，反而会降低系统效率。

如果电机有多个工作点，是否就一定需要变频器呢？也不一定，需要工程师计算收回成本的时间，然后客户根据自己生产线的寿命做出判断。比如客户生产线的寿命是五年，而收回成本需要六年，那么使用变频器显然是不经济的。设计院和变频器厂家一般会提供相关计算。

考虑到系统节能，国家也有相应标准。根据我国水泵、风机负载应用变频调速的实践经验，为了合理有效的应用变频调速技术，国家标准GB/T 21056—2007《风机、泵类负载变频调节传动系统及其应用技术条件》中规定了技术要求和应用条件[3]。应用条件如下：

(1)泵类、风机的运行工况点偏离高效区。

(2)压力流量变化幅度较大、运行时间长的系统。

2.1中低流量变化类型的风机、泵类负载，全流量间歇类型的风机、泵类负载，运行工况点应符合下列要求：

(a)流量变化幅度≥30%，变化工况时间率≥40%，年总运行时间≥3 000 h。

(b)流量变化幅度≥20%，变化工况时间率≥30%，年总运行时间≥4 000 h。

(c)流量变化幅度≥10%，变化工况时间率≥30%，年总运行时间≥5 000 h。

2.2中流量在额定流量的90%以上变化时，风机、泵类负载不宜用变频调速装置。

(3)使用挡板、阀门节流及旁通分流等方法调节流量的系统。

3 结语

近年来随着变频器成本的降低，越来越多的应用都会有变频要求。作为电机工程师，我们有必要弄清楚客户使用变频器的原因，这样可以更好的指导我们对电机的设计，避免对时间和金钱不必要的浪费。