水泵电机变频节能改造和节能探讨

张随军

（甘肃省景泰川电力提灌管理局，甘肃景泰730400）

1 水泵电机及变频器简述

水泵电机英文读作“pump motor”，按结构分类可分为卧式电机与立式电机2大类。水泵因自身工作的特性，启动力矩相对较小，启动的频次也相对较少，但其连续运行的时间相对较长。因此，当前我国的水泵电机大多数都是鼠笼转子型的异步电动机与同步电动机（见图1）。在实际生活中，水泵电机已经广泛应用在不同领域中，除了在易燃、易爆或腐蚀性气体的场合之外，在运输、混合、印刷、农业机械和视频处理机中具有广泛的应用。此外，在机床、泵类、鼓风机、压缩机等配套设备中也具有广泛的应用。

在实际生活中，水泵电机是动力耗费的大户。据我国通用机械工业协会统计计算的结果显示，泵耗电量约占全国发电量的20%左右[1]。因此，泵功率晋升对于我国施行的节能减排具有重大的现实意义。在实际生活中，水泵电机的节能减排有2种方式：2010年6月2日，财政部和国家发改委联合出台了《关于印发节能产品惠民工程高效电机推广实施细则的通知》，将高效电机纳入节能产品惠民工程实施范围，采取财政补贴方式进行推广。因此，第一种电机节能方式就是研制高效的电机；而第二种节能减排方式则是采用变频调速技术。本文针对水泵电机的变频节能改造进行探讨。

变频器也叫节能器，是一种频率转换器，其内部采用了高效能微机处理技术，能检测出负载的各种变化情况，从而有效控制电机转矩、电流、电压和频率，为电机提供全方位的保护[2]。

2 水泵电机功率的计算

水泵电机的功率计算公式：

式中，P是功率，单位是W；ρ为水的密度，ρ=1 000 kg/m3；g是重力加速度，g=9.8 m/s2；Q是水流量，单位为m3/s；H是水泵的扬程，单位为m；n1是水泵的效率；n2是电机效率。

在实际应用中，水泵电机的转速与电源的频率有着固定的比率关系，为了改变水泵电机的转速，首先必须改变电源的频率。而变频器就是一种频率转换器，可以将交流电转变成直流电，然后再通过斩波转换成频率、电压可变的交流电。频率越高，电机的转速就越高，实际输出的功率就越大[3]。其转换关系：

式中，n是电动机的转速；f是电动机的频率；S是电动机转差率；P是电动机极对数。

根据转换关系式可以得出这样的结论：通过改变电动机定子绕组的电源频率f，就可以改变电动机的同步转速，这样一来，就能有效改变交流电动机的转速，从而提高电动机的运转效率。当频率f的值在0～50 Hz的范围内变化时，该电动机的转速调节范围会变得非常宽。根据大量的现场试验，当前我国市面上的水泵电机在市电条件下运行，实际消耗的总功率大约是电机额定功率的60%～80%[4]。

3 水泵电机变频改造方案和实施

离心泵是当前我国应用最广泛的一种泵类设备，在工农业生产和居民生活的各个场合中发挥着重要的液体输送作用，也是一种能量消耗极大的泵类设备。在一般的应用场合，离心泵输送的液体流量不是恒定不变的，而是随着用水端实际的用水需求变动而发生着动态的变化。对于恒定转速工频运行的离心泵来说，只需要操作人员对其出口末端的阀门开度进行调节，改变管道的阻力就可以有效调节流量，但这种调节方式会因为阀门的阻力存在导致出现一定的能量浪费，同时也会导致离心泵与其最佳的运转效率发生偏离，从而影响到该离心泵运行的稳定性。当前采用变频调节的节能改造方案，往往都是改变离心泵运行的转速来实现对液体输送流量的调节，最终实现节能降耗的目的。但现有的离心泵变频节能改造技术对于泵性能曲线及管道阻力曲线等信息的准确性具有极高的要求，而且需要专业人员具备较高的技术与经验，不仅费时费力，同时还缺乏通用性和客观性。

本设计按相等的时间间隔收集离心泵流量值及其对应的电机电流的数据，然后将收集到数据按照最小值到最大值进行划分，并统计每组数据的频率，计算出工频运行阶段电机电流加权的均值，最后计算出变频运行后电机电流加权的均值，然后比较电机电流加权均值中的最小值，计算得到离心泵从原来的工频运行改为变频运行可获得的最高节电率估算值，然后就可以一直保持出口阀门的开度不变，使离心泵切换到变频工况条件运行，自动调节离心泵的转速以满足动态变化的流量需求。

4 节能分析

在对企业水泵电机进行改造之前，启动时需要提前将水灌注在泵壳和吸水管道当中，保持灌满的状态，然后驱动电机，使叶轮高速旋转运动，水受到离心力作用被甩出叶轮，叶轮中心形成负压，吸水池中水在大气压作用下进入叶轮，又受到高速旋转的叶轮作用，被甩出叶轮进入压水管道。这种启动方式对电力能源的要求较高，同时对于电机的使用寿命也具有一定的影响[5]。通过变频节能改造，利用逆变器的柔软性。在原先的生产中，为了保证正常的生产运行，促使整个循环水系统能够基本达到平衡，需要值班人员24 h监控其运行状态，当发现液位计显示的水量不平衡时，值班人员必须通过离心水泵的出口阀门及时调节水量，这种人工调节的方法对于流量的调节计算精确度不高，无法真正满足企业正常的生产需求，并且还经常导致水泵的轴承和机封经常出现损坏的现象，出口阀门使用的寿命也比较短暂，需要经常更换，不但加大了操作人员的劳动量，同时也造成了较多的资金浪费。通过对其进行变频节能改造，通过变频控制水泵电机转速的方式来对水流量进行调节，是一个十分有效的节能降耗方法。实践证明，水泵电机经过变频节能改造后，整个系统运行效率获得了提升，同时对电能的消耗量节约了20%～40%。因此，本设计对于水泵电机变频节能改造是成功的，值得推广使用。

5 结束语

水泵电机是当前我国使用较广的一种设备，对水泵电机进行变频节能改造，提高其运行的效率，降低其电能消耗，对于我国资源节约型社会的构建具有十分重要的意义。