淺析水泵應用中變頻電機的選擇

史偉棟

(1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院；2.ABB高壓電機有限公司，上海 200240)

0 引言

泵是一種通用機械，種類甚多，應用極廣，在國民經濟各部門中，凡是有液體的地方就有泵在工作。其主要應用范圍是：農田灌溉，石油化工，動力工業(yè)，城市給排水，采礦和船舶工業(yè)等[1-2]。在我國，由于泵的用戶多，用量大，使用情況千差萬別。大多數情況下，由設計院設計的系統，選材都比較合理，結合變頻器，泵的經濟技術指標比較高，節(jié)能效果比較好。但也有客戶不經過設計院，自己設計采購，因不理解具體工況，做出錯誤判斷，使得在需要變頻器的情況下沒有使用變頻器，或在不需要使用變頻的情況下增加變頻器，造成了整個系統對能源的浪費。

1 客戶選擇變頻電機的主要原因

變頻電機的核心是控制。變頻器和電機制造廠商需要根據客戶的需要，控制電機的轉速和轉矩等參數。目前，基本所有行業(yè)都有變頻電機的應用。常見的如鋼鐵行業(yè)的卷曲機，火電行業(yè)的磨煤機，石化行業(yè)的擠壓機，船舶行業(yè)的推進器。不同的行業(yè)不同的電機，使用變頻器的目的是不一樣的，但相同點都是落到控制上，以控制為手段達到不同的目的。比如鋼廠的卷取機會根據實際工況將轉速范圍分為恒轉矩和恒功率兩部分。火電廠磨煤機主要是通過變頻電機解決啟動轉矩和啟動電流的問題。限于篇幅，文中主要討論水泵行業(yè)客戶在選擇水泵用變頻電機時的原因。本文將從三個角度列舉常見的原因。

1.1 從簡化系統，統一泵和電機尺寸的角度

泵的作用就是滿足用戶流量和揚程的需要。當同一個用戶需要不同流量和揚程時，我們可以選擇用不同的泵滿足不同的流量和揚程。也可以選用相同的泵，根據需要并聯使用，或者利用變頻器的調速能力使相同的泵滿足不同的流量和揚程。對不同方案的比較，就可以得出是否使用變頻器的結論。

假設有一個系統，需要分別在以下流量和揚程長時間運行。

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)。

為了滿足要求，有以下三種方案：

(1)選用三種不同型號的泵，分別滿足上述三種流量和對應的揚程，此方案的優(yōu)缺點如下。

優(yōu)點：每個泵都會根據所需流量和揚程設計，工程師會使每個泵的最高效率點落在額定點。

缺點：泵的尺寸和電機尺寸變化，使系統變得復雜，采購成本急劇上升，而且不同電機不具備互換性。如果客戶對不間斷運行要求高，需要每個型號備一臺電機，又間接導致采購成本上升。

(2)選用相同型號的泵，500 m3/h(60 m)四臺，不使用變頻器，此方案的優(yōu)缺點如下。

優(yōu)點：較第一種方法采購成本低。電機間具備可換性，可以不買備機或者只買一臺備機。

缺點：雖然能在四臺電機同時使用時滿足2 000 m3/h(60 m)的要求，但是在客戶需要500 m3/h(15 m)時，按500 m3/h(60 m)設計的水泵，產生的流量遠高于需求的500 m3/h。不僅造成水量的浪費，而且運行點的效率會很差，浪費電能。同時，運行點有可能會落在水泵的推薦運行范圍之外，從而急劇縮短水泵壽命。

(3)選相同型號的泵，500 m3/h(60 m)四臺，使用變頻器。通過減速，使得水泵在滿足500 m3/h(15 m)時，依然保持高效率。此方案的優(yōu)缺點如下。

優(yōu)點：較第一種方案采購成本低，較第二種方案效率高，保證水泵壽命。

缺點：需要額外變頻器采購成本。

綜上所述，第三種方法是最好的。較第一種方案，可以簡化系統，較第二種方案，可以提高電機效率，保證水泵壽命。

1.2 從電機啟動的角度

因為電網要求，用戶一般對電機啟動電流有要求，常見的降低鼠籠電機啟動電流的方法如下。

1.2.1 降壓啟動+閉閥啟動

降壓啟動包括自偶變壓器啟動(Auto transformer start)、電容器啟動(Capacitor start)、軟啟動器啟動(Soft starters)(大部分的軟啟動器只調節(jié)電壓，不調節(jié)頻率)、星角接啟動(Star-Delta (Y/D)starting)和電抗器啟動(Reactor start)等。這種啟動方式簡單可靠，成本低。但是，降壓啟動方式的缺點也很明顯，其缺點主要有：

(1)電機轉矩和電壓的二次方成正比，所以降壓啟動一般需要水泵閉閥啟動來降低啟動時的負載轉矩。對不能閉閥啟動的水泵，降壓啟動對啟動電流的影響很有限。

(2)受限于電機溫升或轉子電密等因素，很多時候，即使空載啟動，啟動電流也達不到變頻器的效果。

(3)一般會使用合金銅轉子，高電阻率的轉子會降低電機效率。

(4)一般會使用更長的鐵心甚至更大的中心高來增大啟動電抗或保證電機溫升，同時導致電機尺寸和成本上升。

1.2.2 變頻器啟動

變頻啟動與降壓啟動相比，有如下優(yōu)勢：

(1)不需要閉閥啟動。

(2)啟動電流倍數可以控制到1倍的額定電流左右。

(3)不需要改變轉子設計，效率更高。

(4)不需要改變鐵心長度和中心高，電機成本低。

變頻器啟動需要額外采購變頻器。如果啟動后依然由變頻器供電，而且電機不需要變速運行，則會降低系統效率，因為變頻器本身有能耗。

一般情況下，客戶不會選擇變頻器啟動，因為變頻器購買成本高。隨著近些年來變頻器價格日益走低，尤其是當電機功率大，而且為了滿足啟動電流需要選擇大一檔中心高電機的時候，越來越多的客戶會選擇變頻器啟動。對于只用來啟動的電動機，客戶會加裝一套轉換裝置，使得電機變頻啟動，工頻運行，從而避開的由變頻器引起的系統效率降低的問題。

1.3 從提高效率角度

如果某水泵機組，不存在簡化系統問題，比如只有一臺電機，也不存在啟動問題，即直啟時就能滿足啟動電流的要求，那么剩下的就是運行時的效率問題。

1.3.1 系統效率

對于效率，應該考慮整個系統的效率，而不僅僅是泵，電機或變頻器，單個設備的效率。

由圖1水泵效率曲線可以看出，水泵的效率會隨流量和負載點的變化而變化。不同的揚程，不同的流量，對應的效率是不同的。水泵設計時都會把額定點設計在最高效率點附近(BEP，best efficiency point)。工作點離最高效率點越遠，效率越低。

圖1 水泵效率曲線

由圖2電機效率曲線可以看出，電機的效率隨工作點的變化而變化。一般來說負載和轉速越低，效率越低。

圖2 電機效率曲線

由圖3變頻器效率曲線可以看出，變頻器的效率不僅和工作點有關，而且和負載類型有關。一般來說，轉速越低效率越低，負載越低效率越低。

圖3 變頻器效率曲線

因此，系統效率是由泵、電機、變頻器效率共同決定的。系統效率可以表述為下方公式：

系統效率=泵效率×電機效率×變頻器效率

和鋼鐵行業(yè)不同，鋼鐵行業(yè)使用變頻器主要是為了控制轉矩，水行業(yè)中變頻器的應用主要是為了節(jié)省電費。這往往會造成一種錯覺，變頻器可以提高效率。其實不然，如果客戶對流量和揚程的要求只有一個工作點，那么加入變頻器，反而會降低整個系統的效率，因為變頻器本身有能耗，它自身的效率肯定低于100%。和其他變頻器的應用一樣，變頻和效率沒有直接關系，和變頻器有直接關系的是控制。只有當客戶要求水泵有多個工作點的時候，才需要控制頻率，變頻器也才有用武之地。只有一個工作點，使用變頻器，只會帶來額外的費用。

1.3.2 通過控制提高系統效率

由上一章可知，如果負載工作點恒定，加入變頻器反而會降低系統效率。但水行業(yè)中的大部分應用，工作點都不是恒定的，這樣就可以通過控制來提高效率。以水行業(yè)中的取水泵為例，水泵的實際揚程會根據水平面的起伏而變化。無論河水還是海水，水平面的高度在不同時間是不一樣的，如圖4所示，水泵是按揚程最大點(A點)，即水平面最低點設計的。當水平面上升，實際需要的揚程和流量為B點。水泵消耗的能量等于流量乘以揚程，即圖中工作點對應流量和揚程所組成的矩形面積。如果客戶需要的揚程低(B點)，而電機依然在額定點運行(A點)，圖中A點對應的矩形面積與B點對應的矩形面積之差，就是浪費的能量(功率)，再乘以運行時間和電費單價，就可以得到浪費的電費。如果通過控制，把運行點從A點調整到B點，就可以節(jié)省出相應的電費。

圖4 水泵的設計運行點(A)和實際負載點(B)

1.3.3 控制方法

改變水泵的工作點，控制方法有很多，除了變頻器，還可以通過調整水泵葉輪或增加閥門來達到控制的目的。

(1)通過調整水泵葉輪，改變水泵曲線

圖5為不同葉輪所對應的不同水泵曲線。這種控制方法不用額外購買變頻器。但是，卻有如下缺點：

圖5 不同葉輪所對應的不同水泵曲線

(a)水泵制造完成后，對葉輪的改造非常有限，水泵曲線的變化有限，節(jié)省的能量也很有限。所以常常需要其他改變管阻曲線的方法去配合，比如調整閥門。

(b)葉輪改造是不可逆的，將失去增大流量的能力。

(c)水泵效率會降低，電機效率也會降低，因為電機是按照之前額定功率設計的，負載功率降低會減低電機效率。

(2)增加閥門，改變水泵曲線

通過調整閥門，增大流量和增大揚程，來改變水泵曲線。圖6是調整閥門增大流量水泵曲線，圖7是調整閥門增大揚程水泵曲線。這種控制方法優(yōu)點是操作簡單，且大幅調節(jié)，過程可逆。其缺點如下：

圖6 調整閥門增大流量水泵曲線

圖7 調整閥門增大揚程水泵曲線

(a)調節(jié)后的工作點往往只能滿足流量或揚程中的一個值，與客戶需要的額定點相同，造成能量浪費。

(b)改變電機額定工作點，降低電機和水泵的效率。

(3)通過調速(變頻器)改變泵曲線

圖8是變頻器調速水泵曲線。通過調速(變頻器)改變泵，其優(yōu)點如下：

(a)操作簡單。

(b)可以根據客戶要求改變工作點，是所有方法中最高效的，回報也是最高的。

(c)設計泵時可以根據最大流量設計。

(d)可以通過調速使電機和水泵的效率保持較高水平。

圖8 變頻器調速水泵曲線

此控制方法缺點也是顯而易見的，首先，變頻器價格昂貴，一般是電機價格的兩到三倍；其次需要對變頻器支付額外的維護成本。

2 從投入和回報的角度考慮是否使用變頻器

綜上所述，客戶使用變頻器的原因主要有三種。分別是簡化系統，電機啟動和提高效率。作為電機廠商，搞清楚客戶使用變頻器的原因，并從投入和回報的角度分析得失，可以幫助客戶在是否使用變頻器的問題上做出合適的決定。

2.1 簡化系統

就上文分析，在這種情況下，使用變頻器(方案三)是投入最少，產出最多的。選用三種不同型號的泵(方案一)，需要客戶購買不同基座的電機和相應的備機，前期購買和后期維護費用很高。而在不使用變頻器的情況下，選用相同型號的泵(方案二)，會降低泵的效率，影響泵的使用壽命，從而增加使用和維護費用。所以長期看，變頻器是最優(yōu)方案，符合客戶的長期利益。

2.2 電機啟動

對于水泵這種二次方負載，降壓啟動(方案一)一般是最經濟的選擇。因為軟啟動器，諸如自偶變壓器等降壓啟動設備的成本，較變頻器要便宜的多。降壓啟動會同時降低電機轉矩曲線，往往需要水泵閉閥啟動，從而得到更低的負載曲線。當水泵本身不具備閉閥啟動功能時，降壓啟動往往達不到降低啟動電流的效果，甚至會影響電機正常啟動。這種情況下，往往需要從電機設計入手，加長鐵心或增大中心高來滿足啟動要求。這種大中心高電機加軟啟動的組合，會造成設備成本直線上升。隨著近年來變頻器價格的降低，客戶也可以選擇小中心高電機加變頻器的組合。有時，后者要比大中心高和軟啟動器的組合性價比更高。

2.3 提高效率

就上文所述，如果電機只有一個工作點，增加變頻器不僅不能提高效率，反而會降低系統效率。

如果電機有多個工作點，是否就一定需要變頻器呢？也不一定，需要工程師計算收回成本的時間，然后客戶根據自己生產線的壽命做出判斷。比如客戶生產線的壽命是五年，而收回成本需要六年，那么使用變頻器顯然是不經濟的。設計院和變頻器廠家一般會提供相關計算。

考慮到系統節(jié)能，國家也有相應標準。根據我國水泵、風機負載應用變頻調速的實踐經驗，為了合理有效的應用變頻調速技術，國家標準GB/T 21056—2007《風機、泵類負載變頻調節(jié)傳動系統及其應用技術條件》中規(guī)定了技術要求和應用條件[3]。應用條件如下：

(1)泵類、風機的運行工況點偏離高效區(qū)。

(2)壓力流量變化幅度較大、運行時間長的系統。

2.1中低流量變化類型的風機、泵類負載，全流量間歇類型的風機、泵類負載，運行工況點應符合下列要求：

(a)流量變化幅度≥30%，變化工況時間率≥40%，年總運行時間≥3 000 h。

(b)流量變化幅度≥20%，變化工況時間率≥30%，年總運行時間≥4 000 h。

(c)流量變化幅度≥10%，變化工況時間率≥30%，年總運行時間≥5 000 h。

2.2中流量在額定流量的90%以上變化時，風機、泵類負載不宜用變頻調速裝置。

(3)使用擋板、閥門節(jié)流及旁通分流等方法調節(jié)流量的系統。

3 結語

近年來隨著變頻器成本的降低，越來越多的應用都會有變頻要求。作為電機工程師，我們有必要弄清楚客戶使用變頻器的原因，這樣可以更好的指導我們對電機的設計，避免對時間和金錢不必要的浪費。