張隨軍

（甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅景泰730400）

1 水泵電機(jī)及變頻器簡(jiǎn)述

水泵電機(jī)英文讀作“pump motor”，按結(jié)構(gòu)分類可分為臥式電機(jī)與立式電機(jī)2大類。水泵因自身工作的特性，啟動(dòng)力矩相對(duì)較小，啟動(dòng)的頻次也相對(duì)較少，但其連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。因此，當(dāng)前我國(guó)的水泵電機(jī)大多數(shù)都是鼠籠轉(zhuǎn)子型的異步電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)（見圖1）。在實(shí)際生活中，水泵電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域中，除了在易燃、易爆或腐蝕性氣體的場(chǎng)合之外，在運(yùn)輸、混合、印刷、農(nóng)業(yè)機(jī)械和視頻處理機(jī)中具有廣泛的應(yīng)用。此外，在機(jī)床、泵類、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等配套設(shè)備中也具有廣泛的應(yīng)用。

在實(shí)際生活中，水泵電機(jī)是動(dòng)力耗費(fèi)的大戶。據(jù)我國(guó)通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果顯示，泵耗電量約占全國(guó)發(fā)電量的20%左右[1]。因此，泵功率晉升對(duì)于我國(guó)施行的節(jié)能減排具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。在實(shí)際生活中，水泵電機(jī)的節(jié)能減排有2種方式：2010年6月2日，財(cái)政部和國(guó)家發(fā)改委聯(lián)合出臺(tái)了《關(guān)于印發(fā)節(jié)能產(chǎn)品惠民工程高效電機(jī)推廣實(shí)施細(xì)則的通知》，將高效電機(jī)納入節(jié)能產(chǎn)品惠民工程實(shí)施范圍，采取財(cái)政補(bǔ)貼方式進(jìn)行推廣。因此，第一種電機(jī)節(jié)能方式就是研制高效的電機(jī)；而第二種節(jié)能減排方式則是采用變頻調(diào)速技術(shù)。本文針對(duì)水泵電機(jī)的變頻節(jié)能改造進(jìn)行探討。

變頻器也叫節(jié)能器，是一種頻率轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部采用了高效能微機(jī)處理技術(shù)，能檢測(cè)出負(fù)載的各種變化情況，從而有效控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流、電壓和頻率，為電機(jī)提供全方位的保護(hù)[2]。

2 水泵電機(jī)功率的計(jì)算

水泵電機(jī)的功率計(jì)算公式：

式中，P是功率，單位是W；ρ為水的密度，ρ=1 000 kg/m3；g是重力加速度，g=9.8 m/s2；Q是水流量，單位為m3/s；H是水泵的揚(yáng)程，單位為m；n1是水泵的效率；n2是電機(jī)效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的頻率有著固定的比率關(guān)系，為了改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，首先必須改變電源的頻率。而變頻器就是一種頻率轉(zhuǎn)換器，可以將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，然后再通過斬波轉(zhuǎn)換成頻率、電壓可變的交流電。頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越高，實(shí)際輸出的功率就越大[3]。其轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式中，n是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f是電動(dòng)機(jī)的頻率；S是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；P是電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系式可以得出這樣的結(jié)論：通過改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源頻率f，就可以改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，這樣一來，就能有效改變交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。當(dāng)頻率f的值在0～50 Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍會(huì)變得非常寬。根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)前我國(guó)市面上的水泵電機(jī)在市電條件下運(yùn)行，實(shí)際消耗的總功率大約是電機(jī)額定功率的60%～80%[4]。

3 水泵電機(jī)變頻改造方案和實(shí)施

離心泵是當(dāng)前我國(guó)應(yīng)用最廣泛的一種泵類設(shè)備，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活的各個(gè)場(chǎng)合中發(fā)揮著重要的液體輸送作用，也是一種能量消耗極大的泵類設(shè)備。在一般的應(yīng)用場(chǎng)合，離心泵輸送的液體流量不是恒定不變的，而是隨著用水端實(shí)際的用水需求變動(dòng)而發(fā)生著動(dòng)態(tài)的變化。對(duì)于恒定轉(zhuǎn)速工頻運(yùn)行的離心泵來說，只需要操作人員對(duì)其出口末端的閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變管道的阻力就可以有效調(diào)節(jié)流量，但這種調(diào)節(jié)方式會(huì)因?yàn)殚y門的阻力存在導(dǎo)致出現(xiàn)一定的能量浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致離心泵與其最佳的運(yùn)轉(zhuǎn)效率發(fā)生偏離，從而影響到該離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)前采用變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能改造方案，往往都是改變離心泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)液體輸送流量的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。但現(xiàn)有的離心泵變頻節(jié)能改造技術(shù)對(duì)于泵性能曲線及管道阻力曲線等信息的準(zhǔn)確性具有極高的要求，而且需要專業(yè)人員具備較高的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)還缺乏通用性和客觀性。

本設(shè)計(jì)按相等的時(shí)間間隔收集離心泵流量值及其對(duì)應(yīng)的電機(jī)電流的數(shù)據(jù)，然后將收集到數(shù)據(jù)按照最小值到最大值進(jìn)行劃分，并統(tǒng)計(jì)每組數(shù)據(jù)的頻率，計(jì)算出工頻運(yùn)行階段電機(jī)電流加權(quán)的均值，最后計(jì)算出變頻運(yùn)行后電機(jī)電流加權(quán)的均值，然后比較電機(jī)電流加權(quán)均值中的最小值，計(jì)算得到離心泵從原來的工頻運(yùn)行改為變頻運(yùn)行可獲得的最高節(jié)電率估算值，然后就可以一直保持出口閥門的開度不變，使離心泵切換到變頻工況條件運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速以滿足動(dòng)態(tài)變化的流量需求。

4 節(jié)能分析

在對(duì)企業(yè)水泵電機(jī)進(jìn)行改造之前，啟動(dòng)時(shí)需要提前將水灌注在泵殼和吸水管道當(dāng)中，保持灌滿的狀態(tài)，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使葉輪高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水受到離心力作用被甩出葉輪，葉輪中心形成負(fù)壓，吸水池中水在大氣壓作用下進(jìn)入葉輪，又受到高速旋轉(zhuǎn)的葉輪作用，被甩出葉輪進(jìn)入壓水管道。這種啟動(dòng)方式對(duì)電力能源的要求較高，同時(shí)對(duì)于電機(jī)的使用壽命也具有一定的影響[5]。通過變頻節(jié)能改造，利用逆變器的柔軟性。在原先的生產(chǎn)中，為了保證正常的生產(chǎn)運(yùn)行，促使整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)能夠基本達(dá)到平衡，需要值班人員24 h監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)液位計(jì)顯示的水量不平衡時(shí)，值班人員必須通過離心水泵的出口閥門及時(shí)調(diào)節(jié)水量，這種人工調(diào)節(jié)的方法對(duì)于流量的調(diào)節(jié)計(jì)算精確度不高，無法真正滿足企業(yè)正常的生產(chǎn)需求，并且還經(jīng)常導(dǎo)致水泵的軸承和機(jī)封經(jīng)常出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，出口閥門使用的壽命也比較短暫，需要經(jīng)常更換，不但加大了操作人員的勞動(dòng)量，同時(shí)也造成了較多的資金浪費(fèi)。通過對(duì)其進(jìn)行變頻節(jié)能改造，通過變頻控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式來對(duì)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，是一個(gè)十分有效的節(jié)能降耗方法。實(shí)踐證明，水泵電機(jī)經(jīng)過變頻節(jié)能改造后，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率獲得了提升，同時(shí)對(duì)電能的消耗量節(jié)約了20%～40%。因此，本設(shè)計(jì)對(duì)于水泵電機(jī)變頻節(jié)能改造是成功的，值得推廣使用。

5 結(jié)束語

水泵電機(jī)是當(dāng)前我國(guó)使用較廣的一種設(shè)備，對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造，提高其運(yùn)行的效率，降低其電能消耗，對(duì)于我國(guó)資源節(jié)約型社會(huì)的構(gòu)建具有十分重要的意義。