史偉棟

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

0 引言

泵是一種通用機(jī)械，種類甚多，應(yīng)用極廣，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中，凡是有液體的地方就有泵在工作。其主要應(yīng)用范圍是：農(nóng)田灌溉，石油化工，動(dòng)力工業(yè)，城市給排水，采礦和船舶工業(yè)等[1-2]。在我國(guó)，由于泵的用戶多，用量大，使用情況千差萬別。大多數(shù)情況下，由設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，選材都比較合理，結(jié)合變頻器，泵的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較高，節(jié)能效果比較好。但也有客戶不經(jīng)過設(shè)計(jì)院，自己設(shè)計(jì)采購，因不理解具體工況，做出錯(cuò)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(gè)系統(tǒng)對(duì)能源的浪費(fèi)。

1 客戶選擇變頻電機(jī)的主要原因

變頻電機(jī)的核心是控制。變頻器和電機(jī)制造廠商需要根據(jù)客戶的需要，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。目前，基本所有行業(yè)都有變頻電機(jī)的應(yīng)用。常見的如鋼鐵行業(yè)的卷曲機(jī)，火電行業(yè)的磨煤機(jī)，石化行業(yè)的擠壓機(jī)，船舶行業(yè)的推進(jìn)器。不同的行業(yè)不同的電機(jī)，使用變頻器的目的是不一樣的，但相同點(diǎn)都是落到控制上，以控制為手段達(dá)到不同的目的。比如鋼廠的卷取機(jī)會(huì)根據(jù)實(shí)際工況將轉(zhuǎn)速范圍分為恒轉(zhuǎn)矩和恒功率兩部分。火電廠磨煤機(jī)主要是通過變頻電機(jī)解決啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)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(jī)時(shí)的原因。本文將從三個(gè)角度列舉常見的原因。

1.1 從簡(jiǎn)化系統(tǒng)，統(tǒng)一泵和電機(jī)尺寸的角度

泵的作用就是滿足用戶流量和揚(yáng)程的需要。當(dāng)同一個(gè)用戶需要不同流量和揚(yáng)程時(shí)，我們可以選擇用不同的泵滿足不同的流量和揚(yáng)程。也可以選用相同的泵，根據(jù)需要并聯(lián)使用，或者利用變頻器的調(diào)速能力使相同的泵滿足不同的流量和揚(yáng)程。對(duì)不同方案的比較，就可以得出是否使用變頻器的結(jié)論。

假設(shè)有一個(gè)系統(tǒng)，需要分別在以下流量和揚(yáng)程長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(hào)的泵，分別滿足上述三種流量和對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，此方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)泵都會(huì)根據(jù)所需流量和揚(yáng)程設(shè)計(jì)，工程師會(huì)使每個(gè)泵的最高效率點(diǎn)落在額定點(diǎn)。

缺點(diǎn)：泵的尺寸和電機(jī)尺寸變化，使系統(tǒng)變得復(fù)雜，采購成本急劇上升，而且不同電機(jī)不具備互換性。如果客戶對(duì)不間斷運(yùn)行要求高，需要每個(gè)型號(hào)備一臺(tái)電機(jī)，又間接導(dǎo)致采購成本上升。

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

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

缺點(diǎn)：雖然能在四臺(tái)電機(jī)同時(shí)使用時(shí)滿足2 000 m3/h(60 m)的要求，但是在客戶需要500 m3/h(15 m)時(shí)，按500 m3/h(60 m)設(shè)計(jì)的水泵，產(chǎn)生的流量遠(yuǎn)高于需求的500 m3/h。不僅造成水量的浪費(fèi)，而且運(yùn)行點(diǎn)的效率會(huì)很差，浪費(fèi)電能。同時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)有可能會(huì)落在水泵的推薦運(yùn)行范圍之外，從而急劇縮短水泵壽命。

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

優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：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(jiǎn)化系統(tǒng)，較第二種方案，可以提高電機(jī)效率，保證水泵壽命。

1.2 從電機(jī)啟動(dòng)的角度

因?yàn)殡娋W(wǎng)要求，用戶一般對(duì)電機(jī)啟動(dòng)電流有要求，常見的降低鼠籠電機(jī)啟動(dòng)電流的方法如下。

1.2.1 降壓?jiǎn)?dòng)+閉閥啟動(dòng)

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

(1)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電壓的二次方成正比，所以降壓?jiǎn)?dòng)一般需要水泵閉閥啟動(dòng)來降低啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。對(duì)不能閉閥啟動(dòng)的水泵，降壓?jiǎn)?dòng)對(duì)啟動(dòng)電流的影響很有限。

(2)受限于電機(jī)溫升或轉(zhuǎn)子電密等因素，很多時(shí)候，即使空載啟動(dòng)，啟動(dòng)電流也達(dá)不到變頻器的效果。

(3)一般會(huì)使用合金銅轉(zhuǎn)子，高電阻率的轉(zhuǎn)子會(huì)降低電機(jī)效率。

(4)一般會(huì)使用更長(zhǎng)的鐵心甚至更大的中心高來增大啟動(dòng)電抗或保證電機(jī)溫升，同時(shí)導(dǎo)致電機(jī)尺寸和成本上升。

1.2.2 變頻器啟動(dòng)

變頻啟動(dòng)與降壓?jiǎn)?dòng)相比，有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)不需要閉閥啟動(dòng)。

(2)啟動(dòng)電流倍數(shù)可以控制到1倍的額定電流左右。

(3)不需要改變轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，效率更高。

(4)不需要改變鐵心長(zhǎng)度和中心高，電機(jī)成本低。

變頻器啟動(dòng)需要額外采購變頻器。如果啟動(dòng)后依然由變頻器供電，而且電機(jī)不需要變速運(yùn)行，則會(huì)降低系統(tǒng)效率，因?yàn)樽冾l器本身有能耗。

一般情況下，客戶不會(huì)選擇變頻器啟動(dòng)，因?yàn)樽冾l器購買成本高。隨著近些年來變頻器價(jià)格日益走低，尤其是當(dāng)電機(jī)功率大，而且為了滿足啟動(dòng)電流需要選擇大一檔中心高電機(jī)的時(shí)候，越來越多的客戶會(huì)選擇變頻器啟動(dòng)。對(duì)于只用來啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，客戶會(huì)加裝一套轉(zhuǎn)換裝置，使得電機(jī)變頻啟動(dòng)，工頻運(yùn)行，從而避開的由變頻器引起的系統(tǒng)效率降低的問題。

1.3 從提高效率角度

如果某水泵機(jī)組，不存在簡(jiǎn)化系統(tǒng)問題，比如只有一臺(tái)電機(jī)，也不存在啟動(dòng)問題，即直啟時(shí)就能滿足啟動(dòng)電流的要求，那么剩下的就是運(yùn)行時(shí)的效率問題。

1.3.1 系統(tǒng)效率

對(duì)于效率，應(yīng)該考慮整個(gè)系統(tǒng)的效率，而不僅僅是泵，電機(jī)或變頻器，單個(gè)設(shè)備的效率。

由圖1水泵效率曲線可以看出，水泵的效率會(huì)隨流量和負(fù)載點(diǎn)的變化而變化。不同的揚(yáng)程，不同的流量，對(duì)應(yīng)的效率是不同的。水泵設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)把額定點(diǎn)設(shè)計(jì)在最高效率點(diǎn)附近(BEP，best efficiency point)。工作點(diǎn)離最高效率點(diǎn)越遠(yuǎn)，效率越低。

圖1 水泵效率曲線

由圖2電機(jī)效率曲線可以看出，電機(jī)的效率隨工作點(diǎn)的變化而變化。一般來說負(fù)載和轉(zhuǎn)速越低，效率越低。

圖2 電機(jī)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(diǎn)有關(guān)，而且和負(fù)載類型有關(guān)。一般來說，轉(zhuǎn)速越低效率越低，負(fù)載越低效率越低。

圖3 變頻器效率曲線

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

系統(tǒng)效率=泵效率×電機(jī)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(zhuǎn)矩，水行業(yè)中變頻器的應(yīng)用主要是為了節(jié)省電費(fèi)。這往往會(huì)造成一種錯(cuò)覺，變頻器可以提高效率。其實(shí)不然，如果客戶對(duì)流量和揚(yáng)程的要求只有一個(gè)工作點(diǎn)，那么加入變頻器，反而會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的效率，因?yàn)樽冾l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(yīng)用一樣，變頻和效率沒有直接關(guān)系，和變頻器有直接關(guān)系的是控制。只有當(dāng)客戶要求水泵有多個(gè)工作點(diǎn)的時(shí)候，才需要控制頻率，變頻器也才有用武之地。只有一個(gè)工作點(diǎn)，使用變頻器，只會(huì)帶來額外的費(fèi)用。

1.3.2 通過控制提高系統(tǒng)效率

由上一章可知，如果負(fù)載工作點(diǎn)恒定，加入變頻器反而會(huì)降低系統(tǒng)效率。但水行業(yè)中的大部分應(yīng)用，工作點(diǎn)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(shí)際揚(yáng)程會(huì)根據(jù)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(shí)間是不一樣的，如圖4所示，水泵是按揚(yáng)程最大點(diǎn)(A點(diǎn))，即水平面最低點(diǎn)設(shè)計(jì)的。當(dāng)水平面上升，實(shí)際需要的揚(yáng)程和流量為B點(diǎn)。水泵消耗的能量等于流量乘以揚(yáng)程，即圖中工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)流量和揚(yáng)程所組成的矩形面積。如果客戶需要的揚(yáng)程低(B點(diǎn))，而電機(jī)依然在額定點(diǎn)運(yùn)行(A點(diǎn))，圖中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的矩形面積與B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的矩形面積之差，就是浪費(fèi)的能量(功率)，再乘以運(yùn)行時(shí)間和電費(fèi)單價(jià)，就可以得到浪費(fèi)的電費(fèi)。如果通過控制，把運(yùn)行點(diǎn)從A點(diǎn)調(diào)整到B點(diǎn)，就可以節(jié)省出相應(yīng)的電費(fèi)。

圖4 水泵的設(shè)計(jì)運(yùn)行點(diǎn)(A)和實(shí)際負(fù)載點(diǎn)(B)

1.3.3 控制方法

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

(1)通過調(diào)整水泵葉輪，改變水泵曲線

圖5為不同葉輪所對(duì)應(yīng)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(diǎn)：

圖5 不同葉輪所對(duì)應(yīng)的不同水泵曲線

(a)水泵制造完成后，對(duì)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(diào)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(huì)降低，電機(jī)效率也會(huì)降低，因?yàn)殡姍C(jī)是按照之前額定功率設(shè)計(jì)的，負(fù)載功率降低會(huì)減低電機(jī)效率。

(2)增加閥門，改變水泵曲線

通過調(diào)整閥門，增大流量和增大揚(yáng)程，來改變水泵曲線。圖6是調(diào)整閥門增大流量水泵曲線，圖7是調(diào)整閥門增大揚(yáng)程水泵曲線。這種控制方法優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，且大幅調(diào)節(jié)，過程可逆。其缺點(diǎn)如下：

圖6 調(diào)整閥門增大流量水泵曲線

圖7 調(diào)整閥門增大揚(yáng)程水泵曲線

(a)調(diào)節(jié)后的工作點(diǎn)往往只能滿足流量或揚(yáng)程中的一個(gè)值，與客戶需要的額定點(diǎn)相同，造成能量浪費(fèi)。

(b)改變電機(jī)額定工作點(diǎn)，降低電機(jī)和水泵的效率。

(3)通過調(diào)速(變頻器)改變泵曲線

圖8是變頻器調(diào)速水泵曲線。通過調(diào)速(變頻器)改變泵，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(a)操作簡(jiǎn)單。

(b)可以根據(jù)客戶要求改變工作點(diǎn)，是所有方法中最高效的，回報(bào)也是最高的。

(c)設(shè)計(jì)泵時(shí)可以根據(jù)最大流量設(shè)計(jì)。

(d)可以通過調(diào)速使電機(jī)和水泵的效率保持較高水平。

圖8 變頻器調(diào)速水泵曲線

此控制方法缺點(diǎn)也是顯而易見的，首先，變頻器價(jià)格昂貴，一般是電機(jī)價(jià)格的兩到三倍；其次需要對(duì)變頻器支付額外的維護(hù)成本。

2 從投入和回報(bào)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(jiǎn)化系統(tǒng)，電機(jī)啟動(dòng)和提高效率。作為電機(jī)廠商，搞清楚客戶使用變頻器的原因，并從投入和回報(bào)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(jiǎn)化系統(tǒng)

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(chǎn)出最多的。選用三種不同型號(hào)的泵(方案一)，需要客戶購買不同基座的電機(jī)和相應(yīng)的備機(jī)，前期購買和后期維護(hù)費(fèi)用很高。而在不使用變頻器的情況下，選用相同型號(hào)的泵(方案二)，會(huì)降低泵的效率，影響泵的使用壽命，從而增加使用和維護(hù)費(fèi)用。所以長(zhǎng)期看，變頻器是最優(yōu)方案，符合客戶的長(zhǎng)期利益。

2.2 電機(jī)啟動(dòng)

對(duì)于水泵這種二次方負(fù)載，降壓?jiǎn)?dòng)(方案一)一般是最經(jīng)濟(jì)的選擇。因?yàn)檐泦?dòng)器，諸如自偶變壓器等降壓?jiǎn)?dòng)設(shè)備的成本，較變頻器要便宜的多。降壓?jiǎn)?dòng)會(huì)同時(shí)降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線，往往需要水泵閉閥啟動(dòng)，從而得到更低的負(fù)載曲線。當(dāng)水泵本身不具備閉閥啟動(dòng)功能時(shí)，降壓?jiǎn)?dòng)往往達(dá)不到降低啟動(dòng)電流的效果，甚至?xí)绊戨姍C(jī)正常啟動(dòng)。這種情況下，往往需要從電機(jī)設(shè)計(jì)入手，加長(zhǎng)鐵心或增大中心高來滿足啟動(dòng)要求。這種大中心高電機(jī)加軟啟動(dòng)的組合，會(huì)造成設(shè)備成本直線上升。隨著近年來變頻器價(jià)格的降低，客戶也可以選擇小中心高電機(jī)加變頻器的組合。有時(shí)，后者要比大中心高和軟啟動(dòng)器的組合性價(jià)比更高。

2.3 提高效率

就上文所述，如果電機(jī)只有一個(gè)工作點(diǎn)，增加變頻器不僅不能提高效率，反而會(huì)降低系統(tǒng)效率。

如果電機(jī)有多個(gè)工作點(diǎn)，是否就一定需要變頻器呢？也不一定，需要工程師計(jì)算收回成本的時(shí)間，然后客戶根據(jù)自己生產(chǎn)線的壽命做出判斷。比如客戶生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)的。設(shè)計(jì)院和變頻器廠家一般會(huì)提供相關(guān)計(jì)算。

考慮到系統(tǒng)節(jié)能，國(guó)家也有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)我國(guó)水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)載應(yīng)用變頻調(diào)速的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為了合理有效的應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21056—2007《風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載變頻調(diào)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)條件》中規(guī)定了技術(shù)要求和應(yīng)用條件[3]。應(yīng)用條件如下：

(1)泵類、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)偏離高效區(qū)。

(2)壓力流量變化幅度較大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的系統(tǒng)。

2.1中低流量變化類型的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，全流量間歇類型的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，運(yùn)行工況點(diǎn)應(yīng)符合下列要求：

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

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

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

2.2中流量在額定流量的90%以上變化時(shí)，風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載不宜用變頻調(diào)速裝置。

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

3 結(jié)語

近年來隨著變頻器成本的降低，越來越多的應(yīng)用都會(huì)有變頻要求。作為電機(jī)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(dǎo)我們對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)，避免對(duì)時(shí)間和金錢不必要的浪費(fèi)。