水泵装置的效率分析及试验研究
山东省建筑设计研究院 刘波 霍亭
哈尔滨工业大学 方修睦
中国市政工程中南设计研究总院有限公司 王磊
摘 要：从理论上以及参考相关文献介绍分析了水泵装置中变频器、电机以及水泵的效率随负载和频率的变化规律。并且通过试验验证了变频器效率及变频水泵装置效率随流量和频率的变化规律。为设计师与工程师评估水泵装置总能耗，寻找节能途径提供了信息。
关键词：变频器；电机；水泵效率
0 引言
据统计测算，2011年，我国电机保有量约17万亿kW，总耗电量约3万亿kW·h，占全社会总用电量的64%，其中工业领域电机总用电量为2.6万亿kW·h，约占工业用电的75%。在大型公共建筑供暖空调电力消耗中，60%~70%由输送和分配冷量热量的风机、水泵所消耗，目前在建筑系统中风机、水泵的电力消耗(包括集中供热系统水泵电耗)占我国城镇建筑运行电耗的10%以上[1-3]，由此可见，电动机、水泵、风机的节能具有十分重要的国家能源战略意义和现实的经济社会效益。随着变频器的广泛应用与节能的需求，将变频器与风机水泵结合的变频调速装置正日益受到关注。
国内众多学者对水泵及电机进行了大量深入的研究，但对变频水泵中变频器及其水泵系统的效率研究不多，且易忽视变频器在实际运行时效率的问题。本文就上述问题进行了介绍分析，以期引起对变频器在空调系统和热网中效率的关注和讨论，同时也为评估空调和热网能耗、寻找节能途径提供信息。
1 水泵装置效率
常规的水泵装置由电机和水泵两部分组成，目前所用的变频水泵，是由水泵、电机及变频器三部分组成的，在文献[4]中将前者称为定速水泵装置，后者称为变频水泵装置。要分析水泵装置的效率，除了要分析装置整体的效率外，不可避免地还要研究水泵、电机、变频器各部分效率与损耗，只有这样，才能对变频水泵装置有一个清晰的认识和正确的判断。定速水泵装置的能量损耗由电机损耗和水泵损耗两部分构成，其效率可以表示为公式（1）；变频水泵装置损耗由变频器损耗、电机损耗、水泵损耗三部分组成，其效率可以表示为公式（2）。
式中：N为由电源提供给变频水泵装置的电量（W）；η1、η2 、ηb 、ηm 、ηVFD分别为定速泵装置效率、变频水泵装置效率、水泵效率、电机效率、变频器效率；H为水泵的扬程（mH2O）；G为水泵流量（m3/s）；ρ为水的密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）。
2 变频器原理、损耗及效率分析
2.1 变频器原理
变频器是把交流工频电源（50Hz或60Hz）变换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子交换装置。变频器通过改变电动机电源频率f，进而改变旋转磁场的转速（同步转速）与电动机输出轴的转速，从而改变与电机相连水泵的转速，这就是水泵调速的原理。异步电动机转速表达式为：
式中：nM、n0分别为异步电动机的转速、电动机同步转速（r/min）；f为异步电动机电源的频率（Hz）；s为电动机转差率（%）；p为电动机磁极对数。
从上式可以看出，通过改变极对数、转差率和频率都可以对异步电机调速。前两种方法转差损耗大，效率低，只能有级调速；而改变频率便可做到对电机的无极调速，当频率f在0~50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器按结构分为交—交变频器和交—直—交变频器，交—交变频器多用于低速大功率系统中，交—直—交变频器多用于高速小容量电机；按直流电源分为电流型和电压型，电流型用于频繁调速、负载电流变化较大的场合，电压型多应用于风机、水泵等；按开关方式分为脉冲幅值调节（PAM）型、脉宽调制方式（PWM）型、高载频PWM型，我们通常使用的通用型变频器为交—直—交PWM电压型变频器。
交—直—交型变频器由整流电路、逆变电路和中间直流电路三部分组成，基本框图如图1所示。
图1 交—直—交变频器电路的基本框图
2.2 变频器的损耗
变频器运行过程也是其内部能量转换的过程，而能量转换一般会伴随着损耗。变频器的损耗由整流损耗、逆变损耗与控制回路损耗三部分组成。其中整流损耗和逆变损耗取决于电力半导体器件的通态损耗和开关损耗，约占总损耗的90%，控制回路损耗约占10%[5]，控制回路的损耗不随变频器容量和负载的变化而变化。
对于小功率的变频器，变频器的损耗占总损耗的比例很小，可以不考虑这一部分损耗；但对于中等及中等以上的变频器，变频器的损耗占总损耗的比例变大，不能予以忽略[6]。文献[7]介绍了变频器供电 100kW 的异步电动机，在额定负载下变频器的损耗与电机的损耗几乎各占一半。Kim等 [8]研究了考虑变频器的损耗对异步电动机效率优化的影响，研究结果表明，考虑变频器、电机损耗与仅考虑电机损耗相比对效率优化控制结果影响并不明显，但考虑变频器损耗对负载扰动具有更好的鲁棒性，山东大学的张承慧[9]等人也从理论分析和实验研究了考虑变频器损耗与电机损耗对异步电动机效率优化的影响，实验和理论分析表明：变频器损耗和电机损耗不影响全变速泵站效率优化的控制决策，但在计算和评估全变速泵站的节能效果时，必须考虑变频器损耗和电机损耗。
2.3 变频器效率
为了研究变频器的效率特性，美国加利福尼亚理工大学的查尔斯教授及其团队对变频器和电动机进行了试验研究。当变频器输出频率为额定频率的100%时，即变频器输出频率为额定频率时，在带动不同负载的电机时，不同的负载情况下，变频器的效率如图2所示。由图2可以看出，当变频器输出频率为额定频率时，随着负载率上升，其效率逐渐增加；当负载率为60%时，效率增加速度缓慢；负载率为60%~105%时，效率基本为最大值；当负载率在20%~105%之间时，变频器效率在0.972~0.992范围内，效率波动不大[10]。
图2 额定频率下不同电机的不同负载时变频器效率曲线
Wallbom-Carlson列出了电机在不同转速下，变频器的效率值[11]，如表1所示。
表1 不同输出频率下变频器效率
图3 不同转速下，变频器的效率曲线
文献[12]列出了变频器效率与转速的曲线图，如图3所示。变频器效率与相对转速的关系大致可以拟合成公式（5）形式：
式中：x为电机实际转速（实际频率）与额定转数（额定频率）的百分比（%）。
按照公式（5）计算出的效率与表1中所列数据大致相等。按此规律，变频器的效率随着电机频率（转速）降低而降低。当输出频率为额定频率时，变频器效率为97%；当输出频率为额定频率70%时，效率为90%左右；当输出频率为额定频率40%时，效率下降到80%左右。
文献[13]列出了不同频率下，不同转矩时的变频器的效率曲线。
从图4同样可以看出，变频器的效率受负载率和输出频率的影响，其大致规律为：负载率降低或输出频率降低，变频器的效率随之降低；负载率降低或输出频率升高，变频器的效率随之升高。
图4 不同频率不同负载率时变频器效率
3 电动机效率
电动机的损耗主要由三部分组成：机械损耗、铜损耗以及铁损耗。其中机械损耗包括摩擦损耗、空气阻力和噪音损耗，但一般情况下，机械损耗占电动机损耗比例很小。铜损一般指的是线圈上将电能转换为热量的能耗。由磁滞和涡流所产生的损耗为铁损。当负载高时，铜损占主导地位；负载低时，铁损占主导地位；当铜损与铁损大小相同时，电动机效率最高[14] 。
电动机的效率也同时受负载和频率影响，文献[15]列出了电机效率与负载率的关系曲线，如图5所示。观察图5可知，当负载率大于40%时，电机效率在90%以上；当负载率小于40%时，电机效率骤减。
图5 电机效率与负载率关系曲线
为了研究电动机在不同频率下的效率特性，贵州大学针对此问题做了不同频率下的负载实验，实验平台如图6所示，笔者对其数据进行了整理，做出了不同频率、不同负载率下的效率曲线以飨读者，如图7所示[16]。
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| 图 6 电动机测试实验平台 | 图7 不同频率不同负载率时电机效率曲线 |
由图7可以看出：（1）在电机频率为50Hz时，负载率大约在70%~90%时电机效率达到最高；负载率小于40%时，随着负载率降低，电机效率骤减；负载率大于100%时，随着负载率增加，电机效率逐渐降低。（2）将不同频率下的电机效率对比可以看出，同一个负载下，频率降低，电机效率同时降低。
4 水泵效率
水泵的效率由三部分相乘得来，即：
式中：ηj为机械效率（无量纲）；ηr为容积效率（无量纲）；ηs为水力效率（无量纲）。
水泵的额定流量一般定义为水泵工频时效率最高点对应的流量，即为额定流量。水泵的效率随流量变化一般呈如下规律：实际流量小于额定流量时，随着实际流量增加，效率逐渐增大；实际流量等于额定流量时，效率达到最大值；实际流量大于额定流量时，随着实际流量增加，效率逐渐降低[17]。
当管网特性曲线为狭义管网特性曲线时，管网不变，水泵变频调节时，变频水泵满足相似率关系，效率相等。不同频率下，变频水泵的效率曲线示意图8所示[18]。
图 8 不同频率下水泵效率曲线
因此，水泵本体效率规律可以总结如下：（1）水泵工频时，水泵在额定流量时，效率最高；低于或者高于额定流量，水泵效率都会降低。（2）在满足相似率的情况下，不同频率下，水泵效率相同。
5 试验研究
为了分析及验证变频器及变频水泵装置随负载和频率的变化规律，笔者进行了相关试验。
5.1 试验条件及数据处理方法
试验水泵型号为：TP65–190/2 A–F–A–BAQE，额定流量为33.3m3/h，额定扬程为14.9mH2O，额定功率为2.2kW。变频器型号为EV1000-4T0022G。变频水泵装置节能测试系统见图9，管网为闭式管网。测试所用的仪表的技术参数见表2。
图9 变频水泵装置节能测试系统图
1—用户系统；2—差压变送器；3—功率表；4—变频器；5—电源；6—电源线；7—水箱；8—止回阀；9—软接头；10—压力表；11—电磁流量计；12—蝶阀
表2 试验仪表技术参数
水泵实验工况分为变频水泵工况和定速泵工况。变频水泵工况实验示意图如图9所示，定速泵工况时，将电源直接接到图中9所代表的功率表上，从功率表出来接入电机。
5.2 试验结果
调节管网阻力，分别进行定速泵装置试验和变频水泵装置频率等于50Hz和40Hz的试验，测量不同管网阻力条件下电源输入功率、频率、水泵扬程及流量，可以得到图10所示的不同负载下水泵装置的特性曲线。
图10 不同负载下变频水泵装置各部分效率曲线图（注：变频器效率对应右边次坐标轴）
由图10可以看出（1）定速泵装置效率比50Hz时变频水泵装置效率稍微高一点。如，水泵装置流量为额定流量时，定速泵装置效率为50.44%，50Hz时变频水泵装置效率为49.48%，有微小的差距。原因在于变频器消耗了一部分能量。（2）流量变化（对应负载变化）对变频器效率影响非常微小。50Hz时，变频器效率在97.8%~98.3%之间波动；40Hz时，变频器效率在96.6%~97.1%之间波动。与2.3中查尔斯教授分析基本一致。（3）定速泵装置效率、50Hz时水泵+电机效率以及40Hz时水泵+电机效率随流量变化趋势基本一致，水泵装置流量为额定流量时（40Hz时，水泵装置对应的额定流量应该为工频时额定流量乘以0.8），效率最高，低于或者高于额定流量，效率降低。（4）50Hz时变频水泵装置效率变化曲线与其对应的水泵+电机效率基本一致，此时变频器效率基本接近1。40Hz时变频水泵装置效率变化曲线与其对应的水泵+电机效率差距明显，变频器效率相比50Hz时降低。
保持管网阻力不变，调节变频器的频率，改变水泵的转速，测量不同转速条件下电源输入功率、频率、水泵扬程及流量，可以得到图11所示的变频水泵装置的特性曲线。
图11 不同频率下变频水泵装置各部分效率功率曲线图
由图11可以看出：（1）在管网阻力不变情况下，变频器频率由50Hz逐渐降低至24Hz时，变频器效率从97.97%逐渐降到92.68%。与文献[11]、[12]所列变化趋势基本一致。（2）变频水泵装置频率为50Hz时，对应的效率为49.44%；当f=40Hz~50Hz之间时，效率变化不大（49.44%~48.99%），效率变化＜1.0%；随着频率继续降低，效率逐渐下降，当f =26Hz时，效率为41.31%，下降了8.13%；当f =24Hz时，效率为38.22%，下降了11.22%。（3）即使管网为狭义管网特性曲线，在变频工况下，变频水泵装置功率也不能满足三次方关系。如50Hz时，变频水泵装置功率为2440W，当变频水泵效率降低至30Hz时，对应功率为617W。而617/2440=0.253，并不等于0.6的三次方。同理，50Hz时变频水泵装置中，水泵+电机的功率也不满足三次方关系。究其原因，电机和变频器功率随频率并不是三次方关系。
6 结论
（1）负载和频率影响变频器的效率。在负载为额定负载时，变频器效率最高，随着负载降低，变频器效率逐渐降低。但负载的变化对频率影响很小，变频器效率变化可以忽略。频率对变频器效率影响比负载的影响大，在本试验中，频率由50Hz降至24Hz时，效率由97.97%逐渐降到92.68%。
（2）负载和频率影响电机的效率。负载在额定负载附近时，电机效率最高，随着负载降低，电机效率逐渐降低。频率同时也影响电机效率，频率降低，电机效率随之降低。
（3）水泵工频时，水泵在额定流量时，效率最高；低于或者高于额定流量，水泵效率都会降低。在满足相似率的情况下，不同频率下，水泵效率相同。
（4）定速水泵装置效率由电机效率和水泵效率相乘得来，定速水泵装置效率比水泵效率要降低一些，差值由电机损耗造成的。其大体规律仍是：水泵装置在额定流量时，效率最高，低于或者高于额定流量，效率降低。
（5）变频水泵装置效率由变频器效率、电机效率和水泵效率相乘得来。变频水泵装置效率曲线比水泵效率曲线要低，差值由变频器和电机损耗造成。频率变化，水泵效率不变，但变频器效率、电机效率随频率变化，因此，即使管网为狭义特性管网，水泵变频调速时，也不能满足三次方相似关系。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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