CN113190978B - 一种排涝泵站中电动机选型方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种排涝泵站中电动机选型方法及***，其***包括轴功率计算模块，额定功率选择模块，额定电压选择模块，起动方式选择模块，轴功率计算模块与额定功率选择模块联接，额定功率选择模块分别与额定电压选择模块以及起动方式选择模块联接；轴功率计算模块，用于计算获取排涝泵站中水泵运行的最大轴功率；额定功率选择模块，用于根据最大轴功率选择电动机额定功率；额定电压选择模块，用于根据电动机额定功率选择电动机额定电压；起动方式选择模块，用于根据电动机额定功率选择电动机起动方式。本发明给出了排涝泵站运转可靠性、技术性、经济性相对较优的电动机选型方案，可使电动机与排涝泵站结合更为准确，排涝泵站运行更为高效。

Description

一种排涝泵站中电动机选型方法及***

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种排涝泵站中电动机选型方法及***。

背景技术

机电设备的选型问题一直以来都是排涝泵站设计的关键内容之一，其对泵站应对洪、涝、旱的能力有着直接的影响。对于我国一些建设较早的泵站，由于当时技术条件的限制，部分主水泵、主电机设计选型不合理，长期在低效区工作。大型电力排灌设备的折旧年限一般为25年，中、小型电力排灌设备的折旧年限一般为20年，超期服役会使其绝缘性能下降，运行效率降低。为了整个泵站机组的能够正常运转和提高工程效益，保证我国城镇社会经济的可持续发展，对泵站中的电动机等机电设备进行重新设计选型已成为当前的一个重要任务。

虽然国内外学者针对泵站更新等问题做了较多研究，但由于泵站***的指标繁多，有关泵站更新改造中电动机问题的研究相对较少，因此如何对泵站中使用的发电机进行更好的选型是一个亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种排涝泵站中电动机选型方法及***，可保证泵站的高效运行。

一种排涝泵站中电动机选型方法，包括步骤：

S1、获取排涝泵站中水泵运行的最大轴功率；

S2、根据最大轴功率选择电动机额定功率；

S3、根据电动机额定功率选择电动机额定电压以及电动机起动方式。

作为优选方案，步骤S1中，所述排涝泵站中水泵运行的最大轴功率计算公式为：

其中，Q表示水泵流量，H表示水泵设计扬程，γ表示水的重度，η’表示水泵效率，N表示水泵运行的最大轴功率。

作为优选方案，步骤S2中具体包括以下步骤：

S2.1、根据水泵运行的最大轴功率计算电动机的计算功率；

S2.2、根据计算功率选择电动机额定功率。

作为优选方案，步骤S2.1中电动机的计算功率的计算公式为：

P_N＝KN，

其中，P_N表示电动机的计算功率，K表示安全系数。

作为优选方案，步骤S2.1中，当N<55kW时，K＝1.1～1.2，当N≥55kW时，K＝1.05～1.1。

作为优选方案，步骤S2.2中，电动机额定功率P_e满足条件：P_e＞P_N。

作为优选方案，步骤S3中，根据电动机额定功率选择电动机额定电压具体为：

当电动机额定功率P_e＜200kW时电动机额定电压采用6kV；

当电动机额定功率P_e＞315kW时电动机额定电压采用10kV。

作为优选方案，步骤S3中，根据电动机额定功率选择电动机起动方式具体为：

当电动机额定功率P_e＜55kW，且电动机额定功率小于预设功率时采用全电压直接起动方式，当电动机额定功率P_e＜55kw，且电动机额定功率大于预设功率时采用降压起动方式，所述预设功率为变压器容量的20％-30％；

当电动机额定功率满足55kW≤P_e＜315kW时采用降压起动方式；

当电动机额定功率满足315kW≤P_e≤1500kW时，判断采用全电压直接起动方式时，电动机起动电流、电动机运行电流以及泵站母线压降是否符合预设条件，若均符合则采用全电压直接起动方式，若任意一者不符合则采用降压起动方式。

作为优选方案，所述预设条件包括：

电动机起动电流为电动机额定电流的5-7倍；

电动机运行电流为电动机额定电流的80％-90％；

所述泵站母线压降小于泵站母线额定电压的15％；

电动机额定电流的计算公式为：

其中，I_e表示电动机额定电流，P_e表示电动机额定功率,U_e表示电动机额定电压，cosφ表示功率因数，η表示效率；

泵站母线压降的计算公式为：

其中，Δμ％表示泵站母线压降，U₁表示泵站母线首端电压，U₂表示泵站母线末端电压，U_N表示泵站母线额定电压。

相应地，还提供一种排涝泵站中电动机选型***，包括轴功率计算模块，额定功率选择模块，额定电压选择模块，起动方式选择模块，轴功率计算模块与额定功率选择模块联接，额定功率选择模块分别与额定电压选择模块以及起动方式选择模块联接；

轴功率计算模块，用于计算获取排涝泵站中水泵运行的最大轴功率；

额定功率选择模块，用于根据最大轴功率选择电动机额定功率；

额定电压选择模块，用于根据电动机额定功率选择电动机额定电压；

起动方式选择模块，用于根据电动机额定功率选择电动机起动方式。

本发明的有益效果是：给出了排涝泵站运转可靠性、技术性、经济性相对较优的电动机选型方案，可以使电动机与排涝泵站结合更为准确，使水泵常水位运行工作点长期位于高效区，电机的运行效率也会更高。为泵站高效并长久运行奠定基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述一种排涝泵站中电动机选型方法的流程图；

图2是本发明所述一种排涝泵站中电动机选型***的结构示意图；

图3为泵站电动机单机额定功率统计图；

图4为泵站电排站主接线结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一：

水利是浙江省国民经济的重要基础产业，排涝泵站工程是水利工程的重要组成部分，浙江省机电排灌工程承担了41％的农田灌溉和70％的农田排涝任务，同时在调水、城市供排水、城镇防洪排涝、改善水环境等中发挥着极为重要的作用，为浙江省工农业生产和国民经济发展起到了巨大的作用。本发明对泵站工程更新改造进行研究，就是在全面了解浙江省泵站老化及病险状况下，对泵站中机电设备的选型问题进行试验研究，尤其是电动机的选型配备方案，以此为未来浙江省泵站工程的可持续发展奠定基础。目前浙江省中型泵站中电动机主要以交流异步电动机配备为主，大型泵站应用的是交流同步电动机。如图3所示，在中型泵站中使用的交流异步电动机以55kW、80kW、130kW、155kW为主，在大型泵站中使用的交流同步电动机主要以380kW、630kW为主。

浙江省泵站中常用的500、700、900轴流泵所配套电动机数量情况如表1所示。500轴流泵主要选用55kW电机功；700轴流泵主要选用80kW电动机；900轴流泵主要选用130kW和155kW电动机。

表1浙江省泵站不同轴流泵配套电机统计表

然而基于目前泵站中机电设备的选型情况，排涝泵站的综合运行效能并不高，因此参照图1，本实施例针对浙江省排涝泵站所使用的环境，提供了一种排涝泵站中电动机选型方法，包括步骤：

S1、获取排涝泵站中水泵运行的最大轴功率；

S2、根据最大轴功率选择电动机额定功率；

S3、根据电动机额定功率选择电动机额定电压以及电动机起动方式。

具体地：

步骤S1中，所述排涝泵站中水泵运行的最大轴功率计算公式为：

其中，Q表示水泵流量，H表示水泵设计扬程，γ表示水的重度，η’表示水泵效率，N表示水泵运行的最大轴功率。

步骤S2中具体包括以下步骤：

S2.1、根据水泵运行的最大轴功率计算电动机的计算功率；

S2.2、根据计算功率选择电动机额定功率。

步骤S2.1中电动机的计算功率的计算公式为：

P_N＝KN，

其中，P_N表示电动机的计算功率，K表示安全系数。

步骤S2.1中，当N<55kW时，K＝1.1～1.2，当N>55kW时，K＝1.05～1.1。

步骤S2.2中，电动机额定功率P_e满足条件：P_e＞P_N。

步骤S3中，根据电动机额定功率选择电动机额定电压具体为：

当电动机额定功率P_e＜200kW时电动机额定电压采用6kV(低压电动机)；

当电动机额定功率P_e＞315kW时电动机额定电压采用10kV(高压电动机)；

当电动机额定功率满足200≤P_e≤315kw时选择低压还是高压电动机则经技术经济比较后确定。

同一台电动机，因采用不同的额定电压、功率因数，其造价会有较大差别，通常电机的造价是与其额定电压成正比关系；对异步电动机而言，当单机功率小于200kW时宜采用较低的额定电压是比较经济的，当单机功率大于315kW时，低压电动机和高压电动机在技术经济条件相近时额定电压宜优先选用10kV。

高电压式电动机的生产技术已十分成熟，6kV和10kV交流异步电机的生产成本也几乎相等，因此在市场价格上差别并不大。若在6kV和10kV两者之间选，研究推荐选用10kV。因为6kV电气设备生产厂家少，后期的维护将比较困难。此外，农村供电电网多以10kV和35kV电压等级为主，如果选用10kV交流异步电机，则在供电***接线方案中省去了主变压器，节省了投资，简化了供电环节。如浙江省台州市横山湖泵站由电网直接供给用电设备电源，可以实现无穷大电网供电的优势，简化了线路，减少了开关，节约了用地，节省了投资。如图4所示，该泵站主接线从电气主接线中可以知道，7台高压电动机的供电是通过高压配电柜和高压控制柜，线路清晰、简单、实用，控制环节少，维护量也少。

步骤S3中，根据电动机额定功率选择电动机起动方式具体为：

当电动机额定功率P_e＜55kW，且电动机额定功率小于预设功率时采用全电压直接起动方式，当电动机额定功率P_e＜55kw，且电动机额定功率大于预设功率时采用降压起动方式，所述预设功率为变压器容量的20％-30％；

当电动机额定功率满足55kW≤P_e＜315kW时采用降压起动方式，具体采用软起动方式；

当电动机额定功率满足315kW≤P_e≤1500kW时，判断采用全电压直接起动方式时，电动机起动电流、电动机运行电流以及泵站母线压降是否符合预设条件，若均符合则采用全电压直接起动方式，若任意一者不符合则采用降压起动方式。

所述预设条件包括：

电动机起动电流为电动机额定电流的5-7倍；

电动机运行电流为电动机额定电流的80％-90％；

所述泵站母线压降小于泵站母线额定电压的15％；

电动机额定电流的计算公式为：

其中，I_e表示电动机额定电流，P_e表示电动机额定功率,U_e表示电动机额定电压，cosφ表示功率因数，η表示效率；

泵站母线压降的计算公式为：

其中，Δμ％表示泵站母线压降，U₁表示泵站母线首端电压，U₂表示泵站母线末端电压，U_N表示泵站母线额定电压，U_N通常为380V。

一般来说，电动机的启动方式可以按照电网的参数及其地区地理经济环境的状况，将电动机的起动方式分为：直接起动、星三角降压起动、一次串接电阻起动、自耦变压器降压起动、磁控式降压起动、变频调速起动方法。

全压直接起动。电动机起动时需要的电流是标称电流的4～8倍，起动转矩是标称转矩的0.5～1.5倍，但由于其起动电流倍数高，会出现高的转矩峰值，对水泵会产生大的冲击，所以，这种起动方式只适用于起动较小功率的电动机。

星三角降压起动。起动电流是标称电流的1.8～2.6倍。星三角降压启动虽然在起动时电流会大幅度减少，但由于电动机还要有一些引出端口，要通过分断电流接触器进行分流后，最终使星三角的三个相互切换才能完成。这样经过的多次起动会导致接触器的触头沉年积炭，这就要运行人员懂得电工知识，对其进行清理维护，保证其正常运转，这种方式一般只是适用于电机空载起动或低阻性转矩是使用。

一次串接电阻起动。一次串接电阻起动就是在定子侧串条件下的一种可变电阻启动，一般采用热变电阻或液阻起动。这种启动方式属于能耗式减压起动方式，因为它在起动时会消耗大量的电能。与星三角降压启动不同，一次串接电阻起动的频次会比较少，但因受外界环境的影响比较大，控制能力会减弱，同时起动电流比较大，往往对负载荷会有比较大的影响，而且该机组的体积和重量都较大，一旦需要维护，工作量也较大。它的优点是技术简单、价格低廉、无谐波。

自耦降压起动。自耦降压起动方式主要是把自耦变压器想办法串联到电动机的定子绕组上，以此来降低起动电压，起动完成后在进行切除。自耦降压起动方式的特点是所需起动电流较小，因此比较适合阻力矩偏大的状态，但它的缺点是起动过程中会突然出现转矩变大，发生意愿，而且整体机组的重量也较大。

磁控式降压起动。磁控式降压起动是将饱和电抗器串于定子侧，通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度，从而改变交流电抗值。铁心饱和时交流电抗很小，因而电动机所得电压高；铁心不饱和，交流电抗大，因而定子电压降低，实现降压起动。磁控式降压起动可控性较好，恒流性较好，但其电压调节范围较小，因此起动过程中仍有较大转矩突变，起动电流较大，另外设备庞大笨重。

智能软起动。软起动方式是采用三相正反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。通过调节晶闸管上的触发脉冲触发角，使电动机电压能够平稳而有序的递增，最终导致电动机开始正常加速和启动。此时电动机可以在额定电压的机械性能上实现平滑启动，从而降低启动电流，避免启动过速而出现跳闸现象。等到电动机能够达到一定的转速时，软启动器自动会用旁路接触器来取代已经完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，这样不仅能够提高其工作效率，同时又使电网避免了谐波污染。随着经济的发展，智能化软启动还可以根据电流和电压的大小自动调节，有效的减少了人工成本，如软停车功能就是将软停车与软启动过程进行相反设计，可以使原启动电压慢慢变低，转数逐渐下降到零，从而有效避免了自由停车引起的转矩冲击，减小了水锤对水泵的冲击。

根据《泵站设计规范》机组应优先采用全电压直接起动方式，但母线电压降不宜超过额定电压的15％。通常单机额定功率小于55kW的泵站电动机在电源容量允许条件下推荐采用全电压直接起动方式，同时电动机容量应小于变压器容量的20％～30％；单机额定功率大于55kW的泵站低压电动机推荐使用降压起动方式(由于现在的软起动器成本大幅降低，建议需要降压起动的电机使用软起动方式)；单机额定功率在315kW～1500kW的泵站高压电动机推荐采用全电压直接起动方式(但要进行起动电流和电压损失的计算，若符合泵站设计规范可采用全电压直接起动，若不符合泵站设计规范要采用降压起动)。

如图4所示，横山湖泵站的电排站主接线，采用直接供电的全压起动方式，其优点：一是不受变压器的限制，由于电机直接与电网连接，可以把电网当作无限大容量(根据经验，容许直接启动的鼠笼式异步电机最大功率不大于电源变压器容量的20～30％)；二是高压电机额定电流小，不会使电机过热，其产生的电动力也不足以使绕组端部变形；三是直接启动没有中间环节；四是当供电电压在正负5％范围时可以直接启动(起动转矩和最大转矩跟电压的平方成正比)等。

为了确保可靠起动，泵站依据多种启动方式的特点进行结合，对该泵站建议采用自动、电动、手动三种起动控制方式；其中第三种手动方式是在前两种方式失效的情况下，通过短接的方式起动电机(接触器、减压起动器能用则用，不能用就短接，只要断路器能够承受，采用上述三种起动方式的设定，可以大大提高该泵站的可靠性。

电机常用的防护等级有IP23、IP44、IP54、IP55、IP56、IP65。根据浙江省排涝泵站所使用的环境，采用IP23以上防护等级的电机就可以满足要求。

本实施例的有益效果为：

泵站更新改造的电动机选型可分为同步电机、异步电机和同步电机与异步电机混装。中小型排涝泵站通常采用异步电机，其一般选择依据为：(1)电机的工作性能须满足泵的工作要求；(2)电机运行效率要高；(3)电机启动、正常运行时对电网的影响要小；(4)电机的控制、测量、保护信号等二次接线尽量简单可靠，维护方便；(5)整个系站工程的投资费要少等。但由于浙江排涝泵站中水泵主要是轴流泵，虽也采用中小型异步电动机，具有数量大、型号多且没有励磁***，结构简单，运行维护量小等特点，但因其效率和功率因数低，稳定性和抗干扰能力相对较低，需装设无功补偿装置。如果功率因数由0.85补偿到0.95,补偿率为25％；如补偿到0.92,补偿率也需达到15％。补偿方式采用静止电容器补偿和调相机补偿,配合以相应的机组台数，可以增大补偿效果。电动机与水泵合理配套选型，泵与电机的运行工况点可以保持在高效区，节约能源；如选型不当没有余量，不能满足工艺要求，余量过大，又会造成运行效率低下，浪费能源。因此本实施例技术方案中的电动机选型，首先需要对泵站改造中电动机的选用采取最大轴功率计算，其次，通过电动机的计算功率来选择电动机额定功率，保证电动机可以在该功率下不间断的运行，最后再根据电动机额定功率选择电动机额定电压等以确定电动机的起动方式。通过该技术方案可以使电动机与排涝泵站结合更为准确，使水泵常水位运行工作点长期位于高效区，电机的运行效率也会更高。

实施例二：

参照图2,本实施例提供了一种排涝泵站中电动机选型***，包括轴功率计算模块，额定功率选择模块，额定电压选择模块，起动方式选择模块，轴功率计算模块与额定功率选择模块联接，额定功率选择模块分别与额定电压选择模块以及起动方式选择模块联接；

轴功率计算模块，用于计算获取排涝泵站中水泵运行的最大轴功率；

额定功率选择模块，用于根据最大轴功率选择电动机额定功率；

额定电压选择模块，用于根据电动机额定功率选择电动机额定电压；

起动方式选择模块，用于根据电动机额定功率选择电动机起动方式。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种排涝泵站中电动机选型方法，其特征在于，包括步骤：

S1、获取排涝泵站中水泵运行的最大轴功率；

S2、根据最大轴功率选择电动机额定功率；

S3、根据电动机额定功率选择电动机额定电压以及电动机起动方式；

步骤S3中，根据电动机额定功率选择电动机额定电压具体为：

当电动机额定功率P_e＜200kW时电动机额定电压采用6kV；

当电动机额定功率P_e＞315kW时电动机额定电压采用10kV；

根据电动机额定功率选择电动机起动方式具体为：

当电动机额定功率P_e＜55kW，且电动机额定功率小于预设功率时采用全电压直接起动方式，当电动机额定功率P_e＜55kw，且电动机额定功率大于预设功率时采用降压起动方式，所述预设功率为变压器容量的20％-30％；

当电动机额定功率满足55kW≤P_e＜315kW时采用降压起动方式；

当电动机额定功率满足315kW≤P_e≤1500kW时，判断采用全电压直接起动方式时，电动机起动电流、电动机运行电流以及泵站母线压降是否符合预设条件，若均符合则采用全电压直接起动方式，若任意一者不符合则采用降压起动方式。

2.根据权利要求1所述的一种排涝泵站中电动机选型方法，其特征在于，步骤S1中，所述排涝泵站中水泵运行的最大轴功率计算公式为：

其中，Q表示水泵流量，H表示水泵设计扬程，γ表示水的重度，η’表示水泵效率，N表示水泵运行的最大轴功率。

3.根据权利要求2所述的一种排涝泵站中电动机选型方法，其特征在于，步骤S2中具体包括以下步骤：

S2.1、根据水泵运行的最大轴功率计算电动机的计算功率；

S2.2、根据计算功率选择电动机额定功率。

4.根据权利要求3所述的一种排涝泵站中电动机选型方法，其特征在于，步骤S2.1中电动机的计算功率的计算公式为：

P_N＝KN

其中，P_N表示电动机的计算功率，K表示安全系数。

5.根据权利要求4所述的一种排涝泵站中电动机选型方法，其特征在于，步骤S2.1中，当N<55kW时，K＝1.1～1.2，当N≥55kW时，K＝1.05～1.1。

6.根据权利要求4所述的一种排涝泵站中电动机选型方法，其特征在于，步骤S2.2中，电动机额定功率P_e满足条件：P_e＞P_N。

7.根据权利要求1所述的一种排涝泵站中电动机选型方法，其特征在于，所述预设条件包括：

电动机起动电流为电动机额定电流的5-7倍；

电动机运行电流为电动机额定电流的80％-90％；

所述泵站母线压降小于泵站母线额定电压的15％；

电动机额定电流的计算公式为：

其中，I_e表示电动机额定电流，P_e表示电动机额定功率,U_e表示电动机额定电压，cosφ表示功率因数，η表示效率；

泵站母线压降的计算公式为：

其中，Δμ％表示泵站母线压降，U₁表示泵站母线首端电压，U₂表示泵站母线末端电压，U_N表示泵站母线额定电压。

8.一种排涝泵站中电动机选型***，其特征在于，包括轴功率计算模块、额定功率选择模块、额定电压选择模块、起动方式选择模块，轴功率计算模块与额定功率选择模块联接，额定功率选择模块分别与额定电压选择模块以及起动方式选择模块联接；

轴功率计算模块，用于计算获取排涝泵站中水泵运行的最大轴功率；

额定功率选择模块，用于根据最大轴功率选择电动机额定功率；

额定电压选择模块，用于根据电动机额定功率选择电动机额定电压；

起动方式选择模块，用于根据电动机额定功率选择电动机起动方式；

根据电动机额定功率选择电动机额定电压具体为：

当电动机额定功率P_e＜200kW时电动机额定电压采用6kV；

当电动机额定功率P_e＞315kW时电动机额定电压采用10kV；

根据电动机额定功率选择电动机起动方式具体为：

当电动机额定功率P_e＜55kW，且电动机额定功率小于预设功率时采用全电压直接起动方式，当电动机额定功率P_e＜55kw，且电动机额定功率大于预设功率时采用降压起动方式，所述预设功率为变压器容量的20％-30％；

当电动机额定功率满足55kW≤P_e＜315kW时采用降压起动方式；

当电动机额定功率满足315kW≤P_e≤1500kW时，判断采用全电压直接起动方式时，电动机起动电流、电动机运行电流以及泵站母线压降是否符合预设条件，若均符合则采用全电压直接起动方式，若任意一者不符合则采用降压起动方式。