中小型軸流潛水電泵規(guī)定流量范圍內(nèi)電動機(jī)輸入功率檢測技術(shù)研究

一、檢測原理

電動機(jī)輸入功率是評估軸流潛水電泵能效水平、運(yùn)行狀態(tài)及可靠性的核心參數(shù)。其檢測基于電功率測量原理與泵性能測試原理的結(jié)合。

1. 電功率測量原理：對于三相異步電動機(jī)（潛水電泵的主流驅(qū)動方式），輸入功率通常采用兩表法（適用于三相三線制平衡或不平衡系統(tǒng)）進(jìn)行測量。其原理依據(jù)基爾霍夫定律，通過測量任意兩相的線電流以及與線電壓相關(guān)的相位差，計算出總瞬時功率。儀表內(nèi)部通過電壓互感器和電流互感器對高電壓、大電流信號進(jìn)行比例變換，并通過數(shù)字信號處理技術(shù)對電壓、電流波形進(jìn)行采樣，通過離散積分運(yùn)算求得有功功率?？茖W(xué)依據(jù)在于交流電路中有功功率是瞬時功率在一個周期內(nèi)的平均值，其核心在于準(zhǔn)確捕獲電壓與電流之間的相位角余弦值（功率因數(shù)）。

2. 泵性能耦合原理：電動機(jī)的輸入功率與水泵的輸出功率直接關(guān)聯(lián)。水泵的軸功率（P_shaft）與揚(yáng)程（H）、流量（Q）、介質(zhì)密度（ρ）及泵效率（η_pump）的關(guān)系為 P_shaft = ρgQH / η_pump。電動機(jī)輸入功率（P_input）與軸功率的關(guān)系為 P_input = P_shaft / η_motor，其中η_motor為電機(jī)效率。因此，在規(guī)定流量范圍（0.85-1.15倍規(guī)定流量）內(nèi)，隨著流量變化，水泵的揚(yáng)程和效率特性曲線發(fā)生變化，導(dǎo)致軸功率隨之變化，終反映為電動機(jī)輸入功率的變化。檢測該范圍內(nèi)的輸入功率，實質(zhì)上是驗證泵機(jī)聯(lián)合工作點是否處于區(qū)。

二、檢測項目

檢測項目系統(tǒng)分為直接測量項目與間接計算/驗證項目。

1. 直接測量項目：

   • 電動機(jī)輸入有功功率：在規(guī)定流量點（如0.85Q, 1.0Q, 1.15Q，其中Q為規(guī)定流量）穩(wěn)定運(yùn)行時直接測量。

   • 三相電壓與電流：同步測量各相電壓、電流值，用于計算視在功率、分析電壓不平衡度及作為功率計算的輸入。

   • 電源頻率：電網(wǎng)或電源的頻率，影響電機(jī)轉(zhuǎn)速和泵性能。

   • 水泵流量：采用超聲波流量計、電磁流量計或堰槽法等在泵出口管路精確測量。

   • 水泵揚(yáng)程：通過精密壓力傳感器測量泵進(jìn)出口壓力差，結(jié)合高程差和速度頭計算得出。

   • 轉(zhuǎn)速：采用非接觸式光電轉(zhuǎn)速傳感器或感應(yīng)式傳感器測量泵軸或電機(jī)軸轉(zhuǎn)速，用于性能曲線的換算。

2. 間接計算與驗證項目：

   • 規(guī)定流量范圍內(nèi)的輸入功率-流量曲線：繪制0.85Q至1.15Q區(qū)間內(nèi)輸入功率隨流量變化的特性曲線。

   • 泵效率：通過測量的流量、揚(yáng)程、密度及計算的軸功率（由輸入功率和預(yù)估/實測的電機(jī)效率推算）計算得出。

   • 機(jī)組效率：水泵輸出功率與電動機(jī)輸入功率的比值。

   • 電動機(jī)運(yùn)行效率評估：結(jié)合輸入功率、計算出的軸功率，評估在規(guī)定工況下電動機(jī)的效率水平。

   • 功率因數(shù)：由有功功率、電壓、電流計算得出，評估電機(jī)勵磁狀態(tài)和電網(wǎng)質(zhì)量影響。

三、檢測范圍

中小型軸流潛水電泵廣泛應(yīng)用于需要大流量、低揚(yáng)程送水的領(lǐng)域，其功率檢測覆蓋以下行業(yè)：

• 農(nóng)業(yè)灌溉與排水：檢測確保在田間不同供水需求下，泵組能耗在合理范圍內(nèi)。

• 市政雨水排放與防洪排澇：應(yīng)對暴雨等極端天氣，泵站需在變流量下運(yùn)行，輸入功率監(jiān)測關(guān)乎運(yùn)行成本與可靠性。

• 工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)：如火力發(fā)電廠、化工廠的冷卻水循環(huán)，要求泵在變工況下功率穩(wěn)定，避免過載。

• 水利工程調(diào)水：跨流域或區(qū)域調(diào)水工程中，泵站的能耗是運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵指標(biāo)。

• 水產(chǎn)養(yǎng)殖與水處理：保證水體交換的流量，同時控制能源消耗。

• 礦山與基坑排水：工況復(fù)雜，需監(jiān)控功率以防堵轉(zhuǎn)或輕載運(yùn)行。

檢測要求在于模擬實際應(yīng)用中的流量變化，驗證其0.85-1.15倍規(guī)定流量這一核心工作區(qū)間內(nèi)的能耗是否符合設(shè)計預(yù)期與能效標(biāo)準(zhǔn)。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對潛水電泵性能測試，包括輸入功率測量，均有嚴(yán)格規(guī)定。

• 中國標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T 3216-2016《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗 1級、2級和3級》：等效采用ISO 9906，詳細(xì)規(guī)定了試驗方法、測量不確定度要求，是性能測試的核心依據(jù)。對功率測量的儀表精度、方法有明確規(guī)定。

  • GB 32049-2015《小型潛水電泵 能效限定值及能效等級》：規(guī)定了能效限定值和等級，輸入功率是計算效率、判定能效等級的直接輸入量。

  • GB/T 24674-2021《污水污物潛水電泵》：針對污物泵的特殊要求，但功率檢測原理相通。

• 標(biāo)準(zhǔn)：

  • ISO 9906:2012《Rotodynamic pumps — Hydraulic performance acceptance tests — Grades 1, 2 and 3》：公認(rèn)的泵試驗標(biāo)準(zhǔn)，與GB/T 3216技術(shù)內(nèi)容一致。

  • IEC 60034-2-1:2014《Rotating electrical machines - Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests (excluding machines for traction vehicles)》：提供了電機(jī)損耗和效率測定的標(biāo)準(zhǔn)方法，可作為電機(jī)輸入功率分析的精密度依據(jù)。

  • HI Standard 1.6 (Hydraulic Institute)：美國水力學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，對泵測試有詳細(xì)指導(dǎo)。

對比分析：GB/T 3216與ISO 9906、HI標(biāo)準(zhǔn)在核心檢測原理和方法上高度一致，均要求高精度儀表（通常對功率測量要求不低于±0.5%至±1.0%的精度）。主要差異可能體現(xiàn)在部分應(yīng)用領(lǐng)域的補(bǔ)充規(guī)定或針對特定市場能效要求的差異（如中國的能效標(biāo)準(zhǔn)GB 32049）。檢測實踐需遵循訂單或目標(biāo)市場所指定的標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測方法

1. 試驗臺布置：泵安裝于標(biāo)準(zhǔn)試驗臺，進(jìn)出口配置足夠長的直管段以保證流態(tài)穩(wěn)定。流量測量裝置位于下游，壓力測量點位于泵法蘭附近。

2. 儀器校準(zhǔn)：所有傳感器（壓力、流量、功率、扭矩等）必須在有效檢定周期內(nèi)，并在試驗前進(jìn)行系統(tǒng)零點校準(zhǔn)。

3. 工況點調(diào)節(jié)與穩(wěn)定：通過調(diào)節(jié)出口閥門或變頻驅(qū)動器，使流量穩(wěn)定在目標(biāo)點（如0.85Q, 1.0Q, 1.15Q）。每個工況點需待流量、壓力、功率讀數(shù)穩(wěn)定至少30秒后開始記錄數(shù)據(jù)。

4. 數(shù)據(jù)采集：采用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄各參數(shù)，采樣頻率需能捕捉真有效值。每個工況點至少記錄三組穩(wěn)定數(shù)據(jù)取平均值。

5. 輸入功率測量操作要點：

   • 功率分析儀的電壓通道和電流通道需正確連接，注意電壓互感器和電流互感器的變比設(shè)置。

   • 確保電流鉗形傳感器夾持牢固，方向正確，避免外部磁場干擾。

   • 對于變頻驅(qū)動的泵，需注意功率測量位置（變頻器輸入側(cè)或輸出側(cè)），標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定為電機(jī)輸入端子處。若在變頻器輸出側(cè)測量，需考慮變頻器輸出波形畸變對功率測量準(zhǔn)確性的影響，應(yīng)使用適用于變頻測量的寬頻帶功率分析儀。

   • 記錄功率的同時，必須同步記錄電壓、電流、頻率和功率因數(shù)。

六、檢測儀器

1. 功率分析儀：核心設(shè)備。要求具備多通道同步測量能力，帶寬足夠（尤其對于變頻驅(qū)動），基本精度高（通常±0.1% rdg ± 0.05% f.s.以上），能同時測量有功功率、無功功率、視在功率、電壓、電流、頻率、功率因數(shù)及諧波分析。采用數(shù)字采樣技術(shù)，保證在非正弦波下的測量準(zhǔn)確性。

2. 超聲波流量計：非侵入式測量，適用于不便切割管路的場合。精度可達(dá)±1.0%以內(nèi)。使用時需保證足夠的前后直管段，并正確設(shè)置管道參數(shù)和探頭間距。

3. 電磁流量計：測量精度高（可達(dá)±0.5%），但要求介質(zhì)具有導(dǎo)電性。需定期校準(zhǔn)。

4. 壓力變送器/傳感器：用于揚(yáng)程測量。應(yīng)選擇量程合適、精度高（通常±0.1%至±0.25%FS）、穩(wěn)定性好的產(chǎn)品。安裝時注意排氣，避免脈動影響。

5. 數(shù)字轉(zhuǎn)速表/轉(zhuǎn)速傳感器：非接觸式，精度高，用于驗證泵的實際運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以便必要時將性能換算至額定轉(zhuǎn)速。

6. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：集成各類傳感器信號，進(jìn)行自動化記錄和處理，減少人為誤差。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)處理：

   • 將各工況點測量的原始數(shù)據(jù)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式計算出揚(yáng)程、軸功率（估算）、泵效率、機(jī)組效率等。

   • 繪制輸入功率-流量（P_input-Q）曲線、揚(yáng)程-流量（H-Q）曲線、效率-流量（η-Q）曲線。

2. 評判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 功率允差：對照泵制造商提供的性能曲線，在規(guī)定的流量點，實測的電動機(jī)輸入功率與承諾的電機(jī)輸入功率或由承諾的泵軸功率和電機(jī)效率計算出的輸入功率之間的偏差，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 3216）規(guī)定的允差范圍內(nèi)（例如，對于1級精度，功率允差可能為±3%）。

   • 曲線一致性：在0.85-1.15Q范圍內(nèi)，實測的P_input-Q曲線應(yīng)平滑，且整體趨勢與理論曲線一致，無明顯異常波動。

   • 能效等級判定：根據(jù)GB 32049等能效標(biāo)準(zhǔn)，計算泵的能效值（通常為規(guī)定點效率），與標(biāo)準(zhǔn)中的能效等級表進(jìn)行比對，判定其能效等級是否達(dá)標(biāo)。

   • 運(yùn)行狀態(tài)診斷：

     • 若輸入功率普遍偏高，可能原因包括：機(jī)械摩擦過大（軸承、密封）、葉輪與泵體間隙不當(dāng)、電機(jī)效率偏低、介質(zhì)密度或粘度高于設(shè)計值。

     • 若輸入功率在某個流量點異常波動，可能存在汽蝕現(xiàn)象或流動分離。

     • 若功率因數(shù)異常低，表明電機(jī)勵磁不足或處于輕載狀態(tài)。

     • 三相電流不平衡度超標(biāo)，可能預(yù)示電源問題或電機(jī)繞組缺陷。

通過綜合分析與評判，不僅能驗證產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)和合同要求，還能為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、故障診斷和運(yùn)行提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。