了解离心泵和电机启动转矩曲线
编者按
合理的选型及配用合适的电机功率，是确保泵组正常启动及可靠运行的关键。
尽管很多标准【如GB/T 16907《离心泵技术条件（Ⅰ类）》、GB/T 5656《离心泵技术条件（Ⅱ类）》、GB/T 5657《离心泵技术条件（Ⅲ类）》标准中对于轴功率在100 kW以内的泵组，给出了一个配用电机功率的选择原则；ANSI/API 610第11版标准对电机铭牌功率给出了具体要求（详见泵沙龙文章“漫谈大功率离心泵组配用电动机功率的确定”）】都对电机的配用功率给出了明确要求，然而，在实际工程应用中，特别是对于一些中大型电机的选型时，为了确保选择出满足现场要求的合适的电机，必须提供泵的（启动）转矩-转速曲线（以验证电机选型的合理性）。本文将简要介绍离心泵和电机的（叠加）转矩-转速曲线及电机的选型 。内容主要来源于PumpWorks.com网站，由PumpWorks Engineering Team共同完成，仅供参考。
前言
用于驱动离心泵的电机需要能够产生足够的转矩来启动泵，并使其达到最佳运行速度。如果电机缺少足够的转矩来运行泵，泵可能无法启动或只能以降低的速度运行。
离心泵转矩-转速曲线
泵的转矩-转速曲线用于确定与之匹配的合适的电机。泵的转矩-转速曲线是通过垂直绘制满载转矩（纵坐标FLT）百分比和水平绘制满载速度（横坐标FLS）百分比来生成的。示例如图1所示。
数学计算比较简单，所有离心泵的转矩-转速曲线都是相似的：泵转矩随转速的变化而变化。然而，当泵处于静止状态时（满载转速为0 %），满载转矩永远也不会为0 %。启动并旋转泵需要电机克服泵的惯性和静摩擦。
为了克服泵的惯性和静摩擦，需要大约20 %的满载转矩。随着泵转速的增加，所需转矩逐渐下降。例如，在大约15 %的满载转速下，所需转矩通常大约为5 %或10 %的满载转矩。如图1所示，泵转矩-转速曲线遵循平方定律。
图1：泵转矩-转速曲线
图1说明：泵通常需要高达满载转矩的20 %才能启动它，以克服惯性和静摩擦；在达到大约15 %的全速之后，当旋转速度更快时，转矩-转速曲线密切遵循平方定律。
叠加转矩-转速曲线使电机与泵匹配
与泵一样，电机也会产生自己的转矩-转速曲线。通过叠加泵和电机的转矩-转速曲线，可以验证电机是否产生足够的加速转矩，来驱动泵并使其达到全速（设计所需要的最大转速），如图2所示。
图2：叠加泵和电机的转矩-转速曲线
图2说明：这是电机可用于将泵加速至全速的加速转矩（见图中阴影区域）；这是驱动泵的电机的全速位置（见图中红色箭头所指位置），因为超过这个转速，泵需要的转矩将超过电机所能产生的转矩。
在此叠加图中，阴影区域反映了电机驱动泵可用的加速转矩。两条曲线的交点是电机转矩不足以驱动泵更快的点。换句话说，这是该电机驱动时的最大泵转速点。
离心泵转矩和电机选型
电机的马力（HP）用作衡量其在现场（驱动离心泵）能力的基准。HP是转矩和转速（RPM）的组合，1 HP等于每秒550英尺磅或每分钟33,000英尺磅。可以使用以下公式计算电机的转矩，该公式源自HP作为转矩函数的表达式：
T = (5,250 x HP) / N
式中，
T = 转矩；
N = 转速（RPM）
当泵需要新电机时，三个数值将驱动电机选择过程：
- 0流量（关死点流量）下的转矩
- 额定流量下的转矩
- 最小流量下的转矩
零流量下的转矩对于采用轴流（或螺旋桨）设计的泵尤为重要。此类泵的转矩-转速曲线使得在零流量时需要最高HP，因此也需要最高转矩。轴流泵必须与具有足够马力的电机匹配，才能驱动泵运转。
泵转动惯量对电机选型影响
电机选型的另一个重要因素是泵（在电机轴上）的转动惯量值。惯量是物体对运行变化的抵抗力的量度（是刚体绕轴转动时惯性的量度）。泵的转动惯量越大，电机启动泵并使其达到满载转速所需的时间就越长。
这很重要，因为电机汲取电流以使泵加速。电机克服泵惯性所需的时间越长，它产生的热量就越多。电机的规格（大小）必须能够处理泵的惯性，以避免损坏电机绕组。
惯量基于以下两种（计算/表示）方法之一：
- 回转半径（WR2以lb·ft2为单位，或MK2以kg·M2为单位）
- 回转直径，在许多欧洲国家使用（GD2，以M2为单位）
齿轮箱如何影响惯量？
如果电机直接驱动泵，则无论泵的转速如何，泵和泵-电机联轴器惯量的值都相同。但是，如果泵由齿轮箱和电机联合驱动，齿轮箱会对惯量值产生重大影响。在这种应用中，惯量可以表示为
泵和联轴器总惯量 × (齿轮箱传动比)2
齿轮箱对惯量的影响可以通过类比自行车来理解。当自行车高速骑行时，骑手可能会换到更高的传动比（大于1.0）以加快速度。这样的传动比也需要骑手付出更多的努力。同样，如果齿轮箱切换到更高的传动比，电机将具有更高的负载。如果齿轮箱降低电机转速以驱动泵减速，则同样的逻辑也适用。当齿轮箱传动比小于1.0时，将降低对电机的负载要求。
图3是惯量计算的一些示例：
图3：惯量计算示例
总结
泵沙龙注：为特定应用选择合适的泵和电机可能是一项复杂的技术工作。特别是在选择电机时，如果无法确定自己是否选择正确，那么请向专业人员咨询。通常的做法是：向电机制造商提供泵的转矩-转速曲线及除电机外的泵组设备的转动惯量，由电机制造商帮助确认或选择合适的电机。