Скважинные электронасосные агрегаты с синхронными электродвигателями на постоянных магнитах

© Институт жилищно-коммунального 
    хозяйства НАН Беларуси, 2023
© Оформление. РУП «Издательский дом  
    «Беларуская навука», 2023

УДК 621.65.03:621.313.323.8

Козорез, А. С. Скважинные электронасосные агрегаты с синхронными электродвигателями на постоянных магнитах / А. С. Козорез, В. О. Китиков, Ю. А. Башко ; под общ. ред. 
В. О. Китикова ; Нац. акад. наук Беларуси, Ин-т жилищ.-коммун. хоз-ва Нац. акад. наук Беларуси. – Минск : Беларуская навука, 2023. – 163 с. – ISBN 978-985-08-2992-4.

В монографии обобщены научно-технические предпосылки и изложены практические рекомендации по повышению эффективности технологического процесса подачи воды из скважин в условиях водозаборов, содержится информация о конструктивных особенностях, номенклатуре и устройстве погружных скважинных электронасосных агрегатов. Рассмотрены методические подходы к подбору оборудования для подачи воды и определению 
показателей экономической эффективности насосных агрегатов. По результатам их апробации в условиях водозаборов Республики Беларусь даны практические рекомендации и технико-экономическое обоснование замены 
применяемых электронасосных агрегатов с асинхронным приводом на высокоэффективные системы подачи воды 
с синхронным приводом.
Предназначена для инженерно-технических работников жилищно-коммунального хозяйства и агропромышленного комплекса, сотрудников научно-исследовательских институтов и проектных организаций, студентов, 
магистрантов, аспирантов инженерных специальностей, а также слушателей факультетов повышения квалификации. 
Табл. 28. Ил. 74. Библиогр. : 211 назв.

Рекомендовано к изданию научно-техническим Бюро Отделения физико-технических наук  НАН Беларуси  
(протокол № 12 от 09.11.2022)

Под общей редакцией доктора технических наук, профессора В. О. Китикова

Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор В. В. Ивашечкин,
доктор технических наук, профессор Н. И. Мухуров

ISBN 978-985-08-2992-4

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение населения качественной питьевой водой при одновременном сокращении 
удельных затрат, снижении себестоимости и обеспечении доступности услуг водоснабжения 
для граждан является одним из приоритетов социальной политики государства. Эффективная 
организация водоснабжения – одна из ключевых задач отрасли жилищно-коммунального хозяйства.
В нашей стране в качестве основного, а для многих населенных пунктов и единственного источника водоснабжения являются подземные воды, в большинстве случаев забираемые 
из скважин при помощи погружных скважинных электронасосных агрегатов. Как источники водоснабжения подземные воды лучше поверхностных вод по качеству и имеют незначительные колебания температуры. Стоимость 1 м3 воды поверхностного источника, очищенной  
с помощью медленных фильтров, примерно в 4 раза выше стоимости 1 м3 воды из подземного 
источника [1].
В структуре затрат на водоснабжение в Беларуси одним из основных показателей является расход электроэнергии – более 25 %, из них доля затрат на подъем воды из водозаборных 
скважин составляет по разным регионам 17–19,2 % и более [2].
Концепция совершенствования и развития ЖКХ до 2025 г. в качестве одного из целевых 
индикаторов предусматривает снижение удельных норм расхода электрической энергии на 
подъем и подачу воды к 2025 г. на 9 % к уровню 2015 г. [3‒5].
Таким образом, экономическая эффективность водопроводно-канализационного хозяйства 
напрямую связана с эффективностью применения электронасосных агрегатов.
С учетом этого сотрудниками ГНУ «Институт жилищно-коммунального хозяйства НАН 
Беларуси» выполнено научное сопровождение исследований технологического процесса 
в направлении повышения эффективности систем подъема и подачи воды, а также внедрения 
электронасосных агрегатов с синхронным приводом на примере предприятия-производителя 
ОАО «Завод Промбурвод».
Под высокоэффективными системами в данной работе понимается водоподъемное оборудование, а именно электронасосные агрегаты с синхронным приводом с постоянными магнитами. Мировой опыт применения таких электронасосных агрегатов свидетельствует о том, 
что они обладают максимальными показателями КПД и полезной нагрузки. В связи с тем, что 
изменение нагрузки, приложенной к валу ротора двигателя, не оказывает влияния на частоту 
его вращения, при ударных нагрузках сохраняется постоянство частоты вращения двигателя 
и рабочей части насоса, что позволяет повысить эффективность и бесперебойность технологического процесса, а также снизить удельные затраты энергии на привод. Применение информационных систем дает возможность осуществлять автоматический контроль режимов 
работы высокоэффективных систем, что продлевает срок их службы, минимизирует эксплуатационные расходы и затраты на сервисное обслуживание. Именно такой подход позво ляет 
получить экономический эффект в виде снижения на 9 % и более потребляемой из сети 
электрической энергии, добиться уменьшения на 10 % и более эксплуатационных расходов 
и увеличения в 1,5 раза срока службы оборудования [6].
Результаты подконтрольной эксплуатации высокоэффективных систем подтверждают снижение показателя удельного потребления энергии, что указывает на потенциал энергосбережения технологического процесса подачи воды из скважин в условиях отечественных водозаборов [7].

В научном плане цель настоящей монографии – комплексное исследование условий повышения эффективности технологического процесса подачи воды из скважин и разработка методических подходов к определению параметров качества и надежности насосных агрегатов.
Практическая направленность работы – это внедрение высокоэффективного насосного 
оборудования для водозаборных скважин и ознакомление с ним широкого круга специалистов, связанных с проектированием, производством, ремонтом и эксплуатацией погружных 
электронасосных агрегатов.
Основной объем приведенных в настоящей работе данных был опубликован в сборниках 
научных трудов и научных отчетах Института жилищно-коммунального хозяйства НАН Беларуси, в том числе в практических рекомендациях [6, 7].
Авторы выражают благодарность И. В. Барановскому, Н. В. Вратил, С. В. Лосику, другим 
сотрудникам Института жилищно-коммунального хозяйства НАН Беларуси за участие в исследованиях и апробации полученных результатов и особую признательность Д. В. Бондареву, 
А. В. Грицко, В. И. Бословяку, А. Д. Макутю, А. В. Чайко, С. А. Лихтару и многим другим 
работникам ОАО «Завод Промбурвод» за помощь при подготовке данной монографии.
Выражаем благодарность рецензентам – доктору технических наук, профессору В. В. Ивашечкину и доктору технических наук, профессору Н. И. Мухурову за критические замечания, 
высказанные при подготовке монографии к изданию.

Глава 1

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ 
ДЛЯ ПОДЪЕМА ВОДЫ ИЗ АРТЕЗИАНСКИХ СКВАЖИН

1.1. Применение электронасосных агрегатов в различных отраслях  
народного хозяйства

Электродвигатели с ротором на постоянных магнитах являются наиболее вероятной моделью вечного двигателя. Над его созданием работали и работают многие ученые, но совершенной конструкции вечного двигателя пока не создано.
Синхронный двигатель является электрической машиной, работающей от сети переменного тока. Синхронным он называется потому, что частота вращения вала ротора точно соответствует частоте магнитного поля, т. е. они вращаются синхронно, индуцируемые статором [8]. 
Если частота токов статора постоянна, то и ротор вращается со строго постоянной частотой 
вращения. Электродвигатели по принципу работы бывают синхронными и асинхронными,  
а по количеству фаз питающего напряжения подразделяются на одно- и трехфазные. Главным 
их отличием, независимо от фаз, является то, что скорость магнитодвижущей силы статора 
в синхронных двигателях равна скорости вращения ротора, а в асинхронных двигателях эти 
скорости не совпадают ‒ ротор вращается медленнее магнитного поля статора и частота его 
вращения не достигает 3000 оборотов в минуту.
К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести [9]:
работу при высоком значении коэффициента мощности – вплоть до единицы;
высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности;
стабильность частоты вращения (не зависит от изменения величины механических нагрузок на валу);
сохранение нагрузочной способности даже при скачках и асимметрии напряжения в сети 
питания;
неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу;
экономичность.
Области применения синхронных электродвигателей в последнее время расширяются. 
С появлением преобразователей частоты синхронный двигатель стали использовать в качестве привода автоматических систем, высокоскоростных приводов станков, в металлообрабатывающих центрах, роботостроении, погружных насосных агрегатах [10]. Его стали применять также независимо от мощности в тех случаях, когда требуется постоянство скорости 
вращения электропривода. В дальнейшем применение синхронных двигателей должно все 
больше расширяться, даже для механизмов с регулируемой скоростью вращения и с равномерной нагрузкой.
Наибольшее применение синхронные машины нашли в энергетике, где они могут работать 
как генераторами, так и электродвигателями. В настоящее время основными источниками 
электроэнергии остаются синхронные генераторы на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях. В зависимости от типа привода синхронные генераторы делятся на турбогенераторы, 
гидрогенераторы и дизельные генераторы.
Синхронные электродвигатели могут быть использованы в качестве источника реактивной энергии, что позволяет гибко регулировать значение коэффициента мощности и уровня 

напряжения в сети [8]. Проведенные расчеты применения синхронных двигателей в качестве 
компенсирующих устройств показывают, что помимо наименьших в сравнении с другими видами компенсирующих устройств (например, со статическим конденсатором) капитальных 
затрат при строительстве синхронные двигатели имеют и более экономичные эксплуатационные показатели. Поэтому для улучшения коэффициента мощности (cos φ) крупных электроустановок на электрических подстанциях устанавливают синхронные двигатели, работающие 
в режиме холостого хода с опережающим по фазе током. Их называют компенсаторами реактивной мощности.
Поскольку синхронные двигатели являются самыми мощными (их мощность достигает до 
нескольких десятков мегаватт), они незаменимы в качестве привода в различных механизмах 
в горнорудной, металлургической, металлообрабатывающей промышленности и строительстве. Так, их широко применяют для привода мощных воздуходувок доменной печи, угольных 
и цементных мельниц, компрессорных, насосных и вентиляционных установок, прецизионных обрабатывающих станков, подъемно-транспортных машин, на конвейерах и прокатных 
станах, в высокопроизводительных гильотинных ножницах, где имеются большие ударные 
нагрузки на ротор электродвигателя [11, 12].
Строгое постоянство частоты вращения обусловливает широкое применение синхронных микродвигателей упрощенной конструкции мощностью от долей ватта до сотен ватт.  
Их используют для привода различных автоматических регистрирующих и самопишущих 
приборов, магнитофонов, печатных машин, в системах звука и видеозаписи и др. Синхронный 
двигатель часто применяют как микродвигатель в часах, фотоаппаратах и в точном приборостроении [12, 13]. 
Большая часть компьютерной техники имеет высокую производительность и оснащена 
синхронными шаговыми миниэлектродвигателями. 
Использование синхронных двигателей малой мощности может значительно расширить 
область применения для привода глубинных насосных установок на нефтяных промыслах, 
нефтегазоперерабатывающих заводах и нефтегазоперекачивающих станциях магистральных 
трубопроводов [14].
В настоящее время в насосном оборудовании (скважинных, циркуляционных, повысительных, фекальных и других насосах) все больше стали применять синхронные электродвигатели на постоянных магнитах [15, 16].
Проведенные исследования сухих электродвигателей [17] показывают, что КПД синхронного электродвигателя с ротором на постоянных магнитах примерно на 2 % больше, чем КПД 
(IE3) асинхронного электродвигателя, но при условии, что их статоры имеют одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же частотный преобразователь. Для погружных электродвигателей КПД на 13 % выше [18]. При этом показатели мощность/объем, 
момент/инерция и др. у синхронных электродвигателей с постоянными магнитами по сравнению с аналогичными показателями у других электродвигателей лучше [19].
В соответствии с предложенной международной ассоциацией европейских производителей насосов Europump унифицированной схемой, основанной на индексе энергетической 
эффективности (EEI – Energy Efficiency Index), формируемом на основе годового профиля 
загрузки, средний электронасосный агрегат по энергоэффективности можно отнести к категориям D и E [17].
Мировой опыт показывает, что повысить энергоэффективность погружных скважинных 
насосов и процесса подачи воды в современных системах водоснабжения позволяет применение синхронного электродвигателя. У европейского производителя фирмы Franklin Electric 
появились высокоэффективные системы с погружным электродвигателем на постоянных магнитах для привода скважинных насосов [20]. Исследования компании Franklin Electric показывают, что система насос‒электродвигатель с синхронным приводом почти на 11 % эффективнее, чем аналогичная система, имеющая асинхронный привод. Данная система получила 
в Европе наивысший класс (А) по энергоэффективности [21].

Таким образом, на сегодняшний день не только в машиностроении, но и в других отраслях 
сложно найти направление, где не применяются синхронные электродвигатели на постоянных 
магнитах. 

1.2. Анализ факторов, влияющих на эффективность подъема воды  
из водозаборных скважин

Наряду с отечественными погружными скважинными электронасосными агрегатами, разработанными в прошлом столетии, все большую популярность приобретают экономичные 
и имеющие сравнительно небольшой наружный диаметр насосы, что значительно снижает 
стоимость бурения скважин и затраты на их эксплуатацию [22–26]. Опыт применения подобных агрегатов показал, что на их эксплуатацию негативно влияет ряд факторов, а именно: 
скачки напряжения, асимметрия напряжения и тока, гармоники напряжения [27]. Эти аспекты 
необходимо учитывать при подборе, монтаже и эксплуатации погружных скважинных электронасосных агрегатов для конкретных объектов водоснабжения.
В действующих электрических сетях значения напряжения зачастую сильно варьируются. 
Такие ситуации крайне вредны для погружных электродвигателей. При скачках напряжения 
крутящий момент и частота вращения вала электродвигателя отклоняются от своих номинальных значений, в результате чего происходит падение КПД, увеличивается потребляемая мощность, а следовательно, и теплообразование.
Опыт показывает, что если на электродвигатель при полной нагрузке поступает напряжение на 10 % ниже номинального, то величина потребляемого тока возрастает примерно на 
5 %, а температура электродвигателя – на 20 % (рис. 1.1). В пределах допустимых параметров 
работы питающей сети (например, при совпадении сдвига фаз и скачка напряжения) такое 
превышение может превысить максимально допустимую температуру изоляции обмоток, что 
приведет к короткому замыканию и разрушению статора. Возникающее в результате пониженного напряжения длительное повышение температуры обмоток двигателя способствует 
быстрому износу изоляции и, следовательно, уменьшению срока ее службы. При перенапряжении в сети потребляемая мощность и теплообразование в обмотках электродвигателя также 
возрастают.
При постоянных или длительных колебаниях напряжения свыше ±10 % применение синхронного электродвигателя с ротором на постоянных магнитах промышленного назначения 
позволяет добиться приемлемого срока его службы и высокого КПД.

Рис. 1.1. Дополнительное потребление тока при колебаниях напряжения

Рис. 1.2. Зависимость асимметрии тока и температуры от асимметрии напряжения 

При минимальной асимметрии тока КПД электродвигателя максимальный, а срок его 
службы наиболее продолжительный. Фактор асимметрии тока не должен превышать 5 %, вот 
почему важна равномерная нагрузка всех фаз. На рис. 1.2 продемонстрировано влияние асимметрии напряжения на асимметрию тока и температуру обмоток статора в самой напряженной 
фазе. Перекос фаз может быть вызван асимметрией тока в линиях электропередачи, а также 
изношенными либо окисленными контакторами. Кроме того, для предотвращения повышения 
или понижения напряжения на отдельных фазах при полной нагрузке сети все однофазные потребители должны быть равномерно распределены по трем фазам. В противном случае такие 
устройства могут стать причиной асимметрии («перекоса») фаз, что очень часто встречается 
в дачных поселках и агрогородках. Для решения таких проблем может быть использован синхронный привод.
Еще один негативный аспект, влияющий на работу электродвигателя, – дополнительные 
гармоники напряжения и тока. Электросеть обеспечивает потребителей синусоидальным напряжением по всем трем фазам. Однако к полученному на электростанции синусоидальному 
напряжению в распределительной системе добавляются дополнительные гармоники, которые 
на практике могут быть обусловлены такими факторами [28], как управление преобразователем частоты без фильтра; управление приборами, обеспечивающими плавный пуск электродвигателя; наличие контакторов для крупных машин; наличие конденсаторов в промышленных установках; удар молнии.
Все эти факторы негативно влияют на обмотку статора и на оптимальный срок службы 
электродвигателя. Гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, а также в стали статора и ротора вращающихся электрических 
машин. Как результат, в случае водоподъемного оборудования возрастает стоимость оборудования, увеличиваются энергетические потери и уменьшается производительность, что приводит к увеличению себестоимости подачи воды потребителю.
Использование современного насосного оборудования с приводом от синхронного электродвигателя с ротором на постоянных магнитах – не дань моде, а требование времени. Подобные агрегаты надежны, имеют высокий КПД, быстро окупаются и способны обеспечить 
существенную экономию электроэнергии. Чтобы максимально эффективно использовать эти 
преимущества, необходимо учитывать накопленный опыт эксплуатации в условиях отечественных предприятий.
Ранее при проектировании и строительстве объектов водоснабжения предполагалось приобретение лишь того насосного оборудования, которое имелось в каталогах заводов-производителей. В результате на многих объектах устанавливалось насосное оборудование с большим 

запасом по напору, подаче и мощности, что было бы оправданно при их 100 %-ной загрузке. 
Но сегодня, как показывает анализ, этот запас приводит лишь к перерасходу электроэнергии.
При выборе насосного оборудования следует учитывать следующие основные факторы [29]:
соответствие насосного оборудования требованиям системы водоснабжения;
эффективность применения насосного оборудования, снижающая эксплуатационные расходы в виде оплаты за электроэнергию;
капитальные затраты на приобретение насосного оборудования;
расходы, связанные с техническим обслуживанием.
Соответствие насосного оборудования требованиям системы водоснабжения означает, что 
насос должен подавать нужное количество воды и создавать требуемое давление. При этом 
он должен работать в допустимом диапазоне подачи воды, а лучше – в номинальном режиме. 
Организации, проектирующие системы водоснабжения, при обосновании выбора насосного 
оборудования, зачастую не в полной мере учитывают эти обстоятельства. А эксплуатирующие 
организации нередко не уделяют должного внимания обеспечению соответствия реальных режимов работы допустимым диапазонам. Эксплуатация насосного оборудования вне области 
его допустимых режимов приводит к следующим негативным факторам [30‒32]:
снижению экономической эффективности систем водоснабжения;
увеличению расхода воды в системах;
увеличению расхода электроэнергии;
повышению шума и вибрации агрегата и трубопроводов;
преждевременному износу и выходу из строя подшипников насосного оборудования;
поломке вала насоса или электродвигателя;
разрушению рабочего колеса насоса.
Влияние этих негативных факторов уменьшается, а то и вовсе сводится на нет при применении скважинных насосов с приводом от синхронного электродвигателя с ротором на постоянных магнитах, которые снижают энергопотребление и позволяют эффективно обеспечивать 
процессы современного водоснабжения.
Работа скважинных электронасосных агрегатов с асинхронным приводом в системе с частотными преобразователями не всегда эффективна. Так как разбор воды очень неравномерен, 
а для охлаждения асинхронного электродвигателя насосного агрегата подача не должна быть 
ниже установленной величины, при работе на сеть невозможно использовать частотный преобразователь без промежуточной накопительной емкости или гидроаккумулятора соответствующей емкости. Это связано с необходимостью принудительного охлаждения электродвигателя, 
что в условиях скважины невозможно. Необходимо также помнить, что при наличии большой 
статической составляющей в напорной характеристике системы водоснабжения частотное регулирование не позволяет повышать экономическую эффективность за счет использования скважинных насосов, а лишь дает возможность уменьшить объемы и, соответственно, габариты промежуточных емкостей, а также снизить риск появления гидравлических ударов в системе.
Кроме того, при работе с преобразователями частоты скважинных электронасосных агрегатов с асинхронным приводом необходимо соблюдать следующие требования [28, 33]:
для обеспечения достаточного охлаждения электродвигателя насосный агрегат должен 
работать в рабочем диапазоне, а подача им воды не должна снижаться более чем на 20 % от 
номинального значения;
для защиты обмоток электродвигателей от перегрева, расплавления изоляции и пробоя 
рекомендуется устанавливать термодатчик, отключающий двигатель при температуре выше 
25–30 ºС от исходной температуры воды в скважине;
для нормальной работы радиальных и упорных подшипников скорость вращения вала 
электродвигателя должна быть не менее 2200 об/мин, что составляет 40 Гц;
для защиты электродвигателя насосного агрегата от высокочастотных импульсов напряжения, которые могут привести к преждевременному износу и пробою изоляции обмоток  

(при большей длине соединительного кабеля между агрегатом и преобразователем) необходимо устанавливать выходные фильтры: фильтр du/dt или синусоидальный фильтр.
Все эти ограничения не востребованы при применении высокоэффективных систем подачи воды, в состав которых в качестве привода скважинных насосов входит синхронный электродвигатель на постоянных магнитах.
Основой энергоэффективного использования насосного оборудования является согласованная работа на сеть, т. е. рабочая точка должна находиться в рабочем диапазоне характеристики насоса. Рабочая точка определяется характеристиками насоса и системы, в которой 
установлен насос. Выполнение этого требования позволяет эксплуатировать насосы с высокой 
эффективностью и надежностью. Система синхронного привода дает возможность удовлетворить данное требование, обеспечивая в течение работы минимальное потребление энергии, 
наименьшие эксплуатационные затраты, другие преимущества.
В силу рассмотренных ранее конструктивных особенностей, связанных с применением 
специальных радиального и упорного подшипников, погружному синхронному двигателю 
противопоказана работа в режимах частой остановки и запуска. Поэтому двигатели такого 
вида широко используют в технологических процессах, где идет постоянный непрерывный 
процесс и не требуются частая остановка и запуск оборудования. При этом для запуска синхронного двигателя с ротором на постоянных магнитах необходим частотный преобразователь, который кроме запуска осуществляет комплексную защиту двигателя и насоса, обеспечивая долговечность и надежность работы синхронного привода. Такой вариант применим 
в водоснабжении на водозаборе при подъеме воды из водозаборных скважин, когда одна или 
несколько скважин работают постоянно, а остальные находятся в резерве.
Система управления с частотным преобразователем может выполнять целый ряд сервисных функций [34]: 
контроль работы группы параллельно работающих насосов;
автоматическая остановка насоса при отсутствии расхода (спящий режим);
автоматическое обнаружение порывов водопровода и сокращение потерь воды (на 2–7 %) 
из-за утечек;
автоматический переход в ночной режим (пониженное давление), в режим выходных или 
праздничных дней и т. д.
Принимая во внимание все конструктивные особенности синхронного привода, требования к непрерывности выполнения им технологического процесса, насосные агрегаты с синхронным приводом следует рекомендовать к применению [35]:
для всех систем водоснабжения с частотно-регулируемым управлением насосными агрегатами без применения водонапорной башни, где подача воды обеспечивается путем изменения 
скорости рабочего колеса насоса в зависимости от реального водопотребления, т. е. электроэнергия фактически затрачивается для обеспечения напора и подачи воды. Такое снижение 
частоты вращения насосов при неизменных параметрах сети приводит к снижению энергопотребления системы на 5–40 %;
для комбинированных систем водоснабжения, где постоянный запас воды в водонапорной 
башне используется при возникновении пиковых нагрузок в системе водоснабжения. Дополнительные резервуары для работы во время пиковых нагрузок дают снижение энергопотребления системы на 10–20 %;
для систем подъема воды из водозаборных скважин на водозаборе в составе группы параллельно работающих агрегатов. Регулирование путем изменения количества параллельно 
работающих насосов снижает энергопотребление системы на 10–30 %.
В конечном итоге применение в рассмотренных системах водоснабжения агрегата с синхронным приводом кроме экономии электроэнергии позволяет обеспечить [34]:
снижение капитальных затрат (до 20 %) на сооружение системы водоснабжения;
повышение долговечности (до 20 %) водоподъемного и водопроводного оборудования за 
счет стабилизации давления и исключения гидравлических ударов.