变频器在水泵中的节能应用
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摘 要：由于许多风机、水泵的拖动电机处于恒速运转状态，而生产中的风、水流量要求处于变工况运行；许多企业在进行系统设计时，容量选择得较大，系统匹配不合理，往往是“大马拉小车”，造成了能源浪费。因此，做好风机、水泵的节能工作，对国民经济的发展具有重要意义。
关键词：变频器；水泵；节能；供水系统
中图分类号：TM921.51 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.133
随着我国工业生产的迅速发展，电力工业虽然有了长足进步，但能源的浪费却是相当惊人的。据有关资料显示，我国风机、水泵、空气压缩机总量约4 200万台，装机容量约4.0×108 kW，但系统实际运行效率仅为30%～40%，其损耗电能占总发电量的38%以上。
1 变频器
变频器是通过电力半导体器件的通断将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。目前使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVF变频或矢量控制变频），先将工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再将直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源，以供给电动机。变频器的电路一般由整流、逆变、中间直流环节和控制4个部分组成，其中，整流部分为三相桥式不可控整流器；逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形；中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
2 水泵变频调速的节能原理
图1所示为阀门调节功耗曲线。当水泵用阀门控制，且流量要求从Q1降到Q2时，必须关小阀门。这时，阀门的摩擦阻力变大，管路曲线从R移到R’，扬程则从Ha上升至Hb，运行工况点从a点移到b点。
图2所示为变速调节功耗曲线。当水泵采用调速控制方式，且流量要求从Q1降到Q2时，由于阻力曲线R不变，因此，泵的特性取决于转速。如果将转速从n降到n’、性能曲线由（Q-H）变为（Q-H）’，运行工况点则从a点移到c点，扬程从Ha下降到Hc.
离心泵的特性曲线公式为：
式（1）中：N为水泵使用工况轴功率，kW；R为输出介质单位体积质量，kg/m3；Q为使用工况点的流量，m3/s；H为使用工况点的扬程，m；η为使用工况点的泵效率，%.
根据式（1）可求出运行在b点的泵的轴功率和c点的泵的轴功率分别为：
也就是说，用阀门控制流量时，损耗功率为ΔN，且随着阀门不断关小，损耗功率增加。而用转速控制时，流量Q与转速n成正比，扬程H与转速n的平方成正比，轴功率P与转速n的立方成正比。如果不采用关小阀门的方法，而是将电机的转速减慢，那么在转运同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可以完全避免。这样，就可以取得良好的节能效果。以上是水泵的调速节能原理。
3 水泵变频调速的设计
目前，我国在水泵控制系统中应用了变频调速技术，且大部分是在开环状态下运用，即人为地根据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速目的。水泵控制系统主要由四部分组成：控制对象、变频调速器、压力测量变送器和调节器。
3.1 系统的控制过程
用压力测量变送器测出水管出口的压力，并转换成与之相对应的4～20 mA标准电信号，送到调节器与工艺所需的控制指标进行比较，得出偏差。偏差值由调节器按预先规定的调节规律进行运算得出调节信号。该信号直接被送到变频调速器，从而使变频器将输入为380 V/50 Hz的交流电变成输出为0～380 V/0～400 Hz连续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。
3.2 供水系统的设计
在设计供水系统时，要按照现场最大供水量来考虑。供水水泵的运行工况也一样，即按单机的最大供水量来考虑。在实际运行中，有很多水泵需要根据实际工况调节。传统的做法是采用开停泵和开关阀门的方式调节。由于开停泵会有启动冲击电流产生，而开关阀门会增大系统的节流损失，且对系统本身的调节也是阶段性的，调节速度缓慢，减少损失的能力很有限，从而使整个系统处于波动状态，对供水系统超压爆管此类故障几乎无能为力。通过给供水系统加装变频调速装置，可有效解决上述问题，实现自动调节控制，使系统工作状态平缓、稳定，并可通过变频节能收回投资。
4 水泵变频调速应用中需注意的问题
水泵变频调速中的常见问题是减速问题。当采用变频调速时，原来按工频状态设计的泵与电机的运行参数均发生了较大的变化，对调速范围产生了一定的影响。另外，管路特性曲线、与调速泵并列运行的定速泵等也会对调速范围产生一定的影响。由于超范围调速难以实现节能的目的，因此，变频调速不可能无限制调速。一般情况下，变频调速不宜低于额定转速的50%，最好处于75%～100%之间，具体需结合实际计算确定。
4.1 水泵工艺特点对调速范围的影响
从理论上来讲，水泵调速高效区为通过工频高效区左右端点的两条相似工况抛物线的中间区域，而实际上，当水泵转速过慢时，泵的运行效率急剧下降。受此影响，水泵调速高效区萎缩，如果运行工况点已超出该区域，则不宜采用调速方式实现节能目标。
4.2 定速泵对调速范围的影响
在实践中，供水系统往往是多台水泵并联供水。由于投资费用较高，不可能对所有水泵调速，因此一般采用调速泵、定速泵混合供水。在这样的系统中，应注意确保调速泵与定速泵均在高效段运行，实现系统最优化。通常，定速泵会对与之并列运行的调速泵的调速范围产生较大的影响，具体分以下两种情况：①同型号水泵一调一定并列运行时，虽然调度灵活，但由于无法兼顾调速泵与定速泵的高效工作段，因此，此种情况下的调速运行范围是很小的。②不同型号水泵一调一定并列运行时，如果能达到调速泵在额定转速时高效段右端点扬程与定速泵高效段左端点扬程相等，则可实现最大范围的调速运行。此时，决不允许调速泵与定速泵互换后并列运行。
4.3 电机效率对调速范围的影响
在工况相似的情况下，一般有N∝n3，因此，随着转速的下降，轴功率会急剧下降。但如果电机的输出功率过度偏移额定功率或者工作频率过度偏移工频，都会使电机效率迅速下降，最终影响到整个水泵机组的效率。此外，自冷电机连续低速运转时，也会因风量不足影响散热，进而对电机的安全运行造成威胁。
5 结束语
变频调速在水泵节能中的应用是有条件的，不能简单地将其应用于所有的供水系统。流量不稳定、变化频繁且幅度较大，管路损失占总扬程比例较大的供水系统适合运用变频调速，而流量较稳定、工况点单一以及静扬程占总扬程比例较大的供水系统则不适用。因此，在实际中，要结合具体情况，合理采取相应的节能方式。
参考文献
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〔编辑：刘晓芳〕
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