水泵變頻節(jié)能技術分析與應用

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摘要： 介紹了水泵變頻調速控制系統(tǒng)的節(jié)能原理、基本工作原理及系統(tǒng)控制過程，并且針對實際應用中應注意的問題進行了歸納總結。
關鍵詞： 變頻 水泵 節(jié)能 調速技術

　　隨著我國工業(yè)生產的迅速發(fā)展，電力工業(yè)雖然有了長足進步，但能源的浪費卻是相當驚人的。據有關資料報導，我國風機、水泵、空氣壓縮機總量約4200萬臺，裝機容量約1.1億千瓦。但系統(tǒng)實際運行效率僅為30～40%，其損耗電能占總發(fā)電量的38%以上。這是由于許多風機、水泵的拖動電機處于恒速運轉狀態(tài)，而生產中的風、水流量要求處于變工況運行；還有許多企業(yè)在進行系統(tǒng)設計時，容量選擇得較大，系統(tǒng)匹配不合理，往往是“大馬拉小車”，造成大量的能源浪費。因此，搞好風機、水泵的節(jié)能工作，對國民經濟的發(fā)展具有重要意義。

　　1 水泵變頻調速運行的節(jié)能原理

　　圖1為水泵用閥門控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，必須關小閥門。這時閥門的磨擦阻力變大，管路曲線從R移到R′，揚程則從Ha上升到Hb，運行工況點從a點移到b點。

　　圖2為調速控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉速。如果把速度從n降到n′，性能曲線由（Q-H）變?yōu)椋≦-H）′,運行工況點則從a點移到c點，揚程從Ha下降到Hc。

　　根據離心泵的特性曲線公式：

　　N＝RQH／102η?

　　式中：N——水泵使用工況軸功率（kw）?

　　Q——使用工況點的流量（ｍ3／ｓ）?；

　　H——使用工況點的揚程（ｍ）；

　　R——輸出介質單位體積重量（kg／ｍ3）?；

　　η——使用工況點的泵效率（%）。

　　可求出運行在b點泵的軸功率和c點泵的軸功率分別為：

　　Nb＝RＱ2Ｈb／１０２η ??

　　Nc＝RＱ2Ｈc／１０２η ??

　　兩者之差為： ΔN＝Nc—Nb=R×Ｑ2×（Ｈb－Ｈc）／１０２η?

　　也就是說，用閥門控制流量時，有ΔN功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。而用轉速控制時，由于流量Ｑ與轉速n的一次方成正比；揚程Ｈ與轉速n的平方成正比；軸功率Ｐ與轉速n的立方成正比，即功率與轉速n成３次方的關系下降。如果不是用關小閥門的方法，而是把電機轉速降下來，那么在轉運同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節(jié)能效果，這就是水泵調速節(jié)能原理。

　　2 變頻調速的基本原理

　　變頻調速的基本原理是根據交流電動機工作原理中的轉速關系：

　　n＝６０ｆ（１－ｓ）／ｐ ??

　　式中：ｆ——水泵電機的電源頻率（Ｈｚ）；

　?。稹姍C的極對數；

　　由上式可知，均勻改變電動機定子繞組的電源頻率ｆ，就可以平滑地改變電動機的同步轉速。電動機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節(jié)能作用。

　　3 水泵變頻調速控制系統(tǒng)的設計

　　目前，國內在水泵控制系統(tǒng)中使用變頻調速技術，大部分是在開環(huán)狀態(tài)下，即人為地根據工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值，以達到調速目的. 系統(tǒng)主要由四部分組成：(1)控制對象(2)變頻調速器(3)壓力測量變送器（ＰＴ）(4)調節(jié)器（ＰＩＤ）.

　　系統(tǒng)的控制過程為：

　　由壓力測量變送器將水管出口壓力測出，并轉換成與之相對應的４～２０ｍＡ標準電信號，送到調節(jié)器與工藝所需的控制指標進行比較，得出偏差。其偏差值由調節(jié)器按預先規(guī)定的調節(jié)規(guī)律進行運算得出調節(jié)信號，該信號直接送到變頻調速器，從而使變頻器將輸入為３８０Ｖ／５０Ｈｚ的交流電變成輸出為０～３８０Ｖ／０～４００Ｈｚ連續(xù)可調電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機。

　　4 水泵變頻調速應用的注意事項

　　水泵調速一般是減速問題。當采用變頻調速時，原來按工頻狀態(tài)設計的泵與電機的運行參數均發(fā)生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調速泵并列運行的定速泵等因素，都會對調速的范圍產生一定影響。超范圍調速則難以實現(xiàn)節(jié)能的目的。因此，變頻調速不可能無限制調速。一般認為，變頻調速不宜低于額定轉速50％，最好處于75％～100％，并應結合實際經計算確定。

　　 4.1 水泵工藝特點對調速范圍的影響

　　 理論上，水泵調速高效區(qū)為通過工頻高效區(qū)左右端點的兩條相似工況拋物線的中間區(qū)域。實際上，當水泵轉速過小時，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調速高效區(qū)萎縮,若運行工況點已超出該區(qū)域，則不宜采用調速來節(jié)能了。

　　4.2 定速泵對調速范圍的影響

　　 實踐中，供水系統(tǒng)往往是多臺水泵并聯(lián)供水。由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調速，所以一般采用調速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)中，應注意確保調速泵與定速泵都能在高效段運行，并實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。此時，定速泵就對與之并列運行的調速泵的調速范圍產生了較大的影響。主要分以下兩種情況：

　　 4.2.1 同型號水泵一調一定并列運行時，雖然調度靈活，但由于無法兼顧調速泵與定速泵的高效工作段，因此，此種情況下調速運行的范圍是很小的。

　　 4.2.2 不同型號水泵一調一定并列運行時，若能達到調速泵在額定轉速時高效段右端點揚程與定速泵高效段左端點揚程相等。則可實現(xiàn)最大范圍的調速運行。但此時調速泵與定速泵絕對不允許互換后并列運行。

　　 4.3 電機效率對調速范圍的影響

　　 在工況相似的情況下，一般有N∝n3，因此隨著轉速的下降，軸功率會急劇下降，但若電機輸出功率過度偏移額定功率或者工作頻率過度偏移工頻，都會使電機效率下降過快，最終都影響到整個水泵機組的效率。而且自冷電機連續(xù)低速運轉時，也會因風量不足影響散熱，威脅電機安全運行。

　　參考文獻：

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　　 [4]谷晉龍．水泵調定混合給水系統(tǒng)運行工況分析[J]．給水排水，1997，23(12)：1～4．