變頻器在水泵中的節(jié)能應(yīng)用

董祖泉

摘 要：由于許多風(fēng)機(jī)、水泵的拖動(dòng)電機(jī)處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而生產(chǎn)中的風(fēng)、水流量要求處于變工況運(yùn)行；許多企業(yè)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，容量選擇得較大，系統(tǒng)匹配不合理，往往是“大馬拉小車”，造成了能源浪費(fèi)。因此，做好風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能工作，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：變頻器；水泵；節(jié)能；供水系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.133

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，電力工業(yè)雖然有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但能源的浪費(fèi)卻是相當(dāng)驚人的。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)總量約4 200萬(wàn)臺(tái)，裝機(jī)容量約4.0×108 kW，但系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率僅為30%～40%，其損耗電能占總發(fā)電量的38%以上。

1 變頻器

變頻器是通過電力半導(dǎo)體器件的通斷將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。目前使用的變頻器主要采用交-直-交方式（VVF變頻或矢量控制變頻），先將工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再將直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源，以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、逆變、中間直流環(huán)節(jié)和控制4個(gè)部分組成，其中，整流部分為三相橋式不可控整流器；逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形；中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。

2 水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理

圖1所示為閥門調(diào)節(jié)功耗曲線。當(dāng)水泵用閥門控制，且流量要求從Q1降到Q2時(shí)，必須關(guān)小閥門。這時(shí)，閥門的摩擦阻力變大，管路曲線從R移到R，揚(yáng)程則從Ha上升至Hb，運(yùn)行工況點(diǎn)從a點(diǎn)移到b點(diǎn)。

圖2所示為變速調(diào)節(jié)功耗曲線。當(dāng)水泵采用調(diào)速控制方式，且流量要求從Q1降到Q2時(shí)，由于阻力曲線R不變，因此，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果將轉(zhuǎn)速?gòu)膎降到n、性能曲線由（Q-H）變?yōu)椋≦-H），運(yùn)行工況點(diǎn)則從a點(diǎn)移到c點(diǎn)，揚(yáng)程從Ha下降到Hc.

離心泵的特性曲線公式為：

式（1）中：N為水泵使用工況軸功率，kW；R為輸出介質(zhì)單位體積質(zhì)量，kg/m3；Q為使用工況點(diǎn)的流量，m3/s；H為使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程，m；η為使用工況點(diǎn)的泵效率，%.

根據(jù)式（1）可求出運(yùn)行在b點(diǎn)的泵的軸功率和c點(diǎn)的泵的軸功率分別為：

也就是說(shuō)，用閥門控制流量時(shí)，損耗功率為ΔN，且隨著閥門不斷關(guān)小，損耗功率增加。而用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。如果不采用關(guān)小閥門的方法，而是將電機(jī)的轉(zhuǎn)速減慢，那么在轉(zhuǎn)運(yùn)同樣流量的情況下，原來(lái)消耗在閥門上的功率就可以完全避免。這樣，就可以取得良好的節(jié)能效果。以上是水泵的調(diào)速節(jié)能原理。

3 水泵變頻調(diào)速的設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)在水泵控制系統(tǒng)中應(yīng)用了變頻調(diào)速技術(shù)，且大部分是在開環(huán)狀態(tài)下運(yùn)用，即人為地根據(jù)工藝或外界條件的變化來(lái)改變變頻器的頻率值，以達(dá)到調(diào)速目的。水泵控制系統(tǒng)主要由四部分組成：控制對(duì)象、變頻調(diào)速器、壓力測(cè)量變送器和調(diào)節(jié)器。

3.1 系統(tǒng)的控制過程

用壓力測(cè)量變送器測(cè)出水管出口的壓力，并轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，送到調(diào)節(jié)器與工藝所需的控制指標(biāo)進(jìn)行比較，得出偏差。偏差值由調(diào)節(jié)器按預(yù)先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算得出調(diào)節(jié)信號(hào)。該信號(hào)直接被送到變頻調(diào)速器，從而使變頻器將輸入為380 V/50 Hz的交流電變成輸出為0～380 V/0～400 Hz連續(xù)可調(diào)電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機(jī)。

3.2 供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，要按照現(xiàn)場(chǎng)最大供水量來(lái)考慮。供水水泵的運(yùn)行工況也一樣，即按單機(jī)的最大供水量來(lái)考慮。在實(shí)際運(yùn)行中，有很多水泵需要根據(jù)實(shí)際工況調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的做法是采用開停泵和開關(guān)閥門的方式調(diào)節(jié)。由于開停泵會(huì)有啟動(dòng)沖擊電流產(chǎn)生，而開關(guān)閥門會(huì)增大系統(tǒng)的節(jié)流損失，且對(duì)系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)也是階段性的，調(diào)節(jié)速度緩慢，減少損失的能力很有限，從而使整個(gè)系統(tǒng)處于波動(dòng)狀態(tài)，對(duì)供水系統(tǒng)超壓爆管此類故障幾乎無(wú)能為力。通過給供水系統(tǒng)加裝變頻調(diào)速裝置，可有效解決上述問題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩、穩(wěn)定，并可通過變頻節(jié)能收回投資。

4 水泵變頻調(diào)速應(yīng)用中需注意的問題

水泵變頻調(diào)速中的常見問題是減速問題。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，原來(lái)按工頻狀態(tài)設(shè)計(jì)的泵與電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)均發(fā)生了較大的變化，對(duì)調(diào)速范圍產(chǎn)生了一定的影響。另外，管路特性曲線、與調(diào)速泵并列運(yùn)行的定速泵等也會(huì)對(duì)調(diào)速范圍產(chǎn)生一定的影響。由于超范圍調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，因此，變頻調(diào)速不可能無(wú)限制調(diào)速。一般情況下，變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速的50%，最好處于75%～100%之間，具體需結(jié)合實(shí)際計(jì)算確定。

4.1 水泵工藝特點(diǎn)對(duì)調(diào)速范圍的影響

從理論上來(lái)講，水泵調(diào)速高效區(qū)為通過工頻高效區(qū)左右端點(diǎn)的兩條相似工況拋物線的中間區(qū)域，而實(shí)際上，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速過慢時(shí)，泵的運(yùn)行效率急劇下降。受此影響，水泵調(diào)速高效區(qū)萎縮，如果運(yùn)行工況點(diǎn)已超出該區(qū)域，則不宜采用調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

4.2 定速泵對(duì)調(diào)速范圍的影響

在實(shí)踐中，供水系統(tǒng)往往是多臺(tái)水泵并聯(lián)供水。由于投資費(fèi)用較高，不可能對(duì)所有水泵調(diào)速，因此一般采用調(diào)速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)中，應(yīng)注意確保調(diào)速泵與定速泵均在高效段運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化。通常，定速泵會(huì)對(duì)與之并列運(yùn)行的調(diào)速泵的調(diào)速范圍產(chǎn)生較大的影響，具體分以下兩種情況：①同型號(hào)水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí)，雖然調(diào)度靈活，但由于無(wú)法兼顧調(diào)速泵與定速泵的高效工作段，因此，此種情況下的調(diào)速運(yùn)行范圍是很小的。②不同型號(hào)水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí)，如果能達(dá)到調(diào)速泵在額定轉(zhuǎn)速時(shí)高效段右端點(diǎn)揚(yáng)程與定速泵高效段左端點(diǎn)揚(yáng)程相等，則可實(shí)現(xiàn)最大范圍的調(diào)速運(yùn)行。此時(shí)，決不允許調(diào)速泵與定速泵互換后并列運(yùn)行。

4.3 電機(jī)效率對(duì)調(diào)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(zhuǎn)速的下降，軸功率會(huì)急劇下降。但如果電機(jī)的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(huì)使電機(jī)效率迅速下降，最終影響到整個(gè)水泵機(jī)組的效率。此外，自冷電機(jī)連續(xù)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)因風(fēng)量不足影響散熱，進(jìn)而對(duì)電機(jī)的安全運(yùn)行造成威脅。

5 結(jié)束語(yǔ)

變頻調(diào)速在水泵節(jié)能中的應(yīng)用是有條件的，不能簡(jiǎn)單地將其應(yīng)用于所有的供水系統(tǒng)。流量不穩(wěn)定、變化頻繁且幅度較大，管路損失占總揚(yáng)程比例較大的供水系統(tǒng)適合運(yùn)用變頻調(diào)速，而流量較穩(wěn)定、工況點(diǎn)單一以及靜揚(yáng)程占總揚(yáng)程比例較大的供水系統(tǒng)則不適用。因此，在實(shí)際中，要結(jié)合具體情況，合理采取相應(yīng)的節(jié)能方式。

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〔編輯：劉曉芳〕