探討應(yīng)用變頻器進(jìn)行水泵節(jié)能的改造

陳明斌

摘 要：變頻器是一種通過綜合利用微電子技術(shù)和變頻技術(shù)改變電機(jī)工作的電源頻率，以控制交流電動(dòng)機(jī)的一種電力控制設(shè)備。目前，變頻器被廣泛應(yīng)用于各種電力設(shè)備，尤其在水泵節(jié)能改造中，具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)要介紹了變頻器的工作原理，探討了變頻器在水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用，以促進(jìn)水泵節(jié)能工作的進(jìn)展，提升水泵供水的恒壓性和運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：變頻器；水泵；節(jié)能改造；運(yùn)行穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.073

一般情況下，在生產(chǎn)過程中，為了保證各種機(jī)械生產(chǎn)的可靠性，工作人員在考慮采用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)留一定的富余量。因此，當(dāng)機(jī)械的運(yùn)行負(fù)荷與電機(jī)不相符，電機(jī)得到充足的驅(qū)動(dòng)力后，多余的力矩會(huì)極大地增加機(jī)械做功功率，從而造成不必要的電能浪費(fèi)。水泵的傳統(tǒng)調(diào)速方法主要是通過控制其入口或出口的擋板和閥門來調(diào)節(jié)水泵內(nèi)的給風(fēng)量和給水量。這種方法不但輸入功率極大，而且在擋板和閥門的截流過程中會(huì)消耗大量的能源，降低了水泵的經(jīng)濟(jì)效益，因此，需采取一定的節(jié)能措施。變頻器因其具有節(jié)能性、可靠性和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種電力設(shè)備，尤其是在風(fēng)機(jī)和水泵的節(jié)能改造中，發(fā)揮著不可忽視的作用，其變頻調(diào)速功能效果被普遍認(rèn)為是最為理想的。

1 變頻器的工作原理

變頻器的變頻調(diào)速功能主要是通過改變轉(zhuǎn)速，即改變電動(dòng)機(jī)的電子供電頻率來實(shí)現(xiàn)的。在物理學(xué)上，n代表轉(zhuǎn)速，s代表轉(zhuǎn)差率，P代表電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，f代表頻率，n1代表同步轉(zhuǎn)速，n2代表實(shí)際轉(zhuǎn)速。那么，變頻器的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速就可以通過公式n=60f（1-s）/p求得。由此可見，電機(jī)的工作頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。另外，電機(jī)工作中的轉(zhuǎn)差率可以通過公式s=（n1-n2）/n1求得，可見同步轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速都與電機(jī)的工作頻率成正比。在電動(dòng)機(jī)工作過程中，當(dāng)同步轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差達(dá)到最小值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速最大，因轉(zhuǎn)速與頻率成正比，那么此時(shí)的電機(jī)頻率也達(dá)到了最大值。

2 應(yīng)用變頻器進(jìn)行水泵節(jié)能改造

2.1 水泵的工作原理

水泵的工作原理以物理學(xué)中的力學(xué)理論為基礎(chǔ)。在力學(xué)上，q代表流量，t代表轉(zhuǎn)矩，P代表軸功率，n代表轉(zhuǎn)速。在水泵工作過程中，水流量與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)矩與軸功率、轉(zhuǎn)速的平方或立方成正比。流量與軸功率的關(guān)系如圖1所示。

2.2 變頻器的節(jié)能計(jì)算

水泵的節(jié)能改造主要是通過控制電機(jī)的輸入功率來實(shí)現(xiàn)，即控制軸功率，因此，可通過計(jì)算軸功率來完成變頻器的節(jié)能計(jì)算。計(jì)算公式為：軸功率=（實(shí)際轉(zhuǎn)速/同步轉(zhuǎn)速）3×變頻器的額定功率×水泵做功率。在應(yīng)用變頻器進(jìn)行水泵節(jié)能改造的過程中，當(dāng)要求減小水泵工作的流量時(shí)，可以通過降低泵轉(zhuǎn)速的方式實(shí)現(xiàn)。以江門市蒙德電氣股份有限公司生產(chǎn)的變頻器在風(fēng)機(jī)水泵型負(fù)載節(jié)能改造中的應(yīng)用為例，一臺(tái)離心泵的電機(jī)功率為11 kW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為5.632 kW，節(jié)省電力48.8%；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的l/2時(shí)，其耗電量為1.375 kW，節(jié)省電力87.5%.當(dāng)水泵工作的流量要求不變時(shí)，可選擇型號(hào)為YX3-132S-4的水泵電機(jī)，其額定電壓為380 V，額定功率為5.5 kW，額定輸出流量為80 m3/h，做功率為76%，實(shí)際輸出流量為64 m3/h，實(shí)際轉(zhuǎn)速為1 450 r/h。那么，如果要計(jì)算變頻器的節(jié)能大小，則可以按水泵每年運(yùn)行6 000 h、電價(jià)0.85元/kW·h計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為：在傳統(tǒng)的擋板和閥門截流過程中，每小時(shí)的軸功率為5.5×0.76=4.18 kW，則每年的軸功率為4.18×6 000=25 080 kW，年度用電費(fèi)用為25 080×0.85=21 318元。應(yīng)用變頻器改造后，每小時(shí)的軸功率為2.14 kW，則每年的軸功率為12 840 kW，年度用電費(fèi)用為10 914元，實(shí)際中較少的用電費(fèi)用為10 404元。由此可見，變頻器在水泵的節(jié)能改造中發(fā)揮了重要的作用。

3 經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行穩(wěn)定性分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

將YX3-132S-4型號(hào)的水泵電機(jī)投入運(yùn)行，應(yīng)用變頻器進(jìn)行改造后，減少了擋板和閥門截流過程中消耗的大量能源，一臺(tái)水泵每年可為企業(yè)或單位節(jié)約10 404元，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。同時(shí)，因電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要的電流是電機(jī)正常工作時(shí)的7倍以上，所以電機(jī)啟動(dòng)過程不但會(huì)造成大量的電流能源浪費(fèi)，而且會(huì)使電機(jī)的電壓瞬間升高。與正常工作時(shí)的電壓相比，電機(jī)啟動(dòng)電壓波動(dòng)頻率非常大，極易使水泵電機(jī)發(fā)生故障，故障排除和電機(jī)維修也需要經(jīng)濟(jì)成本。而應(yīng)用變頻器進(jìn)行改造后，水泵電機(jī)在啟動(dòng)過程中不會(huì)超過電機(jī)的額定電流。這既可以避免因電機(jī)電壓波動(dòng)過大而發(fā)生電機(jī)故障，也可以避免高電流給供電網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備造成的損害。經(jīng)過一定的維修、保養(yǎng)后，不但不會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命，還可以延長設(shè)備的使用壽命。

3.2 運(yùn)行穩(wěn)定性分析

水泵是生產(chǎn)和工作中的一個(gè)重要設(shè)備，為了預(yù)防其在工作過程中因運(yùn)行不穩(wěn)定而發(fā)生故障，或因運(yùn)行不當(dāng)而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失等，需要對(duì)改造后的水泵進(jìn)行運(yùn)行穩(wěn)定性分析。應(yīng)用變頻器改造后的水泵如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，變頻器中的真空接觸器可以從變頻運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)、快速跳換到自動(dòng)旁路狀態(tài)，水泵電機(jī)則進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)，并發(fā)出警報(bào)。變頻器中的真空接觸器跳換到自動(dòng)旁路狀態(tài)所需時(shí)間為1～2 s，時(shí)間非常短暫，不會(huì)造成水泵停機(jī)斷水問題。變頻器內(nèi)的功率單元具有單元旁路功能，當(dāng)變頻器內(nèi)部的零件出現(xiàn)接觸不良問題或發(fā)生故障時(shí)，變頻器可以通過單元旁路功能繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)造成水泵突然停機(jī)斷水，而且可以保證變頻器的實(shí)際功率不發(fā)生改變。此外，變頻器中設(shè)定有水泵的最低運(yùn)行頻率，可以預(yù)防變頻器中的閉環(huán)控制系統(tǒng)因長時(shí)間工作、常規(guī)檢測(cè)而造成信號(hào)失真，最終影響到水泵正常運(yùn)行這一問題。由此可見，應(yīng)用變頻器改造后的水泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)束語

綜上所述，各行各業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展都應(yīng)以節(jié)約能源、最大程度地提高經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，而在水泵運(yùn)行中，利用變頻器對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造效果非常理想——不僅可以節(jié)約能源，還可以大大提升水泵系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低運(yùn)行故障率，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可以提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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〔編輯：王霞〕