淺談變頻調速節能控制技術在水泵電機中的應用

產敏敏

（安徽省產品質量監督檢驗研究院，安徽合肥230601）

0 引言

相關數據顯示，我國泵類電機所消耗的電量占全國總耗電量的20%以上。泵類電機的運行效率普遍偏低，大部分電機運行效率在50%～70%，部分老舊電機運行效率甚至在30%左右，這造成了大量的電能浪費。因此，采取有效的節能控制技術對泵類電機進行節能改造勢在必行。

目前水泵電機的節能調節主要有兩類方法，即非變速調節和變速調節。其中，非變速調節包括改變水泵的啟停數量以及節流調節；變速調節則包括變級調速、串級調速、串電阻調速、調壓調速、滑差調速、液力耦合器調速和變頻調速等。從理論上講，變速調節相比非變速調節更加節能，且變頻調速是目前公認最優的調速方法。許多研究報道顯示，對于需要經常變更工況的水泵，影響其能耗的主要原因是未選擇合適的調速方法。由此可見，水泵電機的調速方式與其節能降耗密切相關。本文將分析如何進行水泵電機的節能改造，并闡述變頻調速節能技術相比其他調速技術的優勢。

1 水泵電機節能改造原理

大部分水泵需要根據實際情況調整工況，而一旦工況改變，其對應的揚程和流量等參數都會發生變化。圖1為某水泵電機的工作曲線（水泵性能和管道阻力曲線），從圖中可知，A工況點是曲線1和曲線3的相交點，通過控制閥門降低流量，其摩擦阻力就會變大，阻力曲線就會從1移到2，而此時工況點由A調整為B，揚程相應提高，流量下降。若通過調速控制，則曲線1不變，曲線3變為曲線4，工況點也從A調整為C，工況點C的揚程和流量相比A工況點均有下降。通過對應的公式計算B工況點和C工況點水泵的軸功率，兩者之差即為圖1中陰影部分的面積。所以，若通過閥門來調節流量，圖中陰影部分代表的就是被浪費的電能，且這一能耗會隨著閥門的不斷關小而急劇增加。反之，若控制閥門開度不變，通過改變水泵電機的轉速來實現工況的調整，能夠避免許多電能的浪費。因此，在需要經常改變工況的水泵中，通過調節其轉速改變其工況的節能方法是切實可行的。

2 水泵電機常用調速方法

水泵電機的調速方法有很多種，常見的如變級調速、串級調速、串電阻調速、調壓調速、滑差調速、液力耦合器調速以及變頻調速等。其中，調壓調速、滑差調速和液力耦合器調速的機械特性相對較差，串級調速和串電阻調速則功率因數較差，而變級調速的缺點在于需要頻繁啟動，這會產生較大的電流，影響水泵電機的使用壽命。而在各項評價指標上，除投資成本較高外，變頻調速均優于其他調速方法。

圖1 水泵電機的工作曲線

目前在國外泵類電機中，變頻調速節能技術應用十分廣泛，相關的研究報道也較多，大量的實踐應用也證明變頻調速節能技術相比其他調速節能技術具有明顯的優勢，具體體現在以下幾個方面：（1）節能效率極高，大量報道表明水泵電機采用變頻調速節能技術，其綜合能耗可降低35%左右；（2）調速效率高，范圍廣；（3）可實現軟啟動和軟停機，對電網造成的沖擊小，能有效避免水錘現象的發生；（4）無需調節閥門，因此管道阻力常年保持固定不變，閥門及阻力管道使用壽命更長；（5）噪聲小；（6）即使變頻設施發生故障，也可改由電網供電，不影響水泵的正常運行。

3 變頻調速系統在水泵電機中的應用實踐

我國泵站中較為常用的是Q400-13-30型潛水電泵，通過廠家公布的性能曲線，可以查得其最優工況點A=595 m3/h，運行效率約為70%。該潛水泵可調工況范圍大，流量在280～700 m3/h，此范圍內綜合運行效率在52%～70%。對于此類工況變化較大的水泵，建議優先考慮采用變頻調速節能技術，可選擇常用的CVF-P2型變頻器，該變頻器市場價約為1.5萬元。假設安裝變頻器后水泵電機能節能35%，根據水泵電機30 kW的額定功率計算，一年能節省的電費就高達1.5萬元，即1年節能效益即可收回投資成本。上述成本分析是基于大型泵站考慮的，對于小型泵站站或家用的潛水泵，由于不需要經常變換工況，變頻節能器的投資成本可能需要5年以上的節能效益才能收回成本，因此性價比較低。

4 結語

在傳統水泵站中，主要通過調節閥門或擋板的開度來實現節流，此種節流調節方法操作簡單，成本低廉，但缺點是會造成大量的能源浪費。根據水泵電機的運行調節原理，學者們提出了變頻調速節能技術，此技術能夠有效降低水泵電機的能耗。然而變頻設備前期投入成本較高，甚至高于水泵的價格，這在一定程度上制約了其廣泛應用。近幾年，隨著變頻技術的飛速發展，變頻設備價格越來越低，性價比逐漸凸顯。對于需要經常調整工況的大型泵站，水泵電機實施變頻調速節能改造，其初期投資成本最快在1年左右即可收回，可見變頻調速節能技術值得在水泵電機中推廣應用。