变频器在风机水泵节能技术中的分析与应用

变频器在风机水泵节能技术中的分析与应用南昌赣江水工业科技有限公司黄红卫摘要介绍了变频调速控制系统的节能原理，变频调速的基本原理，变频调速实际应用中应注意的问题。关键字变频器风机水泵节能调速技术AnalysisandApplicationofFanPumpandWaterPumpFrequencyConversionEnergySavingAbstract：Thetextintroducedtheenergysavingtheoryandbasistheoryoffrequencyconversiontimingtechnologycontrolsystem,andtheattendantproblemsinpracticeapplicationKeywords：frequencyconversion,fanpumpandwaterpump,energysaving,timingtechnology能源是人类赖以生存的物质基础。人均能源资源占有量少、国内保障程度低，从长远和总量上看能源供给不足是我国的基本国情。能源领域面临的严重问题：一是储量不足，我国人均能源资源占有量仅为世界平均水平的一半；二是能源利用效率远低于世界先进水平；三是以煤为主的能源结构导致环境污染严重；四是大量进口石油严重威胁国家的经济安全。能源大量消耗和环境严重污染的粗放型经济增长模式，影响全面建设小康社会总目标的实现，节约能源是解决上述矛盾的现实选择。我国的电动机用电量占全国发电量的60%～70%，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的档板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在档板、阀门的截流过程中。由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20%～50%，而且通常在设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。因此使用变频器效益显著。采用变频器驱动具有很高的节能空间。目前许多国家均已指定流量压力控制必须采用变频调速装置取代传统方式，中国国家能源法第29条第二款也明确规定风机泵类负载应该采用电力电子调速。一、变频器调速节能装置的节能原理1、变频器调速节能当水泵用阀门控制时，流量要求从Q1减小到Q2，必须关小阀门。这时阀门的磨擦阻力变大，管理曲线从R稳到R′，扬程则从Ha上升到Hb，运行工况点从a点移到b点。当水泵用变频调速控制时，流量要求从Q1减小到Q2，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。如果把速度从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。根据离心泵的曲线公式：N=RQH/102ŋ式中：N——水泵使用工况轴功率（kw）；Q——使用工况点的流量（m3/s）H——使用工况点的扬程（m）R——输出介质单位体积重量（kg/m3）ŋ——使用工况点的泵效率（%）可求出运行在b点泵的轴功率和c点泵的轴功率分别为：Nb=RQ2Hb/102ŋNc=RQ2Hc/102ŋ两者之差为：△N=Nb－Nc=R×Q2×（Hb－Hc）/102ŋ，也就是说，用阀门控制流量时，有△N功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，轴动率p与转速n的立方成正比，即pp1=(nn1)3其中：p——额定轴功率p1——变速运行时轴功率n——额定转速n1——变速后转速当水泵转速降低10%时，轴功率降低27.1%；当水泵转速降低20%时，轴功率降低48.8%。2、功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=S×COSØ，Q=S×SINØ，其中S——视在功率，P——有功功率，Q——无功功率，COSØ——功率因数。可知COSØ越大，有功功率越大，普通风机，水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSØ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。3、软启动节能由于电机为直接启动或降压启动，启动电流等于（3—7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，造成损耗增加，启动时产生的大电流和震动对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频调速后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。二、变频调速的基本原理变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系：N=pf60（1—s），式中：f——水泵电机的电源频率（Hz）；p——电机的极对数；s——转差率；由上式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机的输入功率也随之减少。这就是变频器调速节能的基本原理。三、变频调速应用中的注意事项风机、水泵调速一般是减速调速。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，另外如管路特性曲线、与调速泵并列运行的定速泵等因素，都会对调速的范围产生一定影响。超范围调速则难以实现节能的目的。因此，变频调速不可能无限制调速。一般认为，变频调速不宜低于额定转速50%，最好处于75%～100%，并应结合实际经计算确定。1、水泵工艺特点对调速范围的影响理论上，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。实际上，当水泵转速过小时，泵的效率将急剧下降，受此影响，水泵调速高效区萎缩，若运行工况点已超出该区域，则不宜采用调速来节能了。2、定速泵对调速范围的影响实践中，供水系统往往是多台水泵并联供水。由于投资昂贵，不可能将所有水泵全部调速，所以一般采用调速泵、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都能在高效段运行，并实现系统最优。此时，定速泵就对与之并列运行的调速泵的调速范围产生了较大的影响。主要分以下两种情况：2.1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，此种情况下调速运行的范围是很小的。2.2不同型号水泵一调一定并列运行时，若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。但此时调速泵与定速泵绝对不允许互换后并列运行。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，但若电机输出功率过度偏移额定功率或者工作效率过度偏移工频，都会使电机效率下降过快，最终都影响到整个水泵机组的效率。而且自冷电机连续低速运转时，也会因风量不足影响散热，威胁电机安全运行。参考文献：[1]符锡理，变频调速泵供水原理及实践，《变频器世界》，1999，N010。[2]符锡理，多泵并联变频调速恒压变量供水水泵的配置与控制，《给水排水技术与产品信息》，2000，N03。[3]王锡促，蒋志坚，高景峰。变频优化调压节能供水装置的研制[J]，给水排水，1998，24（10）：64～67[4]谷晋龙，水泵调定混合给水系统运行工况分析[J]，给水排水，1997，23（12）：1～4。