变频调速技术在泵类应用中的节能分析

马钊

在工业生产和产品加工制造业中，泵类設备应用范围广泛;其电能消耗是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧;节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。

变频调速;节能泵

前言：

在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛;其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%～25%，是一笔不小的生产费用开支。随着变频调速技术的不断发展和进步，现已成为各企业中不可缺少的电气自动化设备之一，变频器以其自身独特的优势，在工业厂矿中得到广泛应用。变频器调速技术在风机中的节能应用也同样被关注，要想使得变频器调速技术能够发挥其重要的作用，需要对变频器调速原理及特点进行了解。基于本文就变频器调速技术在泵中的节能应用进行分析。

1变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断控制作用将工频电源变换成另一频率的电能控制装置，即电力电路实现电子化，可直观地进行控制和显示。

我们现在使用的变频器主要是静止时电力电子变压变频器，从结构上为“交-直-交”类型。主要用作交流电动机调速的变频器，属间接交流变流电路。交流调速传动系统除了客服直流调速传动系统的缺点还具有：（1）交流电动机结构简单，可靠性高;（2）节能;（3）高精度，快速响应等优点。采用变频调速方式时，无论电机转速高低，转差功率的消耗基本不变，系统效率是公众交流调速方式中最高的，具有显著地的节能效果，是交流调速传动应用最多的一种。

异步电动机n=60f（1-s）/p

f为异步电动机的频率;

s为电动机转差率;

p为电动机极对数;

当转差率变化不大时，转速n基本与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

p（功率）=Q（流量）×H（压力）

泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏;还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。所有风机均采用一对一（即 一台变频器配一台电机）的配置 方式，保留原工频系统且与变频系统互为备用，一般情况下的调 节方式均为开环调节。

2水泵变频调速的设计

目前，我国在水泵控制系统中应用了变频调速技术，且大部分是在开环状态下运用，即人为地根据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速目的。水泵控制系统主要由四部分组成：控制对象、变频调速器、压力测量变送器和调节器。

2.1系统的控制过程

用压力测量变送器测出水管出口的压力，并转换成与之相对应的4～20 mA标准电信号，送到调节器与工艺所需的控制指标进行比较，得出偏差。偏差值由调节器按预先规定的调节规律进行运算得出调节信号。该信号直接被送到变频调速器，从而使变频器将输入为380 V/50 Hz的交流电变成输出为0～380 V/0～400 Hz连续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。

2.2供水系统的设计

在设计供水系统时，要按照现场最大供水量来考虑。供水水泵的运行工况也一样，即按单机的最大供水量来考虑。在实际运行中，有很多水泵需要根据实际工况调节。传统的做法是采用开停泵和开关阀门的方式调节。由于开停泵会有启动冲击电流产生，而开关阀门会增大系统的节流损失，且对系统本身的调节也是阶段性的，调节速度缓慢，减少损失的能力很有限，从而使整个系统处于波动状态，对供水系统超压爆管此类故障几乎无能为力。通过给供水系统加装变频调速装置，可有效解决上述问题，实现自动调节控制，使系统工作状态平缓、稳定，并可通过变频节能收回投资。

2.3水泵变频调速应用中需注意的问题

水泵变频调速中的常见问题是减速问题。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，对调速范围产生了一定的影响。另外，管路特性曲线、与调速泵并列运行的定速泵等也会对调速范围产生一定的影响。由于超范围调速难以实现节能的目的，因此，变频调速不可能无限制调速。一般情况下，变频调速不宜低于额定转速的50%，最好处于75%～100%之间，具体需结合实际计算确定。

3节能计算

对于泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下方式进行计算：

3.1根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量-负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。

以一台IS150-125-400型离心泵为例，额定流量200.16m3/h，扬程50m;配备Y225M-4型电动机，额定功率45kW.泵在阀门调节和转速调节时的流量-负载曲线如下图示。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在90%负荷，13小时运行在50%负荷;全年运行时间在300天。

则每年的节电量为：W1=45×11×（100%-69%）×300=46035kW.h

W2=45×13×（95%-20%）×300 =131625kW.h

W=W1+W2=46035+131625=177660kW.h

每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。

4变频调速技术应用需注意的几点

（1）因变频器运行时产生高次谐波，会对电机及周围设备产生干扰，所以一定要加装滤波设备，防止设备出现意外情况; （2）运行信号干扰。变频器的输入信号很小，对干扰很敏感，一旦输入信号存在较大干扰，将会出现电机转速不平稳、发热等一系列问题。所以安装时一定要加装独立的屏蔽线，方可避免此类问题;（3）环境的影响。如果变频器集中安装于室内，要注意环境温度的变化及变频器温度的变化，必要时进行强制通风或用空调风机进行冷却，以降低环境温度对变频器的影响。否则就会减少其使用寿命;（4）要充分考虑风机的運行情况，如运行参数稳定，基本全速运行，不需要调速，则不要用变频器。另外调速范围也要注意，当转速低于40%～50%时，采用变频设备效率将明显降低，一般控制在50%～70%。

结束语：

泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术受到国家政府的普遍重视，《中华人民共和国节约能源法》第39条就把它列为通用技术加以推广。实践证明，变频器用于设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。

参考文献

[1]《变频器原理与应用教程》……三菱电机株式会社. 北京国防工业出版社，1998年8月.