變頻調速技術在泵類應用中的節能分析

馬釗

在工業生產和產品加工制造業中，泵類設備應用范圍廣泛;其電能消耗是一筆不小的生產費用開支。隨著經濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇;節能降耗業已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一。

變頻調速;節能泵

前言：

在工業生產和產品加工制造業中，風機、泵類設備應用范圍廣泛;其電能消耗和諸如閥門、擋板相關設備的節流損失以及維護、維修費用占到生產成本的7%～25%，是一筆不小的生產費用開支。隨著變頻調速技術的不斷發展和進步，現已成為各企業中不可缺少的電氣自動化設備之一，變頻器以其自身獨特的優勢，在工業廠礦中得到廣泛應用。變頻器調速技術在風機中的節能應用也同樣被關注，要想使得變頻器調速技術能夠發揮其重要的作用，需要對變頻器調速原理及特點進行了解?；诒疚木妥冾l器調速技術在泵中的節能應用進行分析。

1變頻器

變頻器是利用電力半導體器件的通斷控制作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置，即電力電路實現電子化，可直觀地進行控制和顯示。

我們現在使用的變頻器主要是靜止時電力電子變壓變頻器，從結構上為“交-直-交”類型。主要用作交流電動機調速的變頻器，屬間接交流變流電路。交流調速傳動系統除了客服直流調速傳動系統的缺點還具有：（1）交流電動機結構簡單，可靠性高;（2）節能;（3）高精度，快速響應等優點。采用變頻調速方式時，無論電機轉速高低，轉差功率的消耗基本不變，系統效率是公眾交流調速方式中最高的，具有顯著地的節能效果，是交流調速傳動應用最多的一種。

異步電動機n=60f（1-s）/p

f為異步電動機的頻率;

s為電動機轉差率;

p為電動機極對數;

當轉差率變化不大時，轉速n基本與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。

p（功率）=Q（流量）×H（壓力）

泵類設備在生產領域同樣有著廣闊的應用空間，提水泵站、水池儲罐給排系統、工業水（油）循環系統、熱交換系統均使用離心泵、軸流泵、齒輪泵、柱塞泵等設備。而且，根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，管路、閥門等密封性能的破壞;還加速了泵腔、閥體的磨損和汽蝕，嚴重時損壞設備、影響生產、危及產品質量。所有風機均采用一對一（即 一臺變頻器配一臺電機）的配置 方式，保留原工頻系統且與變頻系統互為備用，一般情況下的調 節方式均為開環調節。

2水泵變頻調速的設計

目前，我國在水泵控制系統中應用了變頻調速技術，且大部分是在開環狀態下運用，即人為地根據工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值，以達到調速目的。水泵控制系統主要由四部分組成：控制對象、變頻調速器、壓力測量變送器和調節器。

2.1系統的控制過程

用壓力測量變送器測出水管出口的壓力，并轉換成與之相對應的4～20 mA標準電信號，送到調節器與工藝所需的控制指標進行比較，得出偏差。偏差值由調節器按預先規定的調節規律進行運算得出調節信號。該信號直接被送到變頻調速器，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連續可調電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機。

2.2供水系統的設計

在設計供水系統時，要按照現場最大供水量來考慮。供水水泵的運行工況也一樣，即按單機的最大供水量來考慮。在實際運行中，有很多水泵需要根據實際工況調節。傳統的做法是采用開停泵和開關閥門的方式調節。由于開停泵會有啟動沖擊電流產生，而開關閥門會增大系統的節流損失，且對系統本身的調節也是階段性的，調節速度緩慢，減少損失的能力很有限，從而使整個系統處于波動狀態，對供水系統超壓爆管此類故障幾乎無能為力。通過給供水系統加裝變頻調速裝置，可有效解決上述問題，實現自動調節控制，使系統工作狀態平緩、穩定，并可通過變頻節能收回投資。

2.3水泵變頻調速應用中需注意的問題

水泵變頻調速中的常見問題是減速問題。當采用變頻調速時，原來按工頻狀態設計的泵與電機的運行參數均發生了較大的變化，對調速范圍產生了一定的影響。另外，管路特性曲線、與調速泵并列運行的定速泵等也會對調速范圍產生一定的影響。由于超范圍調速難以實現節能的目的，因此，變頻調速不可能無限制調速。一般情況下，變頻調速不宜低于額定轉速的50%，最好處于75%～100%之間，具體需結合實際計算確定。

3節能計算

對于泵類設備采用變頻調速后的節能效果，通常采用以下方式進行計算：

3.1根據已知風機、泵類在不同控制方式下的流量-負載關系曲線和現場運行的負荷變化情況進行計算。

以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16m3/h，揚程50m;配備Y225M-4型電動機，額定功率45kW.泵在閥門調節和轉速調節時的流量-負載曲線如下圖示。根據運行要求，水泵連續24小時運行，其中每天11小時運行在90%負荷，13小時運行在50%負荷;全年運行時間在300天。

則每年的節電量為：W1=45×11×（100%-69%）×300=46035kW.h

W2=45×13×（95%-20%）×300 =131625kW.h

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

每度電按0.5元計算，則每年可節約電費8.883萬元。

4變頻調速技術應用需注意的幾點

（1）因變頻器運行時產生高次諧波，會對電機及周圍設備產生干擾，所以一定要加裝濾波設備，防止設備出現意外情況; （2）運行信號干擾。變頻器的輸入信號很小，對干擾很敏感，一旦輸入信號存在較大干擾，將會出現電機轉速不平穩、發熱等一系列問題。所以安裝時一定要加裝獨立的屏蔽線，方可避免此類問題;（3）環境的影響。如果變頻器集中安裝于室內，要注意環境溫度的變化及變頻器溫度的變化，必要時進行強制通風或用空調風機進行冷卻，以降低環境溫度對變頻器的影響。否則就會減少其使用壽命;（4）要充分考慮風機的運行情況，如運行參數穩定，基本全速運行，不需要調速，則不要用變頻器。另外調速范圍也要注意，當轉速低于40%～50%時，采用變頻設備效率將明顯降低，一般控制在50%～70%。

結束語：

泵類等設備采用變頻調速技術實現節能運行是我國節能的一項重點推廣技術受到國家政府的普遍重視，《中華人民共和國節約能源法》第39條就把它列為通用技術加以推廣。實踐證明，變頻器用于設備驅動控制場合取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產周期。直接和間接經濟效益十分明顯，設備一次性投資通?？梢栽?個月到16個月的生產中全部收回。

參考文獻

[1]《變頻器原理與應用教程》……三菱電機株式會社. 北京國防工業出版社，1998年8月.