变频调速在水泵节能系统中的应用

《电机与控制应用））２００６，３３（７）　变频调速在水泵节能系统中的应用　应用召　变频调速在水泵节能　系统中的应用　吴少鑫　（浙江省建筑设计研究院，杭州３１　０００６）　摘要：通过对水泵节能原理的分析，指出水泵调节运行时能量损耗的大小较大程度上取决于控制流量　的方式，通过统计数据和实际应用来说明风机、水泵采用变频调速的优点。　关键词：水泵；变频调速；节能机理　中图分类号：ＴＭ３０１．２文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２００６）０７－００５９－０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｓｐｅｅｄ　ｉｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｕｍｐ　ＷＵ　Ｓｈａｏ—ｘｉｎ　（Ｚｈ￣ｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｕｍｐ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ，ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｕｍｐ　ｖｅｒｉｉｅｄ　ｖｅｌｆｏｃｉｔｙ，ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｗａｓｔｅ　ｌｉｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｌｆｏｗ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｓ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｔａｔｉｓｔｉ—　ｃａｌ　ｄａｔｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｌｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｐｕｍｐ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ　ｐｕｍｐ；ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｓｐｅｅｄ；ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　０　引　言　工业和民用建筑中，风机和水泵是占用电负　荷较大的电动设备。据统计，风机、水泵在一些工　业建筑内其耗电量约占２０％，而且存在着巨大的　电能浪费。造成这种状况的主要原因是：许多建　筑中的风机和水泵处于开环、恒速、全天２４小时　频调速，除了其明显的节能效果外，也从根本上解　决了起动冲击问题，对改善电网电压、延长设备寿　命等有很大好处。　１　水泵运行时的节能机理　水泵在运行中改变运行工况点的位置、流量、　扬程等运行参数，就能适应新的工作状况的需要。　水泵的工况点是由泵性能曲线和管道阻力曲线的　交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状　或位置改变，工况点的位置也就随之改变。所以　连续运转状态，这些设备一般都是根据运行中可　能出现的最大负荷条件选择的，而实际工作时所　需要的功率值往往比设计值小很多。又因为风　机、水泵设备的传统调速方法是通过调节人口或　出口挡板／阀门的开度来调节风量、给水量，其输　水泵的调节，从原理上讲是通过改变泵的性能曲　线或者管道阻力曲线来改变泵工况点实现的。　如图１所示，水泵的特性曲线４与管道阻力　曲线３的交点Ａ是泵运行工况点。阀门控制进行　节流调节时，由于要减少流量，关小阀门时摩擦阻　人功率大、能量消耗严重。本文主要以水泵系统　为例阐述节能方法。　如拖动水泵的电机不采用调速控制，则泵的　流量通常只能通过调节阀门来控制，其结果造成　很大的能量损失。但如果在泵系统中采用变频调　速技术，使系统根据需要运行，将提高效率、减少　浪费，使泵的电耗明显下降。同时随着数字控制　技术的迅速发展，变频控制日臻完善，水泵采用变　力变大，管道阻力曲线从３移到２，工况点从Ａ点　移动到　点，扬程则从　升到　，流量从Ｑ　减　小到Ｑ　；调速控制进行变速调节时，阻力曲线３　不变。泵的特性取决于转速，如果把速度从　降　到　，运行工况点从Ａ点移动到ｃ点，扬程从　维普资讯 http://www.cqvip.com

变频调速在水泵节能系统中的应用　《电机与控制应用））２００６，３３（７）　下降到日。，流量从Ｑ　减小到Ｑ。。　Ｈ　０　转速相同，故在同一条效率曲线上，ｃ工况点在转　速变化后的效率曲线上；且Ｂ和ｃ工况点的流量　是Ｑ　，Ａ工况点的流量是Ｑ　。可见，Ｂ点的效率　明显比ｃ点的小许多，说明改变转速提高水泵效　率很明显。　，７　Ｑ８　ＱＡ　Ｑ　图１　水泵变速节能的原理比较曲线　根据功率公式在Ｂ工况点运行时泵的轴输　ｏ　一　Ｑ　出功率为：　Ｐ　：　（１）　ｒ＂／Ｂ　在Ｃ工况点运行时泵的轴输出功率为　Ｐｃ　：—ｐｇＱｓＨｃ—　　ｆ２）叼ｃ　两工况点的功率之差为　ＡＰ　：Ｐ　一Ｐ。：ｐｇＱＢｆ、＂　一ｑｓ　　１（＂ｑｃ／　３）　式中：ｐ——流体的密度；　ｇ——重力加速度；　叼　，叼。——分别为Ｂ、ｃ点的效率。　可以看出，用阀门控制流量时，有△　一。功率　被浪费，并且随着阀门不断关小，这个损耗要继续　增加。如果不用减小出口阀门开度的方法控制流　量，而是调节泵的转速，随着水泵输出压力的降　低，消耗在阀门上的功率完全可以避免。所以在　经常改变工况运行的水泵中，通过调节其转速来　改变工况的节能方法是非常有效的。　通过水泵的流量Ｑ、扬程日、轴功率Ｐ和转速　凡之间的关系来说明变频调速控制的节能原理。　Ｑ、Ｈ、Ｐ与凡之间的关系式是：　ＱＡ／Ｑ口＝Ｉｔ４／ｎ６　（４）　Ｈａ／ＨＢ＝（ｎ４／ｎ６）　（５）　ＰＡ／Ｐ口＝（凡４／凡６）　（６）　可见，轴输出功率Ｐ和转速凡的三次方成正　比。当转速下降１／２时，功率下降１／８，即功率与　转速成三次方关系降低。可见，降低转速是十分　有效的使功率迅速下降的节能方法。　图２为水泵的效率曲线：由于Ａ、Ｂ工况点的　６０一　图２水泵调速运行的效率比较曲线　２　变频调速系统的选型　水泵类负载常采用鼠笼式异步电机拖动，其　电机可采用变频调速、调压调速、转差离合器控制　调速等调速方式。在众多调速方法中，变频调速　因改变了同步转速，在转速降低时具有节能效果，　因此在风机、水泵系统中应用变频调速是最佳的　选择。　在水泵和电机选定的前提下，变频调速装置　的选择需考虑以下几个方面：　（１）调速范围　变频器选用基频（５０　Ｈｚ）下调运行方式，在　某些特殊情况下才考虑采用基频上调的运行方　式。由于水泵的选型原则为调速下限不宜低于　７０％的额定转速，所以一般的变频器都能满足调　速要求。当需要采用基频上调运行方式时，必须　校验上限运行频率时变频器输出的额定功率能够　保证电机输出的轴功率。　（２）变频器和电机的额定电压　通常中低电压（小于６９０　ｖ）的变频器比同容　量高压变频器要便宜许多，采用降压运行会节省　投资。　（３）变频器形式选择　供水系统虽然有变扬程引起的调速要求，但　其过程不是敏感的，而且不是可逆的运行方式，选　择电压源型较为合适。　（４）控制方式　应用ｕ／ｆ（压频比）等于常数的标量控制和应　维普资讯 http://www.cqvip.com

《电机与控制应用＞＞２００６，３３（７）　变频调速在水泵节能系统中的应用　用脉宽调制（ＰＷＭ）技术能达到同时调节电压和　频率的目的。　水泵。取Ｑ／Ｑ　＝０．７，由公式（８）可得　Ｐｉ　＝［０．４５＋０．５５（Ｑ／ＱＮ）　］×Ｐｉ　．Ｎ　＝图３为各种流量调节方法下的效率对比分析　图。　ｌ００　３９．５７　ｋＷ　由公式（９）可得　卜　＝０．５２３量９８０ｏ　０　４５　０　５５　Ｑ／Ｑ　．　＋　．　（　Ｎ）　采用调节阀门时，水泵所需要的轴功率为　３９．５７　ｋＷ；而采用变频调速时，相对于调节阀门　２０　方式的节电率为０．５２３，即采用变频调速来拖动　ｌ０　Ｏ　水泵时所需功率仅为１８．８７　ｋＷ。可以看出，后者　流量比／％　一◆－肖晶梁＋冉舄梁＋蕤荔攀一　梁　具有显著的节能效果和可观的经济效益。　４　结　语　图３不Ｉ司流量调节方法Ｆ的效率对比曲线　本文针对变负荷用电设备的特点，通过对水　从统计图标中可以看出，当流量在９０％以上　泵的工作状况进行分析，得出此类设备运行时的　时，速度调节方式和阀门调节方式的损耗差不多，　节能机理；而后根据统计数据和对比报告，说明在　但是，当流量处于５０％以下时，采用变频调速方　水泵系统中应用变频调速技术，可以取得显著的　式来控制流量，可以达到很好的节能效果。　节能效果和可观的经验效益。　３　变频调速水泵的节能计算　【参考文献】　根据对电机经济运行管理的规定，有如下的　［１］　ＢＡＬＩＧＡ　Ｂ　Ｊ．Ｐｏｗｅｒ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　ｖａｒｉａ－　计算公式。　ｂｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｒｉｖｅｓ【Ｊ　１．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ，　采用阀门调节流量对应电机输入功率Ｐ。　与　１９９４，８２（８）：１１１２－１１２２．　即时流量Ｑ的关系式为：　［２］　马冰雪，乞坤港．泵用交流电机调速方法及节能分　Ｐｉ　＝［０．４５＋０．５５（Ｑ／ＱＮ）　］×Ｐｉ　Ｎ（７）　析研究［Ｊ］．电气节能，２００６（１）：４１４７．　式中：Ｑ　——额定流量；　［３］　汪建华．直流无刷电动机在风力提水系统中的应用　Ｐ　——额定流量时电动机输入功率。　［Ｊ］．中小型电机，２００３，３０（４）：５１－５２．　采用变频调速后的节电率：　［４］　韦公远．泵用交流电机调压调速节能效益浅析［Ｊ］．　冶金能源，２００５，２４（１）：４５—５０．　卜　（８）　［５］　林延平，张顺琪，白香芝．利用变频调速使风机、水　泵节能［Ｊ］．防爆电机，２００５，４０（３）：３９－４０．　通过计算某宾馆生活水泵采用变频调速后的　［６］　马新华，李娟，桑建国．变频调速在水泵节能技术中　耗电量情况，可以明显看出变频调速的节能效果。　的应用研究［Ｊ］．排灌机械，２００６，２４（１）：３４－３６．　该宾馆生活水泵功率为５５　ｋＷ，应用变频器驱动　收稿日期：２００６－０５－３１　首届电工装备创新与发展高峰论坛在京召开　２００６年６月２８日，首届电工装备创新与发展高峰论坛在京召开。此次会议由中国电工技术学会　主办，中国电机工程学会、中国电力科学研究院、保定天威集团、上海电气（集团）总公司、中国东方电气　集团、西安电力机械制造公司等单位提供支持。与会专家就大型水电机组自主创新、特高压交直流设备　研发状况、大功率晶闸管的国产化、太阳能光伏发电、风力发电、煤炭的清洁利用等做了专题报告。　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｓｅｅ．ｎｅｔ．ｃｎ／ｄａｔａ／２００６／０７０４／ａｒｔｉｃｌｅ　９００．ｈｔｍ　一６１—