淺談變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)在水泵電機(jī)中的應(yīng)用

產(chǎn)敏敏

（安徽省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，安徽合肥230601）

0 引言

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)泵類電機(jī)所消耗的電量占全國(guó)總耗電量的20%以上。泵類電機(jī)的運(yùn)行效率普遍偏低，大部分電機(jī)運(yùn)行效率在50%～70%，部分老舊電機(jī)運(yùn)行效率甚至在30%左右，這造成了大量的電能浪費(fèi)。因此，采取有效的節(jié)能控制技術(shù)對(duì)泵類電機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造勢(shì)在必行。

目前水泵電機(jī)的節(jié)能調(diào)節(jié)主要有兩類方法，即非變速調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)。其中，非變速調(diào)節(jié)包括改變水泵的啟停數(shù)量以及節(jié)流調(diào)節(jié)；變速調(diào)節(jié)則包括變級(jí)調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、串電阻調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、液力耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速等。從理論上講，變速調(diào)節(jié)相比非變速調(diào)節(jié)更加節(jié)能，且變頻調(diào)速是目前公認(rèn)最優(yōu)的調(diào)速方法。許多研究報(bào)道顯示，對(duì)于需要經(jīng)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(diào)速方法。由此可見，水泵電機(jī)的調(diào)速方式與其節(jié)能降耗密切相關(guān)。本文將分析如何進(jìn)行水泵電機(jī)的節(jié)能改造，并闡述變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)相比其他調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

1 水泵電機(jī)節(jié)能改造原理

大部分水泵需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整工況，而一旦工況改變，其對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程和流量等參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化。圖1為某水泵電機(jī)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(diǎn)是曲線1和曲線3的相交點(diǎn)，通過控制閥門降低流量，其摩擦阻力就會(huì)變大，阻力曲線就會(huì)從1移到2，而此時(shí)工況點(diǎn)由A調(diào)整為B，揚(yáng)程相應(yīng)提高，流量下降。若通過調(diào)速控制，則曲線1不變，曲線3變?yōu)榍€4，工況點(diǎn)也從A調(diào)整為C，工況點(diǎn)C的揚(yáng)程和流量相比A工況點(diǎn)均有下降。通過對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算B工況點(diǎn)和C工況點(diǎn)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(diào)節(jié)流量，圖中陰影部分代表的就是被浪費(fèi)的電能，且這一能耗會(huì)隨著閥門的不斷關(guān)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(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)工況的調(diào)整，能夠避免許多電能的浪費(fèi)。因此，在需要經(jīng)常改變工況的水泵中，通過調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速改變其工況的節(jié)能方法是切實(shí)可行的。

2 水泵電機(jī)常用調(diào)速方法

水泵電機(jī)的調(diào)速方法有很多種，常見的如變級(jí)調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、串電阻調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、液力耦合器調(diào)速以及變頻調(diào)速等。其中，調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速和液力耦合器調(diào)速的機(jī)械特性相對(duì)較差，串級(jí)調(diào)速和串電阻調(diào)速則功率因數(shù)較差，而變級(jí)調(diào)速的缺點(diǎn)在于需要頻繁啟動(dòng)，這會(huì)產(chǎn)生較大的電流，影響水泵電機(jī)的使用壽命。而在各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)上，除投資成本較高外，變頻調(diào)速均優(yōu)于其他調(diào)速方法。

圖1 水泵電機(jī)的工作曲線

目前在國(guó)外泵類電機(jī)中，變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，相關(guān)的研究報(bào)道也較多，大量的實(shí)踐應(yīng)用也證明變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)相比其他調(diào)速節(jié)能技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）節(jié)能效率極高，大量報(bào)道表明水泵電機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，其綜合能耗可降低35%左右；（2）調(diào)速效率高，范圍廣；（3）可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停機(jī)，對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊小，能有效避免水錘現(xiàn)象的發(fā)生；（4）無需調(diào)節(jié)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(zhǎng)；（5）噪聲??；（6）即使變頻設(shè)施發(fā)生故障，也可改由電網(wǎng)供電，不影響水泵的正常運(yùn)行。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)在水泵電機(jī)中的應(yīng)用實(shí)踐

我國(guó)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(yōu)工況點(diǎn)A=595 m3/h，運(yùn)行效率約為70%。該潛水泵可調(diào)工況范圍大，流量在280～700 m3/h，此范圍內(nèi)綜合運(yùn)行效率在52%～70%。對(duì)于此類工況變化較大的水泵，建議優(yōu)先考慮采用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，可選擇常用的CVF-P2型變頻器，該變頻器市場(chǎng)價(jià)約為1.5萬元。假設(shè)安裝變頻器后水泵電機(jī)能節(jié)能35%，根據(jù)水泵電機(jī)30 kW的額定功率計(jì)算，一年能節(jié)省的電費(fèi)就高達(dá)1.5萬元，即1年節(jié)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(duì)于小型泵站站或家用的潛水泵，由于不需要經(jīng)常變換工況，變頻節(jié)能器的投資成本可能需要5年以上的節(jié)能效益才能收回成本，因此性價(jià)比較低。

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)水泵站中，主要通過調(diào)節(jié)閥門或擋板的開度來實(shí)現(xiàn)節(jié)流，此種節(jié)流調(diào)節(jié)方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，但缺點(diǎn)是會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)。根據(jù)水泵電機(jī)的運(yùn)行調(diào)節(jié)原理，學(xué)者們提出了變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，此技術(shù)能夠有效降低水泵電機(jī)的能耗。然而變頻設(shè)備前期投入成本較高，甚至高于水泵的價(jià)格，這在一定程度上制約了其廣泛應(yīng)用。近幾年，隨著變頻技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻設(shè)備價(jià)格越來越低，性價(jià)比逐漸凸顯。對(duì)于需要經(jīng)常調(diào)整工況的大型泵站，水泵電機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速節(jié)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(diào)速節(jié)能技術(shù)值得在水泵電機(jī)中推廣應(yīng)用。