探討應用變頻器進行水泵節能的改造

陳明斌

摘 要：變頻器是一種通過綜合利用微電子技術和變頻技術改變電機工作的電源頻率，以控制交流電動機的一種電力控制設備。目前，變頻器被廣泛應用于各種電力設備，尤其在水泵節能改造中，具有無可比擬的優勢。簡要介紹了變頻器的工作原理，探討了變頻器在水泵節能改造中的應用，以促進水泵節能工作的進展，提升水泵供水的恒壓性和運行穩定性。

關鍵詞：變頻器；水泵；節能改造；運行穩定性

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.073

一般情況下，在生產過程中，為了保證各種機械生產的可靠性，工作人員在考慮采用動力驅動設計時，通常會留一定的富余量。因此，當機械的運行負荷與電機不相符，電機得到充足的驅動力后，多余的力矩會極大地增加機械做功功率，從而造成不必要的電能浪費。水泵的傳統調速方法主要是通過控制其入口或出口的擋板和閥門來調節水泵內的給風量和給水量。這種方法不但輸入功率極大，而且在擋板和閥門的截流過程中會消耗大量的能源，降低了水泵的經濟效益，因此，需采取一定的節能措施。變頻器因其具有節能性、可靠性和結構相對簡單、效率高等特點而被廣泛應用于各種電力設備，尤其是在風機和水泵的節能改造中，發揮著不可忽視的作用，其變頻調速功能效果被普遍認為是最為理想的。

1 變頻器的工作原理

變頻器的變頻調速功能主要是通過改變轉速，即改變電動機的電子供電頻率來實現的。在物理學上，n代表轉速，s代表轉差率，P代表電機磁極對數，f代表頻率，n1代表同步轉速，n2代表實際轉速。那么，變頻器的異步電機轉速就可以通過公式n=60f（1-s）/p求得。由此可見，電機的工作頻率與電機的轉速成正比。另外，電機工作中的轉差率可以通過公式s=（n1-n2）/n1求得，可見同步轉速與實際轉速都與電機的工作頻率成正比。在電動機工作過程中，當同步轉速與實際轉速的轉速差達到最小值時，電動機的轉速最大，因轉速與頻率成正比，那么此時的電機頻率也達到了最大值。

2 應用變頻器進行水泵節能改造

2.1 水泵的工作原理

水泵的工作原理以物理學中的力學理論為基礎。在力學上，q代表流量，t代表轉矩，P代表軸功率，n代表轉速。在水泵工作過程中，水流量與轉速成正比，轉矩與軸功率、轉速的平方或立方成正比。流量與軸功率的關系如圖1所示。

2.2 變頻器的節能計算

水泵的節能改造主要是通過控制電機的輸入功率來實現，即控制軸功率，因此，可通過計算軸功率來完成變頻器的節能計算。計算公式為：軸功率=（實際轉速/同步轉速）3×變頻器的額定功率×水泵做功率。在應用變頻器進行水泵節能改造的過程中，當要求減小水泵工作的流量時，可以通過降低泵轉速的方式實現。以江門市蒙德電氣股份有限公司生產的變頻器在風機水泵型負載節能改造中的應用為例，一臺離心泵的電機功率為11 kW，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為5.632 kW，節省電力48.8%；當轉速下降到原轉速的l/2時，其耗電量為1.375 kW，節省電力87.5%.當水泵工作的流量要求不變時，可選擇型號為YX3-132S-4的水泵電機，其額定電壓為380 V，額定功率為5.5 kW，額定輸出流量為80 m3/h，做功率為76%，實際輸出流量為64 m3/h，實際轉速為1 450 r/h。那么，如果要計算變頻器的節能大小，則可以按水泵每年運行6 000 h、電價0.85元/kW·h計算。計算結果為：在傳統的擋板和閥門截流過程中，每小時的軸功率為5.5×0.76=4.18 kW，則每年的軸功率為4.18×6 000=25 080 kW，年度用電費用為25 080×0.85=21 318元。應用變頻器改造后，每小時的軸功率為2.14 kW，則每年的軸功率為12 840 kW，年度用電費用為10 914元，實際中較少的用電費用為10 404元。由此可見，變頻器在水泵的節能改造中發揮了重要的作用。

3 經濟效益和運行穩定性分析

3.1 經濟效益分析

將YX3-132S-4型號的水泵電機投入運行，應用變頻器進行改造后，減少了擋板和閥門截流過程中消耗的大量能源，一臺水泵每年可為企業或單位節約10 404元，經濟效益非?？捎^。同時，因電機在啟動時需要的電流是電機正常工作時的7倍以上，所以電機啟動過程不但會造成大量的電流能源浪費，而且會使電機的電壓瞬間升高。與正常工作時的電壓相比，電機啟動電壓波動頻率非常大，極易使水泵電機發生故障，故障排除和電機維修也需要經濟成本。而應用變頻器進行改造后，水泵電機在啟動過程中不會超過電機的額定電流。這既可以避免因電機電壓波動過大而發生電機故障，也可以避免高電流給供電網系統中各個設備造成的損害。經過一定的維修、保養后，不但不會縮短設備的使用壽命，還可以延長設備的使用壽命。

3.2 運行穩定性分析

水泵是生產和工作中的一個重要設備，為了預防其在工作過程中因運行不穩定而發生故障，或因運行不當而造成重大的經濟損失等，需要對改造后的水泵進行運行穩定性分析。應用變頻器改造后的水泵如果在運行過程中出現故障，變頻器中的真空接觸器可以從變頻運行狀態自動、快速跳換到自動旁路狀態，水泵電機則進入工頻運行狀態，并發出警報。變頻器中的真空接觸器跳換到自動旁路狀態所需時間為1～2 s，時間非常短暫，不會造成水泵停機斷水問題。變頻器內的功率單元具有單元旁路功能，當變頻器內部的零件出現接觸不良問題或發生故障時，變頻器可以通過單元旁路功能繼續運行，不會造成水泵突然停機斷水，而且可以保證變頻器的實際功率不發生改變。此外，變頻器中設定有水泵的最低運行頻率，可以預防變頻器中的閉環控制系統因長時間工作、常規檢測而造成信號失真，最終影響到水泵正常運行這一問題。由此可見，應用變頻器改造后的水泵系統運行穩定性較好。

4 結束語

綜上所述，各行各業的生產和發展都應以節約能源、最大程度地提高經濟效益為目標，而在水泵運行中，利用變頻器對其進行節能改造效果非常理想——不僅可以節約能源，還可以大大提升水泵系統的運行穩定性，降低運行故障率，經濟效益顯著，可以提升企業的競爭力。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕