探讨应用变频器进行水泵节能的改造

陈明斌

摘 要：变频器是一种通过综合利用微电子技术和变频技术改变电机工作的电源频率，以控制交流电动机的一种电力控制设备。目前，变频器被广泛应用于各种电力设备，尤其在水泵节能改造中，具有无可比拟的优势。简要介绍了变频器的工作原理，探讨了变频器在水泵节能改造中的应用，以促进水泵节能工作的进展，提升水泵供水的恒压性和运行稳定性。

关键词：变频器；水泵；节能改造；运行稳定性

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.073

一般情况下，在生产过程中，为了保证各种机械生产的可靠性，工作人员在考虑采用动力驱动设计时，通常会留一定的富余量。因此，当机械的运行负荷与电机不相符，电机得到充足的驱动力后，多余的力矩会极大地增加机械做功功率，从而造成不必要的电能浪费。水泵的传统调速方法主要是通过控制其入口或出口的挡板和阀门来调节水泵内的给风量和给水量。这种方法不但输入功率极大，而且在挡板和阀门的截流过程中会消耗大量的能源，降低了水泵的经济效益，因此，需采取一定的节能措施。变频器因其具有节能性、可靠性和结构相对简单、效率高等特点而被广泛应用于各种电力设备，尤其是在风机和水泵的节能改造中，发挥着不可忽视的作用，其变频调速功能效果被普遍认为是最为理想的。

1 变频器的工作原理

变频器的变频调速功能主要是通过改变转速，即改变电动机的电子供电频率来实现的。在物理学上，n代表转速，s代表转差率，P代表电机磁极对数，f代表频率，n1代表同步转速，n2代表实际转速。那么，变频器的异步电机转速就可以通过公式n=60f（1-s）/p求得。由此可见，电机的工作频率与电机的转速成正比。另外，电机工作中的转差率可以通过公式s=（n1-n2）/n1求得，可见同步转速与实际转速都与电机的工作频率成正比。在电动机工作过程中，当同步转速与实际转速的转速差达到最小值时，电动机的转速最大，因转速与频率成正比，那么此时的电机频率也达到了最大值。

2 应用变频器进行水泵节能改造

2.1 水泵的工作原理

水泵的工作原理以物理学中的力学理论为基础。在力学上，q代表流量，t代表转矩，P代表轴功率，n代表转速。在水泵工作过程中，水流量与转速成正比，转矩与轴功率、转速的平方或立方成正比。流量与轴功率的关系如图1所示。

2.2 变频器的节能计算

水泵的节能改造主要是通过控制电机的输入功率来实现，即控制轴功率，因此，可通过计算轴功率来完成变频器的节能计算。计算公式为：轴功率=（实际转速/同步转速）3×变频器的额定功率×水泵做功率。在应用变频器进行水泵节能改造的过程中，当要求减小水泵工作的流量时，可以通过降低泵转速的方式实现。以江门市蒙德电气股份有限公司生产的变频器在风机水泵型负载节能改造中的应用为例，一台离心泵的电机功率为11 kW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为5.632 kW，节省电力48.8%；当转速下降到原转速的l/2时，其耗电量为1.375 kW，节省电力87.5%.当水泵工作的流量要求不变时，可选择型号为YX3-132S-4的水泵电机，其额定电压为380 V，额定功率为5.5 kW，额定输出流量为80 m3/h，做功率为76%，实际输出流量为64 m3/h，实际转速为1 450 r/h。那么，如果要计算变频器的节能大小，则可以按水泵每年运行6 000 h、电价0.85元/kW·h计算。计算结果为：在传统的挡板和阀门截流过程中，每小时的轴功率为5.5×0.76=4.18 kW，则每年的轴功率为4.18×6 000=25 080 kW，年度用电费用为25 080×0.85=21 318元。应用变频器改造后，每小时的轴功率为2.14 kW，则每年的轴功率为12 840 kW，年度用电费用为10 914元，实际中较少的用电费用为10 404元。由此可见，变频器在水泵的节能改造中发挥了重要的作用。

3 经济效益和运行稳定性分析

3.1 经济效益分析

将YX3-132S-4型号的水泵电机投入运行，应用变频器进行改造后，减少了挡板和阀门截流过程中消耗的大量能源，一台水泵每年可为企业或单位节约10 404元，经济效益非常可观。同时，因电机在启动时需要的电流是电机正常工作时的7倍以上，所以电机启动过程不但会造成大量的电流能源浪费，而且会使电机的电压瞬间升高。与正常工作时的电压相比，电机启动电压波动频率非常大，极易使水泵电机发生故障，故障排除和电机维修也需要经济成本。而应用变频器进行改造后，水泵电机在启动过程中不会超过电机的额定电流。这既可以避免因电机电压波动过大而发生电机故障，也可以避免高电流给供电网系统中各个设备造成的损害。经过一定的维修、保养后，不但不会缩短设备的使用寿命，还可以延长设备的使用寿命。

3.2 运行稳定性分析

水泵是生产和工作中的一个重要设备，为了预防其在工作过程中因运行不稳定而发生故障，或因运行不当而造成重大的经济损失等，需要对改造后的水泵进行运行稳定性分析。应用变频器改造后的水泵如果在运行过程中出现故障，变频器中的真空接触器可以从变频运行状态自动、快速跳换到自动旁路状态，水泵电机则进入工频运行状态，并发出警报。变频器中的真空接触器跳换到自动旁路状态所需时间为1～2 s，时间非常短暂，不会造成水泵停机断水问题。变频器内的功率单元具有单元旁路功能，当变频器内部的零件出现接触不良问题或发生故障时，变频器可以通过单元旁路功能继续运行，不会造成水泵突然停机断水，而且可以保证变频器的实际功率不发生改变。此外，变频器中设定有水泵的最低运行频率，可以预防变频器中的闭环控制系统因长时间工作、常规检测而造成信号失真，最终影响到水泵正常运行这一问题。由此可见，应用变频器改造后的水泵系统运行稳定性较好。

4 结束语

综上所述，各行各业的生产和发展都应以节约能源、最大程度地提高经济效益为目标，而在水泵运行中，利用变频器对其进行节能改造效果非常理想——不仅可以节约能源，还可以大大提升水泵系统的运行稳定性，降低运行故障率，经济效益显著，可以提升企业的竞争力。

参考文献

[1]郭辉，顾志国.高压变频器节能技术在发电厂凝结水泵改造中的应用与分析[G]//全国冶金自动化信息网2015年会论文集，2015.

[2]王建鹏.浅谈变频器在电厂锅炉供水泵节能改造中的应用[J].科技情报开发与经济，2012（30）.

[3]郄海明，李延磊，李元柱，等. ZNR型高压变频器在锅炉给水泵节能改造中的应用[J].电世界，2012（06）.

〔编辑：王霞〕