变频调速技术在水泵节能中的应用

变频调速技术在水泵节能中的应用
摘要：主要从变频调速器的原理及特点入手，对某选煤厂循环泵变频调速的改
造进行了分析，分别从变频调速原理、变频节能的可行性、变频调速改造设计、
应用效果几方面展开。

分析认为，变频调速器的应用，节能效果非常明显，并提
高了设备和系统的安全可靠性。

关键词：高压变频器；水泵；应用
引言
水泵在我国各行各业广泛应用，数量极多，但是，传统控制方式的水泵在实
际应用中存在电能浪费较多的问题。

我国当前正在大力推进资源节约型社会建设，将变频器应用在水泵之中对其运行控制和降低资源消耗，已是现实客观要求。

笔
者根据自己多年在工厂使用和改造多个水泵控制系统的工程实践经验，总结一下
变频器在水泵控制中的使用方法和节省原理，供同行之间参考交流。

1电机变频调速的原理
众所周知，三相交流异步电动机的同步转速与电源频率、电机磁极对数的关
系式为n=60f/p，其中，n为电机的同步转速，f为电源频率，p为电机磁极对数，所以，电机的同步转速与电源频率成正比例（或线性）关系。

当改变电源频率f
时即可改变电机同步转速。

一般而言，电机运行时的实际转速近似等于同步转速，我们可以认为实际转速也遵循上述公式。

电机与泵是通过硬联轴器连接，两者转
速相同，所以，通过变频器改变供电电源的频率，就可实现水泵的转速调节。

2水泵使用变频器控制时节省费用的情况
2.1采用变频器控制水泵的省电分析
水泵的电机功率P=pgQH/(n1n2)，其中，Q为流量，H为扬程，p、g、n1、n2为常数，由于水泵流量Q与水泵转速成正比，扬程H水泵与水泵转速是平方关系，所以，水泵电机功率P与水泵转速是立方关系。

例如：某台水泵电机额定功率为37kW，当电机转速下降到原来转速的0.9倍时，电机功率为26.97kW，节省电能
幅度为27.1％；当电机转速下降到原转速的0.6倍时，电机功率为7.992kW，节
省电能幅度达78.4％。

2.2变频器功率因数补偿作用的节省分析
由电路分析的基本理论可知，电力系统中无功功率主要导致线损增加，并且
在电力系统中变压器额定容量一定的情况下，系统功率因数的降低还使得可用的
有功功率减少，也就是说，变压器的带载能力大大降低。

由电工学基本公式：有
功功率=视在功率×功率因数，不难得出结论，在变压器视在功率一定的情形下，
功率因数增大，其输出有功功率也增大。

当水泵电机使用变频调速控制后，由于
变频器内部采用大容量滤波电容的缘故，水泵电机的功率因数可达到接近1的水平，大大减少了水泵电机对无功功率的占用，提升了电网的有功功率负荷及变压
器的带载能力。

不采用变频器时，普通电机的功率因数在0.6～0.8，会产生大量
的无功电流。

2.3变频器软启动功能的降本作用分析
若三相异步电机采用直接启动或星三角降压启动，瞬间启动电流可达到4-7
倍额定电流，会对水泵电机和供电网络造成严重的电流冲击，这就要求电网变压
器等有一定的富裕容量。

电机启动时产生的冲击力同时对水泵和管道危害颇大，
对机械设备、部件的使用寿命会造成严重威胁。

当水泵采用变频器控制后，由于
变频器的启动过程为软启动过程，启动电流从零开始缓慢增加，电机启动动态过
程中无陡升的波头，电流到达某一值时便稳定下来，几乎不存在对电网的冲击和
对供电容量的裕量要求，延长了电机、水泵、管路等的使用寿命，节省了设备设
施后期维护费用发生。

3水泵变频调速系统的构成和设计
3.1硬件构成
图1是水泵恒压供水的原理简图。

首先，由压力传感器测得供水管道的实际
压力值，此压力值经传感器转换为模拟电信号进入PLC的模拟量输入模块，在模
块内部经过模拟-数字转换后，供水管道的实际压力数值被送到PLC的CPU中。

接下来，根据PLC中预先编制的控制和运算程序，进行实际压力和给定压力的比较，比较后PLC输出一个数字量，此数字量经数字-模拟转换后，通过模拟量输出模块输出一个模拟值对变频器输出电压的频率进行控制，进而控制水泵电机的转
速以达到供水管网内水压为某个恒定值的目的。

图1水泵恒压供水的原理简图
3.2软件设计
软件设计一般指对变频器各项控制参数进行调整、设定以及PLC中控制程序
和算法的编程，等等。

3.3变频调速改造设计
选煤厂的洗选工作量很大，生产用水都需要及时供应，因为原有的循环水泵
主要采用的是“一用一备”的供水模式，如果每台水泵都配备变频装置需花费的成
本过高，且运行效率低，所以采用“一拖二”变频调速装置，图2为改造后循环水
泵电机变频系统和负载的电气主接线原理图。

由上图可知，电源经真空断路器
QF1（QF2），经过变频装置进入切换开关QS1（QS2）至变频调速器，再由变频
装置输出经过出线开关QS3（QS4）到电动机A（B）。

这次改造中将保留了原先
的软启动装置，并与变频器一起对电机进行控制。

对变频装置进行检修的过程中，能够手动操作开关，切断主回路电源，确保了工作人员的生命安全；如果变频器
出现安全故障，同样可以手动控制开关，将变频装置隔离开，使工频电源正常运行，保障安全、高效生产。

图2改造后循环水泵电机变频控制电气原理图
4变频器在实际水泵控制系统中的应用
在实际应用中，通常由多台水泵并联组成一个供水系统，将其中一台水泵采
用变频调速控制，其余泵采用工频50Hz运行状态，这样，容易通过水泵的增加
来满足实际流量扩大的需求。

系统实际工作时，当水压低于变频泵能提供的最大
压力时，非变频泵开始运转，变频器控制泵得到系统压力增加的反馈信号后转速
降低，使管网内水压达到规定要求；按类似的控制方式，当系统内运行一台变频
控制泵和一台工频泵还不能满足管网内水压规定时，便启动第三台，甚至启动第
四台工频泵运行。

值得说明的是，采用变频器控制水泵是一种广泛应用的水泵节
能新技术，但必须注意运用场合。

变频调速最适用于流量需求不固定，变化频繁
且幅度较大，系统需求用水量经常明显偏小的恒定水压系统。

变频调速在流量较
稳定、工况单一的水泵供水系统中使用，节能效果不明显，如果考虑到变频器本
省的能耗，有可能比工频运行还要浪费电能，这一点应引起注意。

结语
变频器在水泵控制中的应用有效提升了电能使用效率，降低了水泵使用中的
成本，体现了变频调速技术巨大的节能潜力。

但不能简单把变频调速技术应用在
所有供水系统中，必须认识到产生一定的节电效果是有应用条件的。

参考文献:
[1]张建平．变频器在水泵中的节能应用[J]．山西能源与节能，2012，（1）：45-47．
[2]韦榕，韦文龙，邓明君，等.试论变频调速技术在加压过滤机中的应用实践[J].选煤技术，2014（12）：129-135.。