刍议变频调速技术原理及其在水厂中的应用

刍议变频调速技术原理及其在水厂中的应用
摘要：水泵变频调速技术是调节输入电源频率的原理来达到调节水泵流量变化的自动化控制技术，和先前的阀门调节相比，具有噪音污染小、节能效率高、工作效率高的特点，进一步给社会工业生产、居民生活中的水资源利用带来了方便，这也顺应了国家所提倡的绿色环保、节能降耗的理念。

本文就水泵变频调速技术的原理、系统工作流程、给水模式以及使用效果几方面，对该技术进行了系统的介绍。

关键字：变频调速技术；水泵控制；原理；应用效益
Abstract: Water pump frequency conversion and speed regulation technology is the automation and control technology through the regulation of input power frequency principle to achieve adjustment of the pump flow changes, and compared with the previous valve adjustment, it has little noise pollution, energy saving, high efficiency, high efficiency characteristics, further to brought convenience for the social and industrial production, residents living in the utilization of water resources, this paper comply with the State advocates green environmental protection, the concept of energy saving. In this paper, the principle of variable speed pump technology, the system working process, water supply mode and effect of several aspects, the technology was introduced.
Key words: frequency conversion technology; pump control; principle; application benefit
在对多个城市送水泵房中的主要耗能设备水泵进行调查后发现，水泵的运行效率大多十分低下，能源浪费严重，不光如此，电机还时常存在超负荷运行的现象，泵的剩余扬程普遍很高，进行总结后不难发现深层原因是水泵的实际需要扬程比铭牌扬程小，最大的相差30%以上。

这些不但极大地浪费了能源，而且拖慢了工作效率，还给机器造成了严重的损耗。

实践证明，引入变频调速技术，可以大大改善目前的这种状况。

一、变频调速技术的原理
城市供水系统中使用的传统水泵电机为三相异步电机。

这种电机的转速主要受到电机电源频率、电机磁极对数和转差率三方面的影响。

用公式表示其中的原理如下：
n=60f(1-s)/p
其中，n-三相电机的转速，f-电机电源频率，s为转差率，P-电机磁极对数
在对水泵的改进工作过程中发现，改变转速差s和电机磁极对数p的做法，都不足以起到提高电机效率n的作用，唯有改变电机电源频率的做法可以起到显
著效果，无论是从低频调到高频，还是从高频调到低频，其转差率变化有限，而调速范围较广，调整精度较高。

变频调速技术由此诞生。

采用变频调速泵供水，具有明显的节能和提速效果。

进一步研究后发现，要想进一步达到调速节能的效果，还要在减少能量损失上下功夫。

能量利用率的提高，不光与泵和电机的运行效率有关，还与管道设计、机泵选型有密切关系。

当泵的制造技术达到一定水平的时候，要想继续提高效率就变得艰难，这时，就要靠减少泵的剩余扬程来继续提高效率。

其中泵机组能耗原理如公式所示：
其中，-需要的泵扬程；-泵出口实际扬程；-泵的剩余扬程；-电机的运行效率。

变频调速就是通过提高泵和电机的工作效率，降低或者消除剩余扬程两个方面来提高能量利用效率。

而未采用变频调速的时候，由于存在当泵所提供的扬程大于所需的时候，没有有关措施来管理这种情况，直接造成了能源的白白浪费，原理如图1所示：
图中M点为泵和管道系统的工作点，在这个状态下，和相等，没有扬程损失，几乎将全部能量都利用上了。

然而，当流量减小的时候，管道所需的泵的扬程也减小了，而由图1中的泵特性曲线可知，泵所提供的扬程是增加的，远远大于所需的扬程，这之间的差就是剩余扬程，是导致能源利用率降低的主要原因。

采取变频调速技术后，调整泵的转速，反应在泵的特性曲线上便是下移，这样形成一个新的工作点P，这样，泵所提高的扬程重新与管道所需相等，没有剩余扬程，也使能源浪费的情况消失，节能效益十分可观。

二、变频调速系统工作流程
变频调速的系统主要由控制对象、压力测量变速器、调节器和变频调速器组成。

其中，控制对象为水泵和电机。

具体的系统工作流程是：水泵将水抽进管道中去，由压力测量器测定当前的水管压力，并转换为对应的电信号，传输到调节器中。

调节器将这个压力数据和所已经设定的标准值进行对比，将误差以及压力数据信号都传输给变频调速器中，变频器会根据数据电信号来调整输出的电源频率，致使水泵、电机的转速做出相应变动，如此循环，从而实现自动变频调速的
一系列作用。

三、使用变频调速技术后的给水模式
变频调速技术可以起到节能增效的效果主要是因为做到了根据用水流量的变化情况对水泵进行了合理的选配。

为了使在恒压状态下的变频调速技术也能起到优良的效果，宜采用多泵并联的供水模式。

在这种模式中，只要一台泵是变频泵，其余的都选用工频泵，就可以实现恒压变量供水。

变频泵的工作效率是随流量变化的。

当水流量小于一台泵工频恒压条件下的流量的时候，仅由一台变频泵工作供水；当流量加大的时候，变频泵的转速会随着上升；当用水量流量持续加大，使变频泵的工作转速达到工频转速的极限并超过的时候，变频泵的的控制系统会自动启动一台工频泵开始工作，其余的工频泵也同理启动。

当水流量下降的时候，变频泵的转速也下降，当变频泵的流量下降到零的时候，会自动关闭一台工频泵，改由自己供水。

此外，具有自动睡眠功能的变频泵还可以在用水流量接近零而其他工频泵都停工的情况下，进入睡眠模式，自动停泵。

从而达到最佳的节能效果。

四、变频调速技术在水厂的实际应用效果
经过实际的运用发现，可以将所有的水泵都安装上变频器，也可以只将其中的一台水泵改造为变频调速泵，都可以实现变频调速的效果。

使用该项技术后，无须再调节泵的出口阀，变频调速泵会根据工作负荷情况自行调节工率。

尤其是在负荷低的情况下，变频调速器可灵敏地调低电源频率，电机的电流使用量下降，工作效率却是不变的，节电增效的效果十分明显，在一定程度上杜绝了浪费，给水厂节约了供水用电成本，还提高了工作效率。

以下是水务集团有限公司二水厂使用变频调速泵后的某天的工况对比：
表1 安装变频调速泵的前后工况对比
二水厂是将五台水泵都安上了变频控制器。

由图中可以看出，各台水泵机器在使用变频器后，实际功率都有所降低。

按每年运行300天计算，年可节约电量303·300kW/h，每度电按0.6元计算，年可节约电费5万多元。

除此之外，由于采用了变频调速技术，降低了水泵在日常中的使用强度，这样也就减少了机器的损耗，延长了水泵的使用寿命之余，相关的维修费用也减少
了。

使用变频调速泵后，减少了人工的手动控制，也就节省了人工的使用成本，对人员的素质水平要求更高。

另外，没有使用变频调速技术之前，需要使用阀门来控制流量，水泵运行过程中会产生严重的噪音污染。

采用该项技术后，直接可由变频泵主动做出改变适用水流量的变化，几乎很少再用到阀门，噪音污染也就没有了，从而大大改善了人工的作业环境。

结语：
得益于电力电子技术的发展，水泵的工作效果也越来越精细化、准确化，从而减少了对能源、人力的浪费。

目前，变频调速技术在工业水泵控制中得到广泛应用，在给水厂带来一定的经济效益的同时，也给我们的社会经济和生活又带来了更进一步的便利，在一定程度上还起到了节能降耗的环保效果。

企业生产更加安全、干净、高效。

这些都是科技带给我们的进步。

变频调速技术是顺应工业生产自动化要求而产生的，让我们更近一步走向智能电机时代。

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