變頻水泵節(jié)能原理及分析.doc

前 言離心式水泵在我國當前的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活中起到很大的作用，水泵使用三相異步電動機進行拖動，其流量和壓力等控制對象大多采用管道閥門截流的調(diào)節(jié)方式。這種人為增加管阻的調(diào)節(jié)方式雖然滿足了生產(chǎn)生活所需的對流量的控制，但是浪費了大量的電能，不是一種經(jīng)濟的運行方式。在電力能源越發(fā)短缺的今天，找尋并普及一種既經(jīng)濟又方便的水泵運行方式，對節(jié)能工作有著重大的意義。1、離心式水泵工作特性1.1 離心式水泵工作原理離心式水泵是一種利用水的離心運動的抽水機械。由泵殼、葉輪、泵軸、泵架等組成。起動前應(yīng)先往泵里灌滿水，起動后旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動泵里的水高速旋轉(zhuǎn)，水作離心運動，向外甩出并被壓入出水管。水被甩出后，葉輪附近的壓強減小，在轉(zhuǎn)軸附近就形成一個低壓區(qū)。這里的壓強比大氣壓低得多，外面的水就在大氣壓的作用下，沖開底閥從進水管進入泵內(nèi)。沖進來的水在隨葉輪高速旋轉(zhuǎn)中又被甩出，并壓入出水管。葉輪在動力機帶動下不斷高速旋轉(zhuǎn)，水就源源不斷地從低處被抽到高處。1.2 泵類負載特性分析為適應(yīng)用戶用水量的變化，調(diào)節(jié)出水流量，現(xiàn)通常采用兩種方法來完成流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。一種是利用控制閥或節(jié)流閥進行節(jié)流，以改變出水流量；另一種是泵的調(diào)速控制，調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來改變出水流量。圖1為水泵調(diào)速時的全揚程特性（HQ）曲線。圖1 水泵調(diào)速時的H-Q曲線在上圖中，曲線n0表示，管路中閥門開度不變時，水泵在額定轉(zhuǎn)速下的揚程流量曲線。R1表示水泵轉(zhuǎn)速不變時，全揚程與流量之間的關(guān)系曲線，又稱管阻特性曲線。H0為供水量Q接近0時，所需的揚程等于實際揚程，其物理意義是：如果全揚程小于實際揚程，系統(tǒng)將不能供水。由上圖可知，水泵的揚程特性曲線和管網(wǎng)的管阻特性曲線有交叉點，這個點就是水泵工作時既滿足揚程特性又滿足管阻特性，供水系統(tǒng)工作于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在使用管道閥門控制時，當流量要求從QA減小到QB，就必須減小閥門開度。這時供水管道的阻力變大，管阻特性曲線從R1移到R2，揚程則從HA上升到HB，運行工況點從A點移到B點。在使用水泵調(diào)速控制時，當流量要求從QA減小到QB，由于閥門開口度不變，管道的阻力曲線R不變，此時水泵的特性取決于其轉(zhuǎn)速。如果把速度從n0降到n1，運行工況點則從A點移到C點，揚程從HA下降到HC。根據(jù)離心泵特性曲線公式：其中：P為泵使用的工況點軸功率（KW）；Q為使用工況點的水壓或流量（m2/s）；H為使用工況點的揚程（m）；為輸出介質(zhì)的密度（kg/m3）；為使用工況點的泵的效率（%）。由公式1，可得出在使用閥門調(diào)節(jié)時，水泵運行在B點的軸功率，和用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，水泵運行在C點的軸功率分別為：兩個工況點的水泵軸功率之差為：（B、C兩工況點輸出介質(zhì)流量Q相等）由公式2可以看到，要求相同的流量時，若是使用閥門調(diào)節(jié)來控制流量，則相對于水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，有P的功率被損耗浪費了。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。根據(jù)水泵的相似原理可知：當水泵速度變化時，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。從這一比例定律關(guān)系可見，同一臺泵在轉(zhuǎn)速變化時，泵的主要性能參數(shù)將按上述比例定律變化并且在變化過程中保持效率基本不變。由此可見，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)節(jié)流量，電動機所取用的電功率將大為減少。因而，這是一種能夠顯著節(jié)約能源的好方法。采用變頻調(diào)速方法，水泵的主要參數(shù)和軸功率變化如下表：2、變頻調(diào)速原理目前，我國使用的離心式水泵絕大多數(shù)都使用三相異步電動機進行拖動。要調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速直接調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速即可。由電機學(xué)原理可知，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速有以下公式表示：其中，s為電動機轉(zhuǎn)差率（對于電動機為常量）；p為電動機定子繞組極對數(shù)（對于電動機為常量）；f為電動機的供電頻率（Hz）。所以，只要調(diào)整供給異步電動機的電源頻率，就可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速變化的控制。當前已經(jīng)大量應(yīng)用的變頻器就是一種融合了電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)等，可以將電源頻率予以直接地或間接地改變后再進行輸出的專用設(shè)備。由于變頻器內(nèi)的軟件構(gòu)成及制造原理，我們在使用時不需要過多的考慮頻率和電壓的關(guān)系，只要根據(jù)受控電動機的負載特性進行匹配選擇和軟件設(shè)定即可。使用變頻器拖動控制水泵時，其轉(zhuǎn)速可在滿足供水系統(tǒng)需求的情況下隨時調(diào)整，而且可以實現(xiàn)軟啟動、軟停車、無級調(diào)速，將電動機起動電流降低到額定電流1.5倍左右，使電動機的電氣部分和軸承機械承受的沖擊大為減小，同時有效避免了管道內(nèi)的水錘效應(yīng)，避免了管道流量的突變，減少了爆管、滴漏的發(fā)生機率。更重要的是，能夠?qū)崿F(xiàn)與供電頻率成立方比例的軸功率大幅降低，極大地降低了電動機消耗的電能。變頻器內(nèi)置PID控制功能與傳感器、變送器和PLC等組合可以輕松實現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動化控制。但是，也要注意到以下兩點：變頻調(diào)速時需充分考慮水泵和電動機的效率，避免因轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致的效率過低;同時需考慮電動機溫升與散熱，如果是自冷式電機，