變頻水泵節(jié)能原理及分析.doc

前 言離心式水泵在我國(guó)當(dāng)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(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)，其流量和壓力等控制對(duì)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(duì)流量的控制，但是浪費(fèi)了大量的電能，不是一種經(jīng)濟(jì)的運(yùn)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(jì)又方便的水泵運(yùn)行方式，對(duì)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(yùn)動(dòng)的抽水機(jī)械。由泵殼、葉輪、泵軸、泵架等組成。起動(dòng)前應(yīng)先往泵里灌滿水，起動(dòng)后旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動(dòng)泵里的水高速旋轉(zhuǎn)，水作離心運(yùn)動(dòng)，向外甩出并被壓入出水管。水被甩出后，葉輪附近的壓強(qiáng)減小，在轉(zhuǎn)軸附近就形成一個(gè)低壓區(qū)。這里的壓強(qiáng)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(jìn)水管進(jìn)入泵內(nèi)。沖進(jìn)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(dòng)力機(jī)帶動(dòng)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(fù)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(jìn)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(shí)的全揚(yáng)程特性（HQ）曲線。圖1 水泵調(diào)速時(shí)的H-Q曲線在上圖中，曲線n0表示，管路中閥門開度不變時(shí)，水泵在額定轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程流量曲線。R1表示水泵轉(zhuǎn)速不變時(shí)，全揚(yáng)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(shí)，所需的揚(yáng)程等于實(shí)際揚(yáng)程，其物理意義是：如果全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程，系統(tǒng)將不能供水。由上圖可知，水泵的揚(yáng)程特性曲線和管網(wǎng)的管阻特性曲線有交叉點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是水泵工作時(shí)既滿足揚(yáng)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(yùn)行。在使用管道閥門控制時(shí)，當(dāng)流量要求從QA減小到QB，就必須減小閥門開度。這時(shí)供水管道的阻力變大，管阻特性曲線從R1移到R2，揚(yáng)程則從HA上升到HB，運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。在使用水泵調(diào)速控制時(shí)，當(dāng)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(shí)水泵的特性取決于其轉(zhuǎn)速。如果把速度從n0降到n1，運(yùn)行工況點(diǎn)則從A點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)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(diǎn)軸功率（KW）；Q為使用工況點(diǎn)的水壓或流量（m2/s）；H為使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程（m）；為輸出介質(zhì)的密度（kg/m3）；為使用工況點(diǎn)的泵的效率（%）。由公式1，可得出在使用閥門調(diào)節(jié)時(shí)，水泵運(yùn)行在B點(diǎn)的軸功率，和用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，水泵運(yùn)行在C點(diǎn)的軸功率分別為：兩個(gè)工況點(diǎn)的水泵軸功率之差為：（B、C兩工況點(diǎn)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(shí)，若是使用閥門調(diào)節(jié)來控制流量，則相對(duì)于水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，有P的功率被損耗浪費(fèi)了。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。根據(jù)水泵的相似原理可知：當(dāng)水泵速度變化時(shí)，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)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(tái)泵在轉(zhuǎn)速變化時(shí)，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(dòng)機(jī)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(guó)使用的離心式水泵絕大多數(shù)都使用三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。要調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速直接調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即可。由電機(jī)學(xué)原理可知，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式表示：其中，s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率（對(duì)于電動(dòng)機(jī)為常量）；p為電動(dòng)機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)（對(duì)于電動(dòng)機(jī)為常量）；f為電動(dòng)機(jī)的供電頻率（Hz）。所以，只要調(diào)整供給異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的控制。當(dāng)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(dòng)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(jìn)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?cè)谑褂脮r(shí)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(dòng)機(jī)的負(fù)載特性進(jìn)行匹配選擇和軟件設(shè)定即可。使用變頻器拖動(dòng)控制水泵時(shí)，其轉(zhuǎn)速可在滿足供水系統(tǒng)需求的情況下隨時(shí)調(diào)整，而且可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車、無級(jí)調(diào)速，將電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流降低到額定電流1.5倍左右，使電動(dòng)機(jī)的電氣部分和軸承機(jī)械承受的沖擊大為減小，同時(shí)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(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。但是，也要注意到以下兩點(diǎn)：變頻調(diào)速時(shí)需充分考慮水泵和電動(dòng)機(jī)的效率，避免因轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致的效率過低;同時(shí)需考慮電動(dòng)機(jī)溫升與散熱，如果是自冷式電機(jī)，