水泵在变频调速应用中的几个技术问题Word文件下载.docx
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————————————（2-3）
由于变频调速（改变电源输入频率f）或变极调速（改变电机的磁极对数），不但电机转速n变化，而且定子旋转磁场的转速
也跟着变化，亦即在调速过程中转差率s可近似看作不变，由于无转差损耗，其调速效率比较高。
相应的转子串电阻调速，定子调压调速等，由于只改变电机转速n，不改变定子旋转磁场的转速n。
，转速愈低，转差率s愈大，转差损耗愈大，因而效率愈低。
电动机在运转过程中，能量的损耗主要体现在铁损（定子的铁芯），铜损（定子、转子的绕组）和机械磨损三方面[3]。
其中铁损占17—30%，铜损占58—60%，机械磨损占10—25%。
转差损失，定子、转子的电压、电流、磁道等参数变化引起的能量损失，也都最后反映在铁损和铜损上。
为了提高电机效率，减少能量损失，除了改进铁芯，绕组（铜）的材质，提高机械设计性能外，最主要的是改进各种调速方法。
对于电机变频调速，常常采用恒转矩（u/f控制，即电压与频率比控制）、变频调速法或平方转矩变频调速法。
在采取上述各种节能措施的基础上，对于水泵而言，当负载在50~100%，即频率变动在25~50Hz之间时，电机的效率可维持在94~96%之间[4]，因此，在变频调速中电机效率变化不大。
2.2系统效率分析
水泵在变频减速的情况下，效率是否降低？
廊坊市安迪节能技术有限公司进行了有益的研究工作，他们在“浅谈热网循环泵的特性与应用”[5]一文中，详谈了有关的实验研究。
该实验对循环泵（G=25
，H=32m，N=4Kw，额定电流7.9A）在变频调速（频率f在50~30Hz之间变动）下的各种工况进行了测试。
根据各工况下电机的输入电压、电流和水泵的流量、扬程，依据如下公式（2-4）、（2-5）、（2-6），计算出水泵的效率η：
————————————（2-4）
————————————（2-5）
————————————（2-6）
—水泵效率，%；
—电机输入功率，kw；
—水泵输出功率，kw；
—水泵的扬程，mH2O；
—水泵流量，
;
—电机电流，A；
—电机电压，V
—功率因数。
计算中，功率因数取值0.8，测试结果数据见表2-1，其变频调速的工作特性曲线，效率曲线分别见图2-1，图2-2。
应该指出：
在变频调速的过程中，严格讲，功率因数不完全是常数，应有一些变化。
从更严谨角度考虑，采用功率因数表或功率表直接测量更为妥贴。
从测试结果看，水泵在工频运行（频率50Hz）时，最高效率48%；
45Hz运行时，效率降为39.6%；
40Hz运行时，效率为32.2%；
35Hz时效率为24.5%；
30Hz时，效率下降为16.2%（见表2.1，图2-2）。
也就是说水泵转速亦或流量下降40%（即频率从50Hz下降为30Hz），水泵的效率下降为31.8%（从48%下降为16.2%），显然降幅是比较大的。
廊坊安迪节能技术有限公司有心做这样详尽的试验，提供这么多有说服力的数据，是非常难能可贵的，对行业的技术进步肯定有很大的帮助。
但是也必须指出，上述数据，严格说，不只是水泵的效率数据，而应该是水泵加电机的共同效率数据，或称为系统效率更为确切。
因为用公式（2-5）计算出的功率
，是电机的输入功率，不是水泵的输入功率。
真正称之为水泵的输入功率应该是电机输出的轴功率（即电机的轴转矩与转速的乘积）。
可惜目前所进行的实验还没有精细到这一步。
但无论如何，上述试验是很宝贵的，给出的系统效率（包含了电机的效率），对于节能效益的分析，有了科学依据。
“浅谈热网循环泵的特性及应用”一文，在分析系统效率下降之后，就直接判断：
变频减速幅度不能过大否则系统不节能的结论，这是不严谨的。
因为判断系统是否节能，不光要分析系统效率的高低，而且要研究系统总功率的大小，只有这样，得出的结论才是准确而科学的。
表2-1变频调速水泵各工况参数表
变频数
f（Hz）
流量
G（
）
扬程
H（mH2O）
电流
I（A）
净功率N
N=2.778GH
实耗功率W
效率
50
10
34
6
0.94
3.16
29.9
15
32
6.6
1.33
3.48
38.4
20
31
7.2
1.72
3.79
45.4
25
28
7.7
1.94
4.05
48.0
30
24
8.2
2.00
4.32
46.3
40
14
9.2
1.56
4.84
32.1
45
5.2
0.78
2.74
28.4
26
5.7
1.08
3.00
36.1
6.4
3.37
39.6
6.7
1.39
3.53
39.4
17
7.3
1.42
3.84
36.9
8
0.89
4.21
21.1
22
4.8
0.61
2.53
24.2
5.3
0.83
2.79
18
5.9
1.00
3.11
32.2
1.04
30.9
11
6.8
0.92
3.58
25.6
35
7
7.1
0.68
3.74
18.2
4.4
0.47
2.32
20.4
5
0.63
2.63
23.7
13
5.6
0.72
2.95
24.5
0.69
22.0
0.50
14.8
2
0.19
5.5
12
3.9
0.33
2.05
16.2
9
0.38
7.5
0.42
15.8
5.4
0.35
2.84
12.2
28.5
0.16
图2-1单台水泵变频特性曲线图2-2变频水泵的效率曲线
3.系统节能效益分析
研究系统节能，除了分析水泵、电机的效率以外，还必须观察系统的功率。
而计算系统功率的大小，一条重要的环节，是确定水泵的工作点，以及工作点的变动情况。
只有这样，才能准确计算系统的功率和节能效益。
3.1水泵在变频调速下的工作点
一般情况下，都选择水泵在最高效率下运行。
假定水泵（上述试验水泵）在工频状态下运行的工作点为A1，此时流量为25
，扬程为28m（见图3-1）。
若水泵在变频调速过程中，系统管网不做任何调节，则管网阻力特性曲线（见公式（3-1））S1如图3-1所示（此时公式中的S值，可由A1点的流量，扬程值计算可得，S=0.0448），与f=40Hz、f=30Hz的水泵工作特性曲线分别相交于A2、A3点。
在A2点运行，水泵的流量为20
扬程为17.9m，效率
=32.2%；
在A3点运行，水泵流量15
，扬程为10.1m，效率为
=16.2%。
图3-1变频水泵工作点曲线图3-2水泵的功率曲线
————————————（3-1）
在图3-1中，A1、A2、A3点为水泵在不同的变频调速下所对应的工作点。
工作点是水泵工作特性曲线与管网阻力特性曲线的交汇点。
从数学意义上分析，工作点，实际上就是水泵工作特性数学方程与管网阻力特性曲线数学方程的联立解。
但水泵工作特性曲线的相关参数之间的关系过于复杂，很难用简单的数学方程表示。
通常都是采用实验数据，描绘成工作曲线来表达。
在数值分析计算时，往往再由工作特性曲线拟合成多项式方程来表达。
在工频运行时，水泵的工作特性曲线是无法改变的，为了满足系统需求的运行工况（特定的流量值），亦即确定需求的水泵工作点，往往必须改变管网的阻力特性。
如图3-1中，在工频运行下，为满足15
流量的工况需求，工作点必须由A1点移至A3’点，采取的技术措施只能将管网阻力特性曲线S1向左移动（即增大管网阻力）变为阻力特性曲线S2。
在实际工程中，实现这一目标的最常用方法，就是设置调节阀，增加节流阻力。
对于变频调速水泵，为了实现15
的流量需求，则是通过改变水泵转速进而改变水泵工作特性曲线，来寻找工作点A3，而不再变化管网阻力特性曲线，在实现15
的流量需求时，选择A3点作工作点，与选择A3’点作工作点，最大的区别，是前者输出的水泵功率（图3-1中OCA315包围面积）远远小于后者，其节能的数量可由图3-1中的A3’A3CB所包围面积表示。
这是变频调速水泵的最大优点。
3.2节能效益分析
水泵的输出功率与水泵的叶轮形状有关[6]。
对于后弯式叶轮或前弯式叶轮，水泵功率与流量呈二次方曲线关系。
对于常用的径向式叶轮，其功率与流量呈线性关系，由公式（3-2）表示，试验水泵试测的输入功率曲线见图3-2所示。
————————————（3-2）
式中
A’—功率特性系数，与水泵出口流体圆周速度有关；
B’—不同频率下的功率截距常数，即水泵空转时的功率，亦即水泵机械损
失功率。
对于不同频率的水泵转速，其输出功率（测试结果数据表2-1）不同（见图3-3），但均呈不同的直线。
要计算变频调速后的实际输出功率，必须在输出功率曲线图（图3-3）上找到水泵工作点A3（见图3-1），为此要计算管网的功率曲线：
=
（kw）————————————（3-3）
计算结果见表3-1。
将表3-1数据绘制在图3-3上，形成管网的功率曲线S1’和S2’。
S1’和S2’分别为管网阻力特性曲线S1和S2的管网功率曲线（见图3-1）。
从图3-3上，可以看出，工作点A3为频率30Hz时的运行工况，此时满足流量为15
的需求，其水泵功率为0.42kw。
若不用变频调速控制，而采取惯用的节流调节法，即水泵工作在A3’上，其水泵功率为1.33kw，即比变频调速方法多耗电0.91kw，而前者节电68%。
表3-1管网功率计算结果
功率曲线名称
S值
功率
Hz
H（m）
（kw）
0.0448
1.95
17.9
0.996
10.1
0.142
14.2
0.395
3.6
0.049
在业内人员中，有的提出：
水泵的功率与流量之间，究竟是三次方关系，还是一次方关系？
通过上述分析，这个问题已经一目了然。
所谓三次方关系，是指流量与管网的输配功率之间的关系。
一次方关系是指水泵输出功率与流量之间的关系。
水泵只有运行在工作点上，这二者的关系才会交集，重合。
因此，水泵的变频调速，最大的优点就是能使水泵始终运行在最节能的工作点上。
图3-3变频调速水泵节能效益图
3.3节能计算
综合考虑电机、水泵的效率影响，和水泵输出功率的变化，水泵在变频调速（频率减少）时系统的节能效益可由公式（3-4）计算：
—变频调速后的节能率，%；
—工频时的输入功率，kw；
—变频（减速）后的输入功率，kw；
，
—分别为变频，工频时的转速，也视为频率；
—变频，工频时的效率，%；
在公式（3-4）中，分子中的第一项，表示水泵变频调速前后功率变化的差值。
分子中的第二项表示变频调速前后因效率不同造成的能耗损失之差。
按公式（3-4），对试验水泵进行计算，结果见表3-2。
在表3-2中，括号内的节能率未计算公式中分子第二项，亦即未考虑变频调速前后效率变化的影响。
从表3-2的数据分析可看出：
由于功率与流量呈三次方正比关系，转速（流量）下降20%（频率由50Hz降为40Hz），功率下降51.2%；
转速（流量）下降一半（频率由50Hz降为25Hz），功率减少7/8。
因为在调速的过程中，功率减少的幅度很大，以致效率降低对能耗损失的影响微乎其微；
在计算过程中发现，在低频下运行，效率造成的能耗损失甚至比高频下运行还小，这就是表3-2中，括号内的节能率小于括号外的节能率的原因。
通过上述分析，为了简化计算，系统节能率可按公式（3-5）进行：
%————————————（3-5）
公式（3-5）清楚地说明：
水泵在变频调速时，可以不考虑效率的影响，频率愈低（转速愈低），节能的效益愈明显。
表3-2变频调速水泵节能效益分析
频率
输入功率
N（kw）
效率差
节能率
48
22.5
3.45
39.5
8.5
27.7（27.1）
51.2（48.9）
17.5
2.48
24.1
23.9
71.3（65.7）
31.8
82.3（78.4）
4.变频泵组合运行的合理方案
通过上述讨论，可以得到明确的结论：
在我们的行业内，水泵的变频减速调节，永远是节能的。
所以在系统中，各种水泵的并联，串联组合，都应该在充分发挥变频调速先进技术的前提下进行，这样的水泵组合运行方案才是合理的。
4.1尽量采用单泵独立运行
在变频调速技术没有广泛应用前，供热系统多采用多泵并联方案实现分阶段变流量调节。
工频并联运行水泵，由于工作特性决定，二台同型号并联水泵，其输出流量一般只能达到二倍额定流量的70%左右，（这是陡降型水泵，如果是平坦型水泵，其输出流量会更小），为了达到二倍额定流量，必须加大水泵功率，显然是不合算的。
现在采用变频调速技术，理论上可以在0—50Hz范围内变速，由于调速幅度大，又是无极变速，因此，无论从变流量的调节功能上讲，还是从节能的意义上讲，使用单台水泵独立变频运行，要比工频并联运行优越。
现在大力进行分布式输配系统的推广，常常遇到远近期如何结合的问题。
当远近期负荷相差不是很大时，可按远期循环设计流量选择水泵。
近期，通过变频调速，满足实际负荷的需求。
这样，既能满足功能需要，也能达到节约能源，节约投资的目的。
当远、近期负荷差别比较大时，可根据工程的实际情况，分别选择近期循环水泵和远期循环水泵。
如果从投资、占地等因素考虑，近期只安装、运行近期循环水泵，等到负荷发展到远期规模时，再由小泵换大泵，显得十分灵活。
在我国，供热规模小于10万m2时，其循环水泵功率都在30kw以下，更换起来非常方便。
经过多年的实践，这样规模的循环水泵，可不设备用泵（备用泵放在仓库）。
由于水泵小，再加上信息技术的发达，一旦发生故障，一般在半小时内就可更换完毕，重新启动运行，因此对供热效果不会有明显影响。
这一经验的推广，对于分布式输配系统的应用有重要意义。
4.2冷热源“一对一”设置循环泵
在现有的冷、热源循环水泵的设置中，有的采用一组并联水泵共同承担冷热源的系统循环；
有的采用“一对一”设置，即一台循环泵对应一台冷、热源。
在分布式输配系统中，冷热源循环泵，特别是在变频调速情况下，理想的方案应该是“一对一”设置。
因为并联组合方案，容易造成冷热源设备间的流量分配不均匀，导致运行工况的不稳定，特别是在冷热源设备启动，停运的过程中，出现突发性的工况变动，容易产生意外事故。
采用“一对一”的设置方案，可以通过变频调速，有效控制每台冷热源设备的循环流量。
为了节能，还可在负荷的变动下，使冷热源设备的循环流量在设计流量的70~100%的范围内调节，也不会出现循环流量过大，冷热源设备压降过大的毛病。
这种方案，由于是“一对一”，哪台冷热源设备启动，则对应的哪台循环泵运行，减少了设备之间的干扰，有利于系统水力平衡。
一般功率大于30kw的变频水泵，都配置有软启动设备。
通常在工频状态下启动水泵，冲击电流可达到额定电流的6~7倍[4]。
对于变频调速水泵，可借助软启动设备自行选择启动电流（为额定电流的2倍，3倍……）和启动时间（为2秒，4秒等……），这样就可以大大降低冷热源设备在启动时发生突发性的干扰，提高设备的安全性，因此“一对一”方案有明显的优越性。
4.3给水系统多采用多泵并联恒压控制
室内给水系统采用恒压控制，随着建筑层数的不同，给水压力不同，一层为10mH2O；
二层为12mH2O;
三层以上每多一层，增加4mH2O。
给水系统的另外一个特点是属于常年性负荷，一年内甚至一月内，平均用水量没有太大差别；
但在一日早、中、晚、夜间，或工作日和周末的小时用水量则有很大的差别。
为了适用给水系统的这种负荷特点，目前采用的最合理的方案是多泵并联变频调速恒压系统。
其中，常用的一种方案是单台变频多台并联运行。
这种系统的运行方案是根据建筑物的需求确定系统的设定给水压力。
在夜间，起动一个小泵，进行变频调速，满足夜间给水用量。
凌晨，用水量逐渐加大，小泵满足不了用水量的需求，此时变频器与小泵解列，小泵停止运行。
变频控制柜拖动一台大泵（数台大泵并联）软启动，并靠变频调速适应给水量的变化需求；
当该台大泵达到50Hz运行，仍满足不了给水量增加的要求，此时在控制器的指令下，变频器与运行大泵解列，启动第二台大泵变频运行，第一台大泵工频运行。
根据给水量的不断增加，第二台，第三台……大泵不断起动工频运行，只有一台大泵变频运行。
当给水负荷逐渐减少时，工频运行的大泵逐台停运。
至夜间恢复小泵变频运行。
这种运行方案的多台并联，单台变频的水泵工作点见图4-1所示，其中H0为给水系统的设定压头，n01,n02,n03虚线表示工频运行时，一台泵，二台泵，三台泵并联工作特性曲线。
n1，n2为单泵不同转速的工作特性曲线。
n12，n13和n22，n23实线分别为变频泵与一台工频泵或二台工频泵并联的工作特性曲线。
S为管网阻力特性曲线。
A21，A01，A22，A23和A02分别为不同组合泵时的水泵工作点。
其中A22为转速为n2时变频泵与一台工频泵并联的工作点。
A02为二台泵在工频运行时并联的工作点，由A02、A22与纵坐标包围的矩形面积为节能的数量。
图4-1单台变频多台并联工作点
给水系统的另一种多泵并联是采用“一对一”的变频调速方案。
这种方案，每台水泵配备一台变频器。
当1号水泵起动变频运行，直到50Hz运行仍满足不了给水量要求时，启动2号泵，变频运行增速至50Hz，再启动3号泵。
……当给水量减少时，依次停运投运水泵。
上述两种控制方案，各有优缺点。
单台变频方案，投资省，“一对一”变频方案投资较贵，但比前一种方案，节能效果明显。
4.4根据工作点的变动采取相应调控方案
在变频多泵组合的运行中，不但水泵的工作特性曲线经常变化，就连管网阻力曲线也是随时变化的，在这种情况下，如何及时了解水泵工作点的移动，进而掌握系统运行工况，采取必要的调控措施，就显得非常重要。
在实际的水泵系统中，经常出现超电流烧电机的现象。
如前所述，为了适应不同负荷的运行工况，有时水泵功率选择大一些，在低负荷时，采用变频减速运行，但在负荷增加的情况下，需要升频增速，加大流量的时候，却出现了超电流的情况。
有时在多泵并联的情况下，需要减泵降低流量时，也出现超电流现象。
碰到这类情况，在实际工程中，常常不能作出正确判断，往往采取换水泵，切叶轮等措施，结果不但费事，有时还不能解决问题。
实际上，出现这类现象，往往都是因为水泵工作点的变动造成的，确切而言，主要是管网阻力特性曲线过于平缓（即管网阻力过小），致使工作点过多的右移引起的，如果判断准确，只要在水泵组合调频的过程，适当关小阀门（增加管网阻力时适时观察电流的变动情况）就可以了，不必太“兴师动众”。
在分布式输配系统中，有时也出现这样的现象：
如果相邻的分布式水泵停运的台数过多，正在运行的分布式水泵会出现流量不足的现象，以致提高转速，也得不到太多的改进。
分析原因：
也是水泵工作点偏移的问题。
所不同的，这种情况是工作点向左偏移所致。
我们知道：
不论系统拓扑结构（并联，串联等）如何，只要某一支路的阻力增加（关阀门或水泵降低转速），全系统阻力亦增加，反之亦然。
显然，系统中相邻分布式水泵停运过多，相当于系统阻力增加过多，导致管网阻力特性曲线变陡，进而使工作点向左偏移，减少系统循环流量。
尽量避免这类现象的发生，首先在水泵的选择上，多采用陡降型的水泵，这类水泵的特点是在工作点变动时，水泵的工作流量变化较小。
其次在系统运行过程中，尽量防止大面积的水泵同时停运的发生。
参考文献
[1]《电机与传动节能技术》，中国科学技术情报研究所，科学技术文献出版社，1986
[2]《供热系统运行调节与控制》，石兆玉，清华大学出版社，1994.1
[3]《电气计算》，彭友元，1981.Vol.49，No.10，P24~27
[4]《电动机变频节电380问》，周志敏等，中国电力出版社，2011.10
[5]“浅谈热网循环泵的特性及应用”，李红帅等，《区域供热》，2013.5期
[6]《泵与风机
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