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變頻調速節(jié)電技術及其應用

文檔作者：和艷麗文檔來源：河南中原石油勘探局		點擊數：	更新時間： 2021年10月09日
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過程控制實旌技術 石 油 化 工 自 動 化，2009，3：77
AUT0M ATIoN IN PETR()_CH EM ICAL INDUSTRY
變頻調速節(jié)電技術及其應用
和艷麗
(河南中原石油勘探局工程建設總公司電氣工程處，河南濮陽457001)
摘要：變頻調速在泵與風機的節(jié)能方面應用廣泛，闡述了變頻調速節(jié)能原理，以水泵為例，針對影響其調速范圍、節(jié)能效
果的一些主要因素，進行了對癥分析和探討，闡述了水泵工藝特點、定速泵、電機效率、管路特性曲線因素對變頻調速范圍的影
響，在此基礎上指出了變頻調速的適用范圍。
關鍵詞：水泵；節(jié)能；變頻調速
中圖分類號：TP273 文獻標志碼：B 文章編號：1007—7324(2009)03—0077—03
1 引 言
變頻調速技術是一種以改變電機頻率和改
變電壓來達到電機調速目的的技術u 。直流機
調速容易實現(xiàn)，但具有固有的缺點：滑環(huán)和碳刷
要經常拆換，比較麻煩。因而就出現(xiàn)了定子調
速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極
調速、液力偶和調速等交流調速方式。當然也出
現(xiàn)了滑差電機、繞線式電機、同步機、這些都是交
流電機。到20世紀80年代，出現(xiàn)了變頻調速
技術。
2 調速節(jié)能原理
調速節(jié)能原理從兩個方面來說明：
a)風機水泵的節(jié)電原理就是用調速控制代替
擋風板或節(jié)流閥控制風流量，這是一個節(jié)電的有效
途徑。在用擋風板控制額定風量100 輸出時，則
軸功率為P ，若風量減半50 輸出時，則軸功率
P ，它比100 輸出軸功率減少不多，這是因為需
要克服擋風板阻力增大風壓所致。如果采用調速
控制同樣風量減半輸出時，軸功能降低很多，節(jié)省
的功率耗損也較大，可見節(jié)電效果十分顯著。近幾
年變頻調速在供水系統(tǒng)發(fā)展很快。
b)流體力學的觀點：
流量。C轉速；
壓力。c轉速的平方；
軸功率。C轉速的立方；
若轉速下降20 ，則功率下降到51．2％ ；
若轉速下降5o ，則軸功率下降到12．5 。
即使考慮調速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也
是相當可觀的。
3 變頻調速與水泵節(jié)能
水泵節(jié)能離不開工況點的合理調節(jié)。其調節(jié)
方式不外乎以下兩種：管路特性曲線的調節(jié)，如關
閥調節(jié)；水泵特性曲線的調節(jié)，如水泵調速、葉輪切
削等。在節(jié)能效果方面，改變水泵性能曲線的方
法，比改變管路特性曲線要顯著得多。因此，改變
水泵性能曲線成為水泵節(jié)能的主要方式。而變頻
調速在改變水泵性能曲線和自動控制方面優(yōu)勢明
顯，因而應用廣泛。但同時應該引起注意的是，影
響變頻調速節(jié)能效果的因素很多，如果盲目選用，
很可能事與愿違。
4 影晌變頻調速范圍的因素
水泵調速一般是減速問題。當采用變頻調速
時，原來按工頻狀態(tài)設計的泵與電機的運行參數均
發(fā)生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調速
泵并列運行的定速泵等因素，都會對調速的范圍產
生一定影響。超范圍調速則難以實現(xiàn)節(jié)能的目的。
因此，變頻調速不可能無限制調速。一般認為，變
頻調速不宜低于額定轉速5O ，最好處于75 ～
100 ，并應結合實際經計算確定。
4．1 水泵工藝特點對調速范圍的影響
理論上，水泵調速高效區(qū)為通過工頻高效區(qū)左
右端點的兩條相似工況拋物線的中間區(qū)域A OA
(見圖1)。實際上，當水泵轉速過小時，泵的效率
將急劇下降，受此影響，水泵調速高效區(qū)萎縮為
PA A (顯然，若運行工況點已超出該區(qū)域，則不
宜采用調速來節(jié)能了)。圖1中H B為管路特性
曲線，則CB段成為調速運行的高效區(qū)間。為簡化
計算，認為C點位于衄線OA 上，因此，c點和A
收稿日期：2009—03—03。
作者簡介：和艷麗(1974一)，1996年畢業(yè)于鄭州工業(yè)大學工
業(yè)電氣自動化專業(yè)，一直工作于中原油田工程建設總公司電氣工
程處，負責電氣設備安裝和電氣設備交接試驗工作，現(xiàn)在擔任電氣
工程處試驗室技術負責人。
石油化工自動化
點的效率在理論上是相等的。C點就成為最小轉
速時水泵性能曲線高效區(qū)的左端點，由于C點和
A 點工況相似，根據比例律有：
(qvc／qVA1) 一Hc／HAl
c點在曲線H — H。+sq 上有：
Hc — H。+ sq
其中，Hvc，qvc為未知數，解方程得：
Hc— HA，H。／(HA 一sq )
qvc= qvA1[Ho／(HAl—sq2v A1)]
根據比例律有：
n? ： [H。／(H^ 一sq 1)]
0 q
圖1 水泵調速運行范圍
注：A — — 工頻高效區(qū)左端點；A — —
工頻高效區(qū)右端點；B— — 設計最大工況點；
H—K q；—— 通過A 點的相似工況拋物線；
H—K q；—— 通過A。點的相似工況拋物線；
H ： H。sq —— 管路特性曲線
4．2 定速泵對調速范圍的影響
實踐中，供水系統(tǒng)往往是多臺水泵并聯(lián)供水。
由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調速，所以
一般采用調速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)
中，應注意確保調速泵與定速泵都能在高效段運
行，并實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。此時，定速泵就對與之并列
運行的調速泵的調速范圍產生了較大的影響，主要
分以下兩種情況。
a)同型號水泵一調一定并列運行時，雖然調
度靈活，但由于無法兼顧調速泵與定速泵的高效工
作段，因此，此種情況下調速運行的范圍很小。
b)不同型號水泵一調一定并列運行時，若能
達到調速泵在額定轉速時高效段右端點揚程與定
速泵高效段左端點揚程相等，則可實現(xiàn)最大范圍的
調速運行，但此時調速泵與定速泵絕對不允許互換
后并列運行。
4．3 電機效率對調速范圍的影響
在工況相似的情況下，一般有pec ，因此隨
著轉速的下降，軸功率會急劇下降，但若電機輸出
功率過度偏移額定功率或工作頻率過度偏移工頻，
都會使電機效率下降過快，最終都影響到整個水泵
機組的效率。而且自冷電機連續(xù)低速運轉時，也會
因風量不足影響散熱，威脅電機安全運行。
4．4 管路特性曲線對調速節(jié)能效果的影響
雖然改變水泵性能曲線是水泵節(jié)能的主要方
式，但是在不同的管路特性曲線中，調速節(jié)能效果
有明顯差別。如圖2所示，在設計工況相同的3個
供水系統(tǒng)里(即最大設計工況點均為A點，均需把
流量調為q )，水泵型號相同，但管路特性曲線卻
不相同，分別為式(1)～ 式(3)。
H — H 】+ S1q 2 (H o— H 1)
H —H2+ S2 2 (H0一H2，H1> H2)
H — S3qv2 (Ho— H3一O)
H
112
g
+Slq
(1)
(2)
(3)
0 q l q 2 q
圖2 管路特性曲線對
調速節(jié)能影響
很顯然，若采用關閥調節(jié)，則3個系統(tǒng)滿足流
量q 的工況點均為B點，對應的軸功率為P ；若
采用調速運行，則3個系統(tǒng)滿足流量qva的工況點
分別為c，D，E點，其對應的運行轉速分別為 ，
，z ， 。，相應的軸功率分別為P ，P。，PE。由于poc
q、，H，所以各點軸功率滿足P >P >P。>PE。
可見，在管路特性曲線為H—H。+sq 的系
統(tǒng)中采用調速節(jié)能時，H。越小，節(jié)能效果越好。
反之，當H。大到一定程度時，受電機效率下降和
調速系統(tǒng)本身效率的影響，采用變頻調速可能不節(jié)
能甚至反而增加能源浪費。
5 兩種調速供水方式節(jié)能效果比較
在供水系統(tǒng)中，變頻調速一般采用以下2種供
水方式：變頻恒壓變流量供水和變頻變壓變流量
供水。其中，前者應用得更廣泛，而后者技術上更
為合理，雖然實施難度更大，但代表著水泵變頻調
速節(jié)能技術的發(fā)展方向。
第3期 和艷麗．變頻調速節(jié)電技術及其應用
5．1 變頻恒壓(變流量)供水
所謂恒壓供水方式，就是針對離心泵“流量大
時揚程低，流量小時揚程高”的特性，通過自控變頻
系統(tǒng)，無論流量如何變化，都使水泵運行揚程保持
不變，即等于設計揚程。若采用關閥調節(jié)，當q 。變
為q 時，則工況點由A 變?yōu)锳 ，浪費揚程AH=
H 一H。一△H +△H 。若采用變頻恒壓供水，則
自動將轉速調至 ，工況點處于B 點(參見圖3)。
由于變頻調速是無級變速，可以實現(xiàn)流量的連續(xù)調
節(jié)，所以，恒壓供水工況點始終處于直線H—H。
上，在控制方式上，只需在水泵出口設定一個壓力
控制值，比較簡單易行。顯然，恒壓供水節(jié)約了
△H ，而沒有考慮△H 。因此，它不是最經濟的供
水調節(jié)方式，尤其在管路阻力大，管路特性曲線陡
曲的情況下，△H。所占的比重更大，其局限性就顯
而易見。
圖3 恒壓供水與變壓
供水工況點示意
5．2 變頻變壓(交流量)供水
變壓供水方式控制原理和恒壓供水相同，只是
壓力設置不同。它使水泵揚程不確定，而是沿管路
特性曲線移動(參見圖3)。當 變?yōu)?時，自動將
轉速調至 ，工況點處于B 點。此時水泵軸功率
P 小于恒壓供水水泵軸功率P 。變壓供水理論上
避免了流量減少時揚程的浪費，顯然優(yōu)于恒壓供水。
但變壓供水本質上也是一種恒壓，不過將水泵
出口壓力恒定變成了控制點壓力恒定，它一般有2
種形式。
5．2．1 由流量q 確定水泵揚程
流量計將測得的水泵流量q 反饋給控制器，
控制器根據H—H。+sq 確定水泵揚程H ，通過
調速使H 沿設計管路特性曲線移動。
但在生產實踐中情況比較復雜。對于單條管
路輸水系統(tǒng)，是可以得到與之對應的一條管路特性
曲線的。而在市政供水管網中，則很難得到一條確
定的管路特性曲線。在實踐中，只能根據管網實際
運行情況，計算出近似的管路特性曲線。
5．2．2 由最不利點壓力H 確定水泵揚程
即需在管網最不利點設置壓力遠傳設備，并向
控制室傳回信號，控制器據此使水泵按滿足最不利
點壓力所需要的揚程運行，由于管網最不利點往往
距離泵站較遠，遠傳信號顯得不太方便，而且，在市
政供水系統(tǒng)中，由于管網的調整，用水狀況的變化等
隨機因素的影響，都會使實際最不利點和設計最不
利點發(fā)生一些偏差，給變壓供水的實施帶來困難。
6 結束語
變頻調速是一種應用廣泛的水泵節(jié)能技術，但
卻具有較為嚴格的適用條件，不可能簡單地應用于
任何供水系統(tǒng)，具體采取何種節(jié)能措施，應結合實
際情況區(qū)別對待；變頻調速適用于流量不穩(wěn)定，變
化頻繁且幅度較大，經常流量明顯偏小以及管路損
失占總揚程比例較大的供水系統(tǒng)；變頻調速適用于
流量較穩(wěn)定，工況點單一以及靜揚程占總揚程比例
較大的供水系統(tǒng)；變頻變壓供水優(yōu)于變頻恒壓
供水。
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(上接第42頁)
網絡更加優(yōu)越的體現(xiàn)。以太網還有一個突出的優(yōu)
點，即在同一條網絡上可以使用多種傳輸協(xié)議進行
數據傳輸和信息交換。
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