變頻器在潛水泵中的應(yīng)用和節(jié)能研究

陳幸

摘 要：在雨水和生活污水抽排中，需要使用潛水泵，由于受各方面的因素的影響和制約，使得潛水泵的能耗較高。為了降低其能耗，可將變頻器合理應(yīng)用到潛水泵中，以此來達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)?；诖它c(diǎn)，本文首先闡述了變頻器的構(gòu)成及其作用，并在此基礎(chǔ)上對變頻器在潛水泵中的應(yīng)用與節(jié)能進(jìn)行論述。期望通過本文的研究能夠?qū)μ岣邼撍玫墓?jié)能效果有所幫助。

關(guān)鍵詞：變頻器 潛水泵 節(jié)能

中圖分類號：TD442 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1 變頻器的構(gòu)成及其作用

變頻器又被稱之為VFD，變頻與微電子是其應(yīng)用的兩大關(guān)鍵技術(shù)，它能夠憑借內(nèi)部IGBT的開斷對輸出電源的電流和電壓進(jìn)行調(diào)整，并按照電機(jī)的使用需要提供相應(yīng)的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速、節(jié)能的目的。不僅如此，VFD還具備過流、過壓、過載保護(hù)等功能。

（一）變頻器的構(gòu)成

變頻器主要是由整流器、平波回路和逆變器等構(gòu)成。其中整流器多以二極管變流器為主，它能夠?qū)⒐ゎl電源直接轉(zhuǎn)換為直流電源，也可采用兩組晶體管變流器組成可逆變流器，這樣便可以實(shí)現(xiàn)再生運(yùn)轉(zhuǎn)；平波回路可以對電壓波動起到有效的抑制作用，當(dāng)變頻器本身的容量較小時，若是電源與主電路構(gòu)成器件之間仍有余量，則可省去電感采用比較簡單的平波回路；逆變器與整流器相反，它是將直流功率變換為要求頻率的交流功率，并以預(yù)先確定好的時間使開關(guān)導(dǎo)通或是關(guān)斷。

（二）變頻器的作用

目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，其最為顯著的功能和作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.變頻節(jié)能。該作用在風(fēng)機(jī)和水泵上的體現(xiàn)最為明顯。通常情況下，為確保生產(chǎn)的可靠性和穩(wěn)定性，各種機(jī)械設(shè)備在設(shè)計制造的過程中都預(yù)留出了一定的余量，若是電機(jī)無法在滿載的情況下運(yùn)行時，多余的力矩會使有功功率的消耗增大，由此一來便會造成電能浪費(fèi)。傳統(tǒng)的水泵調(diào)速方法是利用調(diào)節(jié)入口位置處的擋板、閥門開度對給水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于輸入功率較大，所以一部分能源會消耗在截流的過程當(dāng)中。而使用VFD進(jìn)行調(diào)速時，當(dāng)流量要求減小時，只需要通過降低泵的轉(zhuǎn)速便可滿足運(yùn)行要求，這樣便可以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.軟啟動節(jié)能。實(shí)踐表明，當(dāng)電機(jī)以硬啟動的方式啟動時，會給電網(wǎng)帶來比較嚴(yán)重的沖擊，并且對電網(wǎng)容量的要求也相對較高，啟動過程中產(chǎn)生的電流與震動對擋板及閥門的損害較大，由此會導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命縮短。而采用VFD后，可以借助其軟啟動功能使啟動電流由零開始，最大電流值不會超過額定電流，這樣既達(dá)到了節(jié)能效果，而且還能延長設(shè)備的使用年限。

2 變頻器在潛水泵中的應(yīng)用與節(jié)能

潛水泵歸屬于離心泵的范疇，一套完整的潛水泵機(jī)組主要是由以下幾個部分構(gòu)成：水泵、潛水電機(jī)、輸水管路以及控制開關(guān)等。在雨水和生活污水抽排中，潛水泵的應(yīng)用較廣，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，潛水泵的能耗較高，為了解決這一問題，可在潛水泵機(jī)組中加裝變頻器，以此來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。變頻器在潛水泵中應(yīng)用時，關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計是最為重要的環(huán)節(jié)，其直接關(guān)系到節(jié)能效果。

（一）變頻器容量

目前，最為常用的變頻器控制方式主要有以下幾種：

1.電壓與頻率線性關(guān)系。這種控制方式可用于同步電機(jī)或是多臺電機(jī)并聯(lián)。2.FCC。其又被稱之為磁通電流控制，通過該控制方式能夠使電機(jī)始終保持在全磁通的狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到降低功耗的目的。3.電壓與頻率平方關(guān)系。這種控制方式常被用于水泵和風(fēng)機(jī)當(dāng)中。

因絕大多數(shù)通用變頻器采用的都是電壓與頻率平方關(guān)系的控制方式，其對泵類負(fù)載也同樣適用，所以變頻器容量的選擇成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了確保所選變頻器的容量符合電機(jī)的要求，可以按照電機(jī)容量的計算結(jié)果來匹配變頻器的容量。為了便于研究，本文將電機(jī)容量設(shè)定為50kW，那么變頻器的容量應(yīng)當(dāng)不小于50kW。在綜合考慮性價比等因素的基礎(chǔ)上，50kW水泵電機(jī)可以選用施耐德公司出品的ATV61系列變頻器，該變頻器的最大連續(xù)工作電流為116A，而水泵電機(jī)的額定電流為131.3A。需要注意的是，變頻器的容量并不是越大越好，這是因為當(dāng)變頻器的容量過大時，其運(yùn)行過程中的裕量也比較大，經(jīng)濟(jì)性不高。

（二）制動電阻

潛水泵電機(jī)在具體應(yīng)用的過程中，若是其轉(zhuǎn)速下降，與之相應(yīng)的工頻也會隨之降低，此時電機(jī)便會處于再生制動狀態(tài)，由此所產(chǎn)生出來的再生能量將會全部反饋至直流電流當(dāng)中，從而導(dǎo)致變頻器直流母線的電壓升高，如果母線電壓升高到一定幅值后，會給電機(jī)運(yùn)行埋下安全隱患。為了解決這一問題，應(yīng)當(dāng)將再生至直流電路當(dāng)中的這部分能量全部消耗掉，進(jìn)而使直流電壓始終保持在允許的范圍之內(nèi)。制動電阻實(shí)質(zhì)上是一個載體，它最為主要的作用是能夠以熱能方式將電機(jī)的再生能量消耗掉，功率容量和電阻阻值是其兩個重要的參數(shù)。目前，計算制動電阻的方法較多，從工程的層面上看，想要精確地計算出制動電阻的實(shí)際阻值和功率有一定的難度，究其根本原因是參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)精確測量。所以在對制動電阻進(jìn)行計算時，一般采用的都是估算方法。

1.變頻器的最小連接電阻計算。為了確保變頻器在運(yùn)行過程中不受損壞，必須保證流經(jīng)制動電阻的電流小于電機(jī)的額定電流，此時計算得出的電阻值即變頻器的最小連接電阻，具體計算公式如下：

（1）

在上式當(dāng)中， 代表制動電壓； 代表電機(jī)的額定電流。實(shí)際應(yīng)用中，只需要將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入到公式當(dāng)中便可計算出變頻器的最小連接電阻。

2.必要的制定電阻。相關(guān)的工程實(shí)踐表明，當(dāng)放電電流為電機(jī)額定電流的50%時，可獲得與電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩相同的制動轉(zhuǎn)矩，此時的電阻即為變頻器運(yùn)行中所必要的制動電阻。具體計算公式如下：

（2）

3.電阻使用率。制動電阻的使用率可以定義為變頻器減速時間除以減速周期，它的主要作用是使制動單元及剎車電阻有足夠的時間散除掉因制動而產(chǎn)生出來的熱量。一旦制動電阻發(fā)熱，其電阻值便會隨著溫度的升高而升高，此時制動轉(zhuǎn)矩便會隨之減少。

4.制動電阻功率的選擇。通常情況下，當(dāng)電機(jī)減速且轉(zhuǎn)矩方向相反時，才會產(chǎn)生出再生能量，而平均再生能量具體是指一個周期內(nèi)全部的再生能量除以該周期所占有的時間，計算公式如下：

（3）

為了確保制動電阻的安全使用，其額定功率必須大于整個系統(tǒng)的平均再生能量。

3 結(jié)論

總而言之，采用潛水泵對雨水和生活污水進(jìn)行抽排時，水泵的運(yùn)行效率和能耗高低是關(guān)鍵性問題。為了確保潛水泵的高效運(yùn)行并達(dá)到節(jié)能降耗的目的，可將變頻器應(yīng)用于潛水泵當(dāng)中。在具體應(yīng)用時，變頻器關(guān)鍵性參數(shù)的設(shè)定非常重要，這不但關(guān)系水泵的使用壽命，而且還直接影響節(jié)能效果。為此，必須合理設(shè)計變頻器的參數(shù)，只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王成軍.羅豫軍.張成禹.分析水泵及管路運(yùn)行曲線實(shí)現(xiàn)水泵節(jié)能改造[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報.2012（5）.

[2] 楊立新.劉遠(yuǎn).三元流技術(shù)在供水水泵節(jié)能改造中的效果分析[J].設(shè)備管理與維修.2012（2）.