供热技术系列讲座之五：水泵在变频调速中的几个技术问题（分布式输配系统2）.pdf

76供热技术系列讲座之五供热技术系列讲座之五:水泵在变频调速中的几个技术问题(分布式输配系统(2)主讲：清华大学教授 石兆玉4.54.5 水泵在变频调速中的几个技术问题水泵在变频调速中的几个技术问题水泵的变频调速，在空调、供热系统中已广泛应用，特别是在多泵系统（多热源联网，分布式输配系统）中，变频调速已成为工艺创新的必不可少的重要技术平台。但在变频调速技术的应用中，目前，业内人员一直存在着不同的争论：一种意见，认为变频幅度不宜过大，否则效率降低，影响节能；还有的认为并联水泵，宜同步变频调节，不宜工频、变频混合调节；另外，在变频调速过程中，如何应对特殊工况的出现？所有这些实际问题的合理解决，对变频调节技术在多泵系统中的应用都有重要意义。本文就上述争论，阐述一些个人的看法，以期引起更深入的讨论。4.5.14.5.1 效率分析效率分析研究水泵变频调速的节能效益，除了研究系统功率变化的因素外，还应该分析电机的效率、水泵的效率以及系统（电机与水泵）的效率，只有这样，才能作出正确的判断。1）电机效率分析77水泵的变频调速，是通过与水泵连接的电动机进行电源频率的调节实现的，若电机（水泵）的转速为 n，电机的电源频率为 f，则有以下的关系式：电动机的变频调速就是根据上述的公式（4.2）的基本原理实现的。因频率 f 与转速 n 成正比关系，因此，只要电源输入频率发生变化，电机的转速即相应跟着变化。在我国，电机在工频下运行，其交流电源的频率为 50Hz，当电机拖动水泵、风机运行时，其频率一般在 050Hz 之间调节。在公式（4.2）中，s 为电动机的转差率，表示电动机定子旋转磁场的转速与转子转速 n 之间的转差百分率，s 由公式（4.3）表示：78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 n0 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 1730%，铜损占 5860%，机械磨损占 1025%。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7950100%，即频率变动在 2550Hz 之间时，电机的效率可维持在 9496%之间，因此，在变频调速中电机效率变化不大。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=25m3/h，H=32m，N=4Kw，额定电流7.9A）在变频调速（频率 f 在 5030Hz 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（4.5）、（4.6）、（4.7），计算出水泵的效率：80计算中，功率因数取值 0.8，测试结果数据见表 4.3，其变频调速的工作特性曲线，效率曲线分别见图 4.13，图4.14。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 4.3）。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（4.6）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