變頻器在潛水泵中的應用和節能研究

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，可將變頻器合理應用到潛水泵中，以此來達到節能降耗的目標。基于此點，本文首先闡述了變頻器的構成及其作用，并在此基礎上對變頻器在潛水泵中的應用與節能進行論述。期望通過本文的研究能夠對提高潛水泵的節能效果有所幫助。

關鍵詞：變頻器 潛水泵 節能

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

1 變頻器的構成及其作用

變頻器又被稱之為VFD，變頻與微電子是其應用的兩大關鍵技術，它能夠憑借內部IGBT的開斷對輸出電源的電流和電壓進行調整，并按照電機的使用需要提供相應的電源電壓，進而達到調速、節能的目的。不僅如此，VFD還具備過流、過壓、過載保護等功能。

（一）變頻器的構成

變頻器主要是由整流器、平波回路和逆變器等構成。其中整流器多以二極管變流器為主，它能夠將工頻電源直接轉換為直流電源，也可采用兩組晶體管變流器組成可逆變流器，這樣便可以實現再生運轉；平波回路可以對電壓波動起到有效的抑制作用，當變頻器本身的容量較小時，若是電源與主電路構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，并以預先確定好的時間使開關導通或是關斷。

（二）變頻器的作用

目前，變頻器在工業生產中獲得了廣泛的應用，其最為顯著的功能和作用主要體現在以下幾個方面：

1.變頻節能。該作用在風機和水泵上的體現最為明顯。通常情況下，為確保生產的可靠性和穩定性，各種機械設備在設計制造的過程中都預留出了一定的余量，若是電機無法在滿載的情況下運行時，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。傳統的水泵調速方法是利用調節入口位置處的擋板、閥門開度對給水量進行調節，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中。而使用VFD進行調速時，當流量要求減小時，只需要通過降低泵的轉速便可滿足運行要求，這樣便可以達到節能的目的。

2.軟啟動節能。實踐表明，當電機以硬啟動的方式啟動時，會給電網帶來比較嚴重的沖擊，并且對電網容量的要求也相對較高，啟動過程中產生的電流與震動對擋板及閥門的損害較大，由此會導致設備的使用壽命縮短。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，這樣既達到了節能效果，而且還能延長設備的使用年限。

2 變頻器在潛水泵中的應用與節能

潛水泵歸屬于離心泵的范疇，一套完整的潛水泵機組主要是由以下幾個部分構成：水泵、潛水電機、輸水管路以及控制開關等。在雨水和生活污水抽排中，潛水泵的應用較廣，但在實際應用中發現，潛水泵的能耗較高，為了解決這一問題，可在潛水泵機組中加裝變頻器，以此來實現節能降耗的目標。變頻器在潛水泵中應用時，關鍵參數的設計是最為重要的環節，其直接關系到節能效果。

（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.電壓與頻率線性關系。這種控制方式可用于同步電機或是多臺電機并聯。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始終保持在全磁通的狀態，進而達到降低功耗的目的。3.電壓與頻率平方關系。這種控制方式常被用于水泵和風機當中。

因絕大多數通用變頻器采用的都是電壓與頻率平方關系的控制方式，其對泵類負載也同樣適用，所以變頻器容量的選擇成為關鍵環節。為了確保所選變頻器的容量符合電機的要求，可以按照電機容量的計算結果來匹配變頻器的容量。為了便于研究，本文將電機容量設定為50kW，那么變頻器的容量應當不小于50kW。在綜合考慮性價比等因素的基礎上，50kW水泵電機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工作電流為116A，而水泵電機的額定電流為131.3A。需要注意的是，變頻器的容量并不是越大越好，這是因為當變頻器的容量過大時，其運行過程中的裕量也比較大，經濟性不高。

（二）制動電阻

潛水泵電機在具體應用的過程中，若是其轉速下降，與之相應的工頻也會隨之降低，此時電機便會處于再生制動狀態，由此所產生出來的再生能量將會全部反饋至直流電流當中，從而導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，會給電機運行埋下安全隱患。為了解決這一問題，應當將再生至直流電路當中的這部分能量全部消耗掉，進而使直流電壓始終保持在允許的范圍之內。制動電阻實質上是一個載體，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。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際阻值和功率有一定的難度，究其根本原因是參數無法實現精確測量。所以在對制動電阻進行計算時，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行過程中不受損壞，必須保證流經制動電阻的電流小于電機的額定電流，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）

在上式當中， 代表制動電壓； 代表電機的額定電流。實際應用中，只需要將相關數據帶入到公式當中便可計算出變頻器的最小連接電阻。

2.必要的制定電阻。相關的工程實踐表明，當放電電流為電機額定電流的50%時，可獲得與電機額定轉矩相同的制動轉矩，此時的電阻即為變頻器運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生出來的熱量。一旦制動電阻發熱，其電阻值便會隨著溫度的升高而升高，此時制動轉矩便會隨之減少。

4.制動電阻功率的選擇。通常情況下，當電機減速且轉矩方向相反時，才會產生出再生能量，而平均再生能量具體是指一個周期內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的平均再生能量。

3 結論

總而言之，采用潛水泵對雨水和生活污水進行抽排時，水泵的運行效率和能耗高低是關鍵性問題。為了確保潛水泵的高效運行并達到節能降耗的目的，可將變頻器應用于潛水泵當中。在具體應用時，變頻器關鍵性參數的設定非常重要，這不但關系水泵的使用壽命，而且還直接影響節能效果。為此，必須合理設計變頻器的參數，只有這樣，才能實現節能的目標。

參考文獻

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