泵与风机的变频调速节能原理

泵与风机在使用过程中重点需要调节流量参数，常采用节流调节与调速调节两种方法。节流调节是指保持泵与风机的转速恒定，通过改变管路上阀门的开度来调节流量。阀门开大，流量增加；阀门关小，流量减小。节流调节时若采用出口挡板控制，当开度减小时，阻力增加，不适宜流量的大范围调节，且在低速区域轴功率减少不多，从节能的角度来看并不可取。若采用入口挡板控制，则可以增加控制流量调节范围，减小开度时轴功率大体与流量成正比下降，节能效果也有所提高。调速调节是指保持阀门开度（管路状态）不变，通过改变泵与风机的转速来调节流量。转速升高，流量增加；转速降低，流量减少。变速调节分为第一类变速调节和第二类变速调节，其中第一类变速调节包括液力耦合器调速和电磁调速；第二类变速调节包括定子绕组变极对数变速、变压调速、变频调速、转子绕组串级调速和转子绕组串电阻调速。

采用节流调节时，节流损耗消耗大量的能量，不能满足节能降耗的技术要求，而且在夜间用水量少时，管网的压力增大，从而增加了对管路性能的要求。利用变频器进行调速控制是解决上述问题的一种经济而有效的方法。

由泵与风机的相似定律可知，当改变电机转速以改变泵与风机转速时，其效率基本不变，但泵与风机的流量、扬程、轴功率都随着转速的变化而变化，且有如下关系：

q_v2/q_v1=n₂/n₁（6-18a）

即流量q_v与转速成正比，扬程（压力）H与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比，故可得到功率P与流量q_v存在如下关系：

P₂/P₁=（n₂/n₁）3=（q_V2/q_V1）3（6-19）

即功率与流量的立方成正比。

根据q_v、H值可计算泵与风机的功率，即

式中 P——功率（kW）；

q_v——流量（m³/s）；

H——扬程（m）；(www.xing528.com)

ρ——密度（kg/m³）；

η——使用工况点的泵与风机总效率（%），η=η_pη_b；

η_p——泵与风机本身的效率（%）；

η_b——调速机构效率（%）。

泵与风机的变速调节因具有显著的节能效益，得到了越来越广泛的应用。但一个值得注意的问题是：变速调节的节能效益与管路特性具有密切的关系，也就是说不同的管路特性，变速调节的节能效益不同，搞清楚管路特性对泵与风机变速调节节能效益的影响，对于正确运用变速调节是必要的。

图6-41为扬程和流量的特性曲线，图中，横坐标表示流量q_v的百分值（%），100%表示额定流量；纵坐标表示扬程（全扬程）H的百分值（%），100%表示额定扬程。标有“100%速度”的曲线是泵的转速为额定转速时的扬程-流量特性；标有“管路阻力曲线”是开度最大（即调节阀完全打开）时的负荷曲线，两条曲线的交点（C点）即工作点，对应的流量为额定流量（100%），扬程为额定扬程（100%）。

假设要求流量q_v为50%，分别分析节流调节和变速调节两情况下的能量损耗。

若采用节流调节方式，转速保持“100%速度”不变，将调节阀的开度减小以增大调节阀的流阻，从而达到减小流量的目的，这时，新的负荷曲线为“管路阻力+节流阻力曲线”，其与“100%速度”的曲线的交点A点即为此时工作点。与工作点C点相比较，工作点A点的扬程损失增加，大小为AD线段。可见，采用节流调节方式，当流量减小时，扬程损失（即能量损失）增大。

若采用变速调节方式，负荷特性为图6-41中的“管路阻力曲线”。调节阀开度大小保持不变，通过降低调节泵的转速来减小流量，当转速降为“80%速度”时，流量q_v为50%，此时工作点为B点，与A点相比扬程损失减少，大小为AB线段。可见，采用变速调节时轴功率的面积比采用节流调节时显著减少，节省的轴功率为图6-41中的矩形ABFE的面积，采用变速方式调节流量，节能效果十分显著。

图6-41 离心泵的扬程-流量特性