变频技术在供热系统中的应用

2021-01-11蔡志涛

湖北农机化 2020年21期

关键词：扬程关系式变频

蔡志涛

(盐城生物工程高等职业技术学校，江苏盐城 224000)

1 变频器的性能和应用优势

1.1 变频器的节能原理分析

在供暖系统中要科学地应用变频器，需要对变频器的基本原理以及运行过程中的关键控制内容作分析，这样，变频器的应用才会更具规范性和专业性，其应用的最终效果会更加显著。

1.2 节能基本原理

首先是基本的节能原理分析。分析变频器的基本原理，这对于变频器的具体选择和利用有非常显著的意义。以供暖系统中水泵的利用为例，在水泵调速运行节点的相关理论当中，水泵学比例律是十分重要的一项理论内容，接合器进行分析，当同一台水泵的转速不同时，其流量Q、转速n、轴功率P以及扬程H之间具有如下关系。

Q1/Q2=n1/n2

(1)

H1/H2=(n1/n2)2

(2)

P1/P2=(n1/n2)3

(3)

对此关系式进行分析，可以看出关系当中水泵的转速和流量具有正比关系，而扬程则和转速的平方之间具有正比关系，轴功率和转速立方具有正比关系。通过此关系可以明确，在降低水泵转速后，功率的减少量对比流速要相对较多。因此，在具体实践过程当中，通过将水泵转速降低，可以有效减少单位供水量的电耗。通过电工学的相关理论可以看出，电机转速和输入功率的关系式如下。

n=60f(1-s)/p

(4)

式中：f表示电源频率，s表示滑差率，p表示极数对，n则表示电机转速。在此关系式当中可以看出，通过变频器可以使电机频率发生改变，从而实现无级调速。针对水泵而言，变频调速在进行供水时，可以通过压力变送器对管网水压进行检测，同时还可以将相关的水压信号向电流信号进行转化，并向变频器内的单片机进行反馈。单片机可以结合水压情况对水泵电机的输入频率进行调整，从而改变水泵转速。

2 变频器的自动控制

就变频器的具体使用来看，其既能够进行手动控制，同时还可以采取自动控制的方式。在自动控制的实际操作过程当中，控制信号具体对4～20mA的电流信号或者0～5V的电压信号进行采用。在控制过程中主要采用的方法为闭环控制法，相关流量仪表的气动信号可以经过气电转换器向电流信号进行变换，大小为4～20mA，通过变频器的控制端可以对电动机转速进行控制，从而使流量发生改变。在具体实践过程中，如果对电动仪表进行利用，则可以简化控制系统。除此之外，流量控制对比传统的气动调节阀控制在精度上明显更高。因此，在相关要求的前提下，变频器可以有效实现压力、温度以及各种信号的综合控制。

3 变频器和阀门调节的节能比较

就供暖系统的变频器应用来看，在使用变频器后，能够全部打开泵和管线的阀门，并采用电机电源频率改变的方式使电机转速得到改变，最终使流量产生变化。下图为水泵和阀门控制过程中，调速控制时扬程和流量之间关系形成的具体曲线。

在图1当中：曲线1主要表示泵在转速达到n1时，流量Q和扬程H之间的性能曲线；曲线2主要表示管路阻力的特性曲线；曲线3则用来表示当关小阀门时，流量在达到Q2时，管路阻力所具有的特性曲线；曲线4主要表示泵在转速达到n2时，流量Q和扬程H之间的性能曲线；其中，A、B、C都是水泵运行过程中的主要工况点。

图1 变频调速器的节能原理图

泵消耗轴功率可以用以下关系式进行表示

P=γQH/η

(5)

在该关系式当中：流体容重主要使用γ进行表示；泵的效率则主要使用η进行表示。

根据公式(5)可以知道，轴功率和Q、H的乘积具有相应的正比关系，因此在工况点A处，轴功率和Q1、H1的乘积面积之间具有正比关系。结合相关工艺要求进行分析，如果流量从Q1减少到Q2时，采用阀门调节方法可以使管路阻力增加，进而使得管路阻力特性曲线转变为曲线3，系统也将会从原来的工况点A逐渐向工况点B进行转变。根据图1可以发现，压头会增加成为H2，轴功率和面积BH2OQ2之间具有相应的正比关系，这说明减少的程度并不大。如果对转速调节进行应用，可以使转速由原本的n1降低为n2，当转速在达到n2时，流量和扬程之间的性能曲线则表示为曲线4，由此可以看出，当流量相同时，压头H3降低的幅度相对较大，功率也有了明显的减少，节省功率和面积BH2H3C之间具有正比关系，进而存在显著的节能效益。这说明，虽然转速降低会导致效率降低，同时对附加控制装置效率也会产生相应的影响，但仍然具有十分明显的节电效果。除此之外，电机消耗功率不仅和泵有关，同时还与调速方法具有密切联系。一旦电动机滑差损耗相对较大，将会大大降低节电效果。变频调速器作为高效的调速装置，不同于液力耦合器调速和滑差调速，不会产生滑差损耗，其自身的固有损失仅仅达到1%～2%，所以变频器的输入功率无论速度如何，都与泵的轴功率比较相近。对泵流体机械的流量和转速之间具有正比关系，轴功率和转速立方则具有正比关系，所以得到以下关系式

P=(n/ne)3Pe=(Q/Qe)3Pe

(6)

式中：ne主要是指泵的额定转速，Qe主要是指泵的额定流量，Pe主要是指泵的额定轴功率。

根据关系式(3)可以知道，在对变频调速进行应用时，变频器的实际消耗功率可以通过以下关系进行表示P变频=P=(Q/Qe)3Pe

(7)

如对阀门调节进行使用，电动机消耗功率可以近似为P电=(0.4+0.6Q/Qe)Pe

(8)

根据关系式(7)和关系式(8)可以发现，如果流量Q转变为额定流量的50%时，对变频调速进行应用，其消耗功率可以达到0.125Pe。而对阀门调节流量的方式进行采用时，电动机消耗功率达到0.7Pe，节电率可以达到82.1%，具有十分可观的节电效果。