水泵变频运行的图解分析方法.pdf

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1、 变 频 器 世 界 2 0 0 5 年 7 月 争 鸣园地 T e c h n iq n e E x c h a n 水泵变频运行的图解分析方法 Th e Gr a p h i c An a l y s i s Me t h o d o f P u mp Sp e e d V a r i a b l e Ru n n i n g 北京永基凯奇自动化技术有限公司吴自强 WU z i q i a ng 摘 要：本文 以 解 的方式 分析 r水泵变频运?5 L I J 的特性 曲线，以及水泵 并联运行 时 的特 性，为 水泵变频 运行时 的节 能 分析 和计 算提 供 r一种 简 易的 分析 疗法

2、。关键词：水泵 变频运行 特性 曲线 1-作点 Ab s t r a c t：Th e a r t i c l e a n a l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c c u r v e o f p u mp s p e e d v a r i a b l e r u n n i n g，a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c o f p u mp p a r a l l e l r u n ni n g t o u s e g r a p hi c a n a l y s i s me t h o d A

3、n d o f f e r s a s a mp l e a na l y s i s me t h o d f o r a n a l y z i n g a n d c a l c u l a t i ng t h e e n e r g y s a v i n g o f p u mp s p e e d v a r i a b l e r u n n i n g Ke y wo r ds：Pu mp S p e e d v a r i a b l e r u n n i n g Ch a r a c t e r i s t i c c u r v e W o r k i n g p o

4、 i n t 【中图分类号J I K3 7 0 【艾献怀识码 J B 文章编号l 5 6 l l_ _ 0 3 3 0(2 0 0 5)0 7 0 l 3 0 0 5 l 引言 水 泵 采用 变 频调 速 可 以达 到很 好 的节 能 效果，这 在 同行 业 中 已经有 很 多 人 写 了大 量 的论 文进 行 论述。但其 结果 却 有很 多 不尽 人 意 的地 方，有很 多结 论 甚至 是错 误 的和 无法 解 释清 楚 的，本 文以 简易 的 图解 分析 法来 进行 进一 步 的解释 和分析。2 水泵变频运行分析的误 区 2 1 有很多人在水泵变频运行的分析中都习惯引用风机水泵 中的比例定

5、律 流量 比例定律 Q Q，=n n，扬程 比例定律H1 H，=(n 1 n 2)轴功率 比例定律 P P，=(n 1 n 2)并 由此得 出结论：水泵 的流量 与转速成正 比，水泵 的扬 程 与转 速 的平 方成 正 比，水 泵 的输 出功 率与 转 速 的 3 次方 成正 比。以上结 论 确 实是 由风机 和水 泵 的 比例 定律 中引导 出来 的，但是却 无法 解释 如下 问题：1 3 0 I Th e W o r l d o f In v e r t e r s (1)为什么水泵变频运行时频率在 3 0-3 5 Hz以上时 才 出 水?(2)为什么水泵在不 出水时 电流和功率极小，一旦

6、 出水时 电流和 功率 会 有一 个 突跳，然 后 才随着 转 速 的 升 高 而升 高?2 _ 2 绘制水泵的性能特性曲线和管道阻力曲线 很 多 人绘 制 出水 泵 的性 能特 性 曲线和 管道 阻 力 曲 线如图 l所示。_ 一 图1 水泵的特性曲线 图 l中，水泵在工频运行的特性 曲线为 F l，额定工 作点为 A，额定流量 Q A，额 定扬程 H A，管网理想 阻力 曲线 R。：K o与流量 Q 成正 比。采用节流调节时的实 际 管网阻力 曲线 R 2，工作点为 B，流量 QB，扬程 H B。采 维普资讯 http:/ 用变 频调速且 没有节流 的特性 曲线 F，理想 工作点 为 C，

7、流量 Qc，扬程 Hc；这里 Q B=Q 。按 图 1中所示曲线，要想用调速 的方 法将流量降到 零，必 须将 变频器 的频率 也降到零，但这 与实际情况是 不相符的。实际水泵变频调速 时，频率 降到 3 0 3 5 Hz以 下 时就 不出水 了，流量 已经 降到 零。2 3变频泵与工频泵并联 变频 泵 与 工频 泵 并联 运行 时，由于 工 频泵 出 口压 力大，变频 泵出 口压力小，因此怀疑变频 泵是否 会不出 水?是否 工 频泵 的水 会 向变频 泵倒 灌?3以上分析的误 区(1)相似定律确实是风机水泵在理论分析 当中的一 条很重要 的定律，它表明相似泵(或风机)在相似工况下 运行 时，

8、对应各参 数之相互关系的计算 公式。而比例定 律 是 相似 定律 作 为特 例演 变 而 来的。即两 台完 全相 同 的泵 在相 同的工况条件 下，输送相 同的流体，且 泵的直 径 和输送流体 的密度 不变，仅仅转 速不 同时，水 泵的流 量、扬 程和功 率 与转速 之 问的 关系。(2)在风机单机运 行时，风 门挡板不变且温度和密 度不 变时，管 网阻力只与风机的流量有 关，阻力 系数为 常 数。因此其运行 工况与标准工况相 同，可 以应 用 比例 定律。但在风机并联 运行时，由于 出 口风压受其它 风机 的风压的影响，出 口流量也与总流量 不同，造成 工况变 化，因此 比例 定律 已经 不

9、再适 用 了。(3)相似定律在引风机中，如果挡板不变但介质温 度和密度发 生了变 化时，作 为特 例，其形 式也发生 了变 化，与上述 比例定律不 同，必须进行温度 或密度 的修正。(4)在水泵方面，比例定律仅适用于水泵的出水 口 和进水 口之 间没有高度差，即没有净扬程 的情 况。比如 在没 有 落差 的 同一 水 平面 上远 距 离输 水，水 泵 的输 出 扬程(压力)仅用来克服管道的 阻力，在这种情 况下，当 转速 降到零 时，扬程(压 力)也降到零，流量 也正好降到 零，这是理想的水泵运行工况。图 1中工作点 A 和 C就 完 全适 合这 种工 况，可 以使用 比例 定律。(5)但实际

10、水泵运行工况不可能达到理想工况，水泵 的出水 口和进水 口之 间是有高度差 的，有 时还 很大。在 水泵并联运行 时，水泵 的出水 口压 力还要受到其它 水泵 运行压力 的影响。并联运行 的泵要想 出水，水其扬程必 须大于其 他水泵当时 的压力。水泵 出 口流量 并不是总管 网流量，总管 网流量为所有运行 的水泵的流量和。由于 变频器世界 2 0 0 5年 7月 管网总流量增大 和阻力增大，因此并联运行 的水泵扬程 更高，工 况发生变化，因此 比例定律 在此也 不再 适用。4 单台水泵变频运行的图解分析(1)单台水泵变频运行分析 的关键，在于水泵进 出 口水位 的高度 差，也就是水泵 的净扬程

11、 H 0。水泵 的扬 程只 有大 于 净扬 程 时才 能 出水。因此 管 网阻力 曲线 的 起始点就 是该净扬 程的高 度，见 图 2。图2 单台水泵变频运行特性曲线 图 2中，额定工作点仍然为 A，理想管 网阻力 曲线 R 与流量成正比。变频后的特性 曲线 F，工作点 B。流 量为零时的净扬程 H ，变频运行实际工作点 H 与净扬 程的差 H=H 一H ，为克服管网阻力达到所需流量 Q 时的附加扬程。由于 管网阻力 曲线与 图 1不 同，因此不 满足 相似 定律。(2)图 2中的工作点 A 为水泵额定工作点，满足水 泵 的额 定扬程和额定 流量。因此 R 成为理想 的管 网阻 力 曲线。但是

12、 由于 实 际管 网 阻力 曲线 不可 能为 理 想 曲 线，因此 实 际的最大 工作点一 定要偏 离 A 点。如 果实 际最 大 工作点 向 A 点 右下方 偏移，则 由于流量增 加较 大，容 易造成水泵 过载。因此 实际额定工作点 应该 向 A 点 左上方偏移，见 图 3。0 _-1 l l|_。_ 1 图3 实际工作点向A点偏移(3)图 3中，在节流阀门全部打开，管网阻力 曲线 R2为实 际管网阻力曲线。变频器在 5 0Hz下运行时的实 际最大工作点 C，实 际最大流量 Q (比水泵的额 定流量 Q 小)，最大流量时 的扬程 H (比水泵实际额定扬程 H A 高)。实 际工作点 C 的参

13、数 只能通过实 际测试才能得 出。当在变频器频率为 F，时的特性 曲线 F，实 际工作点 B。实 际工作点与净扬程的差 H HB H0-K 2 QB 2，为克服 T h e W o r l d o f I n v e rt e m I 1 31 维普资讯 http:/ 变频器世界 2 0 0 5年 7月 实际管网阻 力达到所需流量Q。时的附加扬程。工作点 6 不同性能水泵并联运行的图解分析 B的实际扬程 HB=K2 Q B 2+H0。61关死点扬程(或最大扬程)相 同，流量不同的水泵并联运 行时的十 生 能曲线 5 相同性能曲线水泵工频并联运行时的图解分析(1)两 台或两台以上 的泵 向同一压

14、力 管道输送流体 时的运 行 方 式称 为并 联运 行。并 联运 行 的 目的 是为 了 增 加流体的流量，适 用于流量变化较大，采用一 台大 型 泵 的运 行 经济 性 差 的场合。同时 水 泵并联 运 行 时可 以 有 备用 泵，来保 证系 统运 行的 安全可 靠性。(2)水泵并联运行工况的工作点，由并联运行 的总 性 能 曲线和 总 的管道 特 性 曲线 的交 点来 确 定。并联 运 行 的总性 能 曲线，是根据并联运行 时工作扬程相等，流 量相 加的原则，在同一坐标扬程 下，将每 台泵性能 曲线 上相 应的横坐标 流量相加绘 制而成的，见图 4。相加的 原则，在 同一坐标扬 程下，将每

15、 台泵性 能 曲线上相 应的 横 坐标流量 相加绘 制而成 的，见 图 4。H拶程 F Q流量 图4 水泵并联运行特性(3)图4为两台相同性能泵并联工作的总性能 曲线与 工作点。其中 A 为任意一台泵单泵运行时 的工作点，净 扬程 H 。B为两台泵并联运行时单台泵的工作点。F，为 两 台泵并联运 行时的总 的性 能曲线，在 纵坐标相 同的情 况下，横 坐标为单 台泵性 能曲线的两倍。并联运行 的工 作点 C点的流量 Qc=2 QB，扬程 H c HB。管 网阻力曲线 不变，只是两台泵并联运行 时，流量为两台泵的流量和。(4)两 台相同性 能的水泵并联运 行有如下特点：H =H H ：即两台泵并

16、联运 行时扬程相 同，且 一定大 于单 台泵 运行 时 的扬 程。Q 2 Q HA l HB l：I P l l ll i i l-联运行时 扬 程相 同，且一 定大 于每 台泵 单泵运 行时 的扬程。(2)Q c Q A 2+Q B 2 HA 1 HB 1：即两台泵并联运行时扬 程相 同，且一定大于大泵单泵运行时的扬程 H ，更大 于小泵单泵运行时的扬程 H。(2)Qc=QA 2+Q B 2 QA 1+QB 1：即两台泵并联运行的总 输出流量为 两台泵输 出流量之和；每 台泵 的流量一 定小 于 该泵 单泵运行 时的 流量。因此 并联 运行 时的总 流量，不能 达到每 台泵 单泵 运行 的流

17、量 和。(3)两泵并联运行时，扬程低 的水泵并联运行 时流 量减 少 更快。(4)当管 网阻力曲线变化时，容易发生工作点在 D 的位置，该 点的扬程高于小泵 的最大扬程，造成小泵 因 扬程 不 足不 出水，严 重时 会发生 汽蚀 现象。7 变频泵与工频泵并联运行时的图解分析 7 1变频泵与工频泵并联运行 时总的性能曲线，与关死点 扬程(最大扬程)不同，流量也不 同的水泵并联运行时的情况 非常类似，可 以用相 同的方法 来分析：图7 变频泵与工频泵并联运行特性曲线 图 7中：(1)F 为工频泵的性能 曲线，也是变频泵在 5 0 Hz下 满负荷运行 时的性 能 曲线(假定变 频泵与工 频泵性 能相

18、 同)，工 频泵单泵运行时的工作点 A 。(2)F，为变频泵在频率 F，时的性能曲线，变频泵在 频率 F，单独运行时的工作点 B 。(3)F 为变频和工频水泵并联运行的总的性能曲线，工作点 C，扬程 Hc，流量 Qc=QA 2+QB 2。7 l2变频泵与工频泵并联运行时的特点(1)F，不仅仅是一条 曲线，而是 F 性能曲线下方偏 左的一系列曲线族。F 也不仅仅是一条 曲线，而是在 F l 性 能 曲线 右方 偏上 的一 系列 曲线族。(2)F，变化时，F 也随着变化。工作点 C也跟着变 化。因此变频泵的扬程 H B 2，流量 QB 2，工频泵扬程 H 2，流量 Q A 2，以及总的扬程 HC=

19、H B 2：HA 2，和总流量 Qc QA 2+QB 2 都会随着频率 F 2的变化而变化。变频器世界 2 0 0 5年 7月(3)随着变频泵频率 F 的降低，变频泵的扬程逐渐 降低，变频泵 流量 Q B 2快速减少；工作点 C 的扬程 也随 着 降低，使 总 的流量 Q c减少；因此工频泵 的扬程也 降 低，使工频泵流量 Q A 2反而略有增加，此时要警惕工频 泵过 载。8 水泵运行时的特例 8 1 变 频泵 与工频 泵 并联 运行 特例之 一，是 频率 F 2=F =5 0Hz 图8 变频泵在5 0 H z l i,-t 与工频泵并联运行特性曲线 图 8中：(1)F 为工频泵 的性 能曲线

20、，也是变频泵 F，：F =5 0 H Z下满负荷运行时的性能曲线(假定变频泵与工频 泵性能相 同)，工频泵和变频泵单泵运行时的工作点 A，。(2)F 为变频和工频泵并联 运行 时总的性能曲线。工作点 C，扬程 H：H，：H ，等于每台泵的扬程，每台 泵的流量 QA 2=QB 2，总流量 Qc=QA 2+QB 2-2 0A 2。即当F 2：F =5 0 H Z时，变频泵与工频泵并联运行时的特性，与两 台性 能相 同 的泵 并联 运行 时 完全一样。8-2变频泵与工频泵并联运行特例之二是 F。=MI N H扬程 图9 变频泵在最低频率下与工频泵并联运行特性曲线 图 9 中：(1)F 为工频泵的性

21、能曲线，工频泵单泵运行时的 工作点 A。(2)F，-MI N 为变频泵最低频率下单泵运行 时的性 能 曲线。(3)F 为变频和工频泵并联运行时总的性能曲线，工 作点 C不与 F 3 相交，只与Fl 相交，扬程 Hc HA I=I-I A 2=HB 2 等于每台泵的扬程，工频泵 的流量 Q A 2：Q A l，总流量 T h e W o r ld of I n v e r t e r s I 1 3 3 维普资讯 http:/ 变 频 器 世 界 2 0 0 5 年7 月 争鸣 园地 Te chni qne Ex ch anq Qc Qm=QAl，QB 2=0。即当 F 2=M I N 时，变频

22、泵 的扬程 不能超过工频泵 的 扬程，因此变 频 泵 的流 量为 零。变 频泵 与 工频 泵 并 联运 行 时总 的性 能 曲线，与单 台 工频 泵运 行 时的性 能 曲线相 同，变 频泵 没 有流 量输 出，但 仍然 消 耗一 定 的 功 率。(4)在此运行状 况中，变频泵的效率 降到最低，因 此 变频 泵最 好不要 工 作在这 种工 况 中。(5)在这种特例中，变频泵极易产生汽蚀现象，易 造成泵 的损坏，解决 的办法是将再循环 打开，使泵保 持 一定 的最小 流量，但 这样做 使 泵的 能耗增 加。8 3 水泵变频不论是单泵运行还是-Y r-运行都有一个极端理 想的特例，就是只有净扬程，没

23、有管网阻力。或者管网阻 力与净扬程相比可以忽略。则管网阻力曲线可以看成是一 条 与净扬 程点平行的一条直线。水 泵将 水 通 过粗 管 道垂 直 向上 打入 一 个 开 口的 蓄 水池 就是属于这 种情 况。电厂锅炉 给水泵系统 中，由于 给水压 力极高，管网阻力相对较 小，因此采用 变频运 行 时也可 以看成属于这 种情 况(见图 l 0)。Q扬程 图1 0 没有管网阻力时变频泵与工频泵并联运行特性曲线(1)F 为变频器最高运行频率性 能曲线，工作点 A，F，和 F 为变频运行性 能曲线。H。为实际扬程。(2)图 l 0中不论怎样调节频率，扬程都恒定不变，只是 流量 变化。水泵 的 输 出功

24、率 只 随 流量 的变 化 而变 化。从 图 1 0 中可 以看出，随着频率 的减少，微 小的频 率变化 F 会引起很大的流量变 化 Q。性能 曲线越平 坦，F 引起的 Q 就越大。因此频率越 低，流量越小 时这 种变 化 就越 大。所 以说频 率与 流 量之 间 的 关系为 Q (F F MI N)，是一种非线性 的很难说是几次方的关 系。由于 功 率 与 流 量 成 正 比，功 率 与 频 率 的 关 系 为 H Q (F F MI N)，也很难说与频率是几次方的关系。(3)在这种情况下进行变频运行时，流量不宜太小，以防 止微小 的频率或 转速 的变 化 引起 流量 较大的变 化，造 成水

25、 泵流量 不 稳定。(4)F MI N越高，FFMI I N就越小，流量和功率随 1 3 4 l Th e Wo r l d o f l n v e r t er s 频 率 的变化 就 越大。9 结束语 经过以上分析，就可以解释上面 2 1 2 3当中的一 些 问题 了：(1)水泵在 3 0 3 5 HZ以上时才能出水，是因为水泵 性 能 曲线的 最 高扬程 必 须 大于 水泵 的净 扬 程，或 者大 于 并 联运 行 的 工频 泵 的工 作扬 程，该 频率 对 应于 水泵 变频运行时的最低频率 F，=FMI N。(2)频率在最低频率 以下时，水泵不出水，没有有 效功率输 出，其损耗仅为 水

26、泵的空载损耗，因此 电机的 电流和功率都 非常小，此 时水泵效率降到最低。一旦运 行频 率 大于最 低频率，水 泵 出水后 的 流量一 方 面要 克 服管 网阻力做功，另一方面还要 克服净扬程做功，因此 水泵功率大 幅度增 加，电机 电流也大幅度增加，有一个 突跳。然后才 随着 频率 的增加 继 续增加。只要运行频率大于最低频率 F M I N，水泵就 不会不 出水。这 是 因为 只要 水泵 性能 曲线 的最高 扬程 大于 净 扬程 或其它 泵工作扬程，水泵就一定会 出水。不要总 以 为 变频 泵 的扬 程 比工 频泵 的 扬程 低，其 实变 频泵 与工 频 泵 并联 运行 时 的扬 程是 一

27、样 的，只是性 能 曲 线 中的 最 高扬 程不 同，性 能 曲 线不同，因此流量 不 同。(3)由于变频泵始 终有流量，因此不存在工频泵 的 流 量 向变 频泵 倒 灌 的现象。何 况管道 中还 有 逆止 阀 的 存在，如果变频器 的频率 低于最低频率，则变频泵不 出 水，逆 止 阀 自动 关闭。参考文献【1 毛正孝，赵友君 泵与风机 北京：中国电力出 版社，l 9 9 9 【2 曹琦，付明星 变频水泵性能分析，变频器 世界，2 0 0 5(4)【3 姚厚伟 变频器在取 水泵高压 电机上 的应用，工控 与变频，2 0 0 4(6)作者简介 吴 自强(1 9 6 0)副总工程师 l 9 8 3 年毕业于清华 大学 电机 系 电机 工 程 专业，现于北 京 永基 凯奇 自动 化 技术有 限公司任工程部 副经理。从 l 9 9 8年 至今，一直 从事变频器技 术的推 广和 应用，从 2 0 0 0年至今，从事 高 压变 频 器 的推 广和 应 用。对于 变 频器 在 风机和 水 泵 上 的应 用有 较深 的理解和 丰 富的经 验。维普资讯 http:/