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【摘 要】 在现代，变频技术在工业领域的生产管理和节能减排方面应用广泛，当然，工业生产在依赖一项技术发展的同时也会滋生诸多伴随性的问题。本文主要研究以变频器控制在水泵中的应用为背景，挖掘这项技术在具体运作时的节能分析，以供参考。
【关键词】 变频器；水泵；节能
引言：
随着全球经济的日益发展，人均能耗不断升高，节能降耗成为越来越重要的课题，水泵在工业生产与用水中占有重要地位。据统计，泵的能耗约占全国发电量的20%。因此，提高泵的技术水平、改善运行条件对节能降耗具有重要意义。传统水泵运行依赖于阀门控制其运行状态，选型时需要增加扬程富裕量以保证运行安全。泵在实际运行时克服阀门阻力造成能源过度消耗，很不经济。如将变频器与泵结合，利用变频调速控制水泵运行，可以达到节能降耗的效果。
一、变频器的分类
变频器的分类方法有多种，按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照主电路工作方式分类，可以分为电流型变频器和电压型变频器；按照用途分类，可以分为高性能专用变频器、通用变频器、单相变频器、高频变频器和三相变频器等；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。
二、变频调速技术概述
（一）变频调速技术发展
随着电动机技术的发展而变频调速技术的发展是逐渐进步的，异步电动机问世时间早，因其价格低廉、结构简单，所以在工业领域应用广泛。变频器在直流电机中最先应用，但是由于市场上交流电机尤其是笼型异步电机的应用广泛、数量庞大，通用型的变频调速装置逐渐研发出。
（二）变频器控制水泵运行的工作原理
变频器控制水泵运行，主要控制泵的运行转速，具体运行原理以及节能方式如下：在泵、阀、管路组成的管道系统中，泵克服管道系统阻力，输出水或其他介质。在无变频器控制的管道系统，泵的流量通过出口阀调节，泵须克服阀门和管路两者所形成的阻力；在有变频器控制的系统中，则全开泵进出口阀门，泵只须克服管路阻力，不受阀门影响，降低了管道系统对泵的扬程需求。此时，如需改变泵的流量，可以调整泵的转速，使泵扬程与管道系统阻力匹配。
管道系统阻力与流速有关，即与泵送流量有关。图1为水泵调速运行时性能变化的原理图，当水泵进出口阀全开时，泵工作转速n1，泵的工作点A（流量Qa、扬程Ha），管路系统的阻力曲线为HR1；当系统需要的流量为Qb时，传统的调节方法是关小泵出口阀，泵的工作点左移到B点，管路系统的阻力曲线为HR2，泵扬程随之上升到Hb；如采用变频器调速，则管路系统的阻力曲线为HR1不变，泵的工作点左移到C点，泵工作转速n2，泵扬程Hc。很显然，Hb>Ha>Hc，在不考虑效率影响的前提下，泵的功率P=γQH/η是不同的，变频时功率最小，系统节能△P=γQ（Ha-Hc）/η。
图1 水泵变频调速性能曲线
三、变频控制器优劣势分析
与传统高位水箱相比，很多物业界人士由于变频供水耗电（与传统高位水箱比较）而否定了变频供水，这种认识片面。变频供水与传统高位水箱供水比较情况如下：
（一）变频供水的优势与劣势
1）优势。①环保、健康、减少水质的二次污染；②节省投资成本，减少占地空间，社会效益理想；③恒压，减少对水龙头及水表等的危害；④软启软停，减少对电网的冲击；⑤自动化程度高，减少人力维护成本，安全可靠保护功能完善（过压、欠压、缺相、过流，保护电动机与水泵的联轴器）；⑥有效减少水锤效应；⑦设备寿命长，无高位水箱渗、漏水的维修。2）劣势。①长期运行较耗电（与高位水箱比较）；②专业技术高，变频器需专人维护。
（二）高位水箱供水的优势与劣势
1）优势。①维修简单；②节能（物业长期管理较变频供水省电）。2）劣势。①二次污染严重，易滋生蚊虫，老鼠、蟑螂易钻进去；②投资成本高，占用空间多；③水压高，水锤效应严重，易损害水龙头及水表等；④离水箱近的楼层供水压力低，水压不稳定；⑤工频启动，功率大的电动机对电网冲击大，易损坏电动机与水泵的检修周期；⑥高位水箱易渗、漏水；⑦清洗复杂，浪费水资源；⑧不方便安全管理（如人为破坏等）。
四、变频器的维护保养
由于电力电子技术和微电子技术的快速发展，变频器改型换代速度也比较快，性能不断提高，不断推出新型产品，功能不断增强、充实。变频器虽然种类繁多，但其使用、维护保养及故障处理方法是基本相同的。变频器在实际应用中，受周围的腐蚀性气体、温度、湿度、振动、粉尘等环境条件的影响，其性能会发生变化。如维护得当、使用合理，则能减少因突然故障造成的损失，延长使用寿命。如果使用不当，就会出现运行故障，导致变频器不能正常工作，因此必不可少是的日常维护与定期检查。
日常维护与检查。是否正常的环境温度，以25℃左右为好，要求在-10～+40℃范围内。变频器在显示面板上显示的输出电流、电压、频率等各种数据是否正常。显示面板上显示的字符是否清楚，是否缺少字符。用测温仪器检测变频器是否过热，是否有异味。变频器风扇运转是否正常，有无异常，散热风道是否通畅。变频器运行中是否有故障报警显示。检查变频器交流输入电压是否超过最大值。如果主电路外加输入电压超过极限，即使变频器没运行，也会对变频器线路板造成损坏。同时，作定期检查时，操作前必须切断电源，变频器停电后待操作面板电源指示灯熄灭后，等待一段时间使得主电路直流滤波电容器充分放电，用万用表确认电容器放电完后，再进行操作。
五、变频器控制在水泵中的优化
（一）PID、PLC和模糊控制技术
1）PID。PID控制器就是比例、积分、微分控制器，远传压力表送来的升、降压电信号在这里经过比例、积分、微分处理就可以控制变频器的输出频率。水压的微小变化都将引起水泵频繁调速，使泵与电动机间连接的橡皮部分易损坏，而且产生超调、振荡现象，也浪费部分电功率。2）PLC。PLC是近代发明并普遍应用的工业微机，实际上是继电器与微处理器的结合体。模糊控制水系统是依用户实际用水需要拟定数学模型、编出程序，通过编程器，实现PLC的程序控制，与变频器、水泵机组、压力表组成闭環调节电路系统，具有全自动、软启动、水压稳、可靠性高、长寿命长、节电率高、成本低及维护方便等优点。3）模糊控制技术。模糊控制技术是用推理、逻辑的方法去解决模糊量问题，是计算机技术发展后于20世纪80年代以来出现的新技术。在我国发展很快，模糊控制供水，为城市供水系统提供了一种性价比较高的新技术，具有推广应用价值。 （二）变频器在水泵中的节能应用
将变频器应用于水泵系统控制中，可实现系统的闭环控制，如图2。通过在泵的出水管路中设置流量或压力传感器，拾取压力或流量参数，提交PLC控制器与系统需求给定的额定参数比较，PLC控制器比较计算后输出控制信号给变频器，变频器调节动力电源频率f，控制水泵的转速n，从而控制泵的运行状态。
图2 变频器对泵控制调速原理图
如果泵采用阀门控制，泵的扬程就有一部分需要克服阀门阻力，其功率P就有部分浪费，阀门开度越小，阻力也大，消耗功率越多。变频器的利用，避开阀门的影响，可以有效提升水泵效能。
（三）变频调速泵在水泵并联系统中的应用
在实际应用中，多台水泵并联组成泵系统。对多台泵进行变频调节，实现流量控制。但考虑到变频器的市场成本比较高，多台泵采用一对一的变频器控制并不经济，因此，只将一台水泵改为变频调速泵，并联于水泵系统内，其余泵不变频，保持原来工作状态，也能较好地实现并联系统的节能目的。其工作原理为：当水泵并联系统开始工作时，首先启动变频调速泵，流量从零开始增加，直到额定流量；当额定流量超过变频泵的最大流量时，启动非变频泵，变频调速泵得到系统信号反馈后减小转速，使系统输出总流量降到额定要求；同理，当一台变频泵和一台非变频泵不能满足系统要求时，启动第二台，甚至第三台非变频泵。当然，根据系统流量要求的范圍不同，还可以选择不同额定流量的泵搭配运行，使系统更经济。
六、结束语
总而言之，变频器在水泵中的应用，效益和优势比较明显，有效体现变频器的节能效果，不论水泵的型号大小，都可以实现节能处理，控制水泵运行成本。目前，变频器技术水平不断提高，成本也日趋下降，使得运用变频器所获得的节能收益逐渐增大，发展前景也更加开阔。
参考文献：
[1]孙智慧，李伟.压电振动给料技术及装置的研究进展[J].包装与食品机械，2013，31（3）：55-59.
[2]巩固，刘松.变频调速技术在水泵控制系统的应用[J].山东煤炭科技，2011（5）：36-38.
[3]岳静.变频器在供水系统中的应用[J].西安航空技术高等专科学校学报，2011（1）：39-41.
[4]韩钢.变频器在水泵控制节能技术中的应用[J].一重技术，2012（4）：90-92.
【关键词】 变频器；水泵；节能
引言：
随着全球经济的日益发展，人均能耗不断升高，节能降耗成为越来越重要的课题，水泵在工业生产与用水中占有重要地位。据统计，泵的能耗约占全国发电量的20%。因此，提高泵的技术水平、改善运行条件对节能降耗具有重要意义。传统水泵运行依赖于阀门控制其运行状态，选型时需要增加扬程富裕量以保证运行安全。泵在实际运行时克服阀门阻力造成能源过度消耗，很不经济。如将变频器与泵结合，利用变频调速控制水泵运行，可以达到节能降耗的效果。
一、变频器的分类
变频器的分类方法有多种，按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照主电路工作方式分类，可以分为电流型变频器和电压型变频器；按照用途分类，可以分为高性能专用变频器、通用变频器、单相变频器、高频变频器和三相变频器等；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。
二、变频调速技术概述
（一）变频调速技术发展
随着电动机技术的发展而变频调速技术的发展是逐渐进步的，异步电动机问世时间早，因其价格低廉、结构简单，所以在工业领域应用广泛。变频器在直流电机中最先应用，但是由于市场上交流电机尤其是笼型异步电机的应用广泛、数量庞大，通用型的变频调速装置逐渐研发出。
（二）变频器控制水泵运行的工作原理
变频器控制水泵运行，主要控制泵的运行转速，具体运行原理以及节能方式如下：在泵、阀、管路组成的管道系统中，泵克服管道系统阻力，输出水或其他介质。在无变频器控制的管道系统，泵的流量通过出口阀调节，泵须克服阀门和管路两者所形成的阻力；在有变频器控制的系统中，则全开泵进出口阀门，泵只须克服管路阻力，不受阀门影响，降低了管道系统对泵的扬程需求。此时，如需改变泵的流量，可以调整泵的转速，使泵扬程与管道系统阻力匹配。
管道系统阻力与流速有关，即与泵送流量有关。图1为水泵调速运行时性能变化的原理图，当水泵进出口阀全开时，泵工作转速n1，泵的工作点A（流量Qa、扬程Ha），管路系统的阻力曲线为HR1；当系统需要的流量为Qb时，传统的调节方法是关小泵出口阀，泵的工作点左移到B点，管路系统的阻力曲线为HR2，泵扬程随之上升到Hb；如采用变频器调速，则管路系统的阻力曲线为HR1不变，泵的工作点左移到C点，泵工作转速n2，泵扬程Hc。很显然，Hb>Ha>Hc，在不考虑效率影响的前提下，泵的功率P=γQH/η是不同的，变频时功率最小，系统节能△P=γQ（Ha-Hc）/η。
图1 水泵变频调速性能曲线
三、变频控制器优劣势分析
与传统高位水箱相比，很多物业界人士由于变频供水耗电（与传统高位水箱比较）而否定了变频供水，这种认识片面。变频供水与传统高位水箱供水比较情况如下：
（一）变频供水的优势与劣势
1）优势。①环保、健康、减少水质的二次污染；②节省投资成本，减少占地空间，社会效益理想；③恒压，减少对水龙头及水表等的危害；④软启软停，减少对电网的冲击；⑤自动化程度高，减少人力维护成本，安全可靠保护功能完善（过压、欠压、缺相、过流，保护电动机与水泵的联轴器）；⑥有效减少水锤效应；⑦设备寿命长，无高位水箱渗、漏水的维修。2）劣势。①长期运行较耗电（与高位水箱比较）；②专业技术高，变频器需专人维护。
（二）高位水箱供水的优势与劣势
1）优势。①维修简单；②节能（物业长期管理较变频供水省电）。2）劣势。①二次污染严重，易滋生蚊虫，老鼠、蟑螂易钻进去；②投资成本高，占用空间多；③水压高，水锤效应严重，易损害水龙头及水表等；④离水箱近的楼层供水压力低，水压不稳定；⑤工频启动，功率大的电动机对电网冲击大，易损坏电动机与水泵的检修周期；⑥高位水箱易渗、漏水；⑦清洗复杂，浪费水资源；⑧不方便安全管理（如人为破坏等）。
四、变频器的维护保养
由于电力电子技术和微电子技术的快速发展，变频器改型换代速度也比较快，性能不断提高，不断推出新型产品，功能不断增强、充实。变频器虽然种类繁多，但其使用、维护保养及故障处理方法是基本相同的。变频器在实际应用中，受周围的腐蚀性气体、温度、湿度、振动、粉尘等环境条件的影响，其性能会发生变化。如维护得当、使用合理，则能减少因突然故障造成的损失，延长使用寿命。如果使用不当，就会出现运行故障，导致变频器不能正常工作，因此必不可少是的日常维护与定期检查。
日常维护与检查。是否正常的环境温度，以25℃左右为好，要求在-10～+40℃范围内。变频器在显示面板上显示的输出电流、电压、频率等各种数据是否正常。显示面板上显示的字符是否清楚，是否缺少字符。用测温仪器检测变频器是否过热，是否有异味。变频器风扇运转是否正常，有无异常，散热风道是否通畅。变频器运行中是否有故障报警显示。检查变频器交流输入电压是否超过最大值。如果主电路外加输入电压超过极限，即使变频器没运行，也会对变频器线路板造成损坏。同时，作定期检查时，操作前必须切断电源，变频器停电后待操作面板电源指示灯熄灭后，等待一段时间使得主电路直流滤波电容器充分放电，用万用表确认电容器放电完后，再进行操作。
五、变频器控制在水泵中的优化
（一）PID、PLC和模糊控制技术
1）PID。PID控制器就是比例、积分、微分控制器，远传压力表送来的升、降压电信号在这里经过比例、积分、微分处理就可以控制变频器的输出频率。水压的微小变化都将引起水泵频繁调速，使泵与电动机间连接的橡皮部分易损坏，而且产生超调、振荡现象，也浪费部分电功率。2）PLC。PLC是近代发明并普遍应用的工业微机，实际上是继电器与微处理器的结合体。模糊控制水系统是依用户实际用水需要拟定数学模型、编出程序，通过编程器，实现PLC的程序控制，与变频器、水泵机组、压力表组成闭環调节电路系统，具有全自动、软启动、水压稳、可靠性高、长寿命长、节电率高、成本低及维护方便等优点。3）模糊控制技术。模糊控制技术是用推理、逻辑的方法去解决模糊量问题，是计算机技术发展后于20世纪80年代以来出现的新技术。在我国发展很快，模糊控制供水，为城市供水系统提供了一种性价比较高的新技术，具有推广应用价值。 （二）变频器在水泵中的节能应用
将变频器应用于水泵系统控制中，可实现系统的闭环控制，如图2。通过在泵的出水管路中设置流量或压力传感器，拾取压力或流量参数，提交PLC控制器与系统需求给定的额定参数比较，PLC控制器比较计算后输出控制信号给变频器，变频器调节动力电源频率f，控制水泵的转速n，从而控制泵的运行状态。
图2 变频器对泵控制调速原理图
如果泵采用阀门控制，泵的扬程就有一部分需要克服阀门阻力，其功率P就有部分浪费，阀门开度越小，阻力也大，消耗功率越多。变频器的利用，避开阀门的影响，可以有效提升水泵效能。
（三）变频调速泵在水泵并联系统中的应用
在实际应用中，多台水泵并联组成泵系统。对多台泵进行变频调节，实现流量控制。但考虑到变频器的市场成本比较高，多台泵采用一对一的变频器控制并不经济，因此，只将一台水泵改为变频调速泵，并联于水泵系统内，其余泵不变频，保持原来工作状态，也能较好地实现并联系统的节能目的。其工作原理为：当水泵并联系统开始工作时，首先启动变频调速泵，流量从零开始增加，直到额定流量；当额定流量超过变频泵的最大流量时，启动非变频泵，变频调速泵得到系统信号反馈后减小转速，使系统输出总流量降到额定要求；同理，当一台变频泵和一台非变频泵不能满足系统要求时，启动第二台，甚至第三台非变频泵。当然，根据系统流量要求的范圍不同，还可以选择不同额定流量的泵搭配运行，使系统更经济。
六、结束语
总而言之，变频器在水泵中的应用，效益和优势比较明显，有效体现变频器的节能效果，不论水泵的型号大小，都可以实现节能处理，控制水泵运行成本。目前，变频器技术水平不断提高，成本也日趋下降，使得运用变频器所获得的节能收益逐渐增大，发展前景也更加开阔。
参考文献：
[1]孙智慧，李伟.压电振动给料技术及装置的研究进展[J].包装与食品机械，2013，31（3）：55-59.
[2]巩固，刘松.变频调速技术在水泵控制系统的应用[J].山东煤炭科技，2011（5）：36-38.
[3]岳静.变频器在供水系统中的应用[J].西安航空技术高等专科学校学报，2011（1）：39-41.
[4]韩钢.变频器在水泵控制节能技术中的应用[J].一重技术，2012（4）：90-92.