1 引言
變頻調(diào)速作為現(xiàn)在較為先進調(diào)速技術(shù)，因具有無極調(diào)速，調(diào)速范圍大，控制方便，自動化程度高等優(yōu)點，在供水領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。在進行供水系統(tǒng)的節(jié)能改造時，容易忽視由于實際變頻調(diào)速的范圍限制，變頻調(diào)壓帶來的諧波損耗，以及供水理論決定的變頻調(diào)速實際適用場合等問題，帶來了選型不當，節(jié)能效果不理想，不能有效的起到節(jié)能甚至更加耗能的結(jié)果。本文將對這三方面做一定的分析。
2 變頻調(diào)速范圍影響
由流體學相似定律可知，通過調(diào)速節(jié)省的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成線性關(guān)系即：
ΔP=(1-(N1/N0)3)×P0
那么為了最大限度的節(jié)能，是不是就可以把水泵的速度調(diào)的很低，即變頻器的可以再0～50Hz內(nèi)任意調(diào)節(jié)呢？
實際中在很多場合都采取的是調(diào)速泵和定速泵并行。在這種情況下，當變頻器的最低切投平率設(shè)定過低時，很有可能導(dǎo)致變頻泵不出水，嚴重時甚至可以導(dǎo)致水泵的振蕩以及氣蝕。這是因為，實際的水泵運行工況不可能達到理想工況，水泵的出水口和進水口有高度差，有時還非常大。在水泵并聯(lián)運行時，水泵的出水口壓力還要受到其他水泵運行壓力的影響。并聯(lián)運行的泵要想出水，其揚程必須大于其他水泵當時的揚程。水泵的出口流量并不是管網(wǎng)流量，總管網(wǎng)流量為所有運行時的水泵的流量總和。由于管網(wǎng)總流量增大，阻力增大，導(dǎo)致并聯(lián)運行的水泵揚程比單泵運行時要更高。此時，工況發(fā)生了變化，在此處比例定律也就不再合適了。
圖1 泵的性能曲線
圖1中，N0為工頻泵的性能曲線，工頻泵單泵運行時的工作點為A，揚程為HA，流量QA，N1為變頻泵單泵正常調(diào)速中的性能曲線，運行時的工作點為B，揚程HB，流量QB；N2為調(diào)速泵最低速時單泵運行的性能曲線，運行時的工作點為D，流量QD。M1為工頻泵N0和變頻泵速度為N1并聯(lián)時的管網(wǎng)總的運行曲線，運行工作點為C，揚程HC，流量QC0。M2為工頻泵N0和變頻泵速度為N2并聯(lián)時的管網(wǎng)總的運行曲線，揚程HA，流量QA。F0為理想的管網(wǎng)阻力曲線。
在實際工況中，大多數(shù)時工作在N0和N1兩條性能曲線下，從性能曲線圖上可以看到，并聯(lián)后的總揚程HC>HA，且HC>HB。同時管網(wǎng)總流量QC0=QC1+QC2<QA+QB，且QC0>QA，QC0>QB。隨著變頻泵速度下調(diào)，其性能曲線在圖1中向左下方偏移，管網(wǎng)總曲線也同樣向下偏移。當調(diào)速泵速度達到N2時，管網(wǎng)的性能出現(xiàn)了一個臨界曲線M2。此時的管網(wǎng)總揚程和工頻泵的揚程相等，而不是上面分析出現(xiàn)的稍大一些。管網(wǎng)總流量和工頻泵單泵運行時的流量相同，工頻泵相對于調(diào)速時其輸出流量有一個增量，可能使其出現(xiàn)過載。變頻泵由于最大揚程都低于管網(wǎng)總揚程，表現(xiàn)出來的實際情況為變頻泵不出水。此時的變頻泵還在工作，消耗一定的功率，變頻泵的效率降到了最低。因此，在變頻器頻率設(shè)定時一定要有一個下限fmin來避開這種低效區(qū)。
當有一臺以上工頻泵和一臺變頻泵并聯(lián)運行時，變頻泵性能曲線下移到N2時，管網(wǎng)曲線應(yīng)該在N2上方，也就是說變頻下限應(yīng)當比兩臺并聯(lián)的要高。因此，管網(wǎng)并聯(lián)的泵越多，節(jié)能的空間越小。另一方面，選擇調(diào)速泵時應(yīng)當盡量選揚程較大的泵，能夠更好的利用變頻器節(jié)能。
這是在管網(wǎng)阻力較大的情況下的分析，在一些管網(wǎng)阻力可以忽略的場合，比如水泵通過粗管道把水垂直打到一個開口的蓄水池，管網(wǎng)壓力要求很高的鍋爐給水系統(tǒng)等。在這類系統(tǒng)中要求壓力恒定，流量隨頻率的調(diào)節(jié)而改變，水泵的輸出功率僅僅和流量的大小有關(guān)。其管網(wǎng)阻力線可以近似看成和靜揚程點平行的一條直線如圖1中F1，由水泵的性能曲線可以看到，當頻率越低，頻率的變化量ΔF會導(dǎo)致越大的流量變化，水泵的性能曲線越平坦，ΔF引起的流量的變化越大。在這類場合，水泵的出水流量不能過小，以免微小的頻率變化引起很大流量波動，造成水泵的流量不穩(wěn)定。fmin越小，ΔQ隨ΔF的變化就越大。
可見變頻調(diào)速的范圍是有一定的限定的。實際適用中設(shè)定變頻下限一般為40Hz左右，即對應(yīng)水泵速度為原來的80％。其節(jié)能效果為30％左右，考慮實際的運行效率問題節(jié)能20％，是其合理范圍。
3 變頻諧波損耗
3.1 輸入側(cè)諧波
圖2 通用的變頻器的主電路 現(xiàn)在通用的變頻器（圖2）大都是采用的不可控二極管整流。這種整流方式在逆變采用PWM輸出的情況下是較好的選擇方案。理論上，在選用二極管整流方式后，輸入側(cè)的基波電壓和基波電流同相，因此功率因素cosφ=1。但實際情況確不是這樣的，整流電路的輸入電流實際上是電容器的充電電流，即當電源的充電電壓大于電容端電壓時，整流橋中才有充電電流，因此充電電流總是出現(xiàn)在電源電壓的振幅值附近，表現(xiàn)為不連續(xù)的陡峻的脈沖波，其諧波分量較大。雖然基波功率因素基本為1，但整個輸入側(cè)的總功率因素肯定是小于1的。根據(jù)功率因素的定義，總功率因素λ應(yīng)該等于總有功功率和總的視在功率之比。 P — 額定輸入功率； 4 變頻節(jié)能適用的供水場合
圖3 特性曲線 圖3中各曲線說明： 5 結(jié)束語 
u — 額定輸入電壓；
uk — k次諧波電壓有效值；
ik — k次諧波電流有效值；
i — 額定輸入電流；
cosφ—k次諧波電壓和電流間的功率因素。
由上式可以看出，輸入側(cè)的波形畸變將影響輸出側(cè)的總功率因素。這種影響改用畸變因素μ來表示：
，當令
時，總的功率因素可以表示為：
，其中cosφ可視為1。因此，在輸入總的功率因素主要是與高次諧波的含量有關(guān)。經(jīng)過分析，可以發(fā)現(xiàn)其中5次和7次諧波含量較多可以分別達到79％和62％，與此對應(yīng)的功率因素λ降到了70％。
為了減少高次諧波的影響，提高功率因素簡單的方法有：在電源和整流橋之間接入交流電抗器，功率因數(shù)可提高到0.85以上或整流橋和濾波電容器之間接入直流電抗器，接入直流電抗器后功率因數(shù)可提高到0.9以上。由于其體積較小，故不少變頻器在出廠時已經(jīng)將直流電抗器直接裝在變頻器內(nèi)了。直流電抗器除了提高功率因數(shù)外，可將變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)提高至0.95以上。除此以外，還可以加裝高次諧波濾波器等。雖然外加了其他用于提高功率因素的裝置，但本身帶來的能量損耗（主要是發(fā)熱），以及帶來的投入和維護成本的增大又是新的問題，同樣會給回收投入周期帶來影響。
3.2 輸出側(cè)諧波
電壓諧波總畸變率是表征逆變器輸出諧波頻譜分布和含量的重要參數(shù)，也是評價變頻調(diào)速控制方式的重要指標。電壓諧波總畸變率定義為：
，式中：UN為n次諧波電壓幅值；U1為基波電壓幅值。
逆變器輸出的諧波引起交流牽引電機附加損耗，利用諧波總損耗因數(shù)來表征諧波對交流牽引電機附加損耗的影響。諧波總損耗因數(shù)定義為：
fn為諧波頻率；x、y、a、b為損耗特性曲線的特征參數(shù)。公式前一項表征低頻分量變化，主要計算銅耗； 后一項表征高頻分量變化，主要計算磁滯損耗。這里定義諧波損耗值除以基波電壓幅值的平方得到的標幺值為諧波總損耗因數(shù)HLF。
（1）開關(guān)頻率對諧波損耗的影響
隨著開關(guān)頻率的增大，THD減小，諧波含量降低。在0.045～2kHz范圍內(nèi)，隨著開關(guān)頻率的增大，HLF急劇下降；大于2kHz的較高頻率段，HLF減小緩慢， 最后趨于穩(wěn)定。開關(guān)頻率越高，諧波含量越少，諧波損耗越小?？紤]到開關(guān)頻率越高，開關(guān)器件本身的損耗越大，實際逆變器的開關(guān)頻率一般不超過2kHz。
（2）調(diào)制比對諧波損耗的影響
在SPWM調(diào)制方式的逆變器中，直流電壓恒定的情況下，調(diào)制比M的變化直接影響基波電壓幅值的大小。在線性調(diào)制區(qū)域（0<M<1），電壓諧波總畸變率THD和諧波總損耗因數(shù)HLF隨調(diào)制比M的增大下降很快。但在過調(diào)制區(qū)域(M>1)，THD和HLF變化趨于平緩，受調(diào)制比的影響較小，M為1是HLF變化的轉(zhuǎn)折點。因此，提高調(diào)制比M能夠減少電機的諧波損耗。但是，為了保持輸入電機中的基波電壓幅值不變，變頻調(diào)速系統(tǒng)中的直流部分電壓將降低。因此，實際調(diào)制比范圍為0.8～1.2，調(diào)制比越大電機諧波損耗越小。但為了不過多降低中間直流電壓，調(diào)制比選擇在1左右比較合理。以上這些都是為了減少輸出高次諧波所采取的控制方法，確沒有考慮開關(guān)器件本身的損耗以及機運行控制等因素，高頻開關(guān)帶來的開關(guān)損耗是無法避免的。
引入了變頻裝置，意味著加入了中間的控制環(huán)節(jié)，帶來的能耗是不可避免的。當選擇變頻調(diào)速后，諧波的治理是值得關(guān)注的，變頻系統(tǒng)的能耗須遠低于節(jié)能的空間，這樣才能即有效的調(diào)速又很好的節(jié)能。 
①沒有節(jié)流而采用變頻調(diào)速后的特性曲線；
②水泵在工頻運行的特性曲線；
③管網(wǎng)理想阻力曲線；
④采用節(jié)流調(diào)節(jié)時的管網(wǎng)阻力曲線。
揚程特性曲線定義是以管網(wǎng)閥門開度不變?yōu)榍疤岬?，在某一轉(zhuǎn)速n下，總的揚程與流量間的關(guān)系曲線h=f(q)，其特性近似方程：
hn=hs-λnqn2 （1）
hn，hs，qn均取的是標么值，分別為閥門以某開度下，轉(zhuǎn)速n下的實際輸出揚程和額定轉(zhuǎn)速下輸出揚程比，轉(zhuǎn)速n下實際空載揚程，實際流量和理論流量比，kn為該開度下的比例常數(shù)。
所以在額定狀態(tài)下，有qn=1，hn=1，則λn=hs-1，
所以有hn=hs-(hs-1)qn2 （2）
這就意味著流量越大（用戶用水量越大），管道中的磨擦損失以及提高流量所需要的揚程也越大，供水系統(tǒng)的總揚程越小。同時，水泵的轉(zhuǎn)速下降，其供水能力也下降，揚程特性曲線也將下移。
管網(wǎng)特性曲線的定義是以轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤岬陌ⅲ陂y門的某一開度下，總揚程和流量間的關(guān)系曲線，其近似方程：
ha=hi+λaqa2 （3）
與式（1）相同，ha、hi、qa均取標么值。分別為以水泵在某一恒定轉(zhuǎn)速前提下，閥門一定開度a的供水實際輸出揚程和閥門全開時的實際輸出揚程比，供水靜揚程，實際流量和額定流量比。Ka為該轉(zhuǎn)速下的比例常數(shù)。
在額定狀態(tài)下：ha=1，qa=1，
則λa=1-hi
所以有ha=hi+(1-hi)qa2 （4）
這表明流量越大，克服管網(wǎng)阻力所需要的揚程也越大，總輸出揚程也越大。管網(wǎng)阻力特性曲線起始總揚程就是實際的靜揚程，如果總輸出揚程小于靜揚程，水泵將不足以克服管網(wǎng)阻力，從而不能供水，這個靜揚程也是實際供水的基本揚程。當閥門關(guān)小時，管阻增大，克服管組所需要的揚程也增大，其特性曲線將上揚。
因此，調(diào)節(jié)閥門開度時（轉(zhuǎn)速不變），供水系統(tǒng)的工作點在揚程曲線②上面移動，由式（2）得：
P1b=h1bqb=hsqb-(hs-1)qb3 （5）
調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時（開度不變），供水系統(tǒng)的工作點在管網(wǎng)特性曲線③上移動，其由式（4）得：
P2b=h2bqb=hiqb+(1-hi)qb3 （6）
在考慮到采用兩種調(diào)速方式時的水泵效率問題，分別為η0，η1，節(jié)省的功率ΔP可表示為：
（7）
從式（7），可以發(fā)現(xiàn)，實際揚程Hi的大小對節(jié)能的效果影響是非常大的。Hi越大，則節(jié)能的效果就越差，Hi變化范圍越小，節(jié)能的效果也越差。
由該理論結(jié)合實際的工作情況：
（1）在高層供水系統(tǒng)中，由于靜揚程較大采用變頻調(diào)速并不適合。高層建筑供水方式，主要有高位水箱供水和變頻調(diào)速供水。而高位水箱供水其技術(shù)成熟，可分為：高位水箱并聯(lián)供水、串聯(lián)供水、減壓水箱供水、減壓閥供水這四種方式。在相同分區(qū)情況下，高層供水方式中以高位水箱并聯(lián)或串聯(lián)能耗最低，變頻調(diào)速供水是他們的1.17倍。高層建筑采用什么樣的供水方式，應(yīng)結(jié)合設(shè)備投資、動力消耗、供水安全以及管理方面便等因素綜合考慮。
（2）在鍋爐給水系統(tǒng)中，現(xiàn)鍋爐給水泵出廠時按鍋爐額定壓力配套，由于絕大多數(shù)蒸汽鍋爐不在額定壓力下運行，很多鍋爐運行壓力和額定壓力有很大差距。按額定壓力選型的鍋爐給水泵在實際運行中的揚程和流量均高于實際需要，其運行效率也遠離效率曲線最高點，有的效率甚至僅為25%～35%。因此，鍋爐給水泵節(jié)能的重點是如何提高其效率。然而，蒸汽鍋爐在正常運行中，絕大多數(shù)鍋爐壓力變化范圍較小。變頻鍋爐給水泵接近于恒壓供水。
從水力相似條件下的水泵特性公式知道鍋爐給水泵節(jié)電效果僅與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，而不是同三次方成正比。鍋爐給水泵變頻節(jié)電效果比想象的要小得多。
（3）除此之外，還有許多的工業(yè)用水，要求管網(wǎng)水壓恒定，也就意味著水泵的能耗只管網(wǎng)流量的變化而變化，采用變頻調(diào)速節(jié)能效果也不是明顯。在那些揚程和管網(wǎng)特性匹配且在高效區(qū)運行的水泵進行調(diào)速，效果一樣不佳，其作用僅僅是實現(xiàn)了“工藝調(diào)速”，使管網(wǎng)壓力控制方便調(diào)節(jié)和電機的軟啟動而已。對于水泵揚程與管網(wǎng)特性有些偏差，在不能換泵或更換葉輪的情況下，可以考慮采用變頻調(diào)速。
總的來說，供水系統(tǒng)由于其應(yīng)用的場合不同，本身系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，選擇其最優(yōu)的供水方式是需要綜合考慮的。本文僅僅對現(xiàn)在供水改造最常用的變頻方式在實用中節(jié)能的效果做了一些綜合的比較和分析，得出了結(jié)論：
（1）調(diào)速泵設(shè)為大泵，調(diào)速范圍在10％內(nèi)，可以保證有效的調(diào)速和節(jié)能；
（2）變頻引入了諧波損耗，須進行一定的補償；
（3）從節(jié)能看，變頻調(diào)速不是所有的供水系統(tǒng)都適用。管網(wǎng)壓力變化大，選型有誤差且不能更換水泵等情況下可以變頻調(diào)速節(jié)能還是比較明顯的。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
