水泵在变频调速中的几个技术问题

供热技术系列讲座之五：

水泵在变频调速中的几个技术问题

（分布式输配系统（2））

4.5水泵在变频调速中的几个技术问题

水泵的变频调速，在空调、供热系统中已广泛应用，特

别是在多泵系统（多热源联网，分布式输配系统）中，变频

调速已成为工艺创新的必不可少的重要技术平台。但在变频

调速技术的应用中，目前，业内人员一直存在着不同的争论：

一种意见，认为变频幅度不宜过大，否则效率降低，影响节

能；还有的认为并联水泵，宜同步变频调节，不宜工频、变

频混合调节；另外，在变频调速过程中，如何应对特殊工况

的出现？所有这些实际问题的合理解决，对变频调节技术在

多泵系统中的应用都有重要意义。本文就上述争论，阐述一

些个人的看法，以期引起更深入的讨论。

451效率分析

研究水泵变频调速的节能效益，除了研究系统功率变化

的因素外，还应该分析电机的效率、水泵的效率以及系统（电

机与水泵）的效率，只有这样，才能作出正确的判断。

1）电机效率分析

水泵的变频调速，是通过与水泵连接的电动机进行电源

频率的调节实现的，若电机(水泵)的转速为n,电机的电

源频率为f,则有以下的关系式：

n=60(1-s)f/p(4.2)

式中，

n—电动机转速，转/分(r/rnin);

f-交流电源的频率，Hzi

P-电动机的磁极对数；

s-电动机的转差率，%;［激及期?：

电动机的变频调速就是根据上述的公式(4.2)的基本

原理实现的。因频率f与转速n成正比关系，因此，只要电源

输入频率发生变化，电机的转速即相应跟着变化。在我国，

电机在工频下运行，其交流电源的频率为50Hz,当电机拖动

水泵、风机运行时，其频率一般在0—50Hz之间调节。

在公式(4.2)中，s为电动机的转差率，表示电动机定

子旋转磁场的转速与转子转速n之间的转差百分率，s由公

_no-M.人”

S=----x100^o(4.3)

式(4.3)表示：

77

在正拈的运转情况下，no>n»一般s在5%左右.在电机启动和iffl速的过程中

s在1NA0之间变动。由干转子必勿在定子的旋转垓场中切割磁力线,电机主轴

才能转动.因此.转差率的存在是必须的。

电动机有多种调速方法.概括为有转差损耗的调节方法和无转差损耗的调节

方法。由公式（4.4）可知，

noFOf/p（虱4）—时供我

由于变频调速（改变电源输入频率行或变极调速（改

变电机的磁极对数），不但电机转速n变化，而且定子旋转

磁场的转速nO也跟着变化，亦即在调速过程中转差率s可

近似看作不变，由于无转差损耗，其调速效率比较高。相应

的转子串电阻调速，定子调压调速等，由于只改变电机转速

n,不改变定子旋转磁场的转速n。，转速愈低，转差率s愈

大，转差损耗愈大，因而效率愈低。

电动机在运转过程中，能量的损耗主要体现在铁损（定

子的铁芯），铜损（定子、转子的绕组）和机械磨损三方面

[3]o其中铁损占17—30%,铜损占58—60%,机械磨损占10

—25%o转差损失，定子、转子的电压、电流、磁道等参

数变化引起的能量?员失，也都最后反映在铁损和铜损上。

为了提高电机效率，减少能量损失，除了改进铁芯，绕组

（铜）的材质，提高机械设计性能外，最主要的是改进各

种调速方法。对于电机变频调速，常常采用恒转矩（u/f控

制，即电压与频率比控制）、变频调速法或平方转矩变频

调速法。在

采取上述各种节能措施的基础上，对于水泵而言，当负载在

78

50-100%,即频率变动在25〜5（）Hz之间时，电机的效率可维

持在94〜96%之间],因此，在变频调速中电机效率变化不大。

2）系统效率分析

水泵在变频减速的情况下，效率是否降低？廊坊市安迪

节能技术有限公司进行了有益的研究工作，他们在“浅谈热

网循环泵的特性与应用”[5]一文中，详谈了有关的实验研究。

该实验对循环泵（G=25m3/h,H=32m,N=4Kw,额定电流

7.9A）在变频调速（频率f在50〜30Hz之间变动）下的各种工

况进行了测试。根据各工况下电机的输入电压、电流和水泵

的流量、扬程，依据如下公式（4.5）、（4.6）、（4.7）,

计算出水泵的效率可

Ng,=2.778GHX1O-3（4.5）

=6心，coS。X10-3,4,.4薪机股

rj・，Ze<4.7）

式中，

"—水案效率，%；

Nm—包机播入功率，kw；

人——水发粕功率，kw：

H一水茶的扬程，mH。

G水氽流吊:，ur'/h；

/——111右U也济£,A；

U—也机电用，V

cos。一功率闪数。

79

计算中，功率因数取值0.8,测试结果数据见表4.3,

其变频调速的工作特性曲线，效率曲线分别见图4.13,图

4.14。应该指出：在变频调速的过程中，严格讲，功率因数

不完全是常数，应有一些变化。从更严谨角度考虑，采用功

率因数表或功率表直接测量更为妥贴。

从测试结果看，水泵在工频运行（频率50Hz）时，最高

效率48%；45Hz运行时，效率降为39.6%；40Hz运行时，效

率为32.2%；35Hz时效率为24.5%；30Hz时，效率下降为16.2%

（见表4.3）。也就是说水泵转速亦或流量下降40%（即频

率从50Hz下降为30Hz）,水泵的效率下降为31.8%（从48%

下降为16.2%）,显然降幅是比较大的。廊坊安迪节能技术

有限公司有心做这样详尽的试验，提供这么多有说服力的数

据，是非常难能可贵的，对行业的技术进步肯定有很大的帮

助。但是也必须指出，上述数据，严格说，不只是水泵的效

率数据，而应该是水泵加电机的共同效率数据，或称为系统

效率更为确切。因为用公式（4.6）计算出的功率，是电机

的输入功率，不是水泵的输入功率。真正称之为水泵的输入

功率应该是电机输出的轴功率（即电机的轴转矩与转速的乘

积）。可惜目前所进行的实验还没有精细到这一步。但无论

如何，上述试验是很宝贵的，给出的系统效率（包含了电机

的效率），对于节能效益的分析，有了科学依据。

80

“浅谈热网循环泵的特性及应用”一文，在分析系统效率

下降之后，就直接判断：变频减速幅度不能过大否则系统

不节能的结论，这是不严谨的。因为判断系统是否节能，不

光要分析系统效率的高低，而且要研究系统总功率的大小，

只有这样，得出的结论才是准确而科学的。

表4.3变频调速水泵各工况参数表

净功率、实耗功率I

流量场程电流效率

£(H3)G(mF)HtaH.0)1(A)•CM

口.778GH■

103460.943.1629.9

15326.61.333.4838.4

20317.21.723.7945.4

50

252S7.71.914.0518.0

30248.22.004.3216.3

10149.21.564.8432.1

10285.20.782.7428.4

15265.71.083.0036.1

2024641.333.3739.6

45

25206.71.393.5339.4

30177.31.423.8436.9

40880.S94.2121.1

10224.80.612.5324.2

15205.30.832.7929.9

20185.91.003.1132.2

40

25156.41.043.3730.9

30116.80.923.5825.6

3577.10.683.7418.2

10174.40.472.3220.4

151550.632.6323.7

20135.60.722.9521.5

35

251060.693.1622.0

3066.10.503.3714.8

356.70.193.535.5

10123.90.332.0516.2

1594.40.382.3216.2

30207.550.422.6315.8

2555.40.352.8412.2

28.525.70.163.00

81

e八

图4.13单台水泵变频特性曲线图4.14变频水严的龈悔

4.5.2系统节能效益分析

研究系统节能，除了分析水泵、电机的效率以外，还必

须观察系统的功率。而计算系统功率的大小，一条重要的环

节，是确定水泵的工作点，以及工作点的变动情况。只有这

样，才能准确计算系统的功率和节能效益。

1）水泵在变频调速下的工作点

一般情况下，都选择水泵在最高效率下运行。假定水泵

（上述试验水泵）在工频状态下运行的工作点为A1,此时流

量为25m3/h,扬程为28m（见图4.15）。若水泵在变频调速

过程中，系统管网不做任何调节，则管网阻力特性曲线（见

公式（4.8）S1如图4.15所示（此时公式中的S值，可由A1

点的流量，扬程值计算可得，S=0.0448）,与f=40Hz、

f=30Hz的水泵工作特性曲线分别相交于A2、

A3点.在A2点运行，水泵的流量为20m3小，扬程为17.9m,效率〃=32.2%；在

A3点运行，水泵流量151n-山，扬程为io.1%效率为〃=16.2%•工城狰供愁

82

H=SG2（4.8）

康友集届

在图4.15中，Al、A2、A3点为水泵在不同的变频调速下所

对应的工作点。工作点是水泵工作特性曲线与管网阻力特性

曲线的交汇点。从数学意义上分析，工作点，实际上就是水

泵工作特性数学方程与管网阻力特性曲线数学方程的联立

解。但水泵工作特性曲线的相关参数之间的关系过于复杂，

很难用简单的数学方程表示。通常都是采用实验数据，描绘

成工作曲线来表达。在数值分析计算时，往往再由工作特性

曲线拟合成多项式方程来表达。

在工频运行时，水泵的工作特性曲线是无法改变的，为

了满足系统需求的运行工况（特定的流量值），亦即确定需

求的水泵工作点，往往必须改变管网的阻力特性。如图4.15

中，在工频运行下，为满足15m3/h流量的工况需求，工作

点必须由A1点移至A3,点，采取的技术措施只能将管网阻

力特性曲线S1向左移动（即增大管网阻力）变为阻力特性

曲线S2。在实际工程中，实现这一目标的最常用方法，就是

83

设置调节阀，增加节流阻力。对于变频调速水泵，为了实现

15m3/h的流量需求，则是通过改变水泵转速进而改变水泵工

作特性曲线，来寻找工作点A3,而不再变化管网阻力特性曲

线，在实现15m3/h的流量需求时，选择A3点作工作点，与

选择A3,点作工作点，最大的区别，是前者输出的水泵功率

（图4.15中OCA315包围面积）远远小于后者，其节能的数

量可由图4.15中的A3，A3cB所包围面积表示。这是变频调

速水泵的最大优点。

2）节能效益分析

水泵的输出功率与水泵的叶轮形状有关。对于后弯式

叶轮或前弯式叶轮，水泵功率与流量呈二次方曲线关系。对

于常用的径向式叶轮，其功率与流量呈线性关系，由公式

（4.9）表示，试验水泵试测的输入功率曲线见图4.16所示。

Nou=AG+况M（4.9）

式申

一功率特性系数，与水泵出口流体圆周速度有关，

一不同频率下的功率鼓距常数，即水泵空转时的功率，

亦即水泵机械损失功率。：加版

对于不同频率的水泵转速，其输出功率（测试结果数据

表4.3）不同（见图4.17）,但均呈不同的直线。要计算变频

调速后的实际输出功率，必须在输出功率曲线图（图4.17）上

找到水泵工作点A3（见图4.15）,为此要计算管网的功率

曲线：

84

=2.778GH=Z77&SG3xlO-3（kw）（4.10）

计算结果见表4.4。将表4.4数据绘制在图4.17上，形成

管网的功率曲线S1，和S2\S1和S2,分别为管网阻力特性曲

线S1和S2的管网功率曲线（见图4.15）。从图4.17±,可

以看出，工作点A3为频率30Hz时的运行工况，此时满足流

量为15m3/h的需求，其水泵功率为0.42kw。若不用变频调

速控制，而采取惯月的节流调节法，即水泵工作在A3,上，

其水泵功率为1.33kw,即比变频调速方法多耗

电0.91kw,而前者节电68%。

表4.4管网功率计算结果

功率曲线名称s值功率Hz流或瓶匐扬程H®Nout(kw)

5025281.95

0.0-148402017.90.996

301510.10.42

15321.33

S；0.142501014.20.395

53.6

在业内人员中，有的提出：水泵的功率与流量之间，%

竟是三次方关系，还是一次方关系？通过上述分析，这个问

题已经一目了然。所谓三次方关系，是指流量与管网的输配

功率之间的关系。一次方关系是指水泵输出功率与流量之间

的关系。水泵只有运行在工作点上，这二者的关系才会交集，

重合。因此，水泵的变频调速，最大的优点就是能使水泵始

85

终运行在最节能的工作点上。

3）节能计算

综合考虑电机、水泵的效率影响，和水泵输出功率的变

化，水泵在变频调速（频率减少）时系统的节能效益可由公

式（4.11）计算:

Ns©1一(号)卜［皿1Pf)N(l-P)1

_N”一Msoso

（4.11）

^7"城第供热

式中，

》一交频调速脑的行储率.*

N、。一二触时的怖入功率-kw：

N,一，变领《M迪》♦的检入功率.kwi

Hf.一分别为支领.I：频时的Mi里.也视为频中3

pfp5o一变频・I：制!时的效率-%1对伊财

在公式（4.11）中，分子中的第一项，表示水泵变频调

86

速前后功率变化的差值。分子中的第二项表示变频调速前后

因效率不同造成的能耗损失之差。按公式（4.10）,对试验

水泵进行计算，结果见表4.5。在表4.5中，括号内的节能率

未计算公式中分子第二项，亦即未考虑变频调速前后效率变

化的影响。从表3・2的数据分析可看出：由于功率与流量呈

三次方正比关系，转速（流量）下降20%（频率由50Hz降为

40Hz）,功率下降51.2%；转速（流量）下降一半（频率由

50Hz降为25Hz）,功率减少7/8。因为在调速的过程中，功率

减少的幅度很大，以致效率降低对能耗损失的影响微乎其微;

在计算过程中发现，在低频下运行，效率造成的能耗损失其

至比高频下运行还小，这就是表4.5中，括号内的节能率小

于括号外的节能率的原因。通过上述分析，为了简化

计算，系统节能率可按公式（4.11）进行：

3

耳=1_（亚）％（4.12）

〃50

、一:•.弱强供热

公式（4.12）清楚地说明：水泵在变频调速时，可以不

考虑效率的影响，频率愈低（转速愈低），节能的效益愈明

显。

表4.5变频调速水泵节能效益分析

87

%能率

频率流量场程*入功率效率效率差

f(Hz)G(m5h)N(kw)谷(％)N

5025284.3248

4522.5223.4539.58.527.7(27.1)

402017.93.1132.215.851.2(48.9)

3517.5142.4824.123.971.3(65.7)

301510.12.3216.231.882.3(78.1)

-3

4.5.3变频泵组合运行的合理方案

通过上述讨论，可以得到明确的结论：在我们的行业内，

水泵的变频减速调节，永远是节能的。所以在系统中，各种

水泵的并联，串联组合，都应该在充分发挥变频调速先进技

术的前提下进行，这样的水泵组合运行方案才是合理的。

1)尽量采用单泵独立运行

在变频调速技术没有广泛应用前，供热系统多采用多泵

并联方案实现分阶段变流量调节。工频并联运行水泵，由于

工作特性决定，二台同型号并联水泵，其输出流量一般只能

达到二倍额定流量的70%左右，(这是陡降型水泵，如果是

平坦型水泵，其输出流量会更小)，为了达到二倍额定流量，

必须加大水泵功率，显然是不合算的。现在采用变频调速技

术，理论上可以在0—50Hz范围内变速，由于调速幅度大，

又是无极变速，因此，无论从变流量的调节功能上讲，还是

88

从节能的意义上讲，使用单台水泵独立变频运行，要比工频

并联运行优越。

现在大力进行分布式输配系统的推广，常常遇到远近期

如何结合的问题。当远近期负荷相差不是很大时，可按远期

循环设计流量选择水泵。近期，通过变频调速，满足实际负

荷的需求。这样，既能满足功能需要，也能达到节约能源，

节约投资的目的。当远、近期负荷差别比较大时，可根据工

程的实际情况，分别选择近期循环水泵和远期循环水泵。如

果从投资、占地等因素考虑，近期只安装、运行近期循环水

泵，等到负荷发展到远期规模时，再由小泵换大泵，显得十

分灵活。

在我国，供热规模小于10万m2口寸，其循环水泵功率都

在3（）kw以下，更换起来非常方便。经过多年的实践，这样

规模的循环水泵，可不设备用泵（备用泵放在仓库）。由于

水泵小，再加上信息技术的发达，一旦发生故障，一般在半

小时内就可更换完毕，重新启动运行，因此对供热效果不会

有明显影响。这一经验的推广，对于分布式输配系统的应用

有重要意义。

2）冷热源“一对一”设置循环泵

在现有的冷、热源循环水泵的设置中，有的采用一组并

联水泵共同承担冷热源的系统循环；有的采用"一对一''设

置，即一台循环泵对应一台冷、热源。在分布式输配系统中，

89

冷热源循环泵，特别是在变频调速情况下，理想的方案应该

是“一对一”设置。因为并联组合方案，容易造成冷热源设

备间的流量分配不均匀，导致运行工况的不稳定，特别是在

冷热源设备启动，停运的过程中，出现突发性的工况变动，

容易产生意外事故。

采用“一对一”的设置方案，可以通过变频调速，有效控

制每台冷热源设备的循环流量。为了节能，还可在负荷的变

动下，使冷热源设备的循环流量在设计流量的70〜100%的

范围内调节，也不会出现循环流量过大，冷热源设备压降过

大的毛病。这种方案，由于是“一对一”，哪台冷热源设备启

动，则对应的哪台循环泵运行，减少了设备之间的干扰，有

利于系统水力平衡。一般功率大于30kw的变频水泵，都配

置有软启动设备。通常在工频状态下启动水泵，冲击电流可

达到额定电流的6〜7倍。对于变频调速水泵，可借助软启

动设备自行选择启动电流（为额定电流的2倍，3倍……）和

启动时间（为2秒，4秒等……），这样就可以大大降低冷热

源设备在启动时发生突发性的干扰，提高设备的安全性，

因此“一对一”方案有明显的优越性。

3）给水系统多采用多泵并联恒压控制

室内给水系统采用恒压控制，随着建筑层数的不同，给

水压力不同，一层为10mH2O；二层为12mH20;三层以上每

多

90

一层，增加4mH20。给水系统的另外一个特点是属于常年性

90

负荷，一年内甚至一月内，平均用水量没有太大差别；但在

一日早、中、晚、夜间，或工作日和周末的小时用水量则有

很大的差别。为了适用给水系统的这种负荷特点，目前采用

的最合理的方案是多泵并联变频调速恒压系统。

其中，常用的一种方案是单台变频多台并联运行。这种

系统的运行方案是根据建筑物的需求确定系统的设定给水

压力。在夜间，起动一个小泵，进行变频调速，满足夜间给

水用量。凌晨，用水量逐渐加大，小泵满足不了用水量的需

求，此时变频器与小泵解列，小泵停止运行。变频控制柜拖

动一台大泵（数台大泵并联）软启动，并靠变频调速适应给

水量的变化需求；当该台大泵达到50Hz运行，仍满足不了

给水量增加的要求，此时在控制器的指令下，变频器与运行

大泵解列，启动第二台大泵变频运行，第一台大泵工频运行。

根据给水量的不断增加，第二台，第三台……大泵不断起动

工频运行，只有一台大泵变频运行。当给水负荷逐渐减少时，

工频运行的大泵逐台停运。至夜间恢复小泵变频运行。这种

运行方案的多台并联，单台变