1 引言
变频调速作为现在较为先进调速技术，因具有无极调速，调速范围大，控制方便，自动化程度高等优点，在供水领域应用越来越广。在进行供水系统的节能改造时，容易忽视由于实际变频调速的范围限制，变频调压带来的谐波损耗，以及供水理论决定的变频调速实际适用场合等问题，带来了选型不当，节能效果不理想，不能有效的起到节能甚至更加耗能的结果。本文将对这三方面做一定的分析。
2 变频调速范围影响
由流体学相似定律可知，通过调速节省的功率与转速的三次方成线性关系即：
ΔP=(1-(N1/N0)3)×P0
那么为了最大限度的节能，是不是就可以把水泵的速度调的很低，即变频器的可以再0～50Hz内任意调节呢？
实际中在很多场合都采取的是调速泵和定速泵并行。在这种情况下，当变频器的最低切投平率设定过低时，很有可能导致变频泵不出水，严重时甚至可以导致水泵的振荡以及气蚀。这是因为，实际的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有高度差，有时还非常大。在水泵并联运行时，水泵的出水口压力还要受到其他水泵运行压力的影响。并联运行的泵要想出水，其扬程必须大于其他水泵当时的扬程。水泵的出口流量并不是管网流量，总管网流量为所有运行时的水泵的流量总和。由于管网总流量增大，阻力增大，导致并联运行的水泵扬程比单泵运行时要更高。此时，工况发生了变化，在此处比例定律也就不再合适了。
图1 泵的性能曲线
图1中，N0为工频泵的性能曲线，工频泵单泵运行时的工作点为A，扬程为HA，流量QA，N1为变频泵单泵正常调速中的性能曲线，运行时的工作点为B，扬程HB，流量QB；N2为调速泵最低速时单泵运行的性能曲线，运行时的工作点为D，流量QD。M1为工频泵N0和变频泵速度为N1并联时的管网总的运行曲线，运行工作点为C，扬程HC，流量QC0。M2为工频泵N0和变频泵速度为N2并联时的管网总的运行曲线，扬程HA，流量QA。F0为理想的管网阻力曲线。
在实际工况中，大多数时工作在N0和N1两条性能曲线下，从性能曲线图上可以看到，并联后的总扬程HC>HA，且HC>HB。同时管网总流量QC0=QC1+QC2<QA+QB，且QC0>QA，QC0>QB。随着变频泵速度下调，其性能曲线在图1中向左下方偏移，管网总曲线也同样向下偏移。当调速泵速度达到N2时，管网的性能出现了一个临界曲线M2。此时的管网总扬程和工频泵的扬程相等，而不是上面分析出现的稍大一些。管网总流量和工频泵单泵运行时的流量相同，工频泵相对于调速时其输出流量有一个增量，可能使其出现过载。变频泵由于最大扬程都低于管网总扬程，表现出来的实际情况为变频泵不出水。此时的变频泵还在工作，消耗一定的功率，变频泵的效率降到了最低。因此，在变频器频率设定时一定要有一个下限fmin来避开这种低效区。
当有一台以上工频泵和一台变频泵并联运行时，变频泵性能曲线下移到N2时，管网曲线应该在N2上方，也就是说变频下限应当比两台并联的要高。因此，管网并联的泵越多，节能的空间越小。另一方面，选择调速泵时应当尽量选扬程较大的泵，能够更好的利用变频器节能。
这是在管网阻力较大的情况下的分析，在一些管网阻力可以忽略的场合，比如水泵通过粗管道把水垂直打到一个开口的蓄水池，管网压力要求很高的锅炉给水系统等。在这类系统中要求压力恒定，流量随频率的调节而改变，水泵的输出功率仅仅和流量的大小有关。其管网阻力线可以近似看成和静扬程点平行的一条直线如图1中F1，由水泵的性能曲线可以看到，当频率越低，频率的变化量ΔF会导致越大的流量变化，水泵的性能曲线越平坦，ΔF引起的流量的变化越大。在这类场合，水泵的出水流量不能过小，以免微小的频率变化引起很大流量波动，造成水泵的流量不稳定。fmin越小，ΔQ随ΔF的变化就越大。
可见变频调速的范围是有一定的限定的。实际适用中设定变频下限一般为40Hz左右，即对应水泵速度为原来的80％。其节能效果为30％左右，考虑实际的运行效率问题节能20％，是其合理范围。
3 变频谐波损耗
3.1 输入侧谐波
图2 通用的变频器的主电路 现在通用的变频器（图2）大都是采用的不可控二极管整流。这种整流方式在逆变采用PWM输出的情况下是较好的选择方案。理论上，在选用二极管整流方式后，输入侧的基波电压和基波电流同相，因此功率因素cosφ=1。但实际情况确不是这样的，整流电路的输入电流实际上是电容器的充电电流，即当电源的充电电压大于电容端电压时，整流桥中才有充电电流，因此充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，表现为不连续的陡峻的脉冲波，其谐波分量较大。虽然基波功率因素基本为1，但整个输入侧的总功率因素肯定是小于1的。根据功率因素的定义，总功率因素λ应该等于总有功功率和总的视在功率之比。 P — 额定输入功率；
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u — 额定输入电压；
uk — k次谐波电压有效值；
ik — k次谐波电流有效值；
i — 额定输入电流；
cosφ—k次谐波电压和电流间的功率因素。
由上式可以看出，输入侧的波形畸变将影响输出侧的总功率因素。这种影响改用畸变因素μ来表示：
，当令
时，总的功率因素可以表示为：
，其中cosφ可视为1。因此，在输入总的功率因素主要是与高次谐波的含量有关。经过分析，可以发现其中5次和7次谐波含量较多可以分别达到79％和62％，与此对应的功率因素λ降到了70％。
为了减少高次谐波的影响，提高功率因素简单的方法有：在电源和整流桥之间接入交流电抗器，功率因数可提高到0.85以上或整流桥和滤波电容器之间接入直流电抗器，接入直流电抗器后功率因数可提高到0.9以上。由于其体积较小，故不少变频器在出厂时已经将直流电抗器直接装在变频器内了。直流电抗器除了提高功率因数外，可将变频调速系统的功率因数提高至0.95以上。除此以外，还可以加装高次谐波滤波器等。虽然外加了其他用于提高功率因素的装置，但本身带来的能量损耗（主要是发热），以及带来的投入和维护成本的增大又是新的问题，同样会给回收投入周期带来影响。
3.2 输出侧谐波
电压谐波总畸变率是表征逆变器输出谐波频谱分布和含量的重要参数，也是评价变频调速控制方式的重要指标。电压谐波总畸变率定义为：
，式中：UN为n次谐波电压幅值；U1为基波电压幅值。
逆变器输出的谐波引起交流牵引电机附加损耗，利用谐波总损耗因数来表征谐波对交流牵引电机附加损耗的影响。谐波总损耗因数定义为：
fn为谐波频率；x、y、a、b为损耗特性曲线的特征参数。公式前一项表征低频分量变化，主要计算铜耗； 后一项表征高频分量变化，主要计算磁滞损耗。这里定义谐波损耗值除以基波电压幅值的平方得到的标幺值为谐波总损耗因数HLF。
（1）开关频率对谐波损耗的影响
