水泵调速运行的节能研究

　　摘要：本文认真研究了供水的几种基本方式，从而引出了常见调速方式的基本原理，通过对原理的分析，最后对水泵调速运行节能机制做了重点研究。
　　关键字：水泵调速，节能，运行
　　
　　1.引言
　　随着国民经济的快速发展，城市人口和城镇建设规模不断扩大，人们的生活水平也越来越高，对城市集中供水的规模、质量、安全性及稳定性等提出了越来越高的要求。为了尽可能地满足城市生产和人们日常生活供水需要，供水企业一般都是满负荷工作，因此，如何做好供水设备的维护和管理并有效解决电能消耗问题成了企业必须解决好的关键问题。通过调节电动机的转速可以很好地适应水量和水压的变化，使水泵始终工作在高效区，进而大大降低水泵能耗，这对节约能源和提高供水企业的经济效益均具有极其重要的意义。
　　2.供水系统基本方式
　　常见的供水方式有以下几种：
　　（1）单台恒速泵直接供水方式，在这种供水方式中，水泵从蓄水池中抽水后直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水。一般情况下，抽水泵会整日不停运转，有的会在夜间用水低谷时段停止运行。
　　（2）恒速泵＋水塔的供水方式。这种方式是由水泵先向水塔供水，再从水塔向用户供水。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。要求水塔最低水位略高于供水系统所需要的压力。
　　（3）恒速泵＋高位水箱的供水方式。这种供水方式的工作原理与水塔基本相同，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。
　　（4）恒速泵＋气压罐供水方式。这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。
　　（5）变频调速供水方式。其工作原理是：通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出来无级调节水泵转速，使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。
　　3.常用调速方式
　　水泵多由交流异步电动机拖动。交流异步电动机的转速公式为：。其中：为同步转速，；为异步电动机供电电源频率；为异步电动机极对数；为转差率；为电动机转速。改变电动机极对数、改变转速差及改变电源频率都可以达到调速的目的。
　　3.1.变级对数调速
　　在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。可以通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数，如图1。
　　
　　图1改变定子绕组极对数方法
　　以电动机一相绕组为例，电流方向都是由A指向x，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数。如果使=1,2.3等，就可以得到=3000.、1500、1000r/min等不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。
　　3.2.变频调速
　　变频调速是将电网工频交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率可以平滑地调节同步转速，相应地也就改变了转子转速，而转差率S可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行会受到影响。如果电压不变，频率增加时，磁通量将减少，电动机转矩会下降，严重时会使电机堵转；而当频率降低时，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许出现的情况。因此，在实用上，要求在调频的同时，也改变定子电压，以保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。
　　3.3.可控硅串级调速
　　它是把异步电动机转子电势经过整流—逆变后回馈给电网，回收功率就是转差功率。当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、转差率都将随之改变，从而达到调速的目的。串级凋速的最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好。但是由于调速线路过于复杂，且还需要增加一台与电动机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高、占水泵房面积大等缺点因而影响它的推广使用。
　　4.水泵调速运行的节能研究
　　在供水系统中，通常以流量为控制目标，常用的控制方法有阀门控制法和转速控制法两种。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量。因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变。这种控制方法是通过改变水的动能来改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制，其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。
　　供水系统管网及水泵的运行特性曲线如图2所示：
　　
　　图2管网及水泵的运行特性曲线
　　当用阀门控制时，假设供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0。当供水量从Q1减小到Q2，时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从β3移到β1。扬程特性曲线不变，而扬程则从H0升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率即为(0,Q2,F,H1)围成的矩形部分，其值为：PD=γH1Q2/102η。
　　当用调速控制时，若采用恒压（H0）、变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为β2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率为(0,Q2,D,H0)围成的矩形面积，其值为：PF=γH0Q2/102η。
　　可见，改用调速控制，节能量为(H0，D,F,H1)围成的矩形面积，其值为：
　　△P=PF-PD=γH0Q2/102η-γH1Q2/102η=γ（H1-H0）Q2/102η。
　　从上式可以看出，当用阀门控制流量时，有值为γ（H1-H0）Q2/102η的功率被浪费掉。随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力也不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，造成被浪费的功率也随之增加。
　　因此，水泵功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式相比阀门控制方式其供水功率要小得多，节能效果显著。
　　5.结束语
　　在频率不变的条件下，异步电机的同步速与极对数成反比，所以，改变电机绕组的极对数，就可以达到调速的目的。改变极对数的方法可以是在一套定子绕组中，利用改变绕组的接法得到两种转速；也可通过在定子槽内嵌放两套不同极对数的独立绕组，而每套绕组又可以有不同的接线，从而做成三速或四速电机。但后者会使电机的体积增大，用料增多，成本增高。近年来，由于单绕组变速理论的发展，出现了单绕组既可以倍极比调速，又可以非倍极比调速，不仅如此，还可以作到单绕组三速甚至四速电机。变极电机的转子均为笼型转子，因这种转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变，使定、转子磁动势的极对数总相等，从而产生平均电磁转矩。若为绕线转子异步机，则当定子绕组改变其极对数时，转子绕组也必须相应地改变其接法，使其极对数与定子绕组的相等，这就显得非常复杂，因此一般不用。
　　参考文献：
　　[1] 张泽伟，曲鸿章，谢兴华，变频器在恒压供水系统中的应用，自动化技术与应用，2002，21(4)：27~29
　　[2] 丁学文，金大海，交流电机变频软起动时的问题及解决方法，电力电子技术，2001，(5)：1~5
　　[3] 丁莉，变流与调速技术应用，化学工业出版社，2006，125~128
　　[4] 宋序彤，我国城市供水发展有关问题分析，城镇供水，2001，(2)：22~27.