摘要：本文認(rèn)真研究了供水的幾種基本方式，從而引出了常見調(diào)速方式的基本原理，通過對(duì)原理的分析，最后對(duì)水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)能機(jī)制做了重點(diǎn)研究。
　　關(guān)鍵字：水泵調(diào)速，節(jié)能，運(yùn)行
　　
　　1.引言
　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口和城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人們的生活水平也越來越高，對(duì)城市集中供水的規(guī)模、質(zhì)量、安全性及穩(wěn)定性等提出了越來越高的要求。為了盡可能地滿足城市生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ�活供水需要，供水企業(yè)一般都是滿負(fù)荷工作，因此，如何做好供水設(shè)備的維護(hù)和管理并有效解決電能消耗問題成了企業(yè)必須解決好的關(guān)鍵問題。通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以很好地適應(yīng)水量和水壓的變化，使水泵始終工作在高效區(qū)，進(jìn)而大大降低水泵能耗，這對(duì)節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益均具有極其重要的意義。
　　2.供水系統(tǒng)基本方式
　　常見的供水方式有以下幾種：
　　（1）單臺(tái)恒速泵直接供水方式，在這種供水方式中，水泵從蓄水池中抽水后直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水。一般情況下，抽水泵會(huì)整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的會(huì)在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。
　　（2）恒速泵＋水塔的供水方式。這種方式是由水泵先向水塔供水，再從水塔向用戶供水。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要的壓力。
　　（3）恒速泵＋高位水箱的供水方式。這種供水方式的工作原理與水塔基本相同，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設(shè)立水箱。
　　（4）恒速泵＋氣壓罐供水方式。這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力來控制泵的開、停。
　　（5）變頻調(diào)速供水方式。其工作原理是：通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出來無級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。
　　3.常用調(diào)速方式
　　水泵多由交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：。其中：為同步轉(zhuǎn)速，；為異步電動(dòng)機(jī)供電電源頻率；為異步電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；為轉(zhuǎn)差率；為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)速差及改變電源頻率都可以達(dá)到調(diào)速的目的。
　　3.1.變級(jí)對(duì)數(shù)調(diào)速
　　在電源頻率一定的情況下，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)成反比，改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速。可以通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對(duì)數(shù)，如圖1。
　　
　　圖1改變定子繞組極對(duì)數(shù)方法
　　以電動(dòng)機(jī)一相繞組為例，電流方向都是由A指向x，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對(duì)數(shù)。如果使=1,2.3等，就可以得到=3000.、1500、1000r/min等不同的同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。
　　3.2.變頻調(diào)速
　　變頻調(diào)速是將電網(wǎng)工頻交流電經(jīng)過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動(dòng)機(jī)，使其可在變速的情況下運(yùn)行。改變電動(dòng)機(jī)定子頻率可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地也就改變了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)差率S可保持不變或很小。但對(duì)電動(dòng)機(jī)來說，定子頻率改變后，其運(yùn)行會(huì)受到影響。如果電壓不變，頻率增加時(shí)，磁通量將減少，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電機(jī)堵轉(zhuǎn)；而當(dāng)頻率降低時(shí)，磁通增加，會(huì)使磁路飽和，勵(lì)磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許出現(xiàn)的情況。因此，在實(shí)用上，要求在調(diào)頻的同時(shí)，也改變定子電壓，以保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。
　　3.3.可控硅串級(jí)調(diào)速
　　它是把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電勢(shì)經(jīng)過整流—逆變后回饋給電網(wǎng)，回收功率就是轉(zhuǎn)差功率。當(dāng)改變逆變角時(shí)，逆變電勢(shì)、轉(zhuǎn)差功率、轉(zhuǎn)差率都將隨之改變，從而達(dá)到調(diào)速的目的。串級(jí)凋速的最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好。但是由于調(diào)速線路過于復(fù)雜，且還需要增加一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，帶來了成本高、占水泵房面積大等缺點(diǎn)因而影響它的推廣使用。
　　4.水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能研究
　　在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目標(biāo)，常用的控制方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量。因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變。這種控制方法是通過改變水的動(dòng)能來改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制，其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。
　　供水系統(tǒng)管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線如圖2所示：
　　
　　圖2管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線
　　當(dāng)用閥門控制時(shí)，假設(shè)供水量高峰期水泵工作在E點(diǎn)，流量為Q1，揚(yáng)程為H0。當(dāng)供水量從Q1減小到Q2，時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從β3移到β1。揚(yáng)程特性曲線不變，而揚(yáng)程則從H0升到H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從E點(diǎn)移到F點(diǎn)，此時(shí)水泵輸出功率即為(0,Q2,F,H1)圍成的矩形部分，其值為：PD=γH1Q2/102η。
　　當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓（H0）、變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為β2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍�線n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率為(0,Q2,D,H0)圍成的矩形面積，其值為：PF=γH0Q2/102η。
　　可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為(H0，D,F,H1)圍成的矩形面積，其值為：
　　△P=PF-PD=γH0Q2/102η-γH1Q2/102η=γ（H1-H0）Q2/102η。
　　從上式可以看出，當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有值為γ（H1-H0）Q2/102η的功率被浪費(fèi)掉。隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力也不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是H1增大，造成被浪費(fèi)的功率也隨之增加。
　　因此，水泵功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式相比閥門控制方式其供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。
　　5.結(jié)束語
　　在頻率不變的條件下，異步電機(jī)的同步速與極對(duì)數(shù)成反比，所以，改變電機(jī)繞組的極對(duì)數(shù)，就可以達(dá)到調(diào)速的目的。改變極對(duì)數(shù)的方法可以是在一套定子繞組中，利用改變繞組的接法得到兩種轉(zhuǎn)速；也可通過在定子槽內(nèi)嵌放兩套不同極對(duì)數(shù)的獨(dú)立繞組，而每套繞組又可以有不同的接線，從而做成三速或四速電機(jī)。但后者會(huì)使電機(jī)的體積增大，用料增多，成本增高。近年來，由于單繞組變速理論的發(fā)展，出現(xiàn)了單繞組既可以倍極比調(diào)速，又可以非倍極比調(diào)速，不僅如此，還可以作到單繞組三速甚至四速電機(jī)。變極電機(jī)的轉(zhuǎn)子均為籠型轉(zhuǎn)子，因這種轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)能自動(dòng)地隨著定子極對(duì)數(shù)的改變而改變，使定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的極對(duì)數(shù)總相等，從而產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。若為繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)，則當(dāng)定子繞組改變其極對(duì)數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組也必須相應(yīng)地改變其接法，使其極對(duì)數(shù)與定子繞組的相等，這就顯得非常復(fù)雜，因此一般不用。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 張澤偉，曲鴻章，謝興華，變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用，自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2002，21(4)：27~29
　　[2] 丁學(xué)文，金大海，交流電機(jī)變頻軟起動(dòng)時(shí)的問題及解決方法，電力電子技術(shù)，2001，(5)：1~5
　　[3] 丁莉，變流與調(diào)速技術(shù)應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，2006，125~128
　　[4] 宋序彤，我國城市供水發(fā)展有關(guān)問題分析，城鎮(zhèn)供水，2001，(2)：22~27.