摘要：本文認真研究了供水的幾種基本方式，從而引出了常見調速方式的基本原理，通過對原理的分析，最后對水泵調速運行節能機制做了重點研究。
　　關鍵字：水泵調速，節能，運行
　　
　　1.引言
　　隨著國民經濟的快速發展，城市人口和城鎮建設規模不斷擴大，人們的生活水平也越來越高，對城市集中供水的規模、質量、安全性及穩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和人們日常生活供水需要，供水企業一般都是滿負荷工作，因此，如何做好供水設備的維護和管理并有效解決電能消耗問題成了企業必須解決好的關鍵問題。通過調節電動機的轉速可以很好地適應水量和水壓的變化，使水泵始終工作在高效區，進而大大降低水泵能耗，這對節約能源和提高供水企業的經濟效益均具有極其重要的意義。
　　2.供水系統基本方式
　　常見的供水方式有以下幾種：
　　（1）單臺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中抽水。一般情況下，抽水泵會整日不停運轉，有的會在夜間用水低谷時段停止運行。
　　（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再啟動水泵。要求水塔最低水位略高于供水系統所需要的壓力。
　　（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，只是水箱設在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設立水箱。
　　（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，通過監測罐內壓力來控制泵的開、停。
　　（5）變頻調速供水方式。其工作原理是：通過安裝在系統中的壓力傳感器將系統壓力信號與設定壓力值作比較，再通過控制器調節變頻器的輸出來無級調節水泵轉速，使系統水壓無論流量如何變化始終穩定在一定的范圍內。
　　3.常用調速方式
　　水泵多由交流異步電動機拖動。交流異步電動機的轉速公式為：。其中：為同步轉速，；為異步電動機供電電源頻率；為異步電動機極對數；為轉差率；為電動機轉速。改變電動機極對數、改變轉速差及改變電源頻率都可以達到調速的目的。
　　3.1.變級對數調速
　　在電源頻率一定的情況下，電動機的同步轉速與極對數成反比，改變電動機極對數，就可以改變轉速。可以通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數，如圖1。
　　
　　圖1改變定子繞組極對數方法
　　以電動機一相繞組為例，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數。如果使=1,2.3等，就可以得到=3000.、1500、1000r/min等不同的同步轉速，從而得到不同的轉子轉速。這種調控方式控制簡單，投資省，節能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調速，而且級差比較大，只適用于特定轉速的生產機器。
　　3.2.變頻調速
　　變頻調速是將電網工頻交流電經過變頻器變為電壓和頻率均可調的交流電，然后供給電動機，使其可在變速的情況下運行。改變電動機定子頻率可以平滑地調節同步轉速，相應地也就改變了轉子轉速，而轉差率S可保持不變或很小。但對電動機來說，定子頻率改變后，其運行會受到影響。如果電壓不變，頻率增加時，磁通量將減少，電動機轉矩會下降，嚴重時會使電機堵轉；而當頻率降低時，磁通增加，會使磁路飽和，勵磁電流上升，導致鐵芯損失急劇增加而發熱，是不允許出現的情況。因此，在實用上，要求在調頻的同時，也改變定子電壓，以保持磁通基本不變，既不使鐵芯發熱，又保持轉矩不變。
　　3.3.可控硅串級調速
　　它是把異步電動機轉子電勢經過整流—逆變后回饋給電網，回收功率就是轉差功率。當改變逆變角時，逆變電勢、轉差功率、轉差率都將隨之改變，從而達到調速的目的。串級凋速的最大優點是它可以回收轉差功率，節能效果好，且調速性能也好。但是由于調速線路過于復雜，且還需要增加一臺與電動機相匹配的變壓器，增加了中間環節的電能損耗，帶來了成本高、占水泵房面積大等缺點因而影響它的推廣使用。
　　4.水泵調速運行的節能研究
　　在供水系統中，通常以流量為控制目標，常用的控制方法有閥門控制法和轉速控制法兩種。閥門控制法是通過調節閥門開度來調節流量，水泵電機轉速保持不變。其實質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，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現象的出現。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節流量，而閥門開度保持不變。這種控制方法是通過改變水的動能來改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制，其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。
　　供水系統管網及水泵的運行特性曲線如圖2所示：
　　
　　圖2管網及水泵的運行特性曲線
　　當用閥門控制時，假設供水量高峰期水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0。當供水量從Q1減小到Q2，時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從β3移到β1。揚程特性曲線不變，而揚程則從H0升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵輸出功率即為(0,Q2,F,H1)圍成的矩形部分，其值為：PD=γH1Q2/102η。
　　當用調速控制時，若采用恒壓（H0）、變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為β2，揚程特性變為曲線n2，工作點從E點移到D點。此時水泵輸出功率為(0,Q2,D,H0)圍成的矩形面積，其值為：PF=γH0Q2/102η。
　　可見，改用調速控制，節能量為(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，當用閥門控制流量時，有值為γ（H1-H0）Q2/102η的功率被浪費掉。隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力也不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H1增大，造成被浪費的功率也隨之增加。
　　因此，水泵功率與轉速的立方成正比，流量與轉速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調速控制方式相比閥門控制方式其供水功率要小得多，節能效果顯著。
　　5.結束語
　　在頻率不變的條件下，異步電機的同步速與極對數成反比，所以，改變電機繞組的極對數，就可以達到調速的目的。改變極對數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速；也可通過在定子槽內嵌放兩套不同極對數的獨立繞組，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。但后者會使電機的體積增大，用料增多，成本增高。近年來，由于單繞組變速理論的發展，出現了單繞組既可以倍極比調速，又可以非倍極比調速，不僅如此，還可以作到單繞組三速甚至四速電機。變極電機的轉子均為籠型轉子，因這種轉子的極對數能自動地隨著定子極對數的改變而改變，使定、轉子磁動勢的極對數總相等，從而產生平均電磁轉矩。若為繞線轉子異步機，則當定子繞組改變其極對數時，轉子繞組也必須相應地改變其接法，使其極對數與定子繞組的相等，這就顯得非常復雜，因此一般不用。
　　參考文獻：
　　[1] 張澤偉，曲鴻章，謝興華，變頻器在恒壓供水系統中的應用，自動化技術與應用，2002，21(4)：27~29
　　[2] 丁學文，金大海，交流電機變頻軟起動時的問題及解決方法，電力電子技術，2001，(5)：1~5
　　[3] 丁莉，變流與調速技術應用，化學工業出版社，2006，125~128
　　[4] 宋序彤，我國城市供水發展有關問題分析，城鎮供水，2001，(2)：22~27.