【正文】 會(huì)出現(xiàn)‘吠馬拉小車”現(xiàn)象，其輸出機(jī)械功 率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對(duì)用戶和電網(wǎng)不利，而且還 會(huì)造成電能浪費(fèi)。 要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率，必須經(jīng)過以下計(jì)算或比較 : 對(duì)于恒定負(fù)載連續(xù)工作方式，如果知道負(fù)載的功率 (即生產(chǎn)機(jī)械軸上的功 率 )P 堆叨，可按式 P(kW) 式中，爪為生產(chǎn)機(jī)械的效率 。飛為電動(dòng)機(jī)的效率，即傳動(dòng)效率 . 按上式求出的功率，不一定與產(chǎn)品功率相同 .因此，所選電動(dòng)機(jī)的額定功率 應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率。 水泵的調(diào)速運(yùn)行，是指水泵在運(yùn)行中根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的需要，人為的改變運(yùn)行 工作狀況點(diǎn) (簡稱工況點(diǎn) )的位置，使流量、揚(yáng)程、軸功率等運(yùn)行參數(shù)適應(yīng)新的工 作狀況的需要。水泵的工況點(diǎn)是由水泵的性能曲線和管網(wǎng)的特性曲線的交點(diǎn)確定 的。因此，只要這兩條曲線之一的形狀或位置有了改變，工況點(diǎn)的位置也就隨之 改變。所以，水 泵的調(diào)節(jié)從原理上講是通過改變水泵的性能曲線或管網(wǎng)特性曲線 或二者同時(shí)改變來實(shí)現(xiàn)的。 水泵的調(diào)節(jié)方式與節(jié)能的關(guān)系非常密切，過去普遍采用改變閥門或擋板開度 的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，即改變裝置管網(wǎng)的特性曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡便 易行，但往往造成很大的能量損失。大量的統(tǒng)計(jì)調(diào)查表明，一些在運(yùn)行中需要進(jìn) 行調(diào)節(jié)的水泵，其能量浪費(fèi)的主要原因，往往是由于采用不合適的調(diào)節(jié)方式。因 此，研究并改進(jìn)它們的調(diào)節(jié)方式，是節(jié)能最有效的途徑和關(guān)鍵所在 [l0]41氣 水泵的調(diào)節(jié)方式可分為恒速調(diào)節(jié)與變速調(diào)節(jié)。詳細(xì)劃分如下 : 目前常見的調(diào)節(jié)方法有節(jié)流調(diào)節(jié)、動(dòng)葉調(diào)節(jié)、改變泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)、液力 禍合器調(diào)節(jié)、繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串極調(diào)速、變極調(diào)速、變頻調(diào)速等 113]4l習(xí)。 水泵的恒速調(diào)節(jié)主要有節(jié)流調(diào)節(jié)、動(dòng)葉調(diào)節(jié)、改變泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)三種 . (1)節(jié)流調(diào)節(jié) 節(jié)流調(diào)節(jié)是在水泵的出口或進(jìn)口管路上裝設(shè)閥門或擋板，通過改變閥門或擋 板的開度，使裝置需要揚(yáng)程曲線發(fā)生變化，從而導(dǎo)致水泵工作點(diǎn)位置的變化。 節(jié)流調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)簡單、可靠、方便，且調(diào)節(jié)裝置的初投資很少，故以前 各種離心泵多采用這 種調(diào)節(jié)方式。缺點(diǎn)是能量損失很大，目前正逐漸被其它調(diào)節(jié) 方式所取代。 (2)動(dòng)葉調(diào)節(jié) 采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)的水泵，在泵的輪毅內(nèi)部安裝動(dòng)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而使動(dòng)葉調(diào)節(jié) 得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于大型的泵，可以采用液壓傳動(dòng)調(diào)節(jié) . 動(dòng)葉調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是 :在調(diào)節(jié)過程中其效率變化很小，能在較大范圍保持高效 率。缺點(diǎn)是 :動(dòng)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，控制自動(dòng)化程度低 。成本高，通常適用大容量 水泵，對(duì)中小供水廠的水泵通常不適用。 (3)改變機(jī)泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié) 改變機(jī)泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)是根據(jù)不同的流量要求，采用不同數(shù)量和型號(hào)的機(jī)泵 進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行，來滿足供水量要求 .優(yōu)點(diǎn)是 :它不改變電機(jī)和水泵的電氣及機(jī)械 結(jié)構(gòu)，在水泵臺(tái)數(shù)眾多、搭配合理的情況下，可以達(dá)到較好的調(diào)節(jié)效果。缺點(diǎn)是 : 不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)、需要大量的機(jī)泵進(jìn)行合理搭配、隨著供水量的變化要不斷啟 停電機(jī) 。電能損失較大。因此，目前此種方法雖大量使用，但正逐步被新的流量 調(diào)節(jié)方式取代。 從恒速調(diào)節(jié)的分析可以看出，由于恒速調(diào)節(jié)要不結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要不能量損失很大，因此，正逐步被變速調(diào)節(jié)所取代 . 這里所指的速度是水泵的轉(zhuǎn)速 .水泵的變速調(diào)節(jié)可分為變速傳動(dòng)裝置調(diào)節(jié)和 變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。 (1)變速傳動(dòng)裝置 定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵可以通過傳動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)。變速傳動(dòng)裝置按 其工作特性可分為兩類。一類是有級(jí)變速裝置，如齒輪變速等 。另一類是無級(jí)變 速裝置，主要有液力禍合器、油膜轉(zhuǎn)差離合器、電磁轉(zhuǎn)差離合器等。液力禍合器、 油膜轉(zhuǎn)差離合器及電磁轉(zhuǎn)差離合器在傳動(dòng)變速時(shí)具有一個(gè)共同的特點(diǎn) :傳動(dòng)裝置 產(chǎn)生的傳動(dòng)損失在其所傳遞功率中所占的比例與水泵的轉(zhuǎn)速變化的大小成正比， 轉(zhuǎn)速變化越大，傳動(dòng)損失所占的比例也越大，因此，這類變速調(diào)節(jié)方式也被稱為 低效變速調(diào)節(jié)方式。 1)液力禍合器 水泵通過液力禍合器實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)，從液力藕合器的特性來看，其調(diào)節(jié)效率 等于轉(zhuǎn)速比，故當(dāng)調(diào)節(jié)量越大，其轉(zhuǎn)速比越低，傳動(dòng)效率也越低。 調(diào)速型液力禍合器用于葉片式水泵的變速調(diào)節(jié)時(shí)，主要具有以下優(yōu)點(diǎn) :可以 輸出連續(xù)的、無級(jí)的、變化的轉(zhuǎn)速 ?？梢云椒€(wěn)的啟動(dòng)、加速 。電動(dòng)機(jī)能空載或輕 載啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，節(jié)約電能 。液力禍合器是無級(jí)調(diào)速，故便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控 制，適用于各伺服系統(tǒng)控制 :與閥門節(jié)流調(diào)節(jié)相比較，節(jié)能效果顯著。 液力禍合器的缺點(diǎn) :在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速較低的場合，要求同樣的轉(zhuǎn)矩而采 用 較小的轉(zhuǎn)速時(shí)，液力禍合器的工作腔直徑將加大，這不但增加了造價(jià)，而且還會(huì) 使禍合器調(diào)速的延遲時(shí)間增加 。大功率的液力禍合器設(shè)備復(fù)雜 。在運(yùn)轉(zhuǎn)中隨著負(fù) 載的變化，轉(zhuǎn)速比也相應(yīng)變化，因此不可能有精確的轉(zhuǎn)速比 :液力禍合器一旦產(chǎn) 生故障，水泵也不能繼續(xù)工作。 2)電磁轉(zhuǎn)差離合器 電磁轉(zhuǎn)差離合器又稱電磁離合器、渦流聯(lián)軸器等。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu) 點(diǎn)是 :可靠性高，只要把絕緣處理好，就能長期無檢修運(yùn)行 ?？刂蒲b置的容量小 。 結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，價(jià)格便宜。 電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是 :存在轉(zhuǎn)差損失，尤其是 對(duì)凡較低的電磁調(diào)速電動(dòng) 機(jī)，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較低 。調(diào)速時(shí)響應(yīng)時(shí)間較長 :噪聲較大。 (2)變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 由電機(jī)學(xué)得知，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n，與電源頻率 fl、極對(duì)數(shù) p之間的關(guān) 系式為 : 由式 ，要實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，可以通過改變磁極對(duì)數(shù) p和 改變電源頻率 fl實(shí)現(xiàn)，下面就兩種變速調(diào)節(jié)方式進(jìn)行比較 1161一即氣 1)異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速 變極調(diào)速原理 :異步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，通常其轉(zhuǎn)差率 5很小，則由式 知，在電源頻率 fl不變的情況下，改變電動(dòng)機(jī)繞組的極對(duì)數(shù) ，就可改變同步轉(zhuǎn)速 n: 從而改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 no 變極調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是 :調(diào)速效率高，僅是因在設(shè)計(jì)變極電動(dòng)機(jī)時(shí)要兼顧不 同轉(zhuǎn)速時(shí)的性能指標(biāo)，與普通的全速電動(dòng)機(jī)相比較，其效率和功率因數(shù)要稍低一 些 :調(diào)速控制設(shè)備簡單，僅用轉(zhuǎn)換開關(guān)或接觸器 。初投資低，特別是中小型變極 電動(dòng)機(jī)價(jià)錢和定速電動(dòng)機(jī)相差不是很大 :維護(hù)方便，除軸承外，不需要特別的維 修，可靠性較高，在相當(dāng)惡劣的環(huán)境下可使用。 變極調(diào)速的主要缺點(diǎn)是 :有級(jí)調(diào)速，不能進(jìn)行連續(xù)調(diào)速。此外，變極電動(dòng)機(jī) 在變速時(shí)電力必須瞬間中斷，不能進(jìn)行熱態(tài)變換，因 此在變速時(shí)電動(dòng)機(jī)有電流沖 擊現(xiàn)象發(fā)生 .高壓電動(dòng)機(jī)若需進(jìn)行頻繁地切換變速時(shí)，則其切換裝置的安全可靠 性尚需進(jìn)一步完善提高。因此，變極調(diào)速目前應(yīng)用較少。 2)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速 由式 ，極對(duì)數(shù) p一定的異步電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，轉(zhuǎn)速 基本上與電源頻率成正比。因此，只要能設(shè)法改變 n?；谶@個(gè)原理， 變頻調(diào)速就是用晶閘管等變流元件組成的變頻器作為變頻電源，通過改變電源頻 率的辦法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。圖 。 在對(duì)變速傳動(dòng)裝置和變電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)方 式進(jìn)行比較時(shí)，我們以兩者的代表，也 是目前運(yùn)用最廣的兩種變速方式 :液力禍合器調(diào)速和變頻器調(diào)速進(jìn)行對(duì)比，如表 21，從中可以看出，采用變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有較大的優(yōu)勢。 在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，供水壓力是通過對(duì)變頻器輸出頻率的控制來實(shí)現(xiàn)的。 確定供水壓力和輸出頻率的關(guān)系是設(shè)計(jì)控制環(huán)節(jié)控制策略的基礎(chǔ)，是確定控制算 法的依據(jù)。 送水泵站所采用的水泵是離心泵，它是通過裝有葉片的葉輪高速旋轉(zhuǎn)來完成 對(duì)水流的輸送，也就是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)水流高速旋轉(zhuǎn)，靠水流產(chǎn) 生的離心 力將水流甩出去。離心泵也因此而得名。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，水泵的工作必然要和管路系統(tǒng)以及許多外界條件聯(lián)系在一起 .在給水排水 工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統(tǒng)稱為 “裝置”，在控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)中，真正對(duì)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)有價(jià)值的也是這種成為系統(tǒng)的裝置，而不是單單 的孤立水泵。 在水泵結(jié)構(gòu)和理論中，有一些評(píng)價(jià)水泵性能的參數(shù)，供水系統(tǒng)的主要參數(shù)如 下 : 流量 (Q):單位時(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水流量，在管道截面不變的情況 下，其大小決定于水流的速度。常用單位是 時(shí) /m訪。 揚(yáng)程問 :供水系統(tǒng)把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上 等于對(duì)應(yīng)的水位差。其常用單位是 m。 軸功率 (幾 ):水泵軸上的輸入功率 (電動(dòng)機(jī)的輸出功率 )，或者說是水泵取用的 功率。 供水功率 (幾 ):供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率幾你叨，供水功率與流 量和揚(yáng)程的乘積成正比 : 式中 Cp一 比例常數(shù)。 工作效率偽， ):水泵的供水功率 Pc和軸功率界之比，如式 。這里所說 的水泵工作效率，實(shí)際上包含了水泵本身的效率和供水系 統(tǒng)的效率。其 根據(jù) 實(shí)際供水的揚(yáng)程和流量算得的功率，是供水系統(tǒng)的輸出功率。 其中有效功率是指單位時(shí)間內(nèi)通過水泵的液體從水泵那里得到的能量叫做 有效功率。 轉(zhuǎn)速 (n卜水泵葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。 根據(jù)水泵理論，如圖 . 由于水泵在送水過程中，清水池水位一般高于水泵的測量點(diǎn)，所以不存在進(jìn) 水口抽真空，所以在進(jìn)水口的真空值為 置，位置差為 0。水泵在正常工作時(shí)，動(dòng)能的變化相對(duì)較小?？紤]這些具體情況， 上式可以改寫為 : 由于水泵是由一臺(tái)交流感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)運(yùn)行的，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與水泵的轉(zhuǎn)速相 同。電機(jī)的輸出有效功率與水泵的軸功率相等。在電機(jī)理論中，感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械 功率 為 : 在變頻調(diào)速時(shí)，由于磁通中 m不變，從電機(jī)公式 (212)可以看出，要使主磁 通中 m保持不變，則 UI/fl必須保持不變。 因此在變頻調(diào)速過程中 .電壓應(yīng)該與頻率成正比例變化，設(shè) 代入式 ()得 根據(jù)能量守恒定律，有 水泵裝置在變頻調(diào)速的工作狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，有 : 其中杯為電機(jī)的效率。所以， 從上式可以看出，當(dāng)變頻器的輸出頻率一定的情況下，當(dāng)用戶用水量增大， 從而 Q增大時(shí)，壓力表的讀數(shù)將會(huì)變小，即管網(wǎng)供水壓力將會(huì)降低。為了保持供 水壓力，就必須增大變頻器的輸出頻率以提高水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速 。當(dāng)用戶的用水量 減小時(shí)， Q減小，在變頻器輸出頻率不變的情況下，管網(wǎng)的供水壓力將會(huì)增大， 為了減小供水的壓力，就必須降低變頻器的輸出頻率 .由于用戶的用水量是始終 在變化的，雖然在時(shí)段上具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但對(duì)精度要求很高的恒壓控制來 講，在每個(gè)時(shí)刻它都是一個(gè)隨機(jī)變化的值。這就要求變頻器的輸出頻率也要在一 個(gè)動(dòng)態(tài)的變化之中，依靠對(duì)頻率的調(diào)節(jié)來動(dòng)態(tài)地控制管網(wǎng)的供水壓力，從而使管 網(wǎng)中的壓 力恒定。 在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須從 考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。供水系 統(tǒng)中對(duì)水壓流量的控制，傳統(tǒng)上采用閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的 立方成正比，因此水泵用變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)壓力或流量的自動(dòng)控制，同時(shí) 可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)正越來越多地取代高位水箱、水塔等設(shè)施及 閥門調(diào)節(jié)。 (l)閥門控制法 :即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速保 持不變 (通常 為額定轉(zhuǎn)速 )。 閥門控制法的實(shí)質(zhì)是 :水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻 力大小來強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的要求。這時(shí)，管阻特性將隨閥門開 度的改變而改變，但是揚(yáng)程特性不變。 如圖 24所示，設(shè)用戶所需流量為 Qx為額定流量的印喊即 Qx=60%QN)，當(dāng) 通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€③，而揚(yáng)程特性則仍為曲線①， 故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至 E點(diǎn)，這時(shí) : 流量減小為 Q以 =Qx)。揚(yáng)程增加為 H。 。由式 (26)知，供水功率 Pa與面積。 DEJ 成正比，其中 Cp為比例常數(shù)， Q為流量。 恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所要達(dá)到的目的。 據(jù)有關(guān)資料介紹，水泵工作效率相對(duì)值 (1)水泵工作效率的近似計(jì)算公式 丫的近似計(jì)算公式如 (): 流量和轉(zhuǎn)速的相對(duì)值 : (2)不同控制方式時(shí)的工作效率 由式 (，當(dāng)通過關(guān)小閥門來減小流 量時(shí)，由于轉(zhuǎn)速不變， n’ =1，比值 ，可見，隨著流量的減小，水泵 工作的效率降低十分明顯。 在轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，由于在閥門開度不變的情況下，流量 Q*和轉(zhuǎn)速 n’是成正 比的，比值 Q’ /n’不變。就是說，采用轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，水泵的工作效率總是處 于最佳狀態(tài)。 所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率要大得多 .這是 變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的方面之一 121沖 3]. 在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，由于 :(1)對(duì)用戶的管路情況無法預(yù)測 :(2)管阻特性難 以精確計(jì)算 :(3)必須對(duì)用戶的需求留有足夠的余地。因此，