【正文】 采用改變閥門或擋板開度的節(jié)流方式，即改變裝置管網(wǎng)的特性曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。據(jù)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。[4][5] 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)。[6] 恒速調(diào)節(jié)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。缺點(diǎn)是能量損失打，目前正逐漸被其他調(diào)節(jié)方式所取代。對(duì)于大型的泵，可以采用液壓傳動(dòng)調(diào)節(jié)。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)中小水廠的水泵通常不適用。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。因此，目前此種方法雖大量適用，但正逐步被新的流量調(diào)節(jié)方式取代。 變速調(diào)節(jié)這里所指的速度是水泵的轉(zhuǎn)速。（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)。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，主要有液力耦合器、油膜轉(zhuǎn)差離合器、電磁轉(zhuǎn)差離合器等。① 液力耦合器水泵通過液力耦合器實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)，從液力耦合器的特性來看，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。液力耦合器的缺點(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)，液力耦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)使耦合器調(diào)速的延遲時(shí)間增加；大功率的液力耦合器設(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；液力耦合器一旦產(chǎn)生故障，水泵也不能繼續(xù)工作。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：可靠性高，只要吧絕緣處理好，就能長期無檢修運(yùn)行；控制裝置的容量?。唤Y(jié)構(gòu)簡單、加工容易，價(jià)格便宜。（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n1與電源頻率f極對(duì)數(shù)p之間的關(guān)系式為： （）又知異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率S的定義式為： S= （）： （），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f1實(shí)現(xiàn)，下面就兩種變速調(diào)節(jié)方式進(jìn)行比較。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，可靠性高，在相當(dāng)惡劣的環(huán)境下可使用。此為，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。因此，變極調(diào)速目前應(yīng)用較少。因此，只要能設(shè)法改變f1即可改變n。 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)際上，若僅改變電源的頻率則不能獲得異步電機(jī)滿意的調(diào)速性能。故變頻電源實(shí)際上是變頻變壓電源，而變頻調(diào)速準(zhǔn)確地稱呼應(yīng)是變頻變壓調(diào)速，其英文術(shù)語為Variable Voltage Variable Frequency,又簡稱VVVF調(diào)速。故若U1一定時(shí)，則Φ必將隨著f1的變化而變化。而電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，為了充分利用鐵心材料，一般都把Φ值選在接近磁飽和的數(shù)值附近。反之，若f1從額定值往上調(diào)節(jié)時(shí)，Φ就減小，這在一定當(dāng)然負(fù)載下又有過電流的危險(xiǎn)。又由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程式知，當(dāng)有功電流I2額定，Φ一定時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩M也一定,故恒磁通調(diào)速即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速.(2) 恒功率變頻調(diào)速當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí),則要求電動(dòng)機(jī)的定子電壓隨著升高。在這種情況下，可以采用恒功率變頻調(diào)速。從上面對(duì)恒磁通和恒功率的變頻調(diào)速特性分析可以得知，變頻調(diào)速從額定頻率往頻率下降的方向調(diào)速時(shí)，即次同步調(diào)速時(shí)，應(yīng)采用恒轉(zhuǎn)矩(恒磁通)變頻調(diào)速；變頻調(diào)速從額定功率往頻率增加的方向調(diào)速時(shí)，即超同步調(diào)速時(shí)，有時(shí)需采用恒功率變頻調(diào)速。 液力耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速方式對(duì)比表比較內(nèi)容液力耦合器調(diào)速變頻器調(diào)速調(diào)速方式液力耦合器調(diào)速變頻調(diào)速主要原理控制耦合泵液體流量改變供電電源頻率機(jī)械特性差好功率因數(shù)較好優(yōu)可靠性偏低，高速存在丟轉(zhuǎn)可靠節(jié)電效果一般非常顯著調(diào)速范圍平滑較窄，30%—90%寬廣平滑投資一般高故障率高低維修費(fèi)用高低維修工作量很大簡單裝置結(jié)構(gòu)占地大較復(fù)雜效率低高損耗大小啟動(dòng)電流大小調(diào)速精度低極高控制響應(yīng)速度較慢極快 供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系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。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)來帶動(dòng)水流高速旋轉(zhuǎn)，靠水產(chǎn)生的離心力將水流甩出去。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。揚(yáng)程（H）：供水系統(tǒng)把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一個(gè)位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的水位差。軸功率（）：水泵軸上的輸入功率（電動(dòng)機(jī)的輸出功率），或者說是水泵的取用功率。工作效率（）：水泵的供水功率和軸功率之比。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。轉(zhuǎn)速（n）:水泵葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。水泵進(jìn)水口與出水口都沿水平方向放置，位置差為0?？紤]這些具體情況，上式可以改寫為： （）水泵的軸功率為： （）把揚(yáng)程的表達(dá)式帶入上式，得： （）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。 （）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) ()帶入式()得： ()根據(jù)能量守恒定律，有: ()其中為電機(jī)的效率。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，為了減小供水壓力，就必須降低變頻器的輸出頻率。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。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。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)。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)。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。如圖 ，設(shè)用戶所需流量QX為額定流量的60%(即QX=60%QN)。 調(diào)節(jié)流量的方法與比較(2)轉(zhuǎn)速控制法：即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，也稱為恒壓控制法。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性不變。這時(shí)流量減小為QE（=Qx），揚(yáng)程減小為Hc，供水功率PC與面積ODCK成正比。兩者之差△P便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積KCEJ成正比。對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的要求。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，但是揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制。如：供水能力QG用水需求QU，則壓力上升（P↑）；如：供水能力QG用水需求QU，則壓力上升（P↓）；如：供水能力QG=用水需求QU，則壓力上升（P不變）。從而，壓力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。[2][4] 供水系統(tǒng)的安全性問題 水錘效應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)在全電壓啟動(dòng)時(shí)。由于水具有動(dòng)量和不可壓縮性，因此，在極短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化將引起對(duì)管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性，壓強(qiáng)過高，將引起管道的破裂，反之，壓強(qiáng)過低又會(huì)導(dǎo)致管道的癟塌。在直接停機(jī)時(shí)，供水系統(tǒng)的水頭將克服電動(dòng)機(jī)的慣性而使系統(tǒng)急劇地停止。 水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，圖中曲線1是異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，曲線2是水泵的機(jī)械特性，陰影部分是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ(即兩者之差)。所以，加速過程很快。圖中，曲線簇1是異步電動(dòng)機(jī)在不同頻率下的機(jī)械特性，曲線2是水泵的機(jī)械特性，中間的鋸齒狀線是升速過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩(即不同頻率時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與水泵機(jī)械特性之差)。[32] 延長水泵壽的其他因素水錘效應(yīng)的消除，無疑可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。(2) 軸承的磨損也大為減小。 對(duì)供水電機(jī)和供水電網(wǎng)的保護(hù) 由于變頻恒壓供水基本上都采用了變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)頻率低，啟動(dòng)電流小，因此，除了對(duì)供水機(jī)泵和供水管網(wǎng)有保護(hù)作用，對(duì)供水電機(jī)和電網(wǎng)也有良好的保護(hù)作用。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。其控制規(guī)律為： （）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式： （） 式中——比例系數(shù)； ——積分時(shí)間常數(shù)； ——微分時(shí)間常數(shù)?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)，越大，靜差值（ε）越小，控制越強(qiáng)，但過大的會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。在控制過程中，只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會(huì)不斷增大，直到e(t)=0，輸出u(t)才可以維持在某一常量，使系統(tǒng)在給定r(t)不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 數(shù)字PID控制的算法現(xiàn)在常見的PID算法主要有如下幾種： 位置式PID控制算法在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。按模擬PID控制算法的算式，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT，代表連續(xù)時(shí)間t，以和式來代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換： （k=0,1,2……） () () ()式中T——采樣周期。將式（），（），（）帶入式（），可得到離散的PID表達(dá)式為： ()或 （）式中k——采樣序號(hào) k=0,1,2,3……u(k)——第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值e(k)——第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值e(k1)——第k1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值K1——積分系數(shù)KD——微分系數(shù)由Z變換的性質(zhì): () ()Z變換式為： () 便可得到數(shù)字PID控制器的Z傳遞函數(shù)為： ()或 ()即為數(shù)字PID控制器的脈沖傳遞函數(shù)。 位置式PID控制示意圖，這種算法的缺點(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。這種情況往往是實(shí)際生產(chǎn)中不允許的，在某些場合，還可能造成重大生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID控制的控制算法。 位置式PID控制算法程序框圖 增量式PID控制算法當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，可推導(dǎo)出提供增量的PID控制式。 增量式PID系統(tǒng)控制示意圖可將進(jìn)一步改寫為： （）式中 它們都是采用周期、比例系數(shù)﹑積分時(shí)間常數(shù)﹑微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置（如閥門的開度）的增量。就整體系統(tǒng)而言，位置控制算法與整個(gè)系統(tǒng)增量式控制算法無本質(zhì)區(qū)別，或者仍然全部由計(jì)算機(jī)承擔(dān)其計(jì)算或者一部分由其它部件去完成。（2）手動(dòng)，自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。（3）算式中不需要累加。但增量式控制也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大﹑有靜態(tài)誤差﹑溢出的影響大。[10][11] 增量式PID控制算法程序框圖 PID參數(shù)理論