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第二章 变频恒压供水的理论分析
2.1 水泵的工作原理
供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2.1所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。
在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出[5]。
104598123761-叶轮 2-泵壳 3-泵轴4-吸入口 5-吸入管6-单顶底阀 7-滤网8-排出口 9-输出管10-调节阀
图2.1 离心泵结构示意图
2.2 供水电机的搭配
供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点:
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(1) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。
(2) 如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。
因此，要正确选择电动机的功率， 对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)p1（kW），可按式(2.1)计算所需电动机的功率
[6]
P(kW)：
p?p1/??1?2?(2.1)
式中，?1为生产机械的效率，?2为电动机的效率，即传动效率。
按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。
2.3 水泵的调节方式
水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。
水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下[6]：
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节流调节恒速调节混流式，轴流式泵的动叶调节改变泵的运行台数调节水泵的调节方式液力耦合器的变速调节改变传动装置油膜转差离合器的变速调节电磁转差离合器的变速调节变速调节改变原动机的转速调压调速异步电机转子串电阻调速异步电机的变极调速异步电机的串极调速变频调速
2.4 恒压供水系统的能耗分析
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。
(1) 阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。 阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。
如图 2.3所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%(即QX=60%QN)。当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E点，这时，流量减小为QE(=Qx)；扬程增加为HE；供水功率PC与面积ODEJ成正比。
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阀门关小H③ENC②阀门全开JGK①稳定转速④转速下降DAQNQ
OQE
图2.3 调节流量的方法与比较
(2) 恒压控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转速控制法。
转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。
以用户所需流量等于60%Qn为例，当通过降低转速使得Qx=60%Qn时，扬程特性仍为曲线②，故工作点移向C点。这时流量减小为QE（=Qx），扬程减小为Hc，供水功率PC与面积0DCK成正比。
比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(Qx<100%QN)的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制方式小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差△P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果最基本的方面。
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之间的平衡情况有关。
如：供水能力QG>用水需求QU，则压力上升（P↑）； 如：供水能力QG<用水需求QU，则压力上升（P↓）； 如：供水能力QG=用水需求QU，则压力上升（P不变）。
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