1、前言
水泵调速技术已经存在多年，早期主要是一些低压水泵采用低压变频器进行调速，因为成本不高，所以采用比较普遍。而对于高压水泵的调速，早期还大多是采用液力偶合器、串级调速等传统方法来实现。随着高压大功率变频器的出现，目前采用高压变频器对高压水泵进行调速逐渐成为一种趋势。由于高压变频器目前成本相对较高，许多供水行业的人士出于投资回收考虑，对水泵调速这项技术本身及其可以取得的效益都比较关心，经常有如下一些疑惑：
a供水系统一般多台水泵并联运行，设计原则是同压头水泵并联，同流量水泵串联。而调速泵速度降低后，按一般常理认为，其输出水压将降低，那么调速泵如何再与其他工频泵并联，是否有内耗存在？ 
b常说水泵流量和转速成正比，压力和转速平方成正比，其功率则和转速立方成正比，也就是说水泵的功耗是按流量的立方关系变化的，假设水泵流量调到一半时，水泵的轴功率只有满流量时的12.5%，省电应达到87.5%，可为什么实际系统的节能效果远不是这样？到底怎样预估一个水泵调速系统的节能潜力？ 
c调速水泵和工频水泵并联运行时，调速水泵能否无限制往下调速？调速泵是不是转速到0时流量才为0？并联工频水泵会不会过流？调速泵会不会水流倒惯？调速时应注意什么问题？
d水泵调速方法有哪些？究竟什么方式比较可取？对水泵进行调速改造，除了节能，到底还能有什么其他效益？
本文将从水泵的工作特性出发，解释和回答这些问题，不对之处，欢迎专家指正。
2、水泵的工作特性
水泵定速工作时，工作特性如图（1）所示。曲线①为水泵按转速N1定速工作时的Q-H曲线，曲线②③为管路特性曲线。
在（1）负载工况下，水泵工作在A点，流量为Q1，压力为H1。当流量减为Q2时，水压将上升到H2，水泵工作在B点。水压的上升，一方面存在不必要的电耗，另一方面也可能威胁到供水管网的安全。
从水泵定速工作特性曲线看出，尽管水泵工作转速不变，但只要管网特性发生变化（曲线②变为曲线③），那么水泵的工作点是发生变化的，其流量和压力也随之变化。换言之，水泵的输出压力并不只是转速的单值函数。
在自来水行业，流量的减少是因为夜间用户关阀，管网特性曲线发生了变化，曲线②变为曲线③，流量由Q1降为Q2。为了防止管网水压的上升威胁到管网安全，可以调节水泵出口阀门或者改开小泵。
在一些化工生产、制冷等行业，流量的减少是因为生产工艺的需要，这时可以调节水泵输出阀门，人为改变管网特性，使水泵工作点由A点变到B点，从而达到主动调节流量的目的。
水泵工作特性的变化情况，曲线①②③分别为水泵按N1 、N3和N2三种速度运行时的特性曲线，曲线④⑤为管网特性曲线。如果管网特性不变，保持为曲线④，水泵由N1转速调节到N2速运行时，水泵的工作点将由A点变到B点，流量和水压分别变到Q2和H2，它们都随着转速的下降而下降。
但如果是外界因素导致管网特性发生变化（由曲线④变为曲线⑤），使得流量减少为Q2，但又要维持水压不变，这时水泵可以将速度调节到N3运行，从工作曲线中可以看出，水泵的转速和输出流量下降，但水泵的输出压力却保持不变，这就是为什么流量变化时，可以通过调节水泵转速实现恒压供水的理论依据。这种情况下，由于管网特性的改变，水泵的流量Q、水压H、轴功率P和转速N之间不再满足Q∝N、H∝N2、P∝N3的关系，并不是转速下降其水压就下降，水泵速度下降且其分担的流量下降后，只要其输出水压不变，就可以和其他高速水泵并联运行。
3、水泵调速运行的轴功率
3．1管路特性不变
管路特性不变时，水压随流量的变化而变化，调速时只对流量作要求，对水压不作要求，这时水泵的工作情况如图需要流量下降时，将水泵速度由N1下调为N2,则水泵工作点由A点变为B点，流量由Q1变为Q2，压力由H1变为H2，水泵在A、B两个工作点的输出功率PA和PB分别为:PA=H1×Q1, PB=H2×Q2　　
从上式看出，如果转速降为50%，则水泵输出功率下降为12.5％；如果在A、B两点水泵的效率差别不大，则水泵的输入功率也大大下降。
3．2调速时要求水压恒定
水泵速度由N1调到N2,工作点由A点变到B点，流量由Q1变到Q2，水压保持不变，H1＝H2。水泵在A、B两点的输出功率PA＝H1×Q1，PB＝H2×Q2。
PAPB = H1×Q1H2×Q2 =Q1 Q2 
这种情况下，水泵输出功率和流量成正比。（注意：水泵输出功率不和转速成正比，因为管路特性已变化，Q1不正比于N1，Q2不正比于N2。）这种工况下类似自来水行业。用户用水量由Q1下降为Q2（用水量下降是用户关阀引起的管路特性发生变化，由特性曲线（1）变为曲线（2）仍需水压保持恒定。
4、水泵调速运行的节能效益
4．1管路特性不变
外部管路特性不变。如果通过水泵调速方式改变流量，按工作点由A点降到B点；如果水泵定速运行，通过阀门改变流量，则水泵从A点变为C点。水泵在B、C两工作点的输出功率和输出功率差分别为：PC=H3×Q2, PB =H2×Q2； 
假设水泵在B、C两点效率差别不大，都约为η，则调速方式相对于关阀方式，节能效益 ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
4．2管路特性变化而调速时要求水压恒定
流量由Q1变为Q2时，如果水泵定速运行，工作点将由A变为C点；如果通过调速方式，水泵工作点将由A变为B点。水泵在B、C两点的输出功率差为： PC－PB＝（H3－H2）×Q2。假设水泵在B、C两个工作点的效率差别不大，都为η，则水泵输入功率差
ΔP＝(H3－H2) Q2 η 。
5、水泵调速运行节能效益计算实例
水泵调速节能效益与水泵的特性、运行方式、电费水平等多种因素有关，由于这些因素在不同场合下千差万别，计算节能效益时对工况作如下假设：
水泵功率为1000KW，年运行时间8000小时，其中1600小时（即20%时间）为100%流量，4000小时（即50%时间）为70%流量，2400小时（即30%时间）为50%流量，调速装置效率为96%，假设水泵流量Q和压力H在采用阀门调节流量时近似满足如下关系：H=A-(A-1)Q2，其中A为水泵出口封闭时的出口压力，假设为140%，假设电费为1元/度。
5．1采用阀门调节时电耗计算
采用阀门调节流量时，功耗等于流量Q和压力H的乘积。各种流量的功耗计算如下：
P100%=1000KW
P70%=1000×0.7×（1.4-0.4×0.7×0.7）=842.8KW
P50%=1000×0.5×（1.4-0.4×0.5×0.5）=650KW
电费计算如下：1000×1600+842.8×4000+650×2400=6531200度，一年电费约653万元。
5．2采用调速且要求水压恒定时电耗计算
采用调速水泵调节流量时，如果需要压力恒定，则功耗仍然按流量Q和压力H的乘积计算。各种流量的功耗计算如下（其中0.96为调速装置效率）：
P100%=1000/0.96=1041KW
P70%=1000×0.7×1/0.96=729KW
P50%=1000×0.5×1/0.96=521KW
电费计算如下：1041×1600+729×4000+521×2400=5830000度，一年耗电费约583万元。
流量变化时，如果要求压力不变，相对于用阀门调节流量，采用变频器调节流量后，一年可以节省电费约653-583=90万元，节电量约为13.8%。
5．3采用调速且管路特性不变时的电耗计算
采用调速水泵调节流量时，如果没有压力要求，即假定外部管阻特性不变，则功耗正比于流量的立方。各种流量的功耗计算如下（其中0.96为变频器效率）：
P100%=1000KW
P70%=1000×0.73/0.96=357.3KW
P50%=1000×0.53/0.96=130.2KW
电费计算如下：1000×1600+357.3×4000+130.2×2400=3341680度，一年耗电费约334.1万元。
流量变化时，如果外部管阻特性不变（即流量小时，压力也小，调速时对压力不作要求），相对于用阀门调节流量，采用变频器调节流量后，一年可以节省电费约653-334=319万元，节电量达到48.8%。
从计算中可以看出，如果水泵依据流量需求而调速，对水压不作要求的工况，其节能效果大大好于要求水压恒定的工况。仿照以上计算方法，用户可以根据自己实际的水泵容量、供水工况及电费水平，直接预估出调速后的节能效益。
6、调速泵和工频水泵的并联运行
6．1多泵并联时，调速泵实现流量调节的图示
水泵不管全速运行或调速运行，总满足以下的特性关系：
水泵分别以不同速度 (n1>n2>n3>n4)运行的H_Q特性曲线，纵坐标H表示水泵出口水压，横坐标Q代表水泵流量。从H_Q曲线看出：
a水泵定速运行时，如果其流量减小，管道泵出口水压将增大。如A、B两点，水泵以恒定速度n1运行，当该泵流量由Q2下降到Q1时，该水泵出口水压将由H2上升到H1。
b如果水泵的流量相同，水泵高速运行时的出口水压高于低速运行时出口水压。如A、D两点。
c水泵降速运行时，如果其流量比高速运行时减小，则可以和高速运行时有相同的出口水压值。如B、C两点。
两台一样的水泵，分别以不同速度运行，如果各自流量不同，仍可以有相同的出口水压值，可以直接并联运行。
假如当前管网总流量为Q2+Q3，管网水压为H2，由两台水泵并联供水(多台并联时很容易类推)。定速泵以n1速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为Q2，运行于B点。调速泵以n2速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为Q3，系统达到平衡。
如果由于工况变化，管网总流量变为Q2+Q4，仍要保持管网水压为H2，由两台水泵并联供水(多台并联时很容易类推)。定速泵还以n1速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为Q2，运行于B点。而调速泵降速到n3速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为Q4，运行于E点。系统达到新的平衡。
在以上两种工况中，两台水泵的出口压力也完全一致，直接并联运行，不会有所谓的内耗存在。
6．2全速泵和调速泵直接并联运行需要注意的几个问题
a全速泵和调速泵的配置方案
从前面的分析很容易知道，需要多台水泵并联供水时，如果调速泵的容量能够满足峰谷调节能力，则只要配置一台调速泵即可，多台水泵同时调速不仅浪费投资，理论上也是没有必要的。当然，如果单台调速泵的容量无法满足峰谷调节需要，配置多台调速水泵，在流量大幅度变化时，不存在定速泵的再投入和再切除问题，控制和操作简单，水压控制平稳。
b调速水泵的低允许转速
从以上的特性曲线看出，如果管网总流量为Q2，管网水压为H2，定速泵将仍然以n1速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为Q2，运行于B点，单台水泵就已经满足供水要求。这时调速泵降速到n4速度运行，达到出口压力H2时提供的流量为0。
如果管网总流量进一步下降，而仍然要保持管网水压为H2，调速泵转速将降到n4以下，这时调速水泵虽然正转，但开始出现水倒流现象（假设没有配置止回阀）。定速泵多出的供水能力将被调速水泵所消耗，真正出现能量浪费现象。
在用变频器作调速水泵的驱动时，应将变频器的低频率限制在n4转速之上。变频器作恒压运行过程中，如果达到这个低频率点，应该切除一台工频泵，由调速泵提速后继续运行（假设调速泵和工频定速泵容量相同），满足供水要求。
a调速水泵和定速水泵的流量分配问题
调速泵和定速泵并联运行时，如果总管压力不变并且设定在正常范围，原来水泵选型也比较合理，调速水泵速度在正常调速范围，那么调速水泵和定速水泵的阀门都可以全部打开，以取得大的节能效果。但如果工艺上需要一个比正常值低的水压，或者定速泵的额定扬程远高于实际的管网水压值，则调速过程中可能需要适当关闭工频水泵的出口阀门，以防工频水泵过流。
b调速水泵的机械震动问题
传统的水泵都是按工频全速运转设计的，一般只在最高转速下长期运行，仅在启动过程中短时经历其他转速点，所以难保在除工频之外的其他频率点上不存在机械共振现象。将传统的水泵用调速装置驱动调速运行后，除工频点之外，水泵也可能在调速区域的所有频点上稳定运行，所以需要在整个调速区域对水泵机组作机械共振测定。如果存在机械共振频点，应该输入变频器，防止变频器在这些特殊的频率点上长期运行。
c流量变化时水泵的切除和投入对水压的影响
多台水泵并联运行时，出现调速水泵流量为0时，应逐步关闭一台定速水泵的出口阀门，调速水泵将自动升速接管原定速水泵的供水份额（假设调速泵容量不小于工频定速泵容量）。定速水泵的出口阀门全部关闭后，将定速水泵切除。定速水泵出口阀门的逐步关闭和最终切除，由电气线路控制自动实现。如果调速水泵流量为0时，不经过阀门的逐渐关闭过程就突然切除定速水泵，将导致水压的波动。
多台水泵并联运行时，出现调速水泵达到大转速时，应立即增开一台定速水泵，逐步开启该定速水泵的出口阀门，调速水泵将自动降速出让供水份额。定速水泵的启动和出口阀门的逐步打开，由电气线路控制自动实现。
a水泵良好效率运行点
水泵在设计时，有一个效率良好的运行点。出口压头过大或过低，流量过大或过小，虽然水泵仍然可以运行，但达不到良好效率。供水系统设计时，应按实际压力和流量处于水泵效率良好的运行点来选择和配置水泵。
调速运行后，水泵工作点变化范围较大，在一定水压和流量区间下工频运行具有良好效率的水泵，在其他转速运行时效率不一定达到良好值（但比调节阀门引起的效率下降要小得多）。水泵的生产设计厂家有必要对水泵在各种速度下都得到良好运行效率的课题加以研究，生产一种在调速范围内的各种速度下都有较高的运行效率、并且不会发生机械共振的水泵专作调速水泵使用。
b恒压供水和供水量的关系
作为供水企业，总希望单位时间内供出的水量越多越好，但这和用调速泵实现恒压供水并不矛盾。实际上，水流量的多少主要还是取决于用户用水量的大小，并不能由供水企业主观愿望而定。当然，适当提高供水水压有可能使供出的水量有所增加，但水量的增加有限，一味提高水压，不仅提高供水成本，有时还威胁管网安全，所以恒压供水现在还是调速水泵在很多自来水行业的运行方式。
7、水泵常见的各种调速方式
对高压大功率的水泵，常见的调速方式有液力偶合器调速、串级调速、内反馈调速、变频调速等多种方式。
7．1液力偶合器
液力偶合器调速应用较早，成本较低。但该技术属于滑差功率消耗型调速技术，转速越低，效率越低。它属于一种机械传输装置，必须插入在电机和水泵之间进行安装，对于水泵调速改造项目也不太适用，同时正因为它是电机和水泵的连接纽带，一旦它发生故障，水泵将无法运行。另外它不能解决电机的启动问题，电机仍然需要直接启动，启动冲击较大。液力偶合器本身维护工作量也很大，需要经常停机检修，换件换油。基于以上一些原因，尽管其成本低廉，除了历史用户以外，已经很少有人采用，这种技术目前正被逐渐淘汰之中。
7．2串级调速
串极调速是将转子滑差能量整流后再逆变回电网的一种调速方法，属于滑差能量回馈型调速技术，比液力偶合器调速在技术上占优。由于控制对象是电机转子，使用目前耐压水平的开关器件就可以方便实现对高压电机的控制。如果调速范围要求不高时，串极调速装置容量较小，成本也较低。但串极调速只适用于绕线式异步电机，鼠笼电机无法使用，而绕线式异步电机的滑环需要经常停机维护。串极调速装置本身是低压大电流设备，效率和可靠性都不是很高，对电网会产生一定的谐波污染。同液力偶合器技术一样，串极调速也没有解决电机的启动问题，需要配置一套专门的启动装置。
7．3内反馈调速
内反馈调速技术实际上也是串极调速的一种，是将转子滑差能量整流后，再逆变送入电机的另一套定子绕组。内反馈调速和一般串极调速技术相比，省掉了一台逆变变压器，但电机定子多了一套绕组，需要采用特殊制造的电机。同串级调速技术一样，内反馈调速装置控制的是转差功率，如果水泵对调速范围要求不高，装置容量可以设计得比较小，可以有效降低设备体积和成本。内反馈调速的低转速一般只能到60%，在高速段会产生5%的速度损失。由于设备本身的低电压大电流特性，限制了它可实现调速的电机容量的范围（对于1000KW/6KV电机，如果低调到60%的速度，调速装置电流就达到800A），设备本身会对电网产生较大的谐波污染和功率因数滞后，需要采取谐波抑制和功率因数补偿措施。内反馈调速技术同样没有解决电机的启动问题，需要专门的启动设备。
7．4变频调速
变频调速技术和串级调速不同，它通过改变电机定子的供电频率，实现对电机的速度控制，所以它适用于鼠笼型异步电动机，克服了绕线式异步机需要经常维护滑环的弊端。除了变频器本身设备成本较高外，它的优越性是显著的：
a适用于笼型异步机，也适用于绕线式异步机（只需将转子绕组短接）。
b装置电流小，可实现大容量异步电机的调速需要。
c由于直接控制电机定子供电频率，可实现真正的软启动，不需要专门的启动设备，减少启动冲击。
d变频器可以高精度(0.2‰)、高效率(>96%)、宽范围(0%~100%)地实现对电机的调速控制。
e属于************产品，易于和自动化系统联机，提高生产自动化水平。
f基本免维护，几乎没有使用成本。
g易于直接构成闭环控制系统，实现水压、流量、水位等的自动控制。
当然变频调速技术本身目前也有多种，如高-低方式变频器调速（即用变压器将电网高压降为低压，然后接低压变频器，控制低压电机）、高-低-高方式变频器调速（即用变压器将电网的高压降为低压，然后接低压变频器，再用变压器将变频器输出电压升高，控制高压电机），直接高-高方式变频器调速（变频器输入侧直接接高压电网，输出侧直接连接高压电机）等。单就水泵调速而言，由单元串联组成的高-高方式变频器在技术性能上占有一定优势。
8、HRSVERT-A变频器在水泵调速上的应用
HARSVERT-A变频器是一种单元串联多电平高压变频器产品。分3KV、6KV、10KV三大系列，容量从250KVA-5000KVA，覆盖的电机功率等级范围为200KW-4000KW。HARSVERT-A变频器目前已广泛应用在市政供水、冶金、电力、石化等国民经济的各个领域。
8．1变频器主要特点
a变频器为高－高结构，输入侧直接连接用户高压开关，输出侧直接连接水泵电机，不需输出升压变压器。
b30、42或48脉冲输入，电网侧电流谐波小于4%，功率因数大于0.95(20~100%负载时)，不需要功率因数补偿和谐波抑制装置。输出正弦波电压，电流谐波小于1%，不需要滤波器，可以直接使用普通异步电动机。
c变频器有共振点频率跳跃功能，可有效避免风机喘振现象。
d变频器对电网电压波动有极强的适应能力，在±10%范围内变频器能满载工作，电网波动-35%时20秒内不停机，对42或48脉冲变频器，主电源完全失电3秒内也不会停机。
e变频器效率为96％（含变压器）；
f本机操作和远程监控均采用全中文界面，参数设定、故障查询、功能设定、启动停机操作等全部为中文，适合于中国一般值班运行人员水平。
g具有故障自诊断功能，能对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，功率电路模块化设计，维护水平要求低。
h具有就地监控方式和远方监控方式。
i调速范围：0-100%连续可调，调频精度为0.01Hz，加/减速时间0.1-3200 秒
j可自动做运行记录，可打印输出运行报表。
k自备UPS，控制电源掉电报警但不会停机，可维持20分钟。
8．2变频器针对供水的专用功能
由于HARSVERT-A变频器直接内置PLC，易于改变控制逻辑关系，可以适应多变的现场需要。在供水使用时，HARSVERT-A变频器直接设置了闭环运行、自动调度、阀门联动等专项功能。
闭环运行功能：
变频器采集现场的水压、水位、流量等数据（4~20mA信号），根据其设定值和实际值的变化情况，自动调节变频器输出频率，控制水泵转速，实现恒压供水、恒流量供水、或恒水位控制。
自动调度功能：
用户可根据一天内运行工况的需求情况，将变频器的运行方式及给定值按对应的时间段一次性填入变频器的自动调度表，在一天之内变频器将按照调度表自动运行，不再需要运行人员随时调整，实现真正无人值守。
阀门联动控制功能：
a水泵启动后，当泵口水压达到规定值时，变频器自动开启阀门；
b在规定时间内，如果阀门无法开启到位，变频器提供报警信息；
c需要停机时，变频器自动先关闭阀门，阀门全关后，变频器自动减速停机；
d在规定时间内，如果阀门无法关闭到位，变频器提供报警信息，同时继续运行保障供水安全；
e变频器故障时，变频器将首先自动关闭阀门；
f阀门联动功能可以由用户选择有效或无效，同时不影响原有的开阀和关阀控制功能。
9、结语
综合本文所述，在供水系统中，调速水泵和定速水泵并联运行时，由于分担的流量不同，尽管速度不同，但水压相同，不过变频水泵有低速限制要求。如果水泵是根据流量变化来调节速度，在对水压有要求时（压力不变而流量变化，实际相当于管阻特性变化），不能简单按照功耗正比于流量的立方这种关系去计算节能效益，因为这种场合下（即管阻变化）这种关系并不成立。在水泵的诸多调速方法中，其中尤以单元串联多电平变频器为优，它不仅效率高、功率因数高、而且波形好，对电网不产生谐波污染。HARSVERT-A变频器还内置PLC，可以将不同用户的不同要求和变频器的启动停机操作进行无缝集成，大大提高变频器应用的自动化程度。
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