变频器调速技术与应用 项目3 变频水泵恒压供水控制- 电子教案

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节项目3变频水泵恒压供水控制3.1~3.2课次/周授课方法讲授+图示分析+案例讲解教具PPT、G120变频器、电动机铭牌、水泵模型教学内容1.变频器恒压频比（U/f=C）控制原理、参数设置与特性；2.变频器矢量控制原理、模式选用与参数设置；3.恒压频比与矢量控制的区别及应用场景教学目标知识目标：理解恒压频比控制原理、特性曲线；掌握矢量控制原理，分清两类控制模式关系；熟记G120变频器对应功能参数。能力目标：能根据电动机参数计算恒压频比系数；能依据负载类型选择控制模式；可独立完成电机基础参数预置。重点、难点重点：恒压频比控制原理、参数设置；矢量控制应用选型。难点：低频转矩补偿原理；交流电机矢量控制等效直流电机的控制逻辑。复习提问1.三相异步电动机感抗与电源频率存在什么关系？2.变频器单纯改变频率调速会出现哪些问题？作业1.一台额定电压380V、额定频率50Hz的电机，计算其恒压频比系数。2.简述恒压频比控制的三大作用。授课时长2学时课后小结1.变频器恒压频比（U/f=C）控制原理、参数设置与特性；2.变频器矢量控制原理、模式选用与参数设置；3.恒压频比与矢量控制的区别及应用场景教案附页注释【知识学习】一、课堂导入水泵、风机是工业与民用领域常用负载，传统工频供水存在水压不稳、电能浪费、电机启动电流过大等问题。变频器依靠调速技术实现恒压供水，而驱动电机的核心就是控制模式选择。本节课学习两大核心电机控制模式：恒压频比控制与矢量控制，为后续恒压供水闭环控制学习奠定理论基础。二、知识学习3.1变频器恒压频比（U/f=C）控制3.1.1恒压频比控制原理电感电路的电压、电流用有效值表示时，符合欧姆定律，即或，式中，UL为电压有效值，单位为V；IL为绕组电流有效值，单位为A；XL为绕组感抗，单位为Ω。感抗是频率的函数，即XL=2πfL式中，f是电源的频率，单位Hz；L是电动机绕组的电感量，单位为H。当电动机制造完毕，L即为常数。由式中可见，f↓→XL↓，当f=0，XL=0。由（3-1）式可见，XL=0，IL→∞。可见，当频率很低时，电动机的电流趋近无穷。显然只改变频率调速是不行的。将式（3-1）改写，把电流IL定为常量，有，令2πLIL=C有式中C为常量，即当改变f时电压也成比例的变化，可使电流不受影响。该式称为“恒压频比”控制。因为一切变频器都得按照“恒压频比”进行工作，因此，又称“恒压频比”控制为“基本恒压频比”控制。3.“恒压频比”特性线根据“恒压频比”模式，当变频器的输出频率变化时，输出电压也同时成比例的变化。输出频率上升，输出电压上升，输出频率下降，输出电压下降，如图3-2所示。当频率上升到50Hz，输出电压上升到380V。在电动机起动时，因为f很低，U很低，电动机的绕组体电阻不减，使起动电流很小，不能满足起动要求。为提高起动转矩，人为的将起动时的电压提高一些，称为低频转矩补偿，见图中虚线所示。图3-2恒压频比特性曲线4.“恒压频比”特性线设置因为“恒压频比”特性线，是针对电动机设置的工作特性线，所以必须将电动机的相关参数“预值”到变频器，变频器才能按照预置的参数对电动机进行“恒压频比”控制。变频器需要设置的参数就是电动机铭牌标定的额定电压和额定频率。如G120变频器设置参数：p0304=380V（电动机额定电压，非电网额定电压）；p0311=50Hz（电动机额定频率，非电网额定频率）。如果是国外电动机，额定电压和额定频率与我国不同，按电动机铭牌参数设置。3.1.2.“恒压频比”特性的用途1.解决了三相笼型电动机的起动难题变频器“恒压频比”控制，因为起动电流是恒定的，解决了三相笼型电动机起动电流大的问题。因此淘汰了电动机的起动电路，电动机可以频繁起动，不再因为起动电流大造成电动机过热。特别是对于大功率的交流电动机，工作中本不需要调速，但是需要频繁起动，因此选用变频器控制。2.变频器工作平稳由于变频器恒流工作，在起动中没有了“电流的过渡过程”，在电梯、起重机以及往复运行的设备中，变频器的这个特点特别的受欢迎，这也是变频器普及应用的原因之一。3.“恒压频比”控制满足了设备工艺要求和节能（1）满足工艺要求传动设备随着生产质量的提高，对传动速度的要求提出更高的要求。变频器在调速过程中，“恒压频比”控制是恒转矩控制，转速高低转矩不变，速度在0~50Hz变化时，电动机始终有额定转矩输出，保证了传动设备的动力需求。（2）满足了节能控制风机、水泵等负载，在工频电网上工作时，转速和转矩是恒定的，电功率也是恒定的，出水量或出风量也是恒定的。当需要的用水量或用风量减少，就由截门节流，多余的风或水就被节流掉了，造成能量的浪费。采用变频器调速控制，当用水量或用风量减少，降低速度就解决了，可以节省大量的电能。5.变频器加减速特性线设置变频器工作中总有起动和停机以及加速或减速的过程。因为电动机驱动的负载都有惯性，根据力学原理，加速或减速都要有力的作用，变频器输出的转矩表达式为TM=TL+TA式中，TM——变频器输出的总转矩，单位N.mTL——负载工作时的转矩，单位N.mTA——变频器加速时的附加转矩，单位N.m根据牛顿力学定律，F=ma，m是负载的质量，a是加速度，变频器在起动时是加速过程，即起动时在TL的基础上又叠加了TA，当正常工作之后，TA自然消失。为了消除TA的影响，变频器在选型时要留出1~2个功率档次的余量；加速时间根据具体情况，可选择的长一些。图3-3是变频器的加减速特性线设置，加减速时间的长短由负载的惯性大小来决定，以变频器起动和停机时不过电流为限。设置时可以根据经验和试探法，能满足工作需要就可以。G120变频器加速时间参数码为p1120；减速时间参数代码为p1121。图3-3变频器加减速特性线7.变频器恒压频比控制参数设置变频器是把功能细化为功能参数，通过选参数来确定变频器的功能。“恒压频比”控制是变频器对电动机控制，因此要把电动机的相关参数预置到变频器。表3-1是“恒压频比”控制参数预置表。3.2变频器矢量控制3.2.1什么叫矢量控制 既要控制电动机的电流大小，还要控制电流和电压之间的相位，称为矢量控制。1.直流电动机调速分析图3-4（a）是直流电动机的工作原理图，电动机分为两个绕组，定子绕组和电枢绕组。当定子绕组通入电流Im，产生N、S磁极和磁通Φm，该绕组称为励磁绕组。电枢绕组安装在转子上，其绕组的轴心线和励磁绕组正交。当电枢绕组中通入电流Ia，形成转子磁场，两个磁场相互作用使转子产生电磁力矩，转子在电磁力矩的作用下而发生转动。两套绕组在机械结构上互相独立，在空间互差90°，在电气上也是分开的，分别由两个电源供电。（a）（b）图3-4直流电动机的工作原理图（a）工作原理示意图（b）转矩特性线直流电动机的转矩表达式为：T=CTΦmIa（3-5）式中，T—电磁转矩；CT—电动机常数；Φm—定子气隙主磁通，由励磁电流Im控制；Ia——电枢电流。当励磁电流Im一定，Φm为常数。并且在控制Φm时不影响Ia，在控制Ia时同样也不影响Φm。转矩特性如图3-4（b）所示，转矩T与电枢电流Ia成正比，增加Ia，电动机的转矩也线性增加。因而直流电动机具有良好的控制特性。2.交流异步电动机分析交流异步电动机也有两套绕组，即定子绕组和转子绕组。定子绕组工作时和外部电源相连接，当给定子绕组加上三相交流电，在定子表面产生旋转磁场。转子绕组通过电磁感应在绕组中产生感应电动势和感应电流，感应电流产生电磁力，将电能转换为机械能输出。见图3-5（a）所示。交流异步电动机转子的转矩表达式为T=CTΦmI2cosφ2（3-6）（a）（b）3-5交流异步电动机工作原理（a）转动原理示意图（b）转矩特性式中，T—电磁转矩；CT—电动机常数；Φm—定子气隙磁通；I2—转子电流；cosφ2—转子回路功率因数。图3-6（b）是电动机的的转矩特性，由图中可见，转矩T和I2电流并不是线性关系，主要是受cosφ2的影响。3.矢量控制根据比较分析，直流电动机调速反应快是电枢电流和输出转矩是线性关系，交流电动机调速反应慢是在调速中出现变量cosφ2，并且变量cosφ2和I2电流的变化方向相反！。如果将cosφ2变为常数，则交流电动机和直流电动机的转矩特性相同，交流电动机也就具有了直流电动机的转矩特性。（1）坐标变换首先建立旋转坐标系，直流电动机没有旋转磁场，将电压和电流矢量放在假想的旋转磁场中；交流电动机电压和电流是处在旋转磁场中。令直流电动机假想旋转磁场和交流电动机的旋转磁场转速相等，转向相同。图3-6是旋转磁场坐标系，由图中可见，直流电动机的电流电压同相位，功率因数cosφ=1；交流电动机电压超前电流φ0角，并且φ0随着电流的增加而增大，使功率因数cosφ下降。为了消除交流电动机cosφ的影响，控制交流电动机坐标系中的、矢量等于直流电动机坐标系中的、矢量，即控制φ直=φ交，φ0=C（为常数）。则交流电动机就具有了直流电动机的机械特性。图3-6旋转坐标系（a）直流电动机旋转坐标（b）交流电动机旋转坐标（2）矢量控制过程交流电动机的矢量控制，是由变频器控制输出电压和输出电流的相位来完成控制的。根据控制模型编制控制指令（参数码），由参数码控制矢量控制的实施。矢量控制是动态控制。主要应用于带载起动或调速过程中要求快速性好的系统中。如果速度恒定，定子电流恒定，矢量控制不起作用。如风机、水泵工作时负载很平稳，一般不采用矢量控制。3.2.2.矢量控制模式选用1.矢量控制使交流笼形电动机变的完美交流笼型电动机有了矢量控制，调速具有直流电动机的机械特性，起动具有绕线转子电动机的机械特性，恒速运行机械特性又较硬；结构简单效率高，密封工作免维护。因此交流笼型电动机是变频器驱动的首选电动机。需要指出的是：矢量控制是变频器改变控制策略使交流电动机具有直流电动机的转矩特性，交流电动机的本性没有改变。2.矢量控制和“恒压频比”控制的关系“恒压频比”控制是基本控制，矢量控制是在恒压频比控制基础上的修正控制，矢量控制只有电动机参数出现动态变化时才起作用，电动机平稳运行时按恒压频比特性工作。在选用变频器时，带载起动、重载设备、工作中具有冲击性的负载，调速要求快速性很高的设备，均选择矢量控制变频器。轻载、对控制没有特殊要求，可以选用“恒压频比”控制。变频器采用矢量控制模式，要用参数进行切换，要准确设置电动机参数，变频器对电动机要进行自学习等。3.变频器矢量控制参数选择变频器矢量控制也是变频器对电动机的控制，因此，电动机参数是必设参数。表3-2是G120变频器矢量控制设置参数。三、能力培养能根据电机铭牌数据计算恒压频比系数，读懂特性曲线；能根据负载类型，正确选择恒压频比/矢量控制模式；对照参数表，独立完成G120变频器电机参数、控制模式参数预置。四、课堂互动与拓展思考：家用供水泵长期稳定运行，为何不推荐使用矢量控制？拓展：大功率水泵启动时，开启低频转矩补偿的作用是什么？五、课堂总结恒压频比是变频器最基础的控制模式，适配绝大多数平稳负载；矢量控制是优化方案，专门针对动态、重载负载。两种模式都必须严格按照电机铭牌设置参数，参数错误会造成电机过热、跳闸、无法启动，是变频器实操的重点内容。××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节项目3变频水泵恒压供水控制3.3~3.4课次/周授课方法讲授+框图分析+参数实操演示教具PPT、G120变频器、模拟压力信号源、控制接线图教学内容1.闭环PID控制原理、P/I/D各环节作用；2.恒压供水PID控制流程、信号采集与转换；3.变频器速度控制、转矩控制模式原理与参数设置教学目标知识目标：掌握PID三环节控制特性；理解恒压供水闭环控制逻辑；区分速度控制与转矩控制的应用差异。能力目标：能分析压力给定、反馈信号的工作过程；能完成PID基础参数设置；能根据工况选择速度/转矩控制模式。重点、难点重点：PID控制原理、恒压供水闭环逻辑、速度控制参数设置。难点：P/I/D参数调试逻辑、转矩计算公式与转矩参数设置。复习提问1.1.变频器恒压供水为什么需要采用闭环控制？2.变频器最基础的控制模式是什么？作业1.1.分别说明比例(P)、积分(I)、微分(D)在PID控制中的作用。2.简述水泵PID恒压供水的信号流向。3.已知7.5kW电机、转速1440r/min，计算其额定转矩。授课时长222学时课后小结本节课学习了变频器PID闭环过程控制与两种运行控制模式。PID是恒压供水的核心，比例环节提升响应速度、积分环节消除静差、微分环节抑制波动，水泵类流体设备一般关闭微分环节。速度控制是变频器最常用模式，以转速为控制目标；转矩控制以输出转矩为目标，多用于多电机同步工况。本项目采用速度控制+PID闭环组合方案，参数现场调试是运维核心技能。教案附页注释【知识学习】一、课堂导入普通开环调速仅能固定水泵转速，用水量变化时水压忽高忽低，无法满足供水要求。想要保持水压恒定，必须采用闭环控制，依靠PID算法自动调节水泵转速。本节课学习PID闭环控制原理、参数调试，以及变频器两大运行模式：速度控制与转矩控制。二、知识学习3.3.1闭环PID控制1.闭环过程控制过程控制是指石油、化工、电力、冶金、加工、水务等各个生产领域，在生产过程中，将其生产过程中某个过程物理量稳定在设定值上的一种控制技术，称为过程控制。被控物理量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量。过程控制是电机拖动技术中重要的组成部分。过程控制是闭环控制，要将输出物理量反馈到输入端。图3-7是闭环控制图。图3-7变频器闭环控制图在过程控制中，希望被控物理量等于目标设定值，当出现了偏差立刻纠正过来。因为物质都具有惯性，纠偏速度快了容易引起系统振荡，纠偏速度慢又反应迟钝。人们通过理论分析，建立数学模型，找到最佳控制模式。2.闭环PID控制（1）闭环PID控制数学模型在闭环稳定控制中，模拟调节器是整个稳定控制的核心，其中模拟PID调节器的控制算法要适应各种惯性负载，其表达式为（3-7）式中，u（t）——调节器的输出量；e（t）——给定量与被控量的偏差；kp——比例增益系数；TI——积分时间常数；TD——微分时间常数。在式（3-6）中，只包含第一项时称为比例（P）作用，将偏差信号放大，提高反应的快速性；只包含第2项时称为积分（I）作用，积分具有延迟和无限趋近的特性，最后消除误差；只包含第3项时称为微分（D）作用，具有超前特性，提高起始时的快速性；只包含第1、2项的是比例积分（PI）作用，是P特性和I特性的中和，反应快、不震荡又没有偏差；只包含第1、3项的是比例微分（PD）作用；同时包含这3项的是比例积分微分（PID）作用。在PID控制算法中，比例作用是最基本的、不可缺少的，但有余差存在；加入积分作用后，能提高控制精度，消除余差；加入微分作用，则起到加速控制作用。只要根据具体的控制系统合理的选择P、I、D参数，就会得到反应快、无偏差、无振荡的跟踪控制。（2）PID控制框图图3-8是PID稳定控制框图，图中是以水泵恒压供水控制为例进行分析。AI0（变频器0号模拟端子）是“目标”信号，表示水泵需要的压力；AI1（变频器1号模拟端子）是反馈信号，表示水泵现场“实际”压力信号；比较器将两个信号进行比较，产生误差信号△x，当△x为：△x＜0，变频器升速，△x＞0，变频器降速，△x=0，变频器恒速运行。△x通过PID处理，生成XG控制信号，控制变频器平稳的升速或降速，跟踪“目标信号”运行。图中“传感器”是检测现场信号的，特别强调的是稳定现场什么物理量，就选择什么物理量的传感器。本例是稳定水泵的出水压力，要选择“压力传感器”。图3-8恒压供水控制框图①设置目标信号XT。XT是水泵的压力给定信号，称为目标信号。变频器应用之前首先要设置目标信号。目标信号的大小和使用的传感器量程有关、和水泵的出口压力设定值有关。假设使用的压力传感器压力量程为0~1Mp，对应的输出电压为0~10V；又假如水泵的出口压力设为0.6Mp，当达到设定的压力时，传感器输出电压为6V，这个6V就是目标信号的给定值。即目标信号给定是两个条件，一个是传感器的压力量程；一个是水泵需要的压力值。②反馈信号XF。反馈信号用XF表示，是水泵的压力通过传感器转化为的电信号，又称为现场信号，其大小和水泵的压力成正比。由上述分析可见，只要≠0，变频器的输出频率就进行调整，使水泵的压力恢复到设定值。图3-9是实际压力和设定压力关系图，是动态跟踪。图3-9压力曲线3.PID各参数控制特点（1）P控制器见图3-11（a）所示，P控制器就是一个模拟电子放大器，输入一个小信号ui，按比例的输出一个放大了的大信号uOP。故称为比例调节器。当比例系数设置的大，纠偏速度快，系统恢复的快，但比例系数调的太大会出现系统振荡。（2）I控制器I控制器是一个积分器，积分器的特点是输出信号延迟于输入信号，见图3-11（b）输出波形。由图中可见，I控制器的积分特性线很特别，越接近最大值，变化越平缓，也就是到了纠偏结束时，变频器的加速基本上停止，也就是I控制器本质上不存在超调现象。该参数设置的越大，反映越迟缓。（3）D控制器见图3-10（c）所示，D控制器是微分器，由输出波形可见，当输入波形到来，有一个突跳的输出波形，然后逐渐下降到0。该特点有助于快速启动纠偏，当纠偏开始之后，逐渐就失去作用。图3-10PID控制器（a）P控制器（b）I控制器（c）D控制器3.3.2PID参数的选用与调试1.PID参数的选用（1）P参数的选用。P控制器在选用时，KP越大，纠偏速度越快，控制精度越高，但会出现系统振荡。图3-11（a）是P参数设置较大时出现了振荡。（2）I参数的选用I控制器只能趋近误差信号的最大值，没有放大误差信号的作用。该参数独立应用意义不大。图3-11（b）是I参数应用波形。（3）P、I参数联合应用P参数提高纠偏速度，使系统快速回到稳定状态，但容易超调形成系统振荡。I参数反应延迟，和P参数正好互补。当P参数使系统出现振荡，加大I参数设定值，当振荡消除，系统反应又很快，出现偏差快速恢复，系统就调试完毕。如图3-11（c）所示。（4）D参数选用D参数一般用在机械传动设备上的稳定控制，流体和气体设备一般不用。图3-11PID参数设置（a）P参数设置大（b）I反应慢（c）PI设置合适2.变频器PID控制参数设置变频器控制又称工艺控制，通过改变电动机的转速，完成负载的工艺控制。PID控制需要设置的参数见表3-3。3.4.1变频器速度控制模式1.速度控制变频器给定一个电信号，对应一个输出频率，电信号和输出频率成线性对应关系，称为速度控制。图3-12（a）是速度控制特性线，速度控制是变频器应用最多的控制，一般情况下都是采用速度控制。转矩控制模式是给定一个电信号，对应一个输出转矩，电信号和输出转矩成线性对应关系。图3-12（b）是转矩控制特性线，转矩控制是速度控制的补充，当采用速度控制达不到控制目的时，可以采用转矩控制。（a）（b）图3-12速度控制和转矩控制图（a）速度控制（b）转矩控制2.速度控制参数设置G120变频器选择速度控制，采用p1000参数设置，如p1000=1，控制板进行速度控制；p1000=2，模拟端子进行速度控制。应用举例：变频器采用速度控制模式，要求由模拟AI0控制端子给定速度信号，给定0~10V控制电压，输出0~50Hz输出频率。参数设置见表3-4。3.4.2变频器转矩控制1.变频器转矩控制变频器AI0端子给定0~10V电压，电动机转矩在p1521~p1520之间变化。在进行转矩控制设置之前，必须知道转矩的最小值和最大值，否则无法设置。转矩的最大值是根据电动机的额定功率计算的。变频器参数设置见表3-5。三、能力培养能梳理恒压供水PID闭环的信号流向，区分给定信号与反馈信号；结合水压波动现象，判断P、I参数的调试方向；套用公式计算电机额定转矩，完成速度/转矩控制模式参数设置。四、课堂互动与拓展现场调试思考：水泵水压频繁上下波动，该调大还是调小比例系数P？拓展：为什么供水系统PID一般不使用微分D环节？五、课堂总结PID闭环是实现恒压供水的核心技术，PI组合是水泵最优控制方案。速度控制是本项目运行基础，配合PID闭环实现全自动稳压。转矩控制为补充模式，多用于多机同步工况。参数无固定标准数值，需结合现场管路、用水量反复微调。

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节项目3变频水泵恒压供水控制3.5~3.7任务实施课次/周授课方法讲授+识图、电路分析、实操演练教具PPT、离心泵模型、压力传感器、G120控制柜教学内容1.离心水泵结构、工作原理与负载特性；2.恒压供水系统设备选型、电气接线与传感器安装；3.变频器全套参数设置、系统调试、日常维护与常见故障排除教学目标知识目标：掌握离心泵结构、流量/压力/功率特性；熟悉供水系统设备选型原则、电气回路原理。能力目标：能完成压力传感器接线、变频器全套参数设置；能独立开展系统调试；能排查供水系统常见故障。重点、难点重点：离心泵负载特性、系统设备选型、变频器全套参数设置。难点：传感器信号转换、现场PID参数联调、供水系统故障排查。复习提问1.水泵恒压供水采用什么闭环控制算法？2.变频器速度控制的核心参数有哪些？作业1.简述离心泵流量、压力、功率与转速的关系。2.绘制恒压供水系统传感器与变频器模拟端子接线示意图。授课时长2学时课后小结本节课完成变频水泵恒压供水全项目实操内容。系统由水泵、电机、变频器、压力传感器四大核心设备组成，接线、参数设置、PID联调是调试三大核心步骤。日常需定期检查管路、传感器、电气接线；针对水压不稳、变频器跳闸、水泵不出水等典型故障，结合原理逐一排查。本项目综合运用恒压频比、PID闭环、速度控制等知识点，是变频器供水领域的典型应用。教案附页注释【知识学习】一、课堂导入前期课程学习了变频器各类控制原理与参数，本节课落地到实际工程项目：从水泵本体结构、负载特性入手，完成设备选型、接线、参数设置、系统联调，同时学习现场维护与故障处理，完成整个变频恒压供水项目综合实训。二、知识学习3.5.1水泵概述1.离心水泵的用途人们生活离不开水，水又是取之不尽的资源，除了满足人们生活用水之外，农业用水、工业用水也在随着科学的发展逐年增加。过去农业靠天吃饭，生活近水而居。发明了水泵之后可以从地下、从低处将水泵升到高处灌溉农田，改变了农业的格局；2.水泵转矩、流量、功率特性（1）转矩和转速离心水泵是通过离心力工作。图3-14（a）是离心泵工作原理图，图中叶轮在逆时针转动时，水受到离心力作用被甩向四周，被蜗壳所收集从出水口排出。叶轮的转速越高，离心力越大，甩出的水量越大，压力越高。水泵轴转矩和转速符合二次方减转矩关系T=kn2（3-9）P=kn3（3-10）式中，T为转矩，单位N·m；n为转速，单位r/min；P为功率，单位kW。（a）离心泵原理（b）水泵扬程图3-14水泵工作原理图（2）流量Q、扬程H和轴功率P离心水泵的流量是指单位时间内，排到管道系统中的液体体积，一般用Q表示，常用单位为m3/s、m3/min或m3/h。离心水泵的扬程，是指离心水泵工作时在垂直管道中吸程和扬程的总和H。见图9-14（b）所示。扬程用H表示，单位为m。离心泵扬程的大小取决于水泵叶轮直径的大小、叶片的弯曲程度和叶轮的转速。水泵的扬程H和水泵出水口的压强P成正比，换算关系为：100m高水柱约等于1MPa压强（简称压力）1MPa=10kg/cm2=106Pa（3-11）水泵的轴功率是指水泵轴输出的机械功率，大小与Q和H的乘积成正比，表达式为（3-12）式中，P的单位为kW，Q的单位为m3/min，H的单位为m，ηP为水泵的效率。（3）特性线分析①转矩特性线。图3-15（a）是转矩和转速是“二次方”减转矩特性；功率和转速是“三次方”减功率特性。该特性对电动机起动非常有利，变频器从0~nN，输出转矩和功率始终在额定值以下，不会出现过载现象，所以，变频器选择时功率容量和电动机功率相同即可。变频器工作中要注意：不能超频工作，当超过了额定转速，转矩按照平方规律上升，变频器过载跳闸。②流量、压力、转速特性线分析。图（b）是其特性线，图中n0是最低转速线，在此线以下水泵不出水，是水泵应用最低频率。水泵流量Q∝n，压力H∝n2，功率P∝n3。水泵的流量Q、压力H受管阻r影响，当增加管阻r，可以降低水泵的出水量。变频器出现之前，就采用挡板调整水阻r，来调整流量Q的大小。发电厂给水泵在设计时为了应急，都留出20%的供水余量，实际工作时只用80%的水，多出的40%的水由挡板节流掉。电能浪费很大。当采用变频器恒压供水，就没有了浪费现象。（a）（b）图3-15水泵特性线（a）减转矩特性线（b）流量、压力、转速特性线3.5.2低压离心水泵分析1.单吸卧式离心泵单吸是指叶轮单面吸水，卧式是指水泵轴平行安装，“离心”是指水泵叶轮是通过离心力工作。图3-16是单吸卧式离心泵外形图。图中机体是“蜗壳”形，叶轮在蜗壳中转动，通过离心力进行“泵水”，水从吸水口进，由出水口泵出。“支架”是支撑水泵的转轴以及旋转部件，转动做功。图3-16单吸卧式离心泵外形图2.单吸离心泵结构图3-17是单吸卧式离心泵剖面图，下面就主要部件加以分析。图3.17单吸卧式离心泵剖面图（1）叶轮叶轮是水泵“泵水”部件，当叶轮高速转动，水受到离心力作用被“甩”向四周，由“蜗壳”汇集从出水口排出；叶轮在“甩水”过程中轴心形成负压，水从“吸水口”吸进，从出水口压出。图10-28是3种不同形状的叶轮，各有其用途。图（a）是“开式”叶轮，在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于“输送泵”。“输送泵”是输送纸浆、污水、以及含有较大悬浮物的物料。工作效率和输送压力低。图（b）是“半开式”叶轮，半开式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低。一般“渣浆泵”、“泥沙泵”多为此类叶轮。图（c）是“闭式”叶轮，在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体。是清水泵、增压泵的主要叶轮。（a）（b）（c）图3-18叶轮分型（a）“开式”叶轮（b）“半开式”叶轮（c）“封闭式”叶轮叶轮在吸水的同时，叶轮和叶轮轴也受到同样大小的反作用力，方向向左（见图3-20）。在大功率水泵中，这个轴向力很大，影响水泵的正常工作。叶轮在吸水口处安装“叶轮口环”，叶轮口环是防漏装置，目的是阻止高压水向吸水口处反流。为了增加水阻，叶轮口环的内表面加工成锯齿状，并和叶轮保持最小间隙。（2）水泵轴水泵轴是水泵的核心部件（见图3-29），具有传递扭矩、支撑和定位功能。在工作中承受水泵的总扭矩和来自吸水口的轴向力，轴向力的方向指向吸水口。图3-19水泵轴3.5.3单级“双吸”卧式中开离心水泵1.结构和工作原理单级：指1个叶轮；双吸：指叶轮从两侧面吸水；卧式，指的是“水泵轴”处于水平状态。中开是指水泵箱体从中间分为两部分。简称为“双吸离心泵”。图3-20（a）是“双吸离心泵”外形图，由图中可见，水泵壳体是以上盖高出部分为中心，左右对称，上盖高出部分内部就是“双吸叶轮”。图（b）是“双吸叶轮”外形图，由图中可见，该叶轮工作时是两面吸水中间出水，工作时两面吸水产生的轴向吸力相互抵消，泵轴不再承受轴向力。因为叶轮两个侧面吸水均为低压，不存在高压侧面，轴向漏水也就不存在了。（a）（b）图3-20“双吸离心泵”外形图（a）主机（b）“双吸叶轮”2.结构特点（1）叶轮密封环图3-21是泵体内部结构图，由图中可见，叶轮处在正中位置，叶轮两边是低压吸水口，中间为高压出水口，为了阻断高压出水口和低压吸水口的漏水，采用密封环密封。密封环是根据液阻原理制造的，它既要和叶轮之间留有缝隙，防止叶轮和密封环抱死，又要使缝隙中的漏水最小。根据液体在弯管中流动要比在直管中流动“液阻”大的原理，在密封环的内表面上做成“沟状”和“齿状”，增加水流动的阻力，起到密封的作用。图3-21双吸离心泵内部结构图3.“双吸离心泵”的特点和用途（1）特点①结构紧凑，运行可靠，出水量大，出水压力高。②运行平稳，轴向力减小到最低限度，泵壳内表面及叶轮表面抗汽蚀性能和高效率。③选用机械密封和填料密封，工作8000小时无泄漏。（2）主要用途①适用于排涝、农田灌溉及各类水利工程；②市政供水、消防系统供水和空调系统供水；③钢铁冶金企业供水、石化炼油厂供水、造纸厂供水、热电厂等的给排水。3.6.1变频器水泵PID恒压供水控制1.水泵PID恒压供水恒压供水就是水泵在供水中保持水压的稳定。在市政供水中，供水面积大，用水量不稳定，当出现用水量大时水压低，管道终端水压不足；用水量小时水压升高出现“憋泵”、爆管。变频器恒压供水可以完美的解决远程供水和“憋泵”、爆管等问题。市政恒压供水还可以节约大量的电能，因此，市政水务局是最早采用变频器控制的行业。2.设备选型（1）选择水泵自来水公司应用双吸水泵，配用450kW/660V电动机驱动，由变频器恒压控制供水。图3-31是泵房水泵和电动机安装图。图3-22水泵与电动机（2）变频器选择根据电动机容量和供电电压选择变频器。选择西门子G120P型系列风机水泵专用变频器，变频器功率和工作电压和电动机相同，即450kW/660V，变频器外形见图3-28（a）所示。图（b）是变频器控制柜，将变频器和电气控制部件安装在控制柜中。（a）（b）图3-23变频器与控制柜（a）G120P变频器（b）变频器控制柜（3）压力传感的选择压力传感器是水泵PID控制必须的一个检测器件。安装在供水管道上，通过压力检测部件将水的压力转换为电信号，通过电缆把检测信号传输到变频器。变频器根据压力信号的高低调整变频器的输出频率，达到