带转矩控制的BE HAW固态软起动器可以消除水锤上海杰诣通用电器有限公司 厉无咎 李正中 蒋智华Avoid Water Hammer y Using the olid tate oft tarter with Torque Control hanghai Jieyi General Electric Inc. Li Wujiu Li Zhengzhong Jiang Zhihua 摘要： 当液体在管路系统中受外力突然加速或突然减速或改变流向就会造成水锤。水锤危害很大，轻则引起管路系统振动，发出噪声，重则造成损坏，甚至使泵房被淹。本文分析了水泵起动和停止时造成水锤的原因，认为采用具有转矩控制的BE HAW固态软起动器可以消除水锤，而其他如水电阻之类的电机起动器因为不具备转矩控制能力，故不能消除水锤。Whe a water tra fer ystem i quickly tarted (to accelerate water), to ed (to decelerated water) or i forced to make a rapid change i direction, water hammer usually occurs. If ot eriously the water hammer will cause vibratio of tra fer ystem, if eriously water hammer will cause catastrophic ystem component failure, eve the um tatio i i flood. After analyzing the cause that result to water hammer whe a um i tarted or to ed, the aper co ider that the water hammer ca e decreased or avoided y using the olid tate oft tarter with torque control, and other reduced voltage tarter uch a water rheostat have ot torque closed loo control function, o it ca ot eliminate the ump. 水和其它实用的液体都是不可压缩的，因此施加在液体上的能量会立即传递开去。当阀门开、关或水泵开、停造成流速的突然变化，则动能转变为弹性能，产生一连串的正负压力波，在管线中来回振动，这就是所谓的水锤。由此可见水锤的产生，一是由于外加驱动力的突然变化造成的，二是由于运动的液体速度突然变化造成的。所以我们要研究水泵开机和停机时的控制方法，以便避免水锤的产生。1．采用转矩控制才能消除水泵起动时的水锤水泵通常是由交流异步电动机驱动的，而异步电动机具有如图1 所示的转矩—转速特性和电流—转速特性。 图1 异步电动机的转矩—转速特性和电流—转速特性。图1 的特性是在异步电动机定子端电压U1 为额定电压U1rat 的情况下得到的。由于异步电动机的电流&;am #8226 I1 = I #39;2 = U1 （A）(r r&;#39;/ )2   (x   x #39 )2 12 120 式中I1—异步电动机定子电流；&;am #8226 I 2&;#39;—异步电动机折算到定子侧的转子电流；U1—加于异步电动机定子的端电压；r1—异步电动机定子电阻；x1—异步电动机定子电抗；r2&;#39;—异步电动机转子电阻；x20&;#39;—异步电动机折算到定子侧的转子电抗； = 0 am #8722 0 为异步电动机的转差率；n0—异步电动机的同步转速（旋转磁场转速）；n—异步电动机转子转速。由式（1）可见，异步电动机的电流与端电压成正比。所以，只要把图1 的电流曲线乘以Uk/U1rat就可以得到在端电压为Uk时的电流特性。异步电动机的转矩M＝&;am #8486;〔（r ＋r ‘ /3 U ）212   (x   x #39 )2〕&;am #8727 r 2&;#39 （N*m）（2）0 12 120 式中&;am #8486;0 为异步电动机旋转磁场的角速度，&;am #8486;0 ＝ 2πn0 。60 由式（2）可见，异步电动机的转矩与端电压的平方成正比，所以，只要把图1 的转上海市福建中路193 号2612 室邮编200001 2 Tel: 0086-21-63914290，63914792，28409679 Fax: 0086-21-63914792－13 矩曲线，乘以Uk/U1rat就可以得到在端电压为Uk时的转矩特性。由图1 可见，同样的电流值在不同转速时产生的转矩会有很大差异（6-8 倍）。在低速阶段，单位电流的力矩值很小，而在接近额定转速阶段，单位电流的力矩很大。因此，起动电动机时如果用电压斜坡或电流斜坡控制，在电动机接近额定转速时都会产生转矩冲击。图2 示出了采用电流斜坡起动水泵时的电机转矩和转速随时间变化曲线。这波形图可见最大转矩可达水泵在额定转速时的转矩的2.5 倍左右。而采用电压斜坡控制时，由于电流会更大（电流不受控制），其转矩波形与图2 相似，只是会在更早时间出现转矩冲击。这种冲击转矩的出现，就会引发水锤。 图2 如果我们能够控制电动机的转矩，不使它过多的超过水泵需要的转矩，那么就能消除起动水泵时产生的水锤。图3 示出了采用转矩斜坡起动水泵时的电机转矩和转速随时间变化曲线。把这波形图与图2 相比可见，转矩冲击消失了。所以采用转矩控制方式起动水泵能够消除水锤。 图3 这里顺便提一下，在电动机定子回路中串入液体变阻器，实际上是利用液体电阻器来降低加在电动机端子上的电压，达到降压起动目的。由于液体电阻的电阻值不仅仅与电极间的距离有关，而且还与液体电解质浓度和液体的温度有很大的关系。要利用液体电阻器做到对电动机实现转矩控制是十分困难的，到目前为止，尚未见有这类控制的液体变阻器出现。2．采用转矩控制可以消除水泵停机时的水锤水泵必须施加一定的力矩才能把水从较低的位置输送到较高的位置，所以如果使水泵停止时，水管中的水一方面因惯性而继续流动，一方面又会在重力的作用下会回流，从而引发一系列急剧的压力交替升降的水力冲击即水锤。按照弹性水柱理论，可以建立水锤过程的运动方程和连续方程：运动方程式为：&;am #8706;H am #8706;χ   1 g ×&;am #8706;V am #8706;t   V g ×&;am #8706;V am #8706;χ   f D ×V 22g =0 （1）连续方程式为：&;am #8706;H am #8706;t＋V ×&;am #8706;H am #8706;χ＋a 2g ×&;am #8706;V am #8706;χ＝0 （2）式中： H —管中某点的水头 V — 管内流速 a — 水锤波传播速度 x — 管路中某点的坐标 g — 重力加速度 t — 时间上海市福建中路193 号2612 室邮编200001 Tel: 0086-21-63914290，63914792，28409679 Fax: 0086-21-63914792－13 f — 管路摩擦阻力系数 D — 管径这是一组双曲线族偏微分方程，可以通过有限差分法，利用计算机求解，这很复杂，通常可以采用近似公式（温沙诺公式）来计算水锤：设管内压力及加速度之传播速度约1000 m/sec ，水锤作用之全压力水头为：H＝ 2LV0 ＋H0gt H0 —关泵前（或阀门前）之压力水头V0 —关泵前（或阀门前）之流速t —关泵前（或阀门前）所需时间由上式可见，水泵或阀门关闭越缓慢，则水锤压力越小。不少固态软起动器都具备软停机功能，它是使加在电动机上的端电压逐渐减少，也即“电压斜坡”控制方式，让电动机逐渐减速。这是一种开环控制方式，有时候需要反复调整才能取得较好的效果，如果调整不好，会造成电动机在减速过程中振荡。早在2000 年美国Be haw 公司对如何改进软起动器的停机控制以减少停泵水锤进行过实验研究，证明采用Be haw 公司的“Tru Torque”转矩闭环控制技术停泵不仅能够使用户更容易调整，而且由于使水泵更平滑更稳定的减速，减弱或消除水锤更有效。图4 为采用电压斜坡减速时管路系统压力随时间变化曲线。经过精确调整后的设定值为：第一减速电压（电动机转速开始下降时的电压）为70%额定电压，第二减速电压（此时电机已不受电压控制）为15%额定电压，斜坡时间为30 秒。由图可见，在一段时间内压力线性减少直到止回阀关闭。压力减少是非常缓慢的，并且止回阀也是缓慢关闭。但我们从该图可见在减速开始时有一个压力阶跃下降，另外只在很少一个范围内压力是线性减少的，而在其余时间里压力变化很快，因此会有水锤产生。 图4 图5 为采用“Tru Torque”转矩控制停泵时的管路系统压随时间变化曲线，“Tru Torque”转矩参数设定是10%最终转矩，斜坡时间30 秒。由图5 可见，压力一开始就能平缓下降，并且压力能平缓下降到更小的值，直到止回阀缓慢关闭，因此没有水锤产生。 图5 通过上述实验比较可见，采用Tru Torque 转矩控制技术，可以在停泵时更好的消除水锤。而这种技术也是目前水电阻所无法实现的。3. 结论由于液体是不可压缩的，施加在液体上的力发生突变便会造成水锤。采用BE HAW 公司的带TruTorque 转矩控制的固态软起动器，由于能在起动水泵时消除冲击转矩，以及能在停机时消除转矩的突变，所以能消除水泵起动和停止时的水锤。参考文献：1. Walter arie “ Enhanced Tru Torque Motor Control For the e haw RediStart MicroII oft tarter” Dec 1, 2000 e haw Inc. 2. 杨远东 邓志光“停泵水锤计算及其防护措施” 2004.2 中图分类号：TU991.39 《中国给水排水》本文原载《变频器世界》********************************************************************************上海杰诣通用电器有限公司成立于1999年2月1日。专门从事电气传动系统、供配电系统、电气设备成套系统的供应和调试。上海杰诣通用电器有限公司是美国BE HAW公司的低高压软起动器中国地区总代理，同时也是日本安川公司高压变频器的中国地区总代理。我司主要代理销售BE HAW的高低压软起动器（RBX系列、RCX系列、RSM系列、MVRSM系列、M3系列）和安川的高压变频器（FSDrive-MV1S系列）并提供技术支持。上海杰诣通用电器有限公司 http://www.jyge.com/地址：上海市福建中路193号2612室Tel：021-53594508-2620 FAX：021-63914792EMAIL：jieyi@jyge.com , jieyi1999@163.com********************************************************************************