CN107294465B - 排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法及系统，所述排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法在风机水泵变频器基础上，以分段调制方式对电动机进行调频控制，具体包括：在轴流泵的起动阶段，采用电压正比于频率二次方的电压‑频率调制方式对电动机进行调频控制，保证电动机的软起动；在轴流泵的正常运行阶段，采用恒压频比的电压‑频率调制方式对电动机进行调频控制，实现轴流泵流量的额定值向下的调节。本发明提供的排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法能够解决现有技术中直接采用通用的水泵专用变频器对轴流泵进行调频而造成的工作效率低下的问题。

Description

排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法及系统

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法及系统。

背景技术

在农田灌溉、水利枢纽等设施，由于要求使用的水泵具有大流量，且不需要太大扬程，多使用轴流泵进行排给水。

由于轴流泵的运行特性与离心式水泵的运行特性存在较大差异，参见图1和图2，图1是轴流式水泵的工作特性图，图2是离心式水泵的工作特性图，从图1和图2可以看出，轴流式水泵和离心式水泵在特性曲线上存在较大的差异，这主要是由于两者的工作原理和结构不同造成的。轴流式水泵与离心式水泵相比，前者的效率曲线(Q-η)比后者的效率曲线具有更窄的高效率工作范围，而在较高效率工作范围内，轴流泵的流量-扬程(Q-H)曲线下降幅度更加明显，这是因为轴流泵具有与离心泵相比更大的比转速。同时，轴流泵的流量-轴功率(Q-P)曲线与离心泵的具有相反的特性，即离心泵的轴功率随着流量的上升有较缓的上升情况，而轴流泵的轴功率在高效率工作范围内，随着流量的增大会快速的下降。

然而通常所使用的水泵专用变频器其实是适用于风机和离心式水泵的，并不完全适用于轴流泵。若直接采用通常所使用的水泵专用变频器对轴流泵进行调频控制，那么肯定会造成电动机工作效率低下的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法及系统，以解决现有技术中直接采用通用的水泵专用变频器对轴流泵进行调频而造成的工作效率低下的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法，所述方法在风机水泵变频器基础上，以分段调制方式对电动机进行调频控制，具体包括：

在轴流泵的起动阶段，采用电压正比于频率二次方的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，保证电动机的软起动；

在轴流泵的正常运行阶段，采用恒压频比的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，实现轴流泵流量的额定值向下的调节。

优选地，所述采用电压正比于频率二次方的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，包括：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

U＝U₀+k₁·f²,0≤f<f₀；

其中，U₀为电动机起动补偿电压；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率；k₁为轴流泵的起动阶段，采用电压与频率成二次函数关系调频模式的系数。

优选地，所述采用恒压频比的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，包括：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

其中，U_m和f_m为额定电压与频率；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率。

第二方面，本发明提供了一种排灌用轴流泵电动机变频器的调频系统，包括：

第一调频模块，用于在轴流泵的起动阶段，采用电压正比于频率二次方的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，保证轴流泵电动机的软起动；

第二调频模块，用于在轴流泵的正常运行阶段，采用恒压频比的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，实现轴流泵流量的额定值向下的调节。

优选地，所述第一调频模块，具体用于：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

U＝U₀+k₁·f²,0≤f<f₀；

其中，U₀为电动机起动补偿电压；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率；k₁为轴流泵的起动阶段，采用电压与频率成二次函数关系调频模式的系数。

优选地，所述第二调频模块，具体用于：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

其中，U_m和f_m为额定电压与频率；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率。

由上述技术方案可知，本发明提供的排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法，在风机水泵变频器基础上，提供了一种适用于大型灌区农田排灌轴流泵电动机的变频器U/f分段调制方式，即：在轴流泵工作范围内，采用恒压频比的形式对电动机进行调频控制，实现轴流泵流量的额定值向下的高效调节；在轴流泵起动阶段，采用和通用的风机水泵变频器相同的电压正比于频率二次方的形式，保证轴流泵电动机能够做到软起动的同时，在调速范围内也能通过更好地拟合电动机与水泵的转矩，实现良好的调节流量效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是轴流式水泵的特性曲线示意图；

图2是离心式水泵的特性曲线示意图；

图3是本发明第一个实施例提供的排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法的流程图；

图4是通过改变叶片角以改变轴流泵工作点的特性曲线示意图；

图5是异步电动机变频调速机械特性曲线示意图；

图6是风机水泵通用变频器调频模式示意图；

图7是本发明提出的针对排灌用轴流泵电动机的频率调节模式示意图；

图8是轴流式水泵转速的相似性求法相关示意图；

图9是轴流式水泵轴功率的相似性求法相关示意图；

图10是大中型轴流泵起动时的转矩-转速特性曲线示意图；

图11a是变频调速与二次方律负载在电压正比频率下降的情形下的T-n特性示意图；

图11b是变频调速与二次方律负载在保持频率继而降压时的情形下的T-n特性示意图；

图12是本发明实施例中提到的三种轴流泵流量调节方式示意图；

图13是本发明第三个实施例提供的排灌用轴流泵电动机变频器的调频系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明第一个实施例提供了一种排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法，图3示出了本发明第一个实施例提供的排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法的流程图。其中，所述排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法，在风机水泵变频器基础上，以分段调制方式对电动机进行调频控制，具体包括：

步骤101：在轴流泵的起动阶段，采用电压正比于频率二次方的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，保证电动机的软起动。

在本步骤中，对轴流泵负载提供了缓慢而平滑的起动过程，称为软起动。

步骤102：在轴流泵的正常运行阶段，采用恒压频比的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，实现轴流泵流量的额定值向下的调节。

在本步骤中，轴流泵的正常运行阶段是指处于轴流泵的工作范围内，即指处于轴流泵正常工作所需要的流量调节范围内。

本实施例所述的排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法，在风机水泵变频器基础上，提供了一种适用于大型灌区农田排灌轴流泵电动机的变频器U/f分段调制方式，即：在轴流泵工作范围内，采用恒压频比的形式对电动机进行调频控制，实现轴流泵流量的额定值向下的高效调节；在轴流泵起动阶段，采用和通用的风机水泵变频器相同的电压正比于频率二次方的形式，保证轴流泵电动机能够做到软起动的同时，在调速范围内也能通过更好地拟合电动机与水泵的转矩，实现良好的调节流量效果。

本发明第二个实施例为一个较佳实施例，本发明第二个实施例对本发明提供的排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法的工作背景、工作原理以及技术效果进行了详细的分析和介绍。

其中在农田灌溉、水利枢纽等设施，由于要求使用的水泵具有大流量，且不需要太大扬程，多使用轴流泵进行排给水。轴流式水泵(图1)与离心式水泵(图2)，在特性曲线上存在较大的差异：由于工作原理和结构的不同，轴流式水泵与离心式水泵相比，前者的效率曲线(Q-η)比后者的效率曲线具有更窄的高效率工作范围，而在较高效率工作范围内，轴流泵的流量-扬程(Q-H)曲线下降幅度更加明显，这是因为轴流泵具有与离心泵相比更大的比转速。同时，轴流泵的流量-轴功率(Q-P)曲线与离心泵的具有相反的特性，即离心泵的轴功率随着流量的上升有较缓的上升情况，而轴流泵的轴功率在高效率工作范围内，随着流量的增大会快速的下降，这也是由两种水泵不同的工作原理和结构区别所决定的。

由于轴流泵工作时流量大，而扬程相对较小，因此不能如离心泵一样，在出水口处加设调节阀门或挡板进行出水流量调节(过大的流量可能会对挡板造成破坏)。因此，使用于农田排灌、水利枢纽等的轴流泵，当其出水流量需要改变时，通常的调节方法有：1、调节叶轮叶片的安装角度；2、调节原动机与泵之间的传动装置。

轴流泵从叶轮机构、叶片安装角的情况，可分为三种：固定式叶片、半调节式和活叶式叶片。采用这三种叶片安装角情况的轴流泵，也因叶片角的调节机构的不同，价格和维护需求也因此依次增大。采用活叶式叶片的轴流泵，不必拆卸叶轮，可直接通过操作机构调节角度，其调节出水流量的方式如图4。在出水管网不变时，管路特性曲线CE不变，叶片初始调节角度为0，对应的扬程-流量曲线为图中的0°曲线，两条曲线相交于初始工作点D₁。相关资料显示，当增大2°叶片安装角度时，轴流泵的扬程-流量曲线将为图中的+2°曲线所示，相对于初始叶片角对应的特性曲线，增大叶片角会使特性曲线的斜率增大，且曲线向右上方移动，最终与管路特性曲线相交于新的工作点D₂。D₂工作点与D₁相比，流量与扬程均增大，达到了轴流泵出水口流量增大的要求。同理，当流量需要减小时，减小一定的叶片安装角便可以实现。

对于半调节叶片式的轴流泵，要想通过改变叶片安装角度实现流量的调节，必须停机并拆卸叶轮，通过每块叶片的固定螺丝和定位螺丝，将叶片安装角度调整至一致。而固定式叶片的轴流泵，在输入转矩转速不变的情况下，不具有调节流量的能力。

不论是活叶式叶片，或是半调节式，都在原动机输出转速、转矩不变的情况下进行，根本上是通过改变叶轮的工作效率，实现水泵流量的调节。所以通过调节叶片安装角度来改变轴流泵输出流量的方式，在流量向额定流量(或初始流量)减小的方向调节时，叶轮效率降低，原动机的一部分输出功率被浪费。

当固定叶片轴流泵的输出流量需要改变时，由于固定式叶片无法像半调节式或活叶式叶片那样通过调节角度从而改变水泵输出流量，通常的解决方法为：利用原动机与水泵之间的传动系统调节。具体的实施办法是改变电动机与轴流泵的传动速比，可以通过改变传动皮带轮的直径，或者更换主动轮或从动轮。

固定叶片式轴流泵利用改变传动速比调速，相对于调节叶片角调速，泵体经济性较高，但存在更换皮带轮或传动齿轮时必须停机操作、流量调节精度差的问题。且这种调速方式在减小流量时，根本上也是降低电机运行效率实现的。

异步电动机驱动水泵负载时，运行情况如图5。曲线3为水泵负载的T-n曲线，曲线1和曲线2为异步电动机在U/f＝C情况下的T-n曲线，且有f₁>f₂。由图知，曲线1和曲线3相交于A点，即水泵与电机的工作点，当电机的T-n曲线保持恒为曲线1时，只能通过改变水泵负载的T-n曲线，即改变叶片角或传动速比，才能实现工作点的移动，改变水泵电机的工作状态。

图5中，设电动机的输入频率从f₁下降到f₂，采用的是恒转矩调速，电动机的T-n曲线与负载的T-n曲线交点由A变为B，即电动机与水泵的运行点从A变为B。因此，随着电动机输入频率下降，电动机的输出转矩与转速均下降，同时负载的转矩与转速也下降，实现了风机水泵负载运行状态的调节。与只通过改变负载T-n曲线以改变工作点的方式相比，工作点调节范围更广更精确，同时更节能。

对比轴流泵电动机变频调速与调节叶片角调速，前者通过改变原动机的输入功率指标以调节水泵的出水流量，只要变频器的电压频率调节模式与负载特性配合度较高，便可以实现在电动机保持高效运行的同时，快速、精准的流量调节。而通过调节叶片角调速，只有活叶式能做到不停机任意调节叶片角度，半调节叶片形式在操作上更复杂、费时且费人力。同时，活叶式轴流泵的调节流量关键性机构与水泵一体，轴流泵工作于泥沙较多的水源时，可能增大对叶片活动部件的损耗，增加机械的维护成本；而使用变频器调节水泵的输水流量时，由于变频器可以安装于泵站内有利于其工作的位置，具有较高的运行可靠性，且维护成本较低。对于原本使用固定式叶片轴流泵的泵站，当给水区域需要其具备流量调节功能时，与更换水泵至可调节叶片式相比，采用加设变频调速装置资金投入较少，且变频器具有一对多、根据需要更换至其它轴流泵电动机的能力。

功能较好的通用变频器，用户能根据实际需要，选择合适的电压-频率调制模式(U/f曲线)，使电机的转矩与其负载所需要的转矩相配合。电压-频率调制模式有恒压频比、电压正比频率的二次方形式，后者正是适用于驱动风扇或离心泵电机的调频模式，如图6，U_m、f_m与U₀分别为额定电压、额定频率和起动补偿电压初值。对于任何低于工频的给定频率，若使输出电压与频率的二次方成正比，较低的电压将产生较小的转矩，对风机或离心泵这类小转矩负载提供了缓慢而平滑的起动过程(称之为软起动)。某些变频器还提供U/f曲线的预置功能，通过预置中间点电压与频率，实现折线形式的U/f曲线，一般适用于需要高起动转矩的负载。如安川CIMR能预置3个中间点(其中一个为基本频率与电压)，但是预置过多的中间点会增大对通用变频器的软件配置、响应速度及波形调制复杂程度。

若水泵与电动机不通过可调皮带连接，而是直接连接，电动机的输出转矩与水泵的输入转矩相等。根据功率、转矩、角速度公式：P＝T·ω；水泵转速与流量成正比关系，并且如上文所述轴流泵与离心泵的流量-轴功率(Q-P)曲线存在很大差异，因此两者转速变化时，转矩的变化也将有所不同。

在我国大型灌区中，主要使用的输水方式为渠道输水，通过对渠道输水的优化配置，最上一级的渠道实际流量将在其设计流量的0.9～1.1倍之间波动，为其直接提供水源的提灌站内轴流水泵的额定流量按照最大实际流量配置，即1.1倍渠道设计流量配置。因此当实际需求流量从额定工作流量减小时，可借由变频器于额定工作状态的频率向下调整，从而实现在减小电动机转速、减小水泵出水流量的同时，节省电能。本实施例提出了一种针对农田排灌用固定叶片角式轴流水泵电动机变频器的电压频率调制方式，如图7，区别于适用在通用风机和离心泵电动机的单纯二次方电压频率调制模式，以组合的方式调制电压-频率配比，始终保持电动机与水泵的协调、稳定与高效运行。

图7为本实施例提供的电压-频率调制的U/f曲线，其用函数表示为：

其中，U₀为电动机起动补偿电压；U_m和f_m为额定电压与频率；f₀为起动与运行模式分段点频率(即起动阶段和正常运行阶段的分段点频率)，其值根据轴流泵工作范围而决定；k₁为轴流泵电动机起动时段，采用电压与频率成二次函数关系调频模式的系数。

假设轴流泵工作范围为：泵出水口流量大小为渠道设计流量的a～b倍，则频率分段点：

例如，水泵工作于渠道设计流量的0.9～1.1倍之间时，代入公式二，经计算得，分段点频率f₀＝41(Hz)。

根据图7中分段U/f曲线的连续性，可得：

因此系数：

流体在管路系统中的流动特性称为管路特性：H＝H₀+SQ²，但水泵和风机的管路系统存在不同，因气柱产生的压头常可忽略不计，风机管路特性一般为H＝SQ²，即H₀＝0。而水泵管路由于静扬程的存在，且当管路不发生变化时，H₁为某一常数。风机或水泵的性能参数是针对某一定转速n_n来说的，因此在转速发生变化时，可以利用相似律来求得新转速下水泵或风机的流量Q、扬程H和轴功率P。相似律综合公式：

在相似律综合公式中，化简流量与扬程项，可得流量与扬程的相似曲线：

H＝kQ² 公式六

其中k为n与n_n的比值，即转速的变化率。

在图8中，比较水泵管路特性H＝H₀+SQ²和流量与扬程相似曲线H＝kQ²，由于H₀＞0，两条曲线不重合。为了减小流量，通过变频控制降低电动机及水泵的转速时，泵的特性曲线由(Q-H)0向左下方移动到(Q-H)1，工作点也沿着管路特性曲线从D₁移至D₂。但D₁与D₂并不同时处在相似抛物线上，两个工作点的工况不是相似工况，所以不能直接使用相似规律利用从D₁与D₂工作点对应的流量Q₁、Q₂来求得转速的变化(设D₁点对应转速n₁，D₂点对应水泵转速为n₂)。

在已知水泵转速为n₁时的水泵特性曲线(Q-H)0，以及调速结果(D₂工作点)的流量(Q₂)，为了利用相似规律求得D₂工作点所对应的转速n₂，作过坐标轴原点且经过D₂的相似抛物线，相似抛物线与(Q-H)0相交于工作点D′₁，该点对应流量Q′₁、扬程H₁’。由于工作点D′₁在泵特性曲线(Q-H)0上，故该点对应的转速与D₁相同，为n₁，这时，利用相似规律才可以求得工作点D₂所对应的转速n₂：

令调速率为：

流量的调节率为：

从图8可以明显地看到，由于Q₁＞Q′₁，故Δn%会比ΔQ％小。在已经确定D₂工作点所对应流量Q₂和转速n₂后，便可以确定轴功率-流量关系曲线的位置，如图9中的(Q-P)1。曲线(Q-P)0为转速n₁时的轴功率-流量变化曲线。过横轴流量等于Q₂点作垂直于横轴的直线，与(Q-P)1相交于一点E₂，同理，可以获得E′₁与E₁,三点分别对应轴功率P₂、P′₁和P₁。当水泵转速变化时，轴功率-流量曲线将沿着其相似抛物线P＝S·Q³移动，而Q₂与Q′₁的比值等于n₂与n₁的比值，所以E₂点与E′₁为相似工况，有：

已知Q₁＞Q′₁，且轴功率-流量曲线在工作范围内斜率小于零，即随着流量的增加，轴功率减小，故P′₁＞P₁。由功率、转矩、角速度关系P＝T·ω，可将上式化简为水泵转矩与转速的比例关系：

在相似工况下，水泵的两个工作点的转矩之比，与该两工作点的转速之比的平方相等，即：相似工况下，水泵的转矩与转速的平方成正比：T∝n²。然而由于轴流泵的轴功率-流量曲线的特殊性质，使得工作点E₁与E′₁所对应的转矩并不相等，且有T₁＜T′₁。所以当降低电动机转速，实现轴流泵在工作范围内流量从Q₁到Q₂时，转矩与转速的比例关系为：

因此轴流泵在工作范围内从额定工作状态向下调整时，转矩不与转速的平方成正比，

在工作范围内，当需要通过变频器调节功率，实现轴流泵流量向下调整时，由于轴流泵实际转矩需求与转速不成二次方关系，且转矩之比大于转速之比的平方，故转速从额定转速下调时，电动机输出转矩小于轴流泵实际需求转矩，需要电动机转矩上升。电动机输出功率一定时，转矩与转速成反比，因此转矩上升导致转速下降，也导致了轴流泵流量的下降，使其不能稳定高效地工作在目标工作点。所以本实施例所提出的调频模式，在轴流泵电机工作范围内，采用恒压频比模式，比在此段采用通用变频器所提供的U∝f²调频模式，具有更加稳定、高效的轴流泵出水端流量调节效果。

资料显示，大中型轴流泵在运行状态时，其转矩-转速曲线定性地表示为如图10所示曲线。

从上图中很清楚可以看到，在大中型轴流泵在停机状态下开始起动时，其转矩有初始值T₀，为水泵的起动转矩。当转速逐渐增大，直至n₁过程中，转矩随转速的增加而减少；当转速升至大于n₁后，转矩又随转速的增加而增大，且斜率有逐渐减小的趋势。

当转速从零开始增大时，转矩减小，根据异步电动机电压U₁与频率f₁、主磁通Φ_m的关系：U₁≈E₁＝4.44f₁N₁k_w1Φ_m，当电压与频率的比值保持在小于1时，由于主磁通正比于电压和频率的比值，将小于额定值，相应地电动机具有较小的转矩。当转速大于n₁后，转矩随转速的增大而增加，且曲线形状接近二次方函数，与离心式水泵这类二次方负载的特性相类似，离心泵电动机所使用变频器的电压-频率调节模式是U∝f²。

如图11a，曲线1和曲线3分别为电机与轴流泵的T-n曲线(只画出其转矩随转速上升而增加时近似的二次方曲线)，设在额定工作状态时，两条曲线相交于N点，轴流泵转矩T_LN等于电机的额定转矩T_MN，系统稳定运行。当电压与频率成正比下降，即采用恒转矩调速时，电机的机械特性曲线变为曲线2，有效转矩点为EX点，对应有效转矩T_MEX，且比额定转矩T_MN有所减小。同时，由于电机机械特性曲线发生变化，系统的工作点移至D点，负载转矩下降大幅下降为T_LD。由图知，T_LD＜T_MEX，电机功率因数和效率都比较低。

如果通过减小U/f的比值，从而减小频率f_x对应的电压U_x(如使U/f＜1)，电动机的机械特性曲线将如图11b中的曲线4所示，则电动机的有效转矩点变为FX′点。这时，工作点也因电机机械特性曲线的变化移至D’点，系统的实际转速下降为n_LD′，负载转矩也减小为T_LD′。比较图11a与图11b知，由于电机机械特性曲线的改变，EX′点比EX点更接近其相对应的工作点，从而提高了功率因数和效率，也减小了运行电流。同时，输入电压也下降了许多，可以更好地实现节能的目的。

结合基于图11a、图11b的分析与图10所示的轴流泵其动时转矩-转速特性曲线，由于轴流泵转矩随转速上升而下降的过程很短，起动过程中可认为其与离心泵相似，具有转矩与转速成二次方函数关系。因此，参考离心泵电机变频调速时电压频率的配合模式，轴流泵电机在起动阶段也可使用具有U∝f²关系的调频模式。但必须能保证异步电机在起动时，不存在于某一频率，电动机转矩小于水泵转矩。

因此本实施例提出的调频模式中，轴流泵电机起动阶段，变频器U/f曲线为U∝f²形式，可以实现电机输出较小的转矩，为轴流泵提供缓慢平滑的起动过程。轴流泵电机容量很大，直接起动时巨大的起动电流会对电网产生一定的冲击，而这种软起动方式，由于能明显减小电机起动电流，对减小对电网的冲击效果明显。

图12所示三种轴流泵的流量调节方式，电动机1可选两种轴流泵流量调节方式：调节电动机与水泵间传动速比、通过改变可调叶片角式轴流泵的叶片安装角度。这两种调节流量方式都是在原动机输出功率不变的情况下，通过改变电动机工作效率实现流量变化效果的。电动机2采用变频驱动，若其采用本实施例所提出的变频模式：基于通用变频器改进的U/f曲线，输出端连接固定叶片式轴流泵。当原本使用固定叶片式轴流泵的泵站需要做到出水流量可调节时，可不必更换水泵至价格更高的可调叶片式轴流泵，也不使用效率与精准度均低的调传动速比方式，变频控制使对水泵出水流量的调节更精确、高效、稳定，并且具有较低的投入和日常维护。

基于本实施例的设想，基于某一型号的轴流泵，额定转速1470r/min，配套异步电动机为10kW，水泵在工作范围内扬程-流量、效率-流量数据分别如表1与表2。

表1扬程-流量

扬程(m)	4.61	3.9	3.28	2.63	1.6
						流量(L·s<sup>-1</sup>)	240	280	320	360	400

表2效率-流量

效率(％)	68.78	74.57	77.9	79.9	71.11
						流量(L·s<sup>-1</sup>)	240	280	320	360	400

设定管路特性曲线为：其与扬程-流量曲线的交点为额定工作点，假设流量需要下调8％，则经过变频调速后，有：

从上表中数据可得：在实际流量需求从额定值397.895L·s^-1下降8％到达366.063L·s^-1时，实际转速相应地下降轴功率减少，即节电为相比较于利用调节轴流泵叶轮叶片的安装角度来实现流量调节，由于电动机输出功率不变，采用变频控制调节流量比调节叶片安装角度具有节能意义。由于大型灌区农田排灌轴流泵流量大、工作周期长、安装电动机数量与容量基数大，采用变频控制将能有可观的节能效益，同时减小电动机起动对电网的冲击。

本发明第三个实施例提供了一种排灌用轴流泵电动机变频器的调频系统，所述排灌用轴流泵电动机变频器的调频系统，在风机水泵变频器基础上，以分段调制方式对电动机进行调频控制，参见图13，包括：第一调频模块100和第二调频模块200；

所述第一调频模块100，用于在轴流泵的起动阶段，采用电压正比于频率二次方的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，保证轴流泵电动机的软起动；

所述第二调频模块200，用于在轴流泵的正常运行阶段，采用恒压频比的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，实现轴流泵流量的额定值向下的调节。

优选地，所述第一调频模块100，具体用于：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

U＝U₀+k₁·f²,0≤f<f₀；

其中，U₀为电动机起动补偿电压；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率；k₁为轴流泵的起动阶段，采用电压与频率成二次函数关系调频模式的系数。

优选地，所述第二调频模块200，具体用于：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

其中，U_m和f_m为额定电压与频率；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率。

本实施例所述的排灌用轴流泵电动机变频器的调频系统可以用于执行上述实施例所述的排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法，其技术原理和技术效果类此，此处不再详述。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种排灌用轴流泵电动机变频器的调频方法，其特征在于，所述方法在风机水泵变频器基础上，以分段调制方式对电动机进行调频控制，具体包括：

在轴流泵的起动阶段，采用电压正比于频率二次方的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，保证电动机的软起动；

在轴流泵的正常运行阶段，采用恒压频比的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，实现轴流泵流量的额定值向下的调节；

其中，所述采用电压正比于频率二次方的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，包括：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

U＝U₀+k₁·f²,0≤f＜f₀；

其中，U₀为电动机起动补偿电压；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率；k₁为轴流泵的起动阶段，采用电压与频率成二次函数关系调频模式的系数；

其中，所述采用恒压频比的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，包括：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

其中，U_m和f_m为额定电压与频率；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率。

2.一种排灌用轴流泵电动机变频器的调频系统，其特征在于，包括：

第一调频模块，用于在轴流泵的起动阶段，采用电压正比于频率二次方的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，保证轴流泵电动机的软起动；

第二调频模块，用于在轴流泵的正常运行阶段，采用恒压频比的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制，实现轴流泵流量的额定值向下的调节；

其中，所述第一调频模块，具体用于：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

U＝U₀+k₁·f²,0≤f＜f₀；

其中，U₀为电动机起动补偿电压；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率；k₁为轴流泵的起动阶段，采用电压与频率成二次函数关系调频模式的系数；

其中，所述第二调频模块，具体用于：

采用如下的电压-频率调制方式对电动机进行调频控制：

其中，U_m和f_m为额定电压与频率；f₀为轴流泵起动阶段与正常运行阶段的分段点频率。