| 电机调速的功率控制原理 |
| 作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数：311 更新时间：2005-7-16 |
| 电机调速的功率控制原理 保定北方调速有限公司 屈维谦 摘要： 恒转矩电机调速的实质在于轴功率控制，而非转矩控制，的转矩控制只能通过磁场控制来实现。 异步机的转子相当于电枢，定子具有主磁极和伪电枢复合功能。直接功率控制的作用对象是电枢，定子伪电枢功率控制属间接功率控制。 功率控制的性质决定调速效率和机械特性。 关键词： 功率控制、电枢、伪电枢、电转差功率、热转差功率。
引言： 电机调速实质的探讨，是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践，很多有关文献和论著都把调速的转矩控制确认为调速的普遍规律，并提出调速的实质和关键在于电磁转矩控制。然而，这种观点尚缺乏理论和实践的证明，值得商榷。 本文根据电机功率转换的普遍原理，提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制，转速调节是功率控制的响应，其关键为如何通过电功率控制轴功率。 转矩控制仅适于恒功率调速，它只是电机调速的局部，而不是调速的普遍规律。变频调速所依据的是转矩控制，实际执行的却是功率控制，因此才没有影响到应用的正确性。 一、功率控制与转矩控制 根据机电能量转换原理，凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。主磁极的作用是建立主磁场，电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。 直流电动机的主磁极和电枢不仅结构鲜明，而且功能，无疑符合以上定义。而交流（异步）电动机通常以定子、转子划分构成，需加说明。 根据所述电枢定义，异步机的轴功率产生于转子，因此，异步机真正的电枢是转子。问题在于定子，一方面定子励磁产生主磁场，故定子是主磁极。另一方面，定子又通过电磁感应为电枢（转子）输送电磁功率，却不产生轴功率，因此定子又具有电枢的部分特征，这里我们把它称为伪电枢。定子的这种复合功能，是异步机区别于直流机的主要特征。 从电枢输出角度观察，电动机的轴功率与电磁转矩机械转速的关系为： ＰM＝ＭΩ (１) 或 Ω＝ＰM／Ｍ （２） 公式（２）除了给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间的量值关系以外，同时表明，电机转速最终只能通过轴功率或电磁转矩两种控制获得调节，前者简称功率控制，后者简称转矩控制。 １. 功率控制 功率控制是以轴功率ＰM为调速主控量， 作用对象必然是电枢或伪电枢。电磁转矩在调速稳态时，取决于负载转矩的大小。 即 Ｍ＝Ｍfz (３) 当负载转矩一经为客观工况所确定之后，电磁转矩就唯一地被决定了，因此电磁转矩不仅与调速控制无关，而且不能随意改变其量值。 电磁转矩对转速的作用表现在调速的过渡过程，转矩的变化是转速响应滞后的结果，此时，功率控制造成电磁转矩响应。 设电机调速前的稳态转速为Ω1，轴功率为ＰM1，调速后的稳态转速为Ω2，相应的轴功率变为ＰM2。 由于电磁转矩： Ｍ＝ＰM／Ω (４） 故调速时，电磁转矩变为： Ｍ＝ＰM2／Ω 由于受惯性的作用，在ｔ＝0的调速瞬时Ω＝Ω1，故 Ｍ＝ＰM2／Ω1 t=0 此时的电磁转矩将与原来的电磁转矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，转矩平衡被破坏并产生动态转矩，电机转速在动态转矩作用下开始由Ω1向Ω2过渡，其变化规律为： Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 （５） 电磁转矩则为：Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 随着时间增大，动态转矩减小，直至电磁转矩与新的负载转矩平衡，即： Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz， 转速稳定在Ω2不变，电机调速结束。 上述的调速过程可以由图１的框图说明。
图１ 功率控制的调速流程
功率控制作用的是电枢，主磁场或主磁通量保持不变，根据电机理论，电机的额定电磁转矩正比于主磁通量，受限于电枢的最大载流量。因此功率控制调速时，电机的额定电磁转矩输出能力不变，属于恒转矩调速。 ２. 转矩控制 根据公式（２），电机转速在轴输出功率不变的前提下，与电磁转矩成反比。由于受电磁转矩以额定转矩为上限的约束，转矩控制实际上只能在额定转矩以下实现，因此属于恒功率调速。 电磁转矩的控制方法主要依据转矩公式： Ｍ＝ＣMΦmＩS （直流机） (６) 或 Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 （交流机） (７) 受控的物理量为主磁通Φm，由于主磁通量Φm产生于主磁极，因此转矩控制实际上是磁场控制，作用对象为主磁极。转矩控制调速同样要保证稳态时的转矩平衡，即： Ｍ＝Ｍfz 由于调速稳态时，电磁转矩发生了变化，因此要求负载转矩适应于电磁转矩变化，即要求负载跟踪电机。 转矩控制实际是弱磁调速，主要用于额定转速以上的调速。鉴于本文重点讨论的是功率控制，故不赘述。 二、功率控制的方法与性能 电机调速的轴功率控制只能通过电功率间接控制来实现。以异步机为例，图２是其等效三端口网络。 图２.异步机的等效网络 其中电枢（转子）除产生轴功率输出外，还产生以感应电压ｕ2和电流ｉ2为参量的电功率响应。由于该功率与转差率成正比，故称转差功率，其端口简称Ｐs口。 如果电机转子为笼型，其绕组呈短路状，Ｐs口为封闭不可控的。反之为绕线型，Ｐs口则是开启可控的， 转子可以通过Ｐs口输出或输入电功率。由此可见，异步机的功率控制调速有两种方式，一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率控制；另一种是通过Ｐs口直接控制电枢轴功率。 前者主要适用于笼型异步机，后者则适用于绕线型异步机。 １. 定子伪电枢功率控制。 图３.异步机定子功率控制调速
作为伪电枢，定子向电枢（转子）传输的电磁功率： Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1 （８） 电枢的轴功率则为： ＰM＝Ｐem－△Ｐ2 (９) 故 ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2） (10) 可见，控制伪电枢的输入功率Ｐ1或增大其损耗△Ｐ1就可以控制电枢的轴功率，后者显然是低效率、高损耗的调速，不宜推荐。 控制Ｐ1调速的唯一方法是调压━━变频， 即所谓的变频调速。由于： Ｐ1＝ｍ1Ｕ1I1COSφ1 (11) 故对于电压源供电调节端电压Ｕ1是控制功率Ｐ1的必须手段。问题的关键是为什么不能单纯调压，而必须辅以变频？这是定子除了伪电枢的功能之外，还同时兼主磁极之故。 前已叙及，功率控制的要点有： ① 保持主磁通量不变 ② 作用对象是电枢或伪电枢 ③ 控制目标是轴功率 如果单纯调压而频率不变，定子的主磁极功能就要受到严重影响。根据电机理论，做为主磁极，定子的主磁通量： Φm＝Ｅ／4.44Ｗ1ｋr1ｆ1 ＝ＫＥ1／f1 ≈ＫＵ1／f1 (12) 恒频调压的结果，主磁通Φm将随Ｕ1下降而减小，形成了前述的转矩控制。更主要的是此时不但未能控制功率Ｐ1，反而增大了电机损耗，与目的绝然相悖。 设负载为恒转矩性质，由转矩平衡方程，电磁转矩： Ｍ＝Ｍfz＝const 又 Ｍ＝ＣMΦmＩ1COSφ1 ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 (13) 设功率因数不变，定转子电流Ｉ1、Ｉ2将随主磁通Φm下降而正比增大，其结果功率Ｐ1不变，但定转子损耗： △Ｐ1＝ｍ1Ｉ 12 r1 △Ｐ2＝ｍ2Ｉ 222 r1 将按电流的平方律增大。根据式（１０），轴功率控制虽能实现，却属低效率高损耗的调速。 为此，异步机定子的功率控制调速，必须要将定子的主磁极和伪电枢两种功能游离开。针对同一定子绕组，一方面使主磁极产生的磁场保持稳定，同时又要控制其向电枢传递的电磁功率。 于是变频调速建立了一条重要原则，就是调压变频，且保证Ｖ／Ｆ（压频比）为常数，这样就确保了上述控制要求的实现。顺便指出，近代变频调速的矢量控制，实际上就是遵循这一原理。矢量控制的核心思想，是把磁场与转矩游离开，分别加以控制，认为调速的根本在于转矩，而事实上游离的却是磁场和电磁功率，虽然结果无误，但理论上必须加以澄清。 ２. 转子功率控制 对于绕线转子异步机的调速，可以利用转差功率端口━Ｐs口直接控制轴功率。方法是由Ｐs口移出或注入转差功率。需要指出： ① 所述的转差功率应区别经典电机学中的转子损耗转差功率，为此将后者称为转子损耗功率，记以△Ｐ2。 ② 转差功率有电能与热能之分，分别记以Ｐes和Ｐrs，两者性质不同，对调速的影响也不同。 图４.异步机转子功率控制调速
当在转子的Ｐs口引入电转差功率Ｐes时，转子的轴功率： ＰM＝（Ｐem±Ｐes）－△Ｐ2 （１４） 式中的Pem为定子向转子传输的电磁功率，电转差功率的负号表示从Ｐs口移出，正号表示从Ｐs口注入。Ｐes属电功率，故与电磁功率相合成，结果使轴功率ＰM发生变化，电机转速得到相应调节。 电转差功率调速的典型实例是串级调速和双馈调速，前者的电转差功率为负，流向为从转子移出，故实现的是额定转速以下的调速。后者的电转差功率可以双向流动，既可以移出，又可以注入，因此可以实现低同步和超同步两种调速。 当Ｐs口引入的是热转差功率Ｐrs时， 转子的轴功率则为： ＰM＝Ｐem－（△Ｐ2＋Ｐrs） (１５) 显然热转差功率的引入，增大了电枢（转子）的损耗，轴功率随Ｐrs的增大而减小，其典型例子是异步机转子串电阻调速。 三、功率控制的理想空载转速，效率与机械特性 根据电机学，电动机的理想空载转速主要取决于电枢的电磁功率，因有： Ω0＝Ｐem／Ｍ （１６） 由于电磁转矩为负载所决定，理想空载转速Ω0就决定于某一负载条件下电磁功率的大小。 功率控制调速的电枢功率可以综合表达为： ＰM＝ΣＰem－Σｐ2 （１７） 相应的转速： ＰM／Ｍ＝ΣＰem／Ｍ－Σｐ2／Ｍ （１８） Ω＝Ω0－△Ω (１９) 其中Ω0＝ΣＰem／Ｍ为功率控制调速的理想空载转速，因此调节电枢的电磁功率可以改变电机的理想空载转速。换言之，电机的理想空载转速取决于电枢的电磁功率。又，△Ω＝Σｐ2／Ｍ 为电机的转速降。由此表明增大电枢损耗，可以增加电机转速降。 电机调速的效率表达为： η＝ＰM／（Ｐ1－Σｐi） ＝ＰM／（Ｐem－△Ｐ2) 因此，在一定的轴功率ＰM输出条件下，控制电磁功率的调速是高效率的节能型调速，而控制损耗功率的调速必然是低效率的耗能型调速。 公式（１８）同时刻画出了功率控制调速的机械特性，当连续改变电磁功率ΣＰem时，如果损耗功率不变，电机的理想空载转速随ΣＰem连续变化，其机械特性为一族平行的曲线。而增大损耗，电磁功率不变时，电机理想空载转速不变，改变的只是转速降，其机械特性为一族汇交型曲线。如图５给出了两种调速的定性曲线。 图５ ａ.电磁功率调速特性 ｂ.转速降调速特性
综上所述，可以得出以下结论： ① 电磁功率控制调节的是理想空载转速，损耗功率控制调节的是转速降。 ② 电磁功率控制是高效率节能型的调速，其机械特性必为平行曲线族。损耗功率控制属低效率耗能调速，其机械特性必为汇交型曲线族。 四、异步机调速的分类与方法 与按n＝ 60f1/p·(1-S）表达式不同，根据本文所述的电机调速功率控制理论，异步机调速可分类表示如下：
性质/方案 控制点/变量 方法 要点 五、结论 1. 电机调速的基本原理有两种，一为轴功率控制，二是转矩控制。转矩控制实际是磁场控制，适于恒功率调整。 2. 轴功率控制的调速具有恒转矩特性，电磁转矩的变化是转速响应滞后所造成的，调速稳态时，电磁转矩只决定于负载，与控制无关。 3.轴功率控制的作用对象是电枢或伪电枢， 并最终只能通过电功率控制来实现。其中，电磁功率调节的是理想空载转速，损耗功率改变的是转速降。前者为高效节能型，后者为低效耗能型，两者的机械特性亦由此决定。 4. 变频调速和电转差功率控制调速同属电磁功率控制调速，两者性能一致，并无本质差别。 |
| 电机调速的功率控制原理 |
| 作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数：311 更新时间：2005-7-16 |
| 电机调速的功率控制原理 保定北方调速有限公司 屈维谦 摘要： 恒转矩电机调速的实质在于轴功率控制，而非转矩控制，的转矩控制只能通过磁场控制来实现。 异步机的转子相当于电枢，定子具有主磁极和伪电枢复合功能。直接功率控制的作用对象是电枢，定子伪电枢功率控制属间接功率控制。 功率控制的性质决定调速效率和机械特性。 关键词： 功率控制、电枢、伪电枢、电转差功率、热转差功率。
引言： 电机调速实质的探讨，是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论的提出和实践，很多有关文献和论著都把调速的转矩控制确认为调速的普遍规律，并提出调速的实质和关键在于电磁转矩控制。然而，这种观点尚缺乏理论和实践的证明，值得商榷。 本文根据电机功率转换的普遍原理，提出并证明恒转矩调速的实质在于电机的轴功率控制，转速调节是功率控制的响应，其关键为如何通过电功率控制轴功率。 转矩控制仅适于恒功率调速，它只是电机调速的局部，而不是调速的普遍规律。变频调速所依据的是转矩控制，实际执行的却是功率控制，因此才没有影响到应用的正确性。 一、功率控制与转矩控制 根据机电能量转换原理，凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。主磁极的作用是建立主磁场，电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。 直流电动机的主磁极和电枢不仅结构鲜明，而且功能，无疑符合以上定义。而交流（异步）电动机通常以定子、转子划分构成，需加说明。 根据所述电枢定义，异步机的轴功率产生于转子，因此，异步机真正的电枢是转子。问题在于定子，一方面定子励磁产生主磁场，故定子是主磁极。另一方面，定子又通过电磁感应为电枢（转子）输送电磁功率，却不产生轴功率，因此定子又具有电枢的部分特征，这里我们把它称为伪电枢。定子的这种复合功能，是异步机区别于直流机的主要特征。 从电枢输出角度观察，电动机的轴功率与电磁转矩机械转速的关系为： ＰM＝ＭΩ (１) 或 Ω＝ＰM／Ｍ （２） 公式（２）除了给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间的量值关系以外，同时表明，电机转速最终只能通过轴功率或电磁转矩两种控制获得调节，前者简称功率控制，后者简称转矩控制。 １. 功率控制 功率控制是以轴功率ＰM为调速主控量， 作用对象必然是电枢或伪电枢。电磁转矩在调速稳态时，取决于负载转矩的大小。 即 Ｍ＝Ｍfz (３) 当负载转矩一经为客观工况所确定之后，电磁转矩就唯一地被决定了，因此电磁转矩不仅与调速控制无关，而且不能随意改变其量值。 电磁转矩对转速的作用表现在调速的过渡过程，转矩的变化是转速响应滞后的结果，此时，功率控制造成电磁转矩响应。 设电机调速前的稳态转速为Ω1，轴功率为ＰM1，调速后的稳态转速为Ω2，相应的轴功率变为ＰM2。 由于电磁转矩： Ｍ＝ＰM／Ω (４） 故调速时，电磁转矩变为： Ｍ＝ＰM2／Ω 由于受惯性的作用，在ｔ＝0的调速瞬时Ω＝Ω1，故 Ｍ＝ＰM2／Ω1 t=0 此时的电磁转矩将与原来的电磁转矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，转矩平衡被破坏并产生动态转矩，电机转速在动态转矩作用下开始由Ω1向Ω2过渡，其变化规律为： Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 （５） 电磁转矩则为：Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 随着时间增大，动态转矩减小，直至电磁转矩与新的负载转矩平衡，即： Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz， 转速稳定在Ω2不变，电机调速结束。 上述的调速过程可以由图１的框图说明。
图１ 功率控制的调速流程
功率控制作用的是电枢，主磁场或主磁通量保持不变，根据电机理论，电机的额定电磁转矩正比于主磁通量，受限于电枢的最大载流量。因此功率控制调速时，电机的额定电磁转矩输出能力不变，属于恒转矩调速。 ２. 转矩控制 根据公式（２），电机转速在轴输出功率不变的前提下，与电磁转矩成反比。由于受电磁转矩以额定转矩为上限的约束，转矩控制实际上只能在额定转矩以下实现，因此属于恒功率调速。 电磁转矩的控制方法主要依据转矩公式： Ｍ＝ＣMΦmＩS （直流机） (６) 或 Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 （交流机） (７) 受控的物理量为主磁通Φm，由于主磁通量Φm产生于主磁极，因此转矩控制实际上是磁场控制，作用对象为主磁极。转矩控制调速同样要保证稳态时的转矩平衡，即： Ｍ＝Ｍfz 由于调速稳态时，电磁转矩发生了变化，因此要求负载转矩适应于电磁转矩变化，即要求负载跟踪电机。 转矩控制实际是弱磁调速，主要用于额定转速以上的调速。鉴于本文重点讨论的是功率控制，故不赘述。 二、功率控制的方法与性能 电机调速的轴功率控制只能通过电功率间接控制来实现。以异步机为例，图２是其等效三端口网络。 图２.异步机的等效网络 其中电枢（转子）除产生轴功率输出外，还产生以感应电压ｕ2和电流ｉ2为参量的电功率响应。由于该功率与转差率成正比，故称转差功率，其端口简称Ｐs口。 如果电机转子为笼型，其绕组呈短路状，Ｐs口为封闭不可控的。反之为绕线型，Ｐs口则是开启可控的， 转子可以通过Ｐs口输出或输入电功率。由此可见，异步机的功率控制调速有两种方式，一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率控制；另一种是通过Ｐs口直接控制电枢轴功率。 前者主要适用于笼型异步机，后者则适用于绕线型异步机。 １. 定子伪电枢功率控制。 图３.异步机定子功率控制调速
作为伪电枢，定子向电枢（转子）传输的电磁功率： Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1 （８） 电枢的轴功率则为： ＰM＝Ｐem－△Ｐ2 (９) 故 ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2） (10) 可见，控制伪电枢的输入功率Ｐ1或增大其损耗△Ｐ1就可以控制电枢的轴功率，后者显然是低效率、高损耗的调速，不宜推荐。 控制Ｐ1调速的唯一方法是调压━━变频， 即所谓的变频调速。由于： Ｐ1＝ｍ1Ｕ1I1COSφ1 (11) 故对于电压源供电调节端电压Ｕ1是控制功率Ｐ1的必须手段。问题的关键是为什么不能单纯调压，而必须辅以变频？这是定子除了伪电枢的功能之外，还同时兼主磁极之故。 前已叙及，功率控制的要点有： ① 保持主磁通量不变 ② 作用对象是电枢或伪电枢 ③ 控制目标是轴功率 如果单纯调压而频率不变，定子的主磁极功能就要受到严重影响。根据电机理论，做为主磁极，定子的主磁通量： Φm＝Ｅ／4.44Ｗ1ｋr1ｆ1 ＝ＫＥ1／f1 ≈ＫＵ1／f1 (12) 恒频调压的结果，主磁通Φm将随Ｕ1下降而减小，形成了前述的转矩控制。更主要的是此时不但未能控制功率Ｐ1，反而增大了电机损耗，与目的绝然相悖。 设负载为恒转矩性质，由转矩平衡方程，电磁转矩： Ｍ＝Ｍfz＝const 又 Ｍ＝ＣMΦmＩ1COSφ1 ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 (13) 设功率因数不变，定转子电流Ｉ1、Ｉ2将随主磁通Φm下降而正比增大，其结果功率Ｐ1不变，但定转子损耗： △Ｐ1＝ｍ1Ｉ 12 r1 △Ｐ2＝ｍ2Ｉ 222 r1 将按电流的平方律增大。根据式（１０），轴功率控制虽能实现，却属低效率高损耗的调速。 为此，异步机定子的功率控制调速，必须要将定子的主磁极和伪电枢两种功能游离开。针对同一定子绕组，一方面使主磁极产生的磁场保持稳定，同时又要控制其向电枢传递的电磁功率。 于是变频调速建立了一条重要原则，就是调压变频，且保证Ｖ／Ｆ（压频比）为常数，这样就确保了上述控制要求的实现。顺便指出，近代变频调速的矢量控制，实际上就是遵循这一原理。矢量控制的核心思想，是把磁场与转矩游离开，分别加以控制，认为调速的根本在于转矩，而事实上游离的却是磁场和电磁功率，虽然结果无误，但理论上必须加以澄清。 ２. 转子功率控制 对于绕线转子异步机的调速，可以利用转差功率端口━Ｐs口直接控制轴功率。方法是由Ｐs口移出或注入转差功率。需要指出： ① 所述的转差功率应区别经典电机学中的转子损耗转差功率，为此将后者称为转子损耗功率，记以△Ｐ2。 ② 转差功率有电能与热能之分，分别记以Ｐes和Ｐrs，两者性质不同，对调速的影响也不同。 图４.异步机转子功率控制调速
当在转子的Ｐs口引入电转差功率Ｐes时，转子的轴功率： ＰM＝（Ｐem±Ｐes）－△Ｐ2 （１４） 式中的Pem为定子向转子传输的电磁功率，电转差功率的负号表示从Ｐs口移出，正号表示从Ｐs口注入。Ｐes属电功率，故与电磁功率相合成，结果使轴功率ＰM发生变化，电机转速得到相应调节。 电转差功率调速的典型实例是串级调速和双馈调速，前者的电转差功率为负，流向为从转子移出，故实现的是额定转速以下的调速。后者的电转差功率可以双向流动，既可以移出，又可以注入，因此可以实现低同步和超同步两种调速。 当Ｐs口引入的是热转差功率Ｐrs时， 转子的轴功率则为： ＰM＝Ｐem－（△Ｐ2＋Ｐrs） (１５) 显然热转差功率的引入，增大了电枢（转子）的损耗，轴功率随Ｐrs的增大而减小，其典型例子是异步机转子串电阻调速。 三、功率控制的理想空载转速，效率与机械特性 根据电机学，电动机的理想空载转速主要取决于电枢的电磁功率，因有： Ω0＝Ｐem／Ｍ （１６） 由于电磁转矩为负载所决定，理想空载转速Ω0就决定于某一负载条件下电磁功率的大小。 功率控制调速的电枢功率可以综合表达为： ＰM＝ΣＰem－Σｐ2 （１７） 相应的转速： ＰM／Ｍ＝ΣＰem／Ｍ－Σｐ2／Ｍ （１８） Ω＝Ω0－△Ω (１９) 其中Ω0＝ΣＰem／Ｍ为功率控制调速的理想空载转速，因此调节电枢的电磁功率可以改变电机的理想空载转速。换言之，电机的理想空载转速取决于电枢的电磁功率。又，△Ω＝Σｐ2／Ｍ 为电机的转速降。由此表明增大电枢损耗，可以增加电机转速降。 电机调速的效率表达为： η＝ＰM／（Ｐ1－Σｐi） ＝ＰM／（Ｐem－△Ｐ2) 因此，在一定的轴功率ＰM输出条件下，控制电磁功率的调速是高效率的节能型调速，而控制损耗功率的调速必然是低效率的耗能型调速。 公式（１８）同时刻画出了功率控制调速的机械特性，当连续改变电磁功率ΣＰem时，如果损耗功率不变，电机的理想空载转速随ΣＰem连续变化，其机械特性为一族平行的曲线。而增大损耗，电磁功率不变时，电机理想空载转速不变，改变的只是转速降，其机械特性为一族汇交型曲线。如图５给出了两种调速的定性曲线。 图５ ａ.电磁功率调速特性 ｂ.转速降调速特性
综上所述，可以得出以下结论： ① 电磁功率控制调节的是理想空载转速，损耗功率控制调节的是转速降。 ② 电磁功率控制是高效率节能型的调速，其机械特性必为平行曲线族。损耗功率控制属低效率耗能调速，其机械特性必为汇交型曲线族。 四、异步机调速的分类与方法 与按n＝ 60f1/p·(1-S）表达式不同，根据本文所述的电机调速功率控制理论，异步机调速可分类表示如下：
性质/方案 控制点/变量 方法 要点 五、结论 1. 电机调速的基本原理有两种，一为轴功率控制，二是转矩控制。转矩控制实际是磁场控制，适于恒功率调整。 2. 轴功率控制的调速具有恒转矩特性，电磁转矩的变化是转速响应滞后所造成的，调速稳态时，电磁转矩只决定于负载，与控制无关。 3.轴功率控制的作用对象是电枢或伪电枢， 并最终只能通过电功率控制来实现。其中，电磁功率调节的是理想空载转速，损耗功率改变的是转速降。前者为高效节能型，后者为低效耗能型，两者的机械特性亦由此决定。 4. 变频调速和电转差功率控制调速同属电磁功率控制调速，两者性能一致，并无本质差别。 |
| 供水泵的选用与配套 |
泵的类型很多，按其工作原理可分为离心泵、轴流泵和混流泵三大类。目前在保护灌溉中采用最多的是多级式离心泵。它是在一根立轴上串联着可随轴旋转的多个叶轮，在叶轮上装有固定的导流壳。淹没在井水中的叶轮，在泵轴带动下高速旋转，叶轮中的水由于受到惯性离心力的作用，由叶轮中心甩向周边，经固定的导流壳流进上一级旋转着的叶轮再次受力、甩出。如此继续下去，水能（主要是压能）逐级升高，最后经末一级叶轮和上导流壳将水压入输水管扬至井口地面上。长轴井泵和潜水电泵大都属于此型。图4-22为JD型长轴井泵外形图，电动机1安装在井口地面上，靠一根长的传动轴带动井下叶轮旋转，井水由滤水管7流入，经系体6、输水管4和出水法兰盘3而流出井泵。图4－23为潜水泵外形图，是将电动机和水泵组成一个整体，潜入井下水中，电能通过防水电缆输入电动机带动水泵运行。由于省去了长的传动轴，所以结构紧凑，安装、维修方便，获得广泛采用。其主要用于高扬程、小流量井灌或用于农村人畜供水中。
（二）水泵的工作参数
1．流量 水泵的流量大致决定于泵的口径，流量Q（米3／吵）可用式（4-37）算出表4-29可作为估算用。
2．扬程 又称水头，它是指被输送的单位重量的液体从水泵进口到出口所增加的能量。单位为米。
3．功率 是指机械在单位时间（每秒）内做功的大小。单位用千瓦表示。
在水泵铭牌或有关资料上，常见有"有效功率"、"轴功率"、"配套功率"。
（1）有效功率 有效功率是指水流经过水泵时所获得的能量，即水泵传给水流的净功率。可由水泵出水量和扬程、水的容重等，根据式（4-38）计算出来：
（2）轴功率轴功率 是指水泵运转时，由动力机传递给水泵轴上的功率。有效功率与水泵效率η之比，即为水泵轴功率，即式中意义同前。
（3）配套功率配套功率 是指带动水泵正常工作的动力机应具有的功率。配套功率与轴功率不同。因动力机经传动装置（皮带或联轴器等）传递给水泵轴要消耗一部分功。此外，为了使动力机不常常处在满负荷状态下工作，配套机械的功率总要各大于水泵轴功率，以保护动力机。所以，配套功率要比轴功率大一些。对电动机加在水泵轴上的动力叫做轴动力，轴动力L可用式（4－40）计算，即
4．效率η 效率是表示水泵能量利用的指标。水泵在工作时，由于轴承填料和泵轴等机械运动的摩擦及水泵内的涡流现象，都要损失一部分能量。所以，动力机传给水泵轴的功率，不可能全部变成有效功率。有效功率和轴功率的比值就是水泵的效率。农用水泵的效率一般在65％～85％之间。
5．转速n 转速是指泵轴（叶轮）每分钟的转数，常用转／分钟表示。水泵的额定转速，一般为485、730、970、1450、2900转／分钟。水泵的额定转速、实际达到的转速的高低对泵的出水量、扬程、功率都有直接影响。这是水泵性能中一个很重要的指标。水泵转速改变后，出水量、扬程、轴功率都随之改变。
6．允许吸上真空高度 是指水面到抽水泵体叶轮的最大高程差。一般水泵的允许吸上真空度在8米以内。如果泵轴中心距动水位的垂直高度加上吸水管路损失扬程小于水泵允许吸上真空值，可以保证水泵正常出水量；若超过水泵的允许吸上真空高度值，水泵出水量就会减少；超过越多，汽蚀现象越严重，水泵也就抽不上水来。甚至出现一定的损坏。
7．口径 口径是指水泵进口的内径，其大小常用英寸表示（英寸为非法定计量单位，1英寸=25．4毫米）。
8．比转数 比转数称比速。是指模型水泵产生1米扬程。有效功率为1马力（即0．735千瓦）流量为0．075米3／秒时水泵叶轮缩小或放大的程度。比转速高低，是区分水泵类型是离心泵、混流泵还是轴流泵的一个标准。它和水泵的转速不是一回事。一般同型号、同口径的水泵，比转数越大，扬程、功率越小；反之比转数越小，扬程越高，功率也越大。
（三）水泵的型号 水泵的种类很多，每一种又有很多品牌。为了订购、选用方便，有关部门对不同类型的水泵，根据其尺寸大小、扬程、流量、转速和结构等不同情况，分别编制了不同的水泵型号表。所以，知道了一台水泵的型号，就可以从泵类产品样本或使用说明书中查到该泵的规格。型号是由符号（汉语拼音）及其前后的一些数据组成的。符号表示泵的类型，数字则分别表示水泵进、出口直径或最小井管内径、比转数、扬程、流量、叶轮个数等。
现将几类常用水泵的型号说明如下：
4BA－12A：BA表示单级悬臂离心清水泵，4表示泵进口直径为4英寸，12表示该泵的比转数为120，A表示该泵叶轮被较小。
20Sh－6：Sh表示单级双吸离心泵，20表示水泵进口直径为20英寸，6表示该泵的比转数为60。
36ZBL-70：表示出水口直径为36英寸的半调节、立式轴流泵，其比转数为700。
典型水泵性能参数见表中30所示。
（四）水泵的选配
1．配管材料 灌水用管道一般用碳素钢管和硬质聚氧乙烯管。直管之间用接头、弯头和三通连接。碳素钢管用接头连接。聚氯乙烯管用黏合剂，配管中用各种阀门调节水量。阀门有调节水量的截止阀门，全开或全闭的闸板阀门和防止逆流的逆止阀门等。直径过小，投资少，但所耗能源较多；直径过大，运行能耗小，但投资高，应合理选择。
2．水头损失的计算
（1）沿程水头损失是指水流在一定长度的直管道内流动时的压力水头损失，可由式（4－42）计算：
（2）局部水头损失是指水流在管道中流动时，经过各种弯管、变径管、三通、阀门等时引起的压力水头损失，管道的总局部水头损失为管道中各种上弯、三通、阀门等水头损之和。其值可用式（4－43）计算：
（3）水泵扬程的确定水泵的扬程可用式（4－44）确定：
当通过计算得到水泵的扬程和流量后，即可由水泵铭牌表选择合适的水泵型号。
（4）动力机选配动力机的选配是在水泵选定后，根据水泵的轴功率来确定。通常，水泵生产厂家已对应给出匹配动力机功率，如果缺少该指标，也可用式（4－45）计算水泵的匹配动力机动率，即
| 设计中应考虑保护地的电力情况，当保护地临近区域有电源，并且能够满足动力用电要求时，尽量选择电动机作为动力机；否则，应根据电动机和燃油机的综合造价，选择经济且安全的动力机。 |
离心泵结构简单，操作容易，流量均匀，调节控制方便，且能适用于多种特殊性质物料，因此离心泵是化工厂中最常用的液体输送机械。近年来，离心泵正向着大型化、高转速的方向发展。
2.2.1 离心泵的主要部件和工作原理
一、离心泵的主要部件
1．叶轮
叶轮是离心泵的关键部件，它是由若干弯曲的叶片组成。叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，提高液体的动能和静压能。
根据叶轮上叶片的几何形式，可将叶片分为后弯、径向和前弯叶片三种，由于后弯叶片可获得较多的静压能，所以被广泛采用。
叶轮按其机械结构可分为闭式、半闭式和开式（即敞式）三种，如图2-1所示。在叶片的两侧带有前后盖板的叶轮称为闭式叶轮（c图）；在吸入口侧无盖板的叶轮称为半闭式叶轮（b图）；在叶片两侧无前后盖板，仅由叶片和轮毂组成的叶轮称为开式叶轮（a图）。由于闭式叶轮宜用于输送清洁的液体，泵的效率较高，一般离心泵多采用闭式叶轮。
叶轮可按吸液方式不同，分为单吸式和双吸式两种。单吸式叶轮结构简单，双吸式从叶轮两侧对称地吸入液体（见教材图2－3）。双吸式叶轮不仅具有较大的吸液能力，而且可以基本上消除轴向推力。
2．泵壳
泵体的外壳多制成蜗壳形，它包围叶轮，在叶轮四周展开成一个截面积逐渐扩大的蜗壳形通道（见图2－2）。泵壳的作用有：①汇集液体，即从叶轮外周甩出的液体，再沿泵壳中通道流过，排出泵体；②转能装置，因壳内叶轮旋转方向与蜗壳流道逐渐扩大的方向一致，减少了流动能量损失，并且可以使部分动能转变为静压能。
若为了减小液体进入泵壳时的碰撞，则在叶轮与泵壳之间还可安装一个固定不动的导轮（见教材图2-4中3）。由于导轮上叶片间形成若干逐渐转向的流道，不仅可以使部分动能转变为静压能，而且还可以减小流动能量损失。
注意：离心泵结构上采用了具有后弯叶片的叶轮，蜗壳形的泵壳及导轮，均有利于动能转换为静压能及可以减少流动的能量损失。
3．轴封装置
离心泵工作时是泵轴旋转而泵壳不动，泵轴与泵壳之间的密封称为轴封。轴封的作用是防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出，或外界空气漏入泵内。轴封装置保证离心泵正常、高效运转，常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。
二、离心泵的工作原理
装置简图如附图。
1．排液过程
离心泵一般由电动机驱动。它在启动前需先向泵壳内灌满被输送的液体（称为灌泵），启动后，泵轴带动叶轮及叶片间的液体高速旋转，在惯性离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外周，提高了动能和静压能。进而泵壳后，由于流道逐渐扩大，液体的流速减小，使部分动能转换为静压能，最终以较高的压强从排出口进入排出管路。
2．吸液过程
当泵内液体从叶轮中心被抛向外周时，叶轮中心形成了低压区。由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在该压强差的作用下，液体便经吸入管路被连续地吸入泵内。
3．气缚现象
当启动离心泵时，若泵内未能灌满液体而存在大量气体，则由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转产生的惯性离心力很小，因而叶轮中心处不能形成吸入液体所需的真空度，这种虽启动离心泵，但不能输送液体的现象称为气缚。因此，离心泵是一种没有自吸能力的液体输送机械。若泵的吸入口位于贮槽液面的上方，在吸入管路应安装单向底阀和滤网。单向底阀可防止启动前灌入的液体从泵内漏出，滤网可阻挡液体中的固体杂质被吸入而堵塞泵壳和管路。若泵的位置低于槽内液面，则启动时就无需灌泵。
2.2.2 离心泵的主要性能参数和特性曲线
一、离心泵的主要性能参数
离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量
1． （叶轮）转速n：1000～3000rpm；2900rpm最常见。
2． 流量Q：以体积流量来表示的泵的输液能力，与叶轮结构、尺寸和转速有关。泵总是安装在管路中，故流量还与管路特性有关。
3． 压头（扬程）H：泵向单位重量流体提供的机械能。与流量、叶轮结构、尺寸和转速有关。扬程并不代表升举高度。一般实际压头由实验测定。
4． 功率：
（1）有效功率：指液体从叶轮获得的能量——；此处Q的单位为m3/s
（2）轴功率：指泵轴所需的功率。当泵直接由电机驱动时，它就是电机传给泵轴的功率。
5． 效率：由于以下三方面的原因，由电机传给泵的能量不可能100%地传给液体，因此离心泵都有一个效率的问题，它反映了泵对外加能量的利用程度：
①容积损失；②水力损失；③机械损失。
二、离心泵的特性曲线
从前面的讨论可以看出，对一台特定的离心泵，在转速固定的情况下，其压头、轴功率和效率都与其流量有一一对应的关系，其中以压头与流量之间的关系最为重要。这些关系的图形称为离心泵的特性曲线。由于它们之间的关系难以用理式表达，目前一般都通过实验来测定。包括H～Q曲线、N～Q曲线和～Q曲线。
图2-3 某种型号离心泵的特性曲线
离心泵的特性曲线一般由离心泵的生产厂家提供，标绘于泵的样本或产品说明书中，其测定条件一般是20℃清水，转速也固定。典型的离心泵性能曲线如图2-3所示。
1．讨论
（1） 从H～Q特性曲线中可以看出，随着流量的增加，泵的压头是下降的，即流量越大，泵向单位重量流体提供的机械能越小。但是，这一规律对流量很小的情况可能不适用。
（2） 轴功率随着流量的增加而上升，流量为零时轴功率最小，所以大流量输送一定对应着大的配套电机。另外，这一规律还提示我们，离心泵应在关闭出口阀的情况下启动，这样可以使电机的启动电流最小，以保护电机。
（3） 泵的效率先随着流量的增加而上升，达到一最大值后便下降。但流量为零时，效率也为零。根据生产任务选泵时，应使泵在最高效率点附近工作，其范围内的效率一般不低于最高效率点的92%。
（4） 离心泵的铭牌上标有一组性能参数，它们都是与最高效率点对应的性能参数，称为最佳工况参数。
三、离心泵特性的影响因素
1．液体的性质：
（1） 液体的密度：离心泵的压头和流量均与液体的密度无关，有效功率和轴功率随密度的增加而增加，这是因为离心力及其所做的功与密度成正比，但效率又与密度无关。
（2） 液体的粘度：若粘度大于常温下清水的粘度，则泵的流量、压头、效率都下降，但轴功率上升。所以，当被输送流体的粘度有较大变化时，泵的特性曲线也要发生变化。
2．转速
离心泵的转速发生变化时，其流量、压头、轴功率和效率都要发生变化，泵的特性曲线也将发生变化。
若离心泵的转速变化不大（小于20％），则可以假设：①转速改变前后液体离开叶轮处的出口速度三角形相似；②转速改变前后离心泵的效率不变。从而可导出以下关系：
， ， （比例定律） （2-2）
3．叶轮外径
当泵的转速一定时，压头、流量与叶轮的外径有关。对于某同一型号的离心泵，若对其叶轮的外径进行“切割”，而其他尺寸不变，在叶轮外径的减小变化不超过5％时，离心泵的性能可进行近似换算。此时可以假设：（1） 叶轮外径变化前后，叶轮出口速度三角形相似；（2） 叶轮外径变化前后，离心泵的效率不变；（3）叶轮外径变化前后，叶轮出口截面积基本不变。从而可以导出以下关系：
， ， （切割定律） （2-3）
与比例定律同样，要注意公式使用的条件。
[例2-1]：以20oC的水为介质，在泵的转速为2900r/min时，测定某台离心泵性能时，某次实验的数据如下：
流量12m3/h,泵出口处压强表的读数为0.37MPa，泵入口处真空表读数为0.027MPa，轴功率为2.3Kw。若压强表和真空表两测压口间垂直距离为0.4m，且泵的吸入管路和排出管路直径相同。测定装置如附图。求：这次实验中泵的压头和效率。
解：（1）泵的压头
以真空表和压强表所在的截面为41－1'和2－2'，列出以单位重量为衡算基准的伯努利方程，即
其中，，p1=-2.7×104Pa（表压）， p2=3.7×105Pa（表压）
因测压口之间距离较短，流动阻力可忽略，即Hf1-20；故泵的压头为：
H＝
（2）泵的效率
，即58.1％。
分析说明：在本实验中，若改变出口阀的开度，测出不同流量下的若干组有关数据，可按上述方法计算出相应的H及η值，并将H-Q、N-Q、η-Q关系标绘在坐标纸上，即可得到该泵在n＝2900r/min下的特性曲线。
2.2.3 离心泵的工作点和流量调节
一、管路特性曲线
前面介绍的离心泵特性曲线，表示一定转速下泵的压头、功率、效率与流量的关系。在特定管路中运行的离心泵，其实际工作的压头和流量不仅取决于离心泵本身的特性，而且还与管路特性有关。即在泵送液体的过程中，泵和管路是互相联系和制约的。因此在讨论泵的工作情况前，应先了解管路特性。
管路特性曲线表示液体通过特定管路系统时，所需的压头与流量的关系。如图所示的送液系统，若液体贮槽与受液槽的液面均维持恒定，输送管路的直径均一，在图2-4中1－1'和2-2'间列伯努利方程式，则可求得液体流过管路系统所需的压头（即要求离心泵提供的压头），即：
（2-4）
该管路输送系统的压头损失可表示为：
因
故 （2-5）
式中 Qe－管路中液体流量，m3/s；
d－管路直径，m；
L－管路长度，m；
λ－摩擦系数，无因次。
式中Le和分别表示局部阻力的当量长度和阻力系数。
对特定的管路系统，上式中等式右边各物理量中，除了λ和Qe外，其它各物理量为定值。且
， 则 （2-6）
将上式代入，可得：，即为管路特性方程。 （2-7）
对特定的管路，且在一定条件下操作，则ㅿz和均为定值，并令：
（2-8）
若液体在管路中的流动已进入阻力平方区，则此时λ与Qe无关，并令：
（2-9）
则可得特定管路的特性方程： （2-10）
它表示在特定管路中输送液体时，在管内流动处于高度湍流状态下，管路所需的压头He随液体流量Qe的平方而变。将此关系方程标绘在相应的坐标图上，即可得到He-Qe曲线。这条曲线称为管路特性曲线。此线的形状由管路布置和操作条件来确定，与离心泵性能无关。
二、离心泵的工作点
将泵的H～Q曲线与管路的～Qe曲线绘在同一坐标系中，两曲线的交点称为泵的工作点M。如图2-4所示。
图2-4 管路特性曲线和泵的工作点
1．说明 （1） 泵的工作点由泵的特性和管路的特性共同决定，可通过联立求解泵的特性方程和管路的特性方程得到；
（2） 安装在管路中的泵，其输液量即为管路的流量；在该流量下泵提供的扬程也就是管路所需要的外加压头。因此，泵的工作点对应的泵压头和流量既是泵提供的，也是管路需要的；
（3） 工作点对应的各性能参数（）反映了一台泵的实际工作状态。
三、离心泵的流量调节
由于生产任务的变化，管路需要的流量有时是需要改变的，这实际上就是要改变泵的工作点。由于泵的工作点由管路特性和泵的特性共同决定，因此改变泵的特性和管路特性均能改变工作点，从而达到调节流量的目的。
1．改变出口阀的开度——改变管路特性
出口阀开度与管路局部阻力当量长度有关，后者与管路的特性有关。所以改变出口阀的开度实际上是改变管路的特性。
图2-5 改变阀门开度时工作点变化
关小出口阀，增大，曲线变陡，工作点由M变为M1，流量下降，泵所提供的压头上升；相反，开大出口阀开度，减小，曲线变缓，工作点由M变为M2，流量上升，泵所提供的压头下降。如图2-5所示。
采用阀门调节流量快速简便，且流量可连续变化，适合化工连续生产的要求，因此应用很广泛。其缺点是当关小阀门时，管路阻力增加，消耗部分额外的能量，实际上是人为增加管路阻力来适应泵的特性。且在调节幅度较大时，往往使离心泵不在高效区下工作，不是很经济。
2．改变叶轮转速——改变泵的特性
如图2-6所示，，转速增加，流量和压头均能增加。这种调节流量的方法合理、经济，但曾被认为是操作不方便，并且不能实现连续调节。但随着的现代工业技术的发展，无级变速设备在工业中的应用克服了上述缺点。是该种调节方法能够使泵在高效区工作，这对大型泵的节能尤为重要。
图2-6 改变泵转速时工作点变化
3．车削叶轮直径
这种调节方法实施起来不方便，且调节范围也不大。叶轮直径减小不当还可能降低泵的效率，因此生产上很少采用。在生产中单台离心泵不能满足输送任务要求时，可采用离心泵并联或串联操作。
[例2-2] 确定泵是否满足输送要求。
将浓度为95%的自常压贮槽输送至常压设备中去，要求输送量为36m3/h, 液体的升扬高度为7m。输送管路由内径为80mm的钢化玻璃管构成，总长为160m（包括所有局部阻力的当量长度）。输送条件下管路特性曲线方程为：
（Qe单位为L/s）。现采用某种型号的耐酸泵，其性能列于下表中。
问：
（1）（1） 该泵是否合用？
（2）（2） 实际的输送量、压头、效率及功率消耗各为多少？
| Q(L/s) | 0 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 |
| H(m) | 19.5 | 19 | 17.9 | 16.5 | 14.4 | 12 |
| (%) | 0 | 17 | 30 | 42 | 46 | 44 |
解：（1）对于本题，管路所需要压头通过在贮槽液面（1-1’）和常压设备液面（2-2’）之间列柏努利方程求得：
式中
管内流速：
管路压头损失：
管路所需要的压头：
以（L/s）计的管路所需流量：
由附表可以看出，该泵在流量为12 L/s时所提供的压头即达到了14.4m，当流量为管路所需要的10 L/s，它所提供的压头将会更高于管路所需要的13.06m。因此我们说该泵对于该输送任务是可用的。
另一个值得关注的问题是该泵是否在高效区工作。由附表可以看出，该泵的最高效率为46%；流量为10 L/s时该泵的效率大约为43%，为最高效率的93.5％，因此我们说该泵是在高效区工作的。
（2）实际的输送量、功率消耗和效率取决于泵的工作点，而工作点由管路特性和泵的特性共同决定。
题给管路的特性曲线方程为： （其中流量单位为L/s）
据此可以计算出各流量下管路所需要的压头，如下表所示：
| Q(L/s) | 0 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 |
| H(m) | 7 | 7.545 | 9.181 | 11.91 | 15.72 | 20.63 |
分析说明：（1）判断一台泵是否合用，关键是要计算出与要求的输送量对应的管路所需压头，然后将此输送量与压头和泵能提供的流量与压头进行比较，即可得出结论。另一个判断依据是泵是否在高效区工作，即实际效率不低于最高效率的92%
（2）泵的实际工作状况由管路的特性和泵的特性共同决定，此即工作点的概念。它所对应的流量（如本题的11.4L/s）不一定是原本所需要的（如本题的10L/s）。此时，还需要调整管路的特性以适用其原始需求。
思考题：
1、是不是所有情况下离心泵启动前都要灌泵？
2、离心泵结构中有哪些是转能部件？
3、离心泵铭牌（标牌）上标出的性能参数是指该泵的最大值吗？
4、离心泵的扬程和升扬高度有什么不同？
2.2.4 离心泵的气蚀现象与安装高度
离心泵在管路系统中安装高度是否合适，将直接影响离心泵的性能、运行及使用寿命，因此在管路计算中应正确确定泵的安装高度。
一、离心泵的气蚀现象
由离心泵工作原理可知，在离心泵叶轮中心附近形成低压，这一压强的高低与泵的吸上高度密切相关。
1．泵的吸上高度是指贮槽液面与离心泵吸入口之间的垂直距离。
当贮槽上方压强一定时，若泵吸入口的压强越低，则吸上高度就越高，但是泵吸入口的低压是有的。当在泵的流通（一般在叶轮入口附近）中液体的静压强等于或低于该液体在工作温度下的饱和蒸汽压pV时，液体将部分气化，产生气泡。含气泡的液体进入高压区后，气泡就急剧凝结或破裂。因气泡的消失而产生了局部真空，周围的液体就以极高的速度流向原气泡中心，瞬间产生了极大的局部冲击压力，造成对叶轮和泵壳的冲击，使材料受到破坏。
2．气蚀现象：通常把泵内气泡的形成和破裂而使叶轮材料受到损坏的过程，称为气蚀现象。
离心泵在汽蚀状态下工作：
（1）泵体振动并发出噪音；（2）压头、流量效率大幅度下降，严重时不能输送液体；（3）时间长久，在水锤冲击和液体中微量溶解氧对金属化学腐蚀的双重作用下，叶片表面出现斑痕和裂缝，甚至呈海绵状逐渐脱落。
离心泵在正常运行时，必须避免发生气蚀现象。为此，叶轮入口附近处液体的绝对压强必须高于该液体在工作温度下的饱和蒸汽压。这就要求离心泵有适宜的安装高度。通常由离心泵的抗气蚀性能（又称吸上性能）来确定其安装高度。
二、离心泵的抗气蚀性能
一般采用两种指标来表示离心泵的抗气蚀性能（又称吸上性能）
1．离心泵的允许吸上真空度
允许吸上真空度是指为避免发生气蚀现象，离心泵入口处可允许达到的最高真空度（即最低的绝对压强）。其值通过实验测定。由于实验中不易测出叶轮入口附近处的最低压强的位置，因此以测定泵入口处的压强代替。
如图所示，假设大气压强为pa，泵的入口处的液体静压强为p1，则允许吸上真空度的定义为：
（2-11）
式中 －离心泵的允许吸上真空度，m液柱；
pa－当地大气压，若贮槽为密封槽，则应为槽内液面上方的压强，Pa；
p1－泵入口处的静压强，Pa；
ρ－液体的密度，Kg/m3。
图2-7 离心泵的吸液示意图
注意：离心泵的允许吸上真空度值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能越好。值大小与泵的结构、流量、被输送液体的性质及当地大气压等因素有关，通常由泵的制造工厂实验测定。实验值列在泵的样本或说明书的性能表上。应注意，该实验是在大气压为10mHgH2O（9.81×104Pa）下，以20oC清水为介质进行的。因此若输送其它液体，或操作条件与上述的实验条件不同时，应按下式进行换算：
（2-12）
式中 －操作条件下，输送液体时允许吸上真空度，m液柱；
－实验条件下，输送清水时的允许吸上真空度，m水柱；
Ha－当地大气压，mH2O；
pv－操作温度下液体的饱和蒸气压，Pa；
ρ－操作温度下液体的密度，Kg/m3；
10－实验条件下的大气压强，mH2O；
0.24－实验条件下水的饱和蒸气压，mH2O；
1000－实验条件下水的密度，Kg/m3
不同海拔高度的大气压强见教材表2－1
应予指出，由允许吸上真空度定义可知，它不仅具有压强的意义，此时单位为m液柱，又具有静压头的概念，因此一般泵性能表中把它的单位写成m，两者数值上是相等的。
允许吸上真空度也是泵的性能之一，一些离心泵的特性曲线图中也画出Hs－Q曲线。应注意在确定离心泵安装高度时应按泵最大流量下的Hs值来进行计算。
2．离心泵的气蚀余量
为防止气蚀现象的发生，在离心泵的入口处液体的静压头和动压头之和必须大于操作温度下的液体饱和蒸汽压头某一数值，此数值即定义为离心泵的气蚀余量Δh，其定义为
或
m （2-13）
式中： pv－在操作温度下液体的饱和蒸气压，Pa。
目前在国产泵样本的性能表中，离心油泵中的气蚀余量用符号Δh表示，离心水泵的气蚀余量用NPSH表示，本节中为简化均用Δh表示。而允许吸上真空度即将被停止使用。
而临界汽蚀余量 m （2-14）
当流量一定且流体流动进入阻力平方区时，气蚀余量Δh仅与泵的结构及尺寸有关，它是泵的抗气蚀性能参数。
离心泵的Δhc由泵制造厂实验测定，其值随流量增大而增大。为确保离心泵的正常操作，将所测得的临界汽蚀余量Δhc加上一定的安全量后，称为必需气蚀余量Δhr，并且列入泵产品样本性能表中。离心水泵用（NPSH）r表示，离心油泵用Δhr表示。在一些离心泵的特性曲线图上，也绘出Δhr－Q曲线。也应注意在确定离心泵安装高度时应取可能出现的最大流量为计算依据。
三、离心泵的允许安装高度
由离心泵的吸液示意图2-7，列出伯努力方程式，可求得离心泵的允许安装高度Hg：
m （2-15）
若已知离心泵的必需气蚀余量Δhr，则有：
（2-16）
若已知离心泵的允许吸上真空度，则有：
（2-17）
四、讨论
1．从前面的讨论中容易使人获得这样一种认识，即汽蚀是由于安装高度太高引起的，事实上汽蚀现象的产生可以有以下三方面的原因：①离心泵的安装高度太高；②被输送流体的温度太高，液体蒸气压过高；③吸入管路的阻力或压头损失太高。允许安装高度这一物理量正是综合了以上三个因素对汽蚀的贡献。由此，我们又可以有这样一个推论：一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化而产生汽蚀，如被输送物料的温度升高，或吸入管线部分堵塞。
2．有时，计算出的允许安装高度为负值，这说明该泵应该安装在液体贮槽液面以下。
3．允许安装高度Hg的大小与泵的流量有关。由其计算公式可以看出，流量越大，计算出的Hg越小。因此用可能使用的最大流量来计算Hg是最保险的。
4．安装泵时，为保险计，实际安装高度比允许安装高度还要小0.5至1米。（如考虑到操作中被输送液体的温度可能会升高；或由于贮槽液面降低而引起的实际安装高度的升高）。
5．当液体的操作温度较高或其沸点较低时，应注意尽量减小吸入管路的压头损失（如可以选用较大的吸入管径，减少管件和阀门，缩短管长等）；或将离心泵安装在贮槽液面以下，使液体利用位差自动流入泵体内。
2.2.5 离心泵的选用、安装与操作
一、 离心泵的类型：
1．清水泵：适用于输送清水或物性与水相近、无腐蚀性且杂质较少的液体。结构简单，操作容易。（IS型、B型、D型、sh型）
2．耐腐蚀泵：用于输送具有腐蚀性的液体，接触液体的部件用耐腐蚀的材料制成，要求密封可靠。（F型）
3．油泵：输送石油产品的泵，要求有良好的密封性和冷却系统。（Y型）
4．杂质泵：输送含固体颗粒的液体、稠厚的浆液，叶轮流道宽，叶片数少。（P型）
单吸泵；双吸泵；
单级泵；多级泵；
二、 离心泵的选用
1．根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型。
2．确定输送系统的流量和所需压头。流量由生产任务来定，所需压头由管路的特性方程来定。
3．根据所需流量和压头确定泵的型号
（1）查性能表或特性曲线，要求流量和压头与管路所需相适应。
（2）若生产中流量有变动，以最大流量为准来查找，压头也应以最大流量对应值查找。
（3）若H和Q与所需要不符，则应在邻近型号中找H和Q都稍大一点的。
（4）若几个型号都满足，应选一个在操作条件下效率最高的
（5）为保险，所选泵可以稍大；但若太大，工作点离最高效率点太远，则能量利用程度低。
泵的类型和型号选出后，应列出该泵的性能参数。
4．核算泵的轴功率。若输送液体的密度大于水的密度时，则要核算泵的轴功率，重新配置电动机。
三、离心泵的安装与操作
1．安装：
（1） 安装高度不能太高，应小于允许安装高度。
（2） 尽量设法减小吸入管路的阻力，以减少发生汽蚀的可能性。主要考虑：吸入管路应短而直；吸入管路的直径可以稍大；吸入管路减少不必要的管件和阀门，调节阀应装于出口管路。
2．操作：
（1） 启动前应灌泵，并排气。
（2） 应在出口阀关闭的情况下启动泵，使启动功率最小，以保护电动机。
（3） 停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮。
（4） 泵运转中应定时检查、维修等，特别要经常检查轴封的泄漏情况和发热与否；经常检查轴承是否过热，注意润滑。
[例2-3]：用IS80－65－125型离心泵从常压贮槽中将温度为50oC的清水输送到他处，槽内水面恒定，输送量为50m3/h。已知泵吸入管路的压头损失为2m，动压头可忽略，当地大气压为9.81×104Pa。求：该离心泵的安装高度Hg。
解：由附录可查出：对IS80－65－125型离心泵来讲，转速为2900r/min，流量为50m3/h时的必需气蚀余量为Δhr＝3.0m。
又查出50oC时水的物理性质为：
故离心泵的允许安装高度可用下式计算：
为安全起见，离心泵的实际安装高度应比允许安装高度Hg低0.5～1m。
[例2-4]：用某离心泵从贮槽向反应器输送液态异丁烷，贮槽内异丁烷液面恒定，液面上方压强为652.37KPa（绝压），泵位于贮槽液面以下1.5m处，吸入管路的全部压头损失为1.6m。异丁烷在输送条件下的密度为530Kg/m3，饱和蒸气压为637.65 KPa。在泵的性能表上查得输送流量下泵必需气蚀余量为3.5m。
试问：该泵能否正常操作？
分析：要判断该泵能否正常操作，应根据已知条件，核算泵的安装高度是否合适，即能否避免汽蚀现象。
解：先用公式计算允许安装高度，以便和该离心油泵的实际安装高度-1.5m进行比较。
由题意知：，代入上式得：
说明：已知泵的实际安装高度为-1.5m，大于允许安装高度-2.27m，即表明泵的实际安装高度偏高，可能发生气蚀现象，故该泵不能正常操作。
思考：若要使该泵能够正常操作，则应该采取什么措施？
措施1：必须使该泵的安装位置向下移动，至少移动（2.27-1.5）＝0.77m，但为了安全起见，应向下移动：0.77+0.5＝1.27m以上，才能保证安全操作。
措施2：请读者回答：若泵的安装位置不能移动，还可以采取什么措施，以保证该离心油泵能正常操作？
[例2-5]：某车间有一冷却塔，需用离心泵将地面下水池中20oC的水送至塔顶水槽内，然后再压入塔内。水池和水槽内液面高度均维持恒定，两液面上方均为大气压。已知塔顶水槽液面比地面高15m，水池液面又比地面低1.5m。已估计出管路计算总长度为52m（包括直管长度和所有局部阻力的当量长度），摩擦系数λ为0.018，管路系统要求送水量为72m3/h。试由教材附录中选用一台适宜的离心泵。
解：（1）确定输送水管的规格及水在管内的实际流速。
据教材表1-1中可查出，输送自来水时，可选取，故可求出管径d，
由附录可选用热轧无缝钢管合适，此管的实际内径
管径确定后应重新核定流速，水在管内实际流速为：
（2）确定压头损失Hf1-2
由题给
则
（3）确定管路所需的外加压头He
选取水池液面为1-1’截面，高位槽液面为2-2’截面，以地平面为基准面，在两截面间列出伯努利方程：
已知： Z1=-1.5m , Z2=15m , P1=P2=0(表压) , u1=0 ,u2=0 ,
Hf 1-2 = 0.80m , 代入柏努利方程中,可求出He
He =15+1.5+0.80 = 17.3 m
据 Qe=72m3/h, He=17.3m, 查附录(教材)二十四，可选用IS100-80-125型离心泵，其性能如下：
转速n=2900r/min，Q=100m3/h，H=20m，=78%，N轴=7KW，N电机=11KW，（NPSH）r=4.5m
[例2-6]用泵将混酸（以硫酸为主），从常压贮槽运送到表压为196.2KPa的设备中，要求流量为10m3/h，升扬高度为6m，全部压头损失为5m，混酸的密度为1600Kg/m3。
试选用适宜的离心泵。
解：输送以硫酸为主的腐蚀性混酸，宜用F型泵。参考手册及有关资料得知，其材质宜用高硅铸铁（材料代号为G），即选用FG型离心泵。现计算管路所需的外加压头He ：
由公式
已知：，，，
，，代入上式，可得：
又管路所需流量为10m3/h，可查有关资料或本教材（第1版）上册附录中F型泵性能表，知
50F-40A泵能符合要求。该泵的全部代号为50FG-40A，其主要性能如下；
，，，，，
此题应校核轴功率，并重新配置电动机。（因输送以硫酸为主的混酸，其密度大于水的密度）具体计算如下：
实际所需轴功率，而所配电动机的功率为5.5KW。
说明：在化工厂中输送酸、碱等腐蚀性液体相当普遍，也就是说，耐腐蚀泵在化工厂中也是常见的。故列上本例题供读者参考。
思考题
1．气缚现象与气蚀现象有什么区别？
2．在参观化工厂车间泵房时，你是否注意到：在离心泵排出管路调节阀上，经常挂着一个警示牌。上面写着：在启动和停止泵前，必须先关此阀。这是为什么？下载本文
