1引言
风机水泵在工农业生产及民用建筑的应用量大、面广，据统计，80年代以来，风机水泵的用电占全国用电总量的31%，占工业用电的40%~45%。不少变频器生产厂家、变频器应用的书籍手册也给出了变频水泵、风机节能效果的计算公式:泵能耗与泵转速的三次方成正比。如果泵转速是其额定转速的1/2，则功耗只有额定值的1/8，节能87.5%。
我国能源形势非常紧张、能源利用效率不高的国情以及可持续发展国策驱使下，被描述的风机水泵变频节能前景确实诱人。果真如此吗？否，变频泵的三大关系式的使用是有条件的，变频节能的主要应用领域是在风机水泵上，作为变频器的生产厂家，特别是专门研究变频控制的专家学者，必须明明白白告诉读者，变频节能到底是怎么一回事。
系统是物质世界存在的基本方式和根本属性，变频水泵也不例外，它是水路系统中的一个子系统，一个环节，它的任务是为系统的大目标服务的并和系统中的其他子系统协调工作，共同完成水系统的总目标、任务。水系统的主要任务、目标是在保证水系统最不利环路的资用压力的前提下，最大限度的节省能量，如果满足不了这个要求，水系统最不利环路的资用压力达不到设计要求，那最不利环路中的空调设备将不能正常工作，水系统的设计就是失败的。
2相似定理导出的变频泵的流量、压力、功率和转速的关系式
在水泵内流动完全相似的条件下(即满足几何相似、运动相似和动力相似，其中几何相似是运动相似、动力相似的基础)可以推导出著名的流量、压头、功率和转速关系的方程式:
下标为0的参数，为额定工况参数，下标为1的参数是转速为n1时的参数。
式(1)~(3)三个关系式是把水泵从水系统中孤立出来，从相似理论推导出的结果。有了相似理论，人们才有可能利用模型级的方法开发研究高效离心水泵、风机和涡轮发动机来。实际水泵是在水系统中运行的，它是水系统不可分割的一部分，因此从系统的观点来看，对泵完全相似要求的三个相似条件，是对整个系统而言的，而不是单单对泵要求的条件。这点可以从泵特性曲线和水系统阻力特性曲线图1上可以看出。
图1变频水泵性能曲线
水系统管路阻力特性曲线如图1上的r1在所示，它是水管路几何参数完全确定的情况下实验或计算求得的管路的阻力—流量关系曲线。在实际工程中，管道内的流动在阻力平方区，因此管路阻力特性曲线r1由公式(4)表示:
式中:δp—管道水阻力;s—管道综合阻力系数
从系统的观点来看，如果水泵所在的水系统运行时某个部件几何形状发生了变化，便破坏了整个系统相似的基础—几何相似，在水系统中工作的水泵也不可能处在相似工况运行。只有管路阻力特性曲线r1上所有的点在运行时，是保持水系统的几何参数是不变的，因此泵的n1特性曲线上，唯有管路阻力特性曲线r1与n1的交点a1和额定工况点a0完全相似，才有上述的3个关系式，其他任何点，比如n1和等压线p0的交点c就没有上面3个关系。如果不分泵所在水系统的运行工况就宣称变频泵功耗和转速3次方成正比，这绝对是误导读者。
在水系统运行时唯一可变几何形状的部件是各种阀门，因此水泵变频运行时阀门开度不能变动，才能保持水系统流动相似的基础—几何相似。如果阀门在变频过程中开度变动，便破坏了水系统相似流动的基础，系统不在相似工况运行，在水系统中工作的水泵当然也不可能在相似工况下运行。由系统分析可知，水系统在相似工况运行变频水泵的节能效果最好，判别变频泵是否在相似工况运行最简单的方法是用水泵变频运行时阀门开度是否变化，阀门开度不变化，泵就在相似工况运行，节能效果最显著，这从另一个角度来看，阀门在运行中不变的要求是为了使阀门的节流损失最小;阀门开度变化，泵就不在相似工况运行，节能效果变差，而且阀门开度变化越大，节流损失越大，节能效果越差。
常见的恒压供水系统，泵能耗只和流量的一次方成正比，是采用变频调速节能效果较差的。如果采用空调变风量送风系统最小静压控制法类似的思想，供水过程中不再保持恒压，而是根据大部分阀门是否全开了来判断供水压力是否继续下降，以求得系统的阀门节流损失最小。这种观点作者在文献中有详细的论述。
在定压供水系统中，变频泵在新工况点c的功耗和转速不再有简单的(3)式关系，而是和水泵的当下流量lc成正比，如公式(5)所示，当然lc、wc和转速n1有隐函关系了。
式中:η—泵传动总效率。
从水电比拟法中也可以理解定压水系统中变频水泵功耗。在水电比拟中，水压相当于电压，水流相当于电流，水阻相当于电阻。水压的含义是单位时间内向高水压处输送单位体积的水水泵做的功，电压的含义是单位时间内向高电压处输送单位电荷电池做的功，电压、水压都是能量的概念，本质上是相同的。我们知道，所有定电压的用电器，其功率只和电流一次方成正比，水路和此一样。这点还可以从因次分析中清楚地看出。
3在定压供水系统中对泵性能的要求
在定压供水系统中，泵性能应和管网特性、控制策略相匹配才能取得满意的控制结果。变频器相对价格昂贵，因此在实际应用中，水泵群都是采取“一变多定”的配置方案。经过分析，要完成水泵群“一变多定”省钱的配置方案，通常在选择水泵性能时有以下一些考虑。
3.1完全满足“一变多定”配置要求的方案
经分析，完全满足水泵“一变多定”配置方案要求的，只有具有恒流特性的容积式水泵才可以。如图2所示，n0为容积泵额定工况特性曲线，n1、n2为容积泵变转速时的特性曲线，由图2中可以看出，容积泵具有恒流特性的。当管网特性由r0变化到r1时，在控制上很容易确定开一台定流量泵和一台变频泵来适应新的工况点流量的要求。但是容积泵的效率非常低，在水系统中若采用容积泵输送水来满足“一变多定”配置方案的要求，则是完全背离了采用变频水泵进行节能的初衷，因此，这个配置方案不能采用。
图2恒流水泵变频控制图图
3.2高性能离心泵的变频控制方案
采用了三元流动、进口导叶等等先进的技术，离心式水泵的特性曲线非常平坦，高效率的工作区域很宽，这正是水泵生产厂家和用户追求的。对于定压供水系统的高效离心水泵机群如果也采用“一变多定”配置的控制方案，则会引起一些问题。图3是泵特性曲线图，从这个图上可以很容易分析出，在定压供水系统中，变频水泵新的工况点也就是变频泵特性曲线和等压线交点，因泵的特性非常平坦，变频泵的变频范围非常小，且因为供水压力小的波动(这在供水系统中是非常正常的)新的工况点会发生剧烈变动，工况点极不稳定，虽然在控制中可以采用软件滤波的方法改善不稳定的情况，但变、定水泵配置方案运行匹配较为困难，节省的能量很有限却是肯定的，这和采用变频节能控制的初衷也是相违背的。因此对于实际工程中的高性能离心泵机群，所有泵都进行变频控制才是合理的，如著名的德国wilo公司的mhie、mviv系列变频恒压多泵并联供水系统，多台泵全部采用变频控制，以避免“一变多定”运行匹配困难的问题。如果水系统尽量采用“一变一备”的配置，用一套变频器，切换控制两台水泵，同一时间只有一台泵处于变频运行，那就不会遇到“一变多定”运行匹配困难的问题，同时投资也很节省，这是变频水泵水系统设计中一种可行的方法。
图3高效离心泵变、定配置示意
4结束语
(1)在最常见的定压供水系统中，变频泵的功耗，只和流量的一次方成正比，而没有和水泵转速的3次方成正比的关系。
(2)对于高性能的离心水泵，不宜采用“一变多定”配置方案。
(3)各空调机水路中采用小的变频水泵的配置方案也是一种变频节能的好措施。
参考文献
许振茂.森兰变频调速器在风机水泵中的节能应用.自动化博览，2003-5，增刊(变频应用专集).
许振茂.变频调速器的节能应用与计算.自动化博览，2003-5，增刊(变频应用专集).
曹琦.空调供水系统变频控制的节能.自动化博览，2003-5，增刊(变频应用专集).