1 引言
水和其它實用的液體都是不可壓縮的，因此施加在液體上的能量會立即傳遞開去。當閥門開、關或水泵開、停造成流速的突然變化，則動能轉變為彈性能，產生一連串的正負壓力波，在管線中來回振動，這就是所謂的水錘。由此可見水錘的產生，一是由于外加驅動力的突然變化造成的，二是由于運動的液體速度突然變化造成的。所以我們要研究水泵開機和停機時的控制方法，以便避免水錘的產生。
2 采用轉矩控制才能消除水泵起動時的水錘
水泵通常是由交流異步電動機驅動的，而異步電動機具有如圖1所示的轉矩-轉速特性和電流-轉速特性。
圖1 異步電動機的轉矩--轉速特性和電流-轉速特性
圖1的特性是在異步電動機定子端電壓
為額定電壓
的情況下得到的。由于異步電動機的電流:
式中 
由式(1)可見，異步電動機的電流與端電壓成正比。所以，只要把圖1的電流曲線乘以
/就可以得到在端電壓為時的電流特性。
異步電動機的轉矩
式中, 異步電動機旋轉磁場的角速度ω0:。
由式(2)可見，異步電動機的轉矩與端電壓的平方成正比，所以，只要把圖1的轉矩曲線，乘以/就可以得到在端電壓為時的轉矩特性。
由圖1可見，同樣的電流值在不同轉速時產生的轉矩會有很大差異(6~8倍)。在低速階段，單位電流的轉矩值很小，而在接近額定轉速階段，單位電流的轉矩很大。因此，起動電動機時如果用電壓斜坡或電流斜坡控制，在電動機接近額定轉速時都會產生轉矩沖擊。圖2示出了采用電流斜坡起動水泵時的電機轉矩和轉速隨時間變化曲線。由這波形圖可見最大轉矩可達水泵在額定轉速時的轉矩的2.5倍左右。而采用電壓斜坡控制時，由于電流會更大(電流不受控制)，其轉矩波形與圖2相似，只是會在更早時間出現轉矩沖擊。這種沖擊轉矩的出現，就會引發水錘。
圖2 電流斜坡起動控制水泵時電機的轉矩及轉速特性
如果我們能夠控制電動機的轉矩，不使它過多的超過水泵需要的轉矩，那么就能消除起動水泵時產生的水錘。圖3示出了采用轉矩斜坡起動水泵時的電機轉矩和轉速隨時間變化曲線。把這波形圖與圖2相比可見，轉矩沖擊消失了。所以采用轉矩控制方式起動水泵能夠消除水錘。
圖3 轉矩斜坡起動水泵時的轉矩轉速特性
這里順便提一下，在電動機定子回路中串入液體變阻器，實際上是利用液體電阻器來降低加在電動機端子上的電壓，達到降壓起動的目的。由于液體電阻的電阻值不僅僅與電極間的距離有關，而且還與液體電解質濃度和液體的溫度有很大的關系。要利用液體電阻器做到對電動機實現轉矩控制是十分困難的，到目前為止，尚未見有這類控制的液體變阻器出現。
3 采用轉矩控制可以消除水泵停機時的水錘
水泵必須施加一定的轉矩才能把水從較低的位置輸送到較高的位置，所以如果使水泵停止時，水管中的水一方面因慣性而繼續流動，一方面又會在重力的作用下回流，從而引發一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊即水錘。
按照彈性水柱理論，可以建立水錘過程的運動方程和連續方程:
運動方程式為:
連續方程式為:
式中: h—管中某點的水頭;
v—管內流速;
a—水錘波傳播速度;
x—管路中某點的坐標;
g—重力加速度;
t—時間;
f—管路摩擦阻力系數;
d—管徑。
這是一組雙曲線族偏微分方程，可以通過有限差分法，利用計算機求解，這很復雜，通常可以采用近似公式(溫沙諾公式)來計算水錘:
設管內壓力及加速度之傳播速度約1000m/s，水錘作用之全壓力水頭為:
—關泵前(或閥門前)之壓力水頭;
—關泵前(或閥門前)之流速;
t—關泵前(或閥門前)所需時間。
由式(5)可見, 水泵或閥門關閉越緩慢, 則水錘壓力越小。
不少固態軟起動器都具備軟停機功能，它是使加在電動機上的端電壓逐漸減少，也即“電壓斜坡”控制方式，讓電動機逐漸減速。這是一種開環控制方式，有時候需要反復調整才能取得較好的效果，如果調整不好，會造成電動機在減速過程中振蕩。早在2000年美國benshaw公司對如何改進軟起動器的停機控制以減少停泵時的水錘進行過實驗研究，證明采用benshaw公司的“tru torque”轉矩閉環控制技術停泵不僅能夠使用戶更容易調整，而且由于使水泵更平滑更穩定的減速，減弱或消除水錘更有效。
圖4 采用電壓斜坡減速時管路系統壓力隨時間變化曲線
圖4為采用電壓斜坡減速時管路系統壓力隨時間變化曲線。經過精確調整后的設定值為:第一減速電壓(電動機轉速開始下降時的電壓)為70%額定電壓，第二減速電壓(此時電機已不受電壓控制)為15%額定電壓，斜坡時間為30s。由圖可見，在一段時間內壓力線性減少直到止回閥關閉。壓力減少是非常緩慢的，并且止回閥也是緩慢關閉。但從該圖可見在減速開始時有一個壓力階躍下降，另外只在很少一個范圍內壓力是線性減少的，而在其余時間里壓力變化很快，因此會有水錘產生。
圖5為采用“tru torque”轉矩控制停泵時的管路系統壓力隨時間變化曲線，“tru torque”轉矩參數設定是10%最終轉矩，斜坡時間30s。由圖5可見，壓力一開始就能平緩下降，并且壓力能平緩下降到更小的值，直到止回閥緩慢關閉，因此沒有水錘產生。
圖5 采用轉矩控制水泵時的管路系統壓力隨時間變化曲線
通過上述實驗比較可見，采用“tru torque”轉矩控制技術，可以在停泵時更好的消除水錘。而這種技術也是目前水電阻起動器所無法實現的。
4 結束語
由于液體是不可壓縮的，施加在液體上的力發生突變便會造成水錘。采用benshaw公司的帶"tru torque"轉矩控制的固態軟起動器，由于能在起動水泵時消除沖擊轉矩，以及能在停機時消除轉矩的突變，所以能消除水泵起動和停止時的水錘。
參考文獻
(略)
作者簡介
厲無咎 現任上海杰詣通用電器有限公司總經理。獲科技成果獎多項，是最早享受國務院專家津貼的專家之一。著有論文四十余篇和“可控硅串級調速系統及其應用”、“風機水泵調速節能手冊”等專著，以及參與編寫“電力電子設備設計和應用手冊”。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
