Design and simulation of groundwater pumping systems using variable frequency drives (VFDs) to enhance water sustainability.

Abstract

Groundwater pumping stations in the Algerian Sahara rely on fixed-speed induction motor drives that impose severe operational constraints: destructive inrush currents at starting, persistent hydraulic mismatch between pump and system characteristics, and energy waste amplified by the cubic relationship between motor speed and shaft power. This thesis investigates the design, simulation, and techno-economic evaluation of a Variable Frequency Drive (VFD) control strategy for the 75 kW submersible pump installation at the University Hub Pumping Station, University Hamma Lakhdar, El Oued, Algeria. A field diagnostic campaign in March 2026 identified two critical failures in the existing stator-resistance starter: a destructive bypass inrush current of 248 A at the six-second contactor transition, and a chronic hydraulic runout condition at Q = 150 m³/h, 120% of the Best Efficiency Point flow, that degrades pump efficiency to 73% and wire-to-water system efficiency to approximately 60% (Pelec ≈ 59.4 kW). A MATLAB/Simulink digital twin of the complete motor-inverter-pump system was constructed and validated against the field measurements. Four simulation scenarios comparing the stator-resistance starter with the proposed closed-loop scalar V/f VFD confirm that the VFD eliminates the inrush spike and produces a smooth speed ramp. Reducing the supply frequency from 50 Hz to 44 Hz shifts the operating point to the BEP envelope, recovering pump efficiency to 77.5%. The annual energy saving of approximately 141,000 kWh yields a monetary saving of approximately 446,000 DZD/year against Sonelgaz Tariff 42. With a capital expenditure of 955,000 DZD, the simple payback period is approximately 2.1 years, with a strongly positive ten-year NPV of +2,038,000 DZD and an IRR of 45.6%. The VFD installation is recommended to eliminate mechanical failures, extend pump service life, and support Algeria’s water-sector energy efficiency objectives. تعتمد محطات ضخ المياه الجوفية في الصحراء الجزائرية على محركات حثية ذات سرعة ثابتة، وهو ما يفرض قيوداً تشغيلية صارمة، تتمثل أساساً في تيارات إقلاع اندفاعية مدمرة، وعدم تطابق هيدروليكي مستمر بين خصائص المضخة والنظام، إضافة إلى هدر طاقوي يتفاقم بفعل العلاقة التكعيبية بين سرعة المحرك والقدرة على العمود. تتناول هذه المذكرة تصميم ومحاكاة وتقييماً تقنياً واقتصادياً لاستراتيجية التحكم باستعمال مغير التردد Variable Frequency Drive (VFD) لمنشأة ضخ غاطسة بقدرة 75 kW بمحطة الضخ الجامعية، جامعة حمه لخضر، الوادي، الجزائر. كشفت حملة تشخيص ميدانية أُجريت في مارس 2026 عن خللين حرجين في بادئ التشغيل القائم على مقاومات الجزء الثابت: تيار اندفاعي مدمر قدره 248 A عند انتقال القاطع بعد ست ثوانٍ، وحالة تشغيل هيدروليكي مزمنة خارج النطاق الأمثل عند Q = 150 m³/h، أي 120% من تدفق نقطة أفضل كفاءة Best Efficiency Point (BEP)، مما أدى إلى انخفاض كفاءة المضخة إلى 73% وانخفاض الكفاءة الإجمالية للنظام من السلك إلى الماء إلى حوالي 60%، حيث Pelec ≈ 59.4 kW. تم إنشاء نموذج رقمي توأمي باستعمال MATLAB/Simulink للنظام الكامل المتكون من المحرك والعاكس والمضخة، وتم التحقق من صحته بالاعتماد على القياسات الميدانية. وتؤكد أربعة سيناريوهات محاكاة، قارنت بين بادئ التشغيل بمقاومات الجزء الثابت والتحكم المقترح بمغير التردد ذي التحكم القياسي المغلق V/f، أن مغير التردد يلغي ذروة تيار الإقلاع ويوفر تدرجاً سلساً في السرعة. كما أن خفض تردد التغذية من 50 Hz إلى 44 Hz ينقل نقطة التشغيل إلى نطاق أفضل كفاءة BEP، مما يرفع كفاءة المضخة إلى 77.5%. تقدر الوفورات السنوية في الطاقة بحوالي 141,000 kWh، وهو ما يعادل توفيراً مالياً يقارب 446,000 دج سنوياً وفق تعريفة سونلغاز 42. وبالنظر إلى تكلفة استثمارية قدرها 955,000 دج، فإن فترة الاسترداد البسيطة تقدر بحوالي 2.1 سنة، مع صافي قيمة حالية موجب بقوة على مدى عشر سنوات قدره +2,038,000 دج، ومعدل عائد داخلي يقدر بـ 45.6%. لذلك، يوصى بتركيب مغير التردد بهدف الحد من الأعطال الميكانيكية، وإطالة العمر التشغيلي للمضخة، ودعم أهداف الجزائر في تحسين كفاءة الطاقة في قطاع المياه.