大功率風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（

在泵與風(fēng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能方面，調(diào)壓調(diào)速適用于小容量且調(diào)速范圍不大的場合，通常用于100kW以下的鼠籠式電動機(jī)調(diào)速，調(diào)速范圍通常在70％～100％額定轉(zhuǎn)速之間。

異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型，究竟消耗多少轉(zhuǎn)差功率是決定這類調(diào)速系統(tǒng)工作性能的重要因素。分析表明，轉(zhuǎn)差功率損耗與系統(tǒng)的調(diào)速范圍和所帶負(fù)載的性質(zhì)都有密切關(guān)系。

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電機(jī)的電磁功率Pm為：

Pm=TeΩ1=Teω1/Pn=Teω/[Pn(1－s)] （13）

若忽略機(jī)械損耗等因素的影響，不同性質(zhì)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩TL可近似表示為：

TL=Cωα （14）

式中：C——常數(shù)；

α=0、1、2分別代表恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)載和與轉(zhuǎn)速的二次方成正比的風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載。

當(dāng)Te=TL時，代入式（13）后得：

Pm==(1－s)αω1α＋1 （15）

于是，轉(zhuǎn)差功率

Ps=sPm=s(1－s)αω1α＋1 （16）

而輸出的機(jī)械功率

P2≈(1－s)Pm=s(1－s)α＋1ω1α＋1 （17）

當(dāng)s=0時，全部電磁功率都輸出，這時輸出功率最大，為：

P2max=ω1α＋1 （18）

以P2max為基準(zhǔn)值，定義轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)Ps＊為：

Ps＊=Ps/P2max=s(1－s)α (19)

這是標(biāo)志轉(zhuǎn)差功率損耗的指標(biāo)。

圖8繪出了按式（13）確定的不同類型負(fù)載特性和電機(jī)調(diào)壓時的機(jī)械特性，當(dāng)U1=U1N時各類負(fù)載特性都通過額定工作點(diǎn)。圖9則表示按式（19）畫出的不同類型負(fù)載時轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線。

圖8 不同類型的負(fù)載特性和異步電機(jī)的調(diào)壓機(jī)械特性

圖9 不同類型負(fù)載時轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線

對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，α=0，轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)與s成正比。當(dāng)α=1或α=2時，在s=0和s=1處都有Ps＊=0，而在某一s值處Ps＊最大。為了求出此最大值Psm＊，將式（19）對s求導(dǎo)，并令此導(dǎo)數(shù)等于零

dPs＊/ds=(1－s)α－αs(1－s)α－1=(1－s)α－1[1－s－αs]=(1－s)α－1[1－(1＋α )s]=0

則Ps＊最大時的轉(zhuǎn)差率

sm=1/(1＋α) (20)

將式（20）代入式（19）得最大轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)

Psm＊=αα/(1＋α)α＋1 (21)

對于α=0、1、2，代入式（20）和式（21），計(jì)算結(jié)果列于表5。

表5 不同負(fù)載時的sm和值Psm＊

根據(jù)以上的分析和計(jì)算，可歸納出下述結(jié)論：

——對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，Ps＊和s成正比，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差功率損耗越大，這時調(diào)壓調(diào)速的異步電機(jī)不宜長期在低速下工作；

——對于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)載（α=1），當(dāng)s=0.5時，轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)最大，其值為Psm＊=0.25；

——對于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載（α=2），當(dāng)s=0.33時，最大的轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)只有0.148，在整個s=0～1區(qū)間，Ps＊值都較小，因此，調(diào)壓調(diào)速對風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載還是比較合適的。

3．5 繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

由電機(jī)學(xué)可知，繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子經(jīng)集電環(huán)和電刷串接外加電阻后，可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，亦即改變轉(zhuǎn)速。其串接電阻R值與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系如下：

M∝n2（平方轉(zhuǎn)矩，如葉片式泵與風(fēng)機(jī)負(fù)載時）

R=[s(1－sN)2/sN(1－s)2]r2－r2（Ω） （22）

M=const（恒轉(zhuǎn)矩）負(fù)載時

R=（s/sN）r2－r2（Ω） （23）

上兩式中：sN——額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)差率；

r2——轉(zhuǎn)子繞組每相的內(nèi)電阻，Ω。

如圖10所示，繞線式異步電動機(jī)三相電路轉(zhuǎn)子內(nèi)各串接外電阻R時，其機(jī)械特性曲線要發(fā)生變化，與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線的交點(diǎn)（即工作點(diǎn)）亦要發(fā)生變化。串接的外電阻越大（不論是M=常數(shù)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或是M∝n2的平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載），相應(yīng)的轉(zhuǎn)速降低越多。所以，繞線式異步電動機(jī)，通過改變其轉(zhuǎn)子串接的外電阻可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

繞線式異步電動機(jī)起動時也常采用轉(zhuǎn)子串接外電阻方式。如圖10所示，轉(zhuǎn)子內(nèi)阻增加時，一方面可以減少起動電流，另一方面可以增加起動轉(zhuǎn)矩Mq。

圖10 繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子接外電阻調(diào)速時的機(jī)械特性R″>R′>R1

繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串接的外加電阻，可以選擇下述任一種：

——串金屬電阻 這是一種有級調(diào)速，通過電磁接觸器逐級切換。其缺點(diǎn)是不能連續(xù)調(diào)速，且電磁接觸器易損壞，維修工作量大。

——串液體電阻 串液體電阻可實(shí)現(xiàn)平滑無級調(diào)速。電阻液用相對密度比為0．5％～5％的碳酸氫鈉水溶液，其濃度可根據(jù)所需外串電阻值選擇。串液體電阻的優(yōu)點(diǎn)還有：起動時沖擊電流小、體積小、觸頭不易過熱。

——斬波器控制等效電阻調(diào)速 如圖11所示。

圖11 斬波器控制等效電阻原理圖

從轉(zhuǎn)子端向斬波器看過去，相當(dāng)于在X－Y上接一個等效電阻R＊。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時R＊=0，晶閘管斷開時R＊=Rex。因此，調(diào)節(jié)晶閘管在導(dǎo)通和斷開的一個斬波周期內(nèi)的占空比，就可以得到從零到Rex變化的電阻R＊。故斬波器調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)、無級調(diào)速。

繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬于有轉(zhuǎn)差損失的低效調(diào)速方式。葉片式泵與風(fēng)機(jī)采用這種調(diào)速方式時，其調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比，即η =n2/n1=i，式中n2為電動機(jī)串接電阻R時的轉(zhuǎn)速，n1為電動機(jī)的外接電阻R=0時的轉(zhuǎn)速；其轉(zhuǎn)差損失的最大值發(fā)生在2／3額定轉(zhuǎn)速處，即Δ Pmax=0.148Pn，式中Pn為電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時（即R=0時）的輸出功率，即繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時，調(diào)速效率η和轉(zhuǎn)差損失的規(guī)律與液力調(diào)速離合器相同。

從圖10轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時的機(jī)械特性可以看出：轉(zhuǎn)子串接的電阻值R越大，其機(jī)械特性也越軟，即轉(zhuǎn)矩很小的變化將引起轉(zhuǎn)速較大的波動；在負(fù)載小時（即轉(zhuǎn)矩小時），其調(diào)速范圍變窄。

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速方法簡單，不需要復(fù)雜的控制設(shè)備，一次投資低，容易實(shí)施；可靠性高，功率因數(shù)高，啟動設(shè)備和調(diào)速設(shè)備合為一體。缺點(diǎn)是：只能用于繞線式異步電動機(jī)；因其有集電環(huán)和電刷，使用環(huán)境受到限制，只適于在環(huán)境溫度40℃以下使用，在灰塵多的地方要采用全封閉式繞線式電動機(jī)；不宜用于振動大的場地；屬于低效調(diào)速方式，其轉(zhuǎn)差損失在外加電阻上以熱能形式散發(fā)；在調(diào)速時機(jī)械特性較軟，尤其在調(diào)速范圍較大時，缺點(diǎn)更為突出。

通常，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式適用于調(diào)速范圍不大，對電動機(jī)機(jī)械特性硬度要求不高的場合。如中、小容量泵與風(fēng)機(jī)的調(diào)速。過去國內(nèi)外火力發(fā)電廠的鍋爐送、引風(fēng)機(jī)和鍋爐給水泵有用繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的。至今我國鍋爐送、引風(fēng)機(jī)仍有采用這一調(diào)速方式的。

3．6 各種低效調(diào)速方式的節(jié)能效果比較

所謂低效調(diào)速方式，就是指在調(diào)速過程中有轉(zhuǎn)差損失的調(diào)速方式，包括液力耦合器調(diào)速、液力調(diào)速離合器調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速以及繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電