大功率風(fēng)機水泵調速節能運行的技術(shù)經(jīng)濟分析（

磁極轉速n2的高低由磁極磁場(chǎng)的強弱而定，亦即由勵磁電流的大小而定。當勵磁電流大時(shí)，n2就高，磁極與電樞之間只要有較小的轉差率，就能產(chǎn)生足夠大的渦流轉矩來(lái)帶動(dòng)負載；當勵磁電流小時(shí)，n2就低，必須有大的轉差率才能產(chǎn)生帶動(dòng)負載的渦流轉矩。所以，改變勵磁電流的大小就可達到泵或風(fēng)機調速的目的。

根據電磁轉差離合器的上述工作原理，所以它又被稱(chēng)作渦流聯(lián)軸器、渦流式電磁轉差離合器等。

電磁轉差離合器也是一種有轉差損耗的低效調速裝置，調速效率等于調速比，即：η=n2/n1=i，in=0.83～0.87，當與泵或風(fēng)機聯(lián)接調速時(shí)，最大調速損耗為：

ΔPmax=0.148P2max/in3=0.148P1max/in2≈(0.23～0.26)P2max

調速的經(jīng)濟性比液力耦合器及液力調速離合器更差。

其優(yōu)點(diǎn)是：

——可靠性高，只要把絕緣處理好，就能實(shí)現長(cháng)期無(wú)檢修工作；

——占地面積小，控制功率小，一般僅為電動(dòng)機額定功率的1％～2％；

——結構簡(jiǎn)單，加工容易，價(jià)格低廉。

其缺點(diǎn)是：

——存在轉差損耗，尤其是當in較低時(shí)，運行經(jīng)濟性較差；

——容量較大時(shí)，需采用空冷或水冷，結構較復雜；

——調速響應時(shí)間長(cháng)；

——噪聲較大。

適用于轉速不很高、調速范圍不很寬的中小容量泵與風(fēng)機的調速傳動(dòng)。

表4 液力耦合器、液力調速離合器、電磁調速離合器的工作特性比較

用改變鼠籠式電動(dòng)機定子電壓值實(shí)現調速的方法 稱(chēng) 為 定 子 調 壓 調 速 簡(jiǎn) 稱(chēng) 為 調 壓 調 速 。

鼠 籠 式 電 動(dòng) 機 在 不 同 的 定 子 電 壓 時(shí) ， 可 以 得 到 一 組 人 為 機 械 特 性 ， 如 圖6所 示 。 由 電 機 學(xué) 基 本 原 理 可 知 ， 改 變 電 動(dòng) 機 的 定 子 電 壓 時(shí) ， 具 有 以 下 特 性 ：

(a)普通鼠籠型

(b)高轉子電阻值鼠籠型

圖6 鼠籠型電動(dòng)機變定子電壓時(shí)的機械特性

——異步電動(dòng)機的同步轉速n1不變；

——轉矩M與定子電源電壓U1的平方成正比，即M∝U12；

——最大轉矩Mmax與定子電源電壓U1的平方成正比，即Mmax∝U12；

——當定子電源電壓變化時(shí)，最大轉矩處的轉差率scr（臨界轉差率）不變。

在圖6上作出負載轉矩特性曲線(xiàn)，則電動(dòng)機轉矩轉速特性曲線(xiàn)與負載轉矩轉速特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)，即為電動(dòng)機的運行點(diǎn)。圖上作出了兩種負載轉矩特性曲線(xiàn)：恒轉矩特性曲線(xiàn)和轉矩與轉速平方成比例（M∝n2）的轉矩特性曲線(xiàn)。葉片式泵與風(fēng)機裝置在裝置靜揚程Hst或裝置靜壓Pst等于零時(shí)屬于M∝n2型的轉矩特性曲線(xiàn)。

從圖6可以看出：調壓調速應用于普通鼠籠型電動(dòng)機時(shí)，如果負載是恒轉矩型，則可調速的范圍極小，只能從同步轉速n1至n1sk轉速范圍內調速。當定子電壓由U10降至U20時(shí)，運行點(diǎn)由a′變至b′，其轉速變化是很小的，所以恒轉矩負載不適用普通鼠籠型電動(dòng)機，而應采用高轉子電阻值的鼠籠型電動(dòng)機。但葉片式泵與風(fēng)機屬于M∝n2型特性負載，采用普通鼠籠型電動(dòng)機調壓調速時(shí)，可以得到較大的調速范圍，如圖6(a)所示，當定子電壓由U10降至U20、U30時(shí)，運行點(diǎn)由a變至b、c。c點(diǎn)雖交于電動(dòng)機特性曲線(xiàn)的曲線(xiàn)段，但仍能穩定運行。當然，葉片式泵與風(fēng)機采用高轉子電阻值的鼠籠型電動(dòng)機調壓調速時(shí)，其調速特性會(huì )更好一些，見(jiàn)圖6(b)所示。

但以上討論的只是理想的情況，工程實(shí)際中，水泵的靜揚程Hst都不可能為零，工業(yè)風(fēng)機除靜壓Pst不可能為零外，其葉輪的靜轉矩Mst就更大了，所以其負載轉矩特性曲線(xiàn)與M軸（水平軸）的交點(diǎn)就會(huì )右移，這樣與電動(dòng)機特性曲線(xiàn)的曲線(xiàn)段基本上成平行的走向，因而沒(méi)有穩定的工作點(diǎn)。在風(fēng)機、水泵運行中，當試圖降低電動(dòng)機定子電壓時(shí)，開(kāi)始時(shí)轉速變化不明顯，繼續降低電壓則電流持續上升，轉速則迅速下降，直至停車(chē)，不能穩定運行。

要進(jìn)行風(fēng)機、水泵調壓調速，首先必須改變電動(dòng)機的外特性，新的外特性必須使電動(dòng)機有一個(gè)寬闊的穩定的調速范圍，一般要采用高轉差率電機，交流力矩電機或在繞線(xiàn)式電動(dòng)機的轉子繞組中串接電阻的方法，并且要加上轉速閉環(huán)控制系統，才能進(jìn)行穩定的調速。其次是要將調速過(guò)程中由于轉差功率引起的轉子的溫升很好地導出機外，才能實(shí)現長(cháng)期穩定的工作。這里可以采取旋轉熱管結構，也可采取特殊風(fēng)道冷卻結構，都是行之有效的方法。

為了對鼠籠型電動(dòng)機進(jìn)行定子電壓調節，必須加上調壓裝置。過(guò)去常用的方法是用飽和電抗器式調壓裝置、自耦變壓器式調壓器、感應式調壓器等。晶閘管出現以后，由于它不消耗銅鐵材料，體積小，價(jià)格低，控制方便，很快成為交流調壓裝置的主要部件。用晶閘管調壓調速的方法是由三只雙向晶閘管或三組反并聯(lián)的晶閘管，串接在電動(dòng)機的定子端。通過(guò)控制晶閘管的移相控制角α，就能對交流電壓作阻斷控制，從而改變電動(dòng)機的端電壓，實(shí)現對電動(dòng)機的調速。

高轉子電阻值的鼠籠型電動(dòng)機在高轉速范圍工作時(shí)，由于其額定轉差率SN大，所以它比普通鼠籠型電動(dòng)機的效率低，而其在低轉速范圍工作時(shí)，由于其機械特性很軟，即負載或電壓稍有波動(dòng)，就會(huì )引起轉速的很大變化，工作不易穩定，實(shí)際上無(wú)法使用。為了提高調壓調速特性的硬度，常采取具有轉速負反饋的閉環(huán)控制系統，如圖7所示。這種系統可得到圖7(b)那樣硬的調速特性。

(a)原 理 圖 (b)閉 環(huán) 系 統 靜 特 性

圖7 具 有 轉 速 負 反 饋 的 調 壓 調 速 系 統

1—晶 閘 管 調 壓 器 2—轉 速 調 節 器 3—觸 發(fā) 器 4—轉 速 給 定 電 位 器 5—測 速 發(fā) 電 機

定子調壓調速的主要優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)路簡(jiǎn)單、可靠，調壓裝置體積小、價(jià)格低，使用維修比較方便。此外調壓裝置還可兼作鼠籠型電動(dòng)機的降壓起動(dòng)設備，簡(jiǎn)化了系統。

調壓裝置的主要缺點(diǎn)是轉差功率損耗大、效率低，屬于低效調速方式，調速特性軟。此外，晶閘管調壓裝置產(chǎn)生的高次諧波會(huì )影響電網(wǎng)及電機，如使電動(dòng)機的損耗、振動(dòng)和噪聲增大。

調壓調速實(shí)際上是一種變轉差率s的調速方式，存在轉差損失，在忽略定子損失時(shí)，電動(dòng)機的效率近似等于轉速比，即

ηd≈i=n2/n1=1－s (12)

實(shí)際上電動(dòng)機及調壓調速系統的損失，還應包括晶閘管調壓裝置的損失。通常，為了提高調壓調速的特性和擴大調速范圍，常需采用高轉子電阻值的鼠籠型電動(dòng)機。這種電動(dòng)機的額定轉差率較大，約為10％～12％，因此，它的最高轉速（額定轉速）僅為同步轉速的88％～90％