大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（

在泵与风机的调速节能方面，调压调速适用于小容量且调速范围不大的场合，通常用于100kW以下的鼠笼式电动机调速，调速范围通常在70％～100％额定转速之间。

异步电机调压调速属于转差功率消耗型，究竟消耗多少转差功率是决定这类调速系统工作性能的重要因素。分析表明，转差功率损耗与系统的调速范围和所带负载的性质都有密切关系。

根据电机学原理，异步电机的电磁功率Pm为：

Pm=TeΩ1=Teω1/Pn=Teω/[Pn(1－s)] （13）

若忽略机械损耗等因素的影响，不同性质负载的转矩TL可近似表示为：

TL=Cωα （14）

式中：C——常数；

α=0、1、2分别代表恒转矩负载、与转速成正比的负载和与转速的二次方成正比的风机泵类负载。

当Te=TL时，代入式（13）后得：

Pm==(1－s)αω1α＋1 （15）

于是，转差功率

Ps=sPm=s(1－s)αω1α＋1 （16）

而输出的机械功率

P2≈(1－s)Pm=s(1－s)α＋1ω1α＋1 （17）

当s=0时，全部电磁功率都输出，这时输出功率最大，为：

P2max=ω1α＋1 （18）

以P2max为基准值，定义转差功率损耗系数Ps＊为：

Ps＊=Ps/P2max=s(1－s)α (19)

这是标志转差功率损耗的指标。

图8绘出了按式（13）确定的不同类型负载特性和电机调压时的机械特性，当U1=U1N时各类负载特性都通过额定工作点。图9则表示按式（19）画出的不同类型负载时转差功率损耗系数与转差率的关系曲线。

图8 不同类型的负载特性和异步电机的调压机械特性

图9 不同类型负载时转差功率损耗系数与转差率的关系曲线

对于恒转矩负载，α=0，转差功率损耗系数与s成正比。当α=1或α=2时，在s=0和s=1处都有Ps＊=0，而在某一s值处Ps＊最大。为了求出此最大值Psm＊，将式（19）对s求导，并令此导数等于零

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

则Ps＊最大时的转差率

sm=1/(1＋α) (20)

将式（20）代入式（19）得最大转差功率损耗系数

Psm＊=αα/(1＋α)α＋1 (21)

对于α=0、1、2，代入式（20）和式（21），计算结果列于表5。

表5 不同负载时的sm和值Psm＊

根据以上的分析和计算，可归纳出下述结论：

——对于恒转矩负载，Ps＊和s成正比，转速越低，转差功率损耗越大，这时调压调速的异步电机不宜长期在低速下工作；

——对于转矩与转速成正比的负载（α=1），当s=0.5时，转差功率损耗系数最大，其值为Psm＊=0.25；

——对于风机泵类负载（α=2），当s=0.33时，最大的转差功率损耗系数只有0.148，在整个s=0～1区间，Ps＊值都较小，因此，调压调速对风机水泵类负载还是比较合适的。

3．5 绕线式电动机转子串电阻调速

由电机学可知，绕线式异步电动机的转子经集电环和电刷串接外加电阻后，可以改变电动机的转差率s，亦即改变转速。其串接电阻R值与转差率s的关系如下：

M∝n2（平方转矩，如叶片式泵与风机负载时）

R=[s(1－sN)2/sN(1－s)2]r2－r2（Ω） （22）

M=const（恒转矩）负载时

R=（s/sN）r2－r2（Ω） （23）

上两式中：sN——额定转速时的转差率；

r2——转子绕组每相的内电阻，Ω。

如图10所示，绕线式异步电动机三相电路转子内各串接外电阻R时，其机械特性曲线要发生变化，与负载的转矩－转速特性曲线的交点（即工作点）亦要发生变化。串接的外电阻越大（不论是M=常数的恒转矩负载或是M∝n2的平方转矩负载），相应的转速降低越多。所以，绕线式异步电动机，通过改变其转子串接的外电阻可实现调速。

绕线式异步电动机起动时也常采用转子串接外电阻方式。如图10所示，转子内阻增加时，一方面可以减少起动电流，另一方面可以增加起动转矩Mq。

图10 绕线式异步电动机转子接外电阻调速时的机械特性R″>R′>R1

绕线式异步电动机转子串接的外加电阻，可以选择下述任一种：

——串金属电阻 这是一种有级调速，通过电磁接触器逐级切换。其缺点是不能连续调速，且电磁接触器易损坏，维修工作量大。

——串液体电阻 串液体电阻可实现平滑无级调速。电阻液用相对密度比为0．5％～5％的碳酸氢钠水溶液，其浓度可根据所需外串电阻值选择。串液体电阻的优点还有：起动时冲击电流小、体积小、触头不易过热。

——斩波器控制等效电阻调速 如图11所示。

图11 斩波器控制等效电阻原理图

从转子端向斩波器看过去，相当于在X－Y上接一个等效电阻R＊。当晶闸管导通时R＊=0，晶闸管断开时R＊=Rex。因此，调节晶闸管在导通和断开的一个斩波周期内的占空比，就可以得到从零到Rex变化的电阻R＊。故斩波器调速可以实现无触点、无级调速。

绕线式异步电动机转子串电阻调速属于有转差损失的低效调速方式。叶片式泵与风机采用这种调速方式时，其调速效率等于转速比，即η =n2/n1=i，式中n2为电动机串接电阻R时的转速，n1为电动机的外接电阻R=0时的转速；其转差损失的最大值发生在2／3额定转速处，即Δ Pmax=0.148Pn，式中Pn为电动机在额定转速时（即R=0时）的输出功率，即绕线式电动机转子串电阻调速时，调速效率η和转差损失的规律与液力调速离合器相同。

从图10转子串电阻调速时的机械特性可以看出：转子串接的电阻值R越大，其机械特性也越软，即转矩很小的变化将引起转速较大的波动；在负载小时（即转矩小时），其调速范围变窄。

转子串电阻调速方式的优点是：调速方法简单，不需要复杂的控制设备，一次投资低，容易实施；可靠性高，功率因数高，启动设备和调速设备合为一体。缺点是：只能用于绕线式异步电动机；因其有集电环和电刷，使用环境受到限制，只适于在环境温度40℃以下使用，在灰尘多的地方要采用全封闭式绕线式电动机；不宜用于振动大的场地；属于低效调速方式，其转差损失在外加电阻上以热能形式散发；在调速时机械特性较软，尤其在调速范围较大时，缺点更为突出。

通常，转子串电阻调速方式适用于调速范围不大，对电动机机械特性硬度要求不高的场合。如中、小容量泵与风机的调速。过去国内外火力发电厂的锅炉送、引风机和锅炉给水泵有用绕线式异步电动机转子串电阻调速的。至今我国锅炉送、引风机仍有采用这一调速方式的。

3．6 各种低效调速方式的节能效果比较

所谓低效调速方式，就是指在调速过程中有转差损失的调速方式，包括液力耦合器调速、液力调速离合器调速、电磁转差离合器调速、定子调压调速以及绕线式电动机转子串电