大功率風機水泵調速節能運行的技術經濟分析（

在泵與風機的調速節能方面，調壓調速適用于小容量且調速范圍不大的場合，通常用于100kW以下的鼠籠式電動機調速，調速范圍通常在70％～100％額定轉速之間。

異步電機調壓調速屬于轉差功率消耗型，究竟消耗多少轉差功率是決定這類調速系統工作性能的重要因素。分析表明，轉差功率損耗與系統的調速范圍和所帶負載的性質都有密切關系。

根據電機學原理，異步電機的電磁功率Pm為：

Pm=TeΩ1=Teω1/Pn=Teω/[Pn(1－s)] （13）

若忽略機械損耗等因素的影響，不同性質負載的轉矩TL可近似表示為：

TL=Cωα （14）

式中：C——常數；

α=0、1、2分別代表恒轉矩負載、與轉速成正比的負載和與轉速的二次方成正比的風機泵類負載。

當Te=TL時，代入式（13）后得：

Pm==(1－s)αω1α＋1 （15）

于是，轉差功率

Ps=sPm=s(1－s)αω1α＋1 （16）

而輸出的機械功率

P2≈(1－s)Pm=s(1－s)α＋1ω1α＋1 （17）

當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為基準值，定義轉差功率損耗系數Ps＊為：

Ps＊=Ps/P2max=s(1－s)α (19)

這是標志轉差功率損耗的指標。

圖8繪出了按式（13）確定的不同類型負載特性和電機調壓時的機械特性，當U1=U1N時各類負載特性都通過額定工作點。圖9則表示按式（19）畫出的不同類型負載時轉差功率損耗系數與轉差率的關系曲線。

圖8 不同類型的負載特性和異步電機的調壓機械特性

圖9 不同類型負載時轉差功率損耗系數與轉差率的關系曲線

對于恒轉矩負載，α=0，轉差功率損耗系數與s成正比。當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，并令此導數等于零

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＊最大時的轉差率

sm=1/(1＋α) (20)

將式（20）代入式（19）得最大轉差功率損耗系數

Psm＊=αα/(1＋α)α＋1 (21)

對于α=0、1、2，代入式（20）和式（21），計算結果列于表5。

表5 不同負載時的sm和值Psm＊

根據以上的分析和計算，可歸納出下述結論：

——對于恒轉矩負載，Ps＊和s成正比，轉速越低，轉差功率損耗越大，這時調壓調速的異步電機不宜長期在低速下工作；

——對于轉矩與轉速成正比的負載（α=1），當s=0.5時，轉差功率損耗系數最大，其值為Psm＊=0.25；

——對于風機泵類負載（α=2），當s=0.33時，最大的轉差功率損耗系數只有0.148，在整個s=0～1區間，Ps＊值都較小，因此，調壓調速對風機水泵類負載還是比較合適的。

3．5 繞線式電動機轉子串電阻調速

由電機學可知，繞線式異步電動機的轉子經集電環和電刷串接外加電阻后，可以改變電動機的轉差率s，亦即改變轉速。其串接電阻R值與轉差率s的關系如下：

M∝n2（平方轉矩，如葉片式泵與風機負載時）

R=[s(1－sN)2/sN(1－s)2]r2－r2（Ω） （22）

M=const（恒轉矩）負載時

R=（s/sN）r2－r2（Ω） （23）

上兩式中：sN——額定轉速時的轉差率；

r2——轉子繞組每相的內電阻，Ω。

如圖10所示，繞線式異步電動機三相電路轉子內各串接外電阻R時，其機械特性曲線要發生變化，與負載的轉矩－轉速特性曲線的交點（即工作點）亦要發生變化。串接的外電阻越大（不論是M=常數的恒轉矩負載或是M∝n2的平方轉矩負載），相應的轉速降低越多。所以，繞線式異步電動機，通過改變其轉子串接的外電阻可實現調速。

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

圖10 繞線式異步電動機轉子接外電阻調速時的機械特性R″>R′>R1

繞線式異步電動機轉子串接的外加電阻，可以選擇下述任一種：

——串金屬電阻 這是一種有級調速，通過電磁接觸器逐級切換。其缺點是不能連續調速，且電磁接觸器易損壞，維修工作量大。

——串液體電阻 串液體電阻可實現平滑無級調速。電阻液用相對密度比為0．5％～5％的碳酸氫鈉水溶液，其濃度可根據所需外串電阻值選擇。串液體電阻的優點還有：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速 如圖11所示。

圖11 斬波器控制等效電阻原理圖

從轉子端向斬波器看過去，相當于在X－Y上接一個等效電阻R＊。當晶閘管導通時R＊=0，晶閘管斷開時R＊=Rex。因此，調節晶閘管在導通和斷開的一個斬波周期內的占空比，就可以得到從零到Rex變化的電阻R＊。故斬波器調速可以實現無觸點、無級調速。

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

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

轉子串電阻調速方式的優點是：調速方法簡單，不需要復雜的控制設備，一次投資低，容易實施；可靠性高，功率因數高，啟動設備和調速設備合為一體。缺點是：只能用于繞線式異步電動機；因其有集電環和電刷，使用環境受到限制，只適于在環境溫度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；不宜用于振動大的場地；屬于低效調速方式，其轉差損失在外加電阻上以熱能形式散發；在調速時機械特性較軟，尤其在調速范圍較大時，缺點更為突出。

通常，轉子串電阻調速方式適用于調速范圍不大，對電動機機械特性硬度要求不高的場合。如中、小容量泵與風機的調速。過去國內外火力發電廠的鍋爐送、引風機和鍋爐給水泵有用繞線式異步電動機轉子串電阻調速的。至今我國鍋爐送、引風機仍有采用這一調速方式的。

3．6 各種低效調速方式的節能效果比較

所謂低效調速方式，就是指在調速過程中有轉差損失的調速方式，包括液力耦合器調速、液力調速離合器調速、電磁轉差離合器調速、定子調壓調速以及繞線式電動機轉子串電