大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（2）  

摘要：指出了发电厂风机水泵调速运行的必要性和巨大的节能潜力；讨论了各种调速方式的优缺点，并作出了详细的技术经济分析。

关键词：风机；水泵；液力耦合器；变频调速；串级调速；无刷双馈电机

Techno- economics Analysis of Energy Saving for

AdjusTIng Speed of Blower and Water Pump in Power Plant

XU Fu- rong

Abstract:This paper introduces the necessity of adjusTIng speed saving energy of blower and water pump in the power plant and the large latent capacity of saving energy; It also introduces the advantages and disadvantages of various methods for adjusTIng speed and make a detail techno? economics analysis.

Keywords:Blower; Water pump;Fluid coupler;Variable frequeney adjusTIng speed;Cascade adjusting speed;Brushless double-fed machine

3   风机水泵的低效调速节能方案

3．1   液力耦合器

    液力耦合器是一种利用液体（多数为油）的动能来传递能量的叶片式传动机械。安装在定速电动机与风机水泵之间，达到平滑调节转速的目的。

    液力耦合器的调速效率η等于输出功率P2与输入功率P1之比。在忽略各种阻力扭矩时可以近似认为：

    MB=－MT

式中：MB——稳定流动时，泵轮叶片作用于液体的扭矩；

      MT——稳定流动时，液体作用于涡轮的扭矩。

则有：

    η=P2/P1≈PT/PB=－MTωT/MBωB=－MTnT/MBnB=nT/nB=i   （7）

式中：PB——稳定流动时，泵轮叶片作用于液体的功率；

      PT——稳定流动时，液体作用于涡轮的功率；

      ωB——对应于MB的转动角速度；

      ωT——对应于MT的转动角速度；

      nB——对应于ωB的转速；

      nT——对应于ωT的转速。

    即在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等损失时，液力耦合器的调速效率等于转速比。转速比越小，其调速效率也越低，这是液力耦合器的一个重要工作特性。

    当液力耦合器带泵或风机进行调速传动时，泵或风机的转速n等于液力耦合器涡轮的转速nT，即n=nT，而其轴功率P等于涡轮传递的轴功率PT，即P=PT。根据叶片式泵与风机的比例定律，泵与风机的轴功率与其转速n的三次方成正比：

       PT/PTn=(nT/nTmax)3

或改写成：

      PT=PTn(nT/nTmax)3=PTn(nT/nB)3·(nB/nTmax)3=PTni3/in3    (8)

    因为i=PT/PB，即PB=PT/i=PTn(i2/in3)，则液力耦合器的转差损失功率：

      ΔP=PB－PT=PTn(i2－i3)/in3    (9)

    为了求出最大转差功率损失处的转速比i，将式（9）对i求导数，再令导数为零，可求出其极值点，即：

    d(ΔP)/di=PTn(2i－3i2)/in3=0

得i=2/3=0.667时

    ΔPmax=PTn[(2/3)2－(2/3)3]/in3=（4/27）PTn/in3=0.148PTn/in3=0.148PBn/in2（10）

通常，液力耦合器的in=0.97～0.98，则：

    ΔPmax=(0.157～0.162)PTn=(0.154～0.157)PBn   （11）

    由此证明，液力耦合器带泵或风机进行调速传动时，其最大转差功率损耗ΔPmax发生在转速比i=2/3处，并不是转速越低，耗损越大。

    虽然液力耦合器工作在低速时其调速效率很低（等于转速比），但在带泵与风机调速时，与节流调节相比较，仍具有显著的节能效果。例如某离心风机，当流量Q=190×103m3/h时，风机的轴功率为158kW，当通过节流调节使流量Q=95×103m3/h时，风机的轴功率为115kW。当用液力耦合器调速时，由于流量为原流量的一半，则风机的轴功率应为其1／8。

    158kW×(1/2)3=19.75kW

    再考虑到i=1/2时的液力耦合器的效率η=i=0．5。原动机的输出功率应为19．75kW×2=39.5kW，较之节流调节仍有75.5kW（=115kW－39.5kW)的节电效果，仍是相当可观的。

    液力耦合器的优点是：

    ——无级调速，调速范围大，较之节流调节有显著节能效果；

    ——可空载起动电动机和逐步起动大惯量负荷，降低了起动电流，使起动更为安全可靠；

    ——隔离振动，能减轻负荷冲击，再加之起动电流小，延长了电动机及泵与风机的寿命；

    ——过载保护，保护电动机及风机水泵；

    ——除轴承外无其他摩损部件，因滑差损耗产生的热量均匀地分散到油中，不会引起局部过热，故工作可靠，能长期无检修工作，寿命长；

    ——工作平稳，可以平缓地起动、加速、减速和停车；

    ——便于控制，液力耦合器是无级调速，便于实现自动控制，适合于各种伺服控制系统；

    ——能用于大容量泵与风机的变速调节，目前单台液力耦合器传递的功率已达20MW以上。

    其缺点是：

    ——和节流调节相比，增加了初投资，增加了安装空间，大功率的液力耦合器除本体设备外，还要一套附加的冷油器等辅助设备与管路系统；

    ——由于液力耦合器的最大转速比in=0.97～0.98，因此液力耦合器的输出最大转速要比输入转速低；

    ——调节延迟时间较长，不适应紧急事故的处理，适合于较高转速的泵与风机调速的场合；

    ——调速精度不高，不适宜要求精确转速的场合使用；

    ——因为无直联机构，故液力耦合器一旦发生故障，泵与风机也只能停止工作；

    ——调速效率低（η=i），等于转速比，产生的损耗大，在各种变速装置中属低效调速装置。

3．2   液力调速离合器

    液力调速离合器是一种以油为工作介质，依靠摩擦力传递功率的变速传动装置。它是一种新型的液力无级调速传动装置，既能实现无级调速，又能象普通离合器一样，既可将主动部分与从动部分分离，又可将主动部分与从动部分无相对运动地合在一起，所以称其为液力调速离合器，也称奥米伽离合器。

    其调速特性与液力耦合器基本相似，也属于低效调速装置，但其最大调速比in=1，调速效率η=P2/P1=M2ω2/M1ω1=n2/n1=i，当泵与风机相联、i=2/3时，ΔPmax=0.148PN，体积比液力耦合器较小，投资差不多，但功率较小。

3．3   电磁转差离合器

    电磁转差离合器的功用和液力耦合器及液力调速离合器相同，都是安装在定速电动机与泵或风机之间的一种变速传动装置，使泵与风机可以实现无级调速。

    电磁转差离合器的基本部件为电枢与磁极，这两者之间没有机械联系，各自可以自由旋转。电枢是主动部分，直接与电动机的输出轴连接，并由电动机带动其旋转。电枢通常为圆筒形整块铸钢，在外表面常铸或焊有风扇叶，以提高散热效果。磁极为从动部分，它通过联轴器与泵或风机的输入轴相连。磁极由铁芯和励磁绕组组成，励磁绕组有装设在转子上的，也有固定在机壳上的，前者的励磁电流需通过集电环和电刷引到转子。图5所示为电磁转差离合器的示意图。从图5可见，主动部分（电枢）与从动部分（磁极）之间在机械上是分开的，当中有气隙。当励磁绕组无励磁电 流 通 过 时 ， 则 这 两 部 分 互 不 相 干 ； 只 有 在 通 以 励 磁 电 流 时 ， 才 能 靠 电 磁 效 应 相 互 联 系 起 来 。

图5   电磁转差离合器示意图

    电磁转差离合器的调速原理是基于电磁感应定律。当励磁绕组通以直流电时，沿气隙圆周面将形成若干对极性交替的磁极，其磁通穿过气隙与电枢相链。当电动机带动电枢旋转时，电枢与磁极之间有相对运动，因感应而产生电势，这一感应电势将在电枢中形成涡流，其方向可由右手定则确定。此涡流又与磁场的磁通相互作用，产生电磁力，其方向可按左手定则确定，这个力作用于电枢一个转矩，其方向与电枢的旋转方向相反，是与带动电枢旋转的拖动转矩相平衡的制动力矩。这个力及力矩也同样作用在磁极上，其方向与电枢旋转方向相同，它使磁极沿电枢旋转方向旋转，并拖动泵或风机旋转。

    电磁转差离合器与硬性联接的普通联轴器传动的不同之处是：电磁转差离合器的磁极转速n2是可以连续调整的，且n2一定小于电枢转速n1。这是因为若n2=n1，则磁极与电枢之间不存在相对运动，即电枢没有切割磁力线，也就不可能在电枢中感应出电势，更谈不上产生力和转矩了。因此，电磁转差离合器的磁极与电枢之间必存在一个转速差Δn=n1－n2，这和异步电动机的原理相似。

    磁极转速n2的高低由磁极磁场的强弱而定，亦即由励磁电流的大小而定。当励磁电流大时，n2就高，磁极与电枢之间只要有较小的转差率，就能产生足够大的涡流转矩来带动负载；当励磁电流小时，n2就低，必须有大的转差率才能产生带动负载的涡流转矩。所以，改变励磁电流的大小就可达到泵或风机调速的目的。

    根据电磁转差离合器的上述工作原理，所以它又被称作涡流联轴器、涡流式电磁转差离合器等。

    电磁转差离合器也是一种有转差损耗的低效调速装置，调速效率等于调速比，即：η=n2/n1=i，in=0.83～0.87，当与泵或风机联接调速时，最大调速损耗为：

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

调速的经济性比液力耦合器及液力调速离合器更差。

    其优点是：

    ——可靠性高，只要把绝缘处理好，就能实现长期无检修工作；

    ——占地面积小，控制功率小，一般仅为电动机额定功率的1％～2％；

    ——结构简单，加工容易，价格低廉。

    其缺点是：

    ——存在转差损耗，尤其是当in较低时，运行经济性较差；

    ——容量较大时，需采用空冷或水冷，结构较复杂；

    ——调速响应时间长；

    ——噪声较大。

    适用于转速不很高、调速范围不很宽的中小容量泵与风机的调速传动。

表4   液力耦合器、液力调速离合器、电磁调速离合器的工作特性比较

    用改变鼠笼式电动机定子电压值实现调速的方法 称 为 定 子 调 压 调 速 简 称 为 调 压 调 速 。

    鼠 笼 式 电 动 机 在 不 同 的 定 子 电 压 时 ， 可 以 得 到 一 组 人 为 机 械 特 性 ， 如 图6所 示 。 由 电 机 学 基 本 原 理 可 知 ， 改 变 电 动 机 的 定 子 电 压 时 ， 具 有 以 下 特 性 ：

(a)普通鼠笼型  

(b)高转子电阻值鼠笼型

图6   鼠笼型电动机变定子电压时的机械特性

    ——异步电动机的同步转速n1不变；

    ——转矩M与定子电源电压U1的平方成正比，即M∝U12；

    ——最大转矩Mmax与定子电源电压U1的平方成正比，即Mmax∝U12；

    ——当定子电源电压变化时，最大转矩处的转差率scr（临界转差率）不变。

    在图6上作出负载转矩特性曲线，则电动机转矩转速特性曲线与负载转矩转速特性曲线的交点，即为电动机的运行点。图上作出了两种负载转矩特性曲线：恒转矩特性曲线和转矩与转速平方成比例（M∝n2）的转矩特性曲线。叶片式泵与风机装置在装置静扬程Hst或装置静压Pst等于零时属于M∝n2型的转矩特性曲线。

    从图6可以看出：调压调速应用于普通鼠笼型电动机时，如果负载是恒转矩型，则可调速的范围极小，只能从同步转速n1至n1sk转速范围内调速。当定子电压由U10降至U20时，运行点由a′变至b′，其转速变化是很小的，所以恒转矩负载不适用普通鼠笼型电动机，而应采用高转子电阻值的鼠笼型电动机。但叶片式泵与风机属于M∝n2型特性负载，采用普通鼠笼型电动机调压调速时，可以得到较大的调速范围，如图6(a)所示，当定子电压由U10降至U20、U30时，运行点由a变至b、c。c点虽交于电动机特性曲线的曲线段，但仍能稳定运行。当然，叶片式泵与风机采用高转子电阻值的鼠笼型电动机调压调速时，其调速特性会更好一些，见图6(b)所示。

    但以上讨论的只是理想的情况，工程实际中，水泵的静扬程Hst都不可能为零，工业风机除静压Pst不可能为零外，其叶轮的静转矩Mst就更大了，所以其负载转矩特性曲线与M轴（水平轴）的交点就会右移，这样与电动机特性曲线的曲线段基本上成平行的走向，因而没有稳定的工作点。在风机、水泵运行中，当试图降低电动机定子电压时，开始时转速变化不明显，继续降低电压则电流持续上升，转速则迅速下降，直至停车，不能稳定运行。

    要进行风机、水泵调压调速，首先必须改变电动机的外特性，新的外特性必须使电动机有一个宽阔的稳定的调速范围，一般要采用高转差率电机，交流力矩电机或在绕线式电动机的转子绕组中串接电阻的方法，并且要加上转速闭环控制系统，才能进行稳定的调速。其次是要将调速过程中由于转差功率引起的转子的温升很好地导出机外，才能实现长期稳定的工作。这里可以采取旋转热管结构，也可采取特殊风道冷却结构，都是行之有效的方法。

    为了对鼠笼型电动机进行定子电压调节，必须加上调压装置。过去常用的方法是用饱和电抗器式调压装置、自耦变压器式调压器、感应式调压器等。晶闸管出现以后，由于它不消耗铜铁材料，体积小，价格低，控制方便，很快成为交流调压装置的主要部件。用晶闸管调压调速的方法是由三只双向晶闸管或三组反并联的晶闸管，串接在电动机的定子端。通过控制晶闸管的移相控制角α，就能对交流电压作阻断控制，从而改变电动机的端电压，实现对电动机的调速。

    高转子电阻值的鼠笼型电动机在高转速范围工作时，由于其额定转差率SN大，所以它比普通鼠笼型电动机的效率低，而其在低转速范围工作时，由于其机械特性很软，即负载或电压稍有波动，就会引起转速的很大变化，工作不易稳定，实际上无法使用。为了提高调压调速特性的硬度，常采取具有转速负反馈的闭环控制系统，如图7所示。这种系统可得到图7(b)那样硬的调速特性。

(a)原 理 图   (b)闭 环 系 统 静 特 性

图7   具 有 转 速 负 反 馈 的 调 压 调 速 系 统

1—晶 闸 管 调 压 器  2—转 速 调 节 器  3—触 发 器  4—转 速 给 定 电 位 器  5—测 速 发 电 机

    定子调压调速的主要优点是线路简单、可靠，调压装置体积小、价格低，使用维修比较方便。此外调压装置还可兼作鼠笼型电动机的降压起动设备，简化了系统。

    调压装置的主要缺点是转差功率损耗大、效率低，属于低效调速方式，调速特性软。此外，晶闸管调压装置产生的高次谐波会影响电网及电机，如使电动机的损耗、振动和噪声增大。

    调压调速实际上是一种变转差率s的调速方式，存在转差损失，在忽略定子损失时，电动机的效率近似等于转速比，即

    ηd≈i=n2/n1=1－s   (12)

实际上电动机及调压调速系统的损失，还应包括晶闸管调压装置的损失。通常，为了提高调压调速的特性和扩大调速范围，常需采用高转子电阻值的鼠笼型电动机。这种电动机的额定转差率较大，约为10％～12％，因此，它的最高转速（额定转速）仅为同步转速的88％～90％，显然，这种电动机的转子损耗大，在额定电压时效率低。因此，调压调速方式的经济性比起液力偶合器、液力调速离合器等的调速方式还要差。

    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阻调速。这些调速方式的共同点是调速效率等于转速比，即η=n2/n1=i。但这并不意味着节能效果都相同。

    上述调速方式中，液力调速离合器调速和绕线式电动机转子串电阻调速是节能效果最好的。这是因为采用这两种调速方式时，泵与风机的最高转速仍可达到电动机未调速时的额定转速，它们在电动机额定转速的2／3时产生的转差损失为最大，这时的最大转差损失ΔPmax为0.148Pn，Pn是指泵或风机在实际工作中能达到的最高转速n2max时所需的轴功率值。

    液力耦合器和电磁调速离合器用在泵或风机上时，风机和水泵的最高转速就达不到电动机的额定转速。这是因为液力耦合器和电磁转差离合器与电动机连接的主动部分与泵与风机连接的被动部分间必须维持一定的转速差才能维持正常工作。设风机和水泵最高转速n2max时的转速比in=n2max/n1，对于液力耦合器in=0.97～0.98；对于电磁转差离合器，过去in=0.83～0.87，现在的新产品in=0.94～0.96。液力耦合器和电磁转差离合器也是在2／3额定转速时产生的最大转差损失Δ Pmax=0.148Pn/in3。可见液力耦合器和电磁转差离合器的转差损失实际比液力调速离合器和转子串电阻方式大。在非额定转速时，这几种低效调速方式的转差损失ΔP均可用式Δ P=Pn(i2－i3)/in3表示。故在相同转速比i下，in越小，转差损失越大。应注意的是，因液力耦合器和电磁转差离合器的in<1，故泵或风机应用它们调速时的最大转速就达不到电动机的额定转速，因之它们的出力也小于额定转速时的出力，必要时就需要加大泵或风机的额定容量，即加大泵或风机的尺寸。

    至于调压调速装置，除了调速效率等于转速比及转差损失与上述调速方式相同之外，其晶闸管调速电路将产生损耗，并产生高次谐波影响电动机的性能。此外，调压调速装置通常配置高转子电阻的鼠笼型电动机，它的效率比普通鼠笼型电动机要低。所以它是上述低效调速方式中节能效果最差的。（待续）