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（2）

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（2）??

摘要：指出了發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速運(yùn)行的必要性和巨大的節(jié)能潛力；討論了各種調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并作出了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；水泵；液力耦合器；變頻調(diào)速；串級調(diào)速；無刷雙饋電機(jī)

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?? 風(fēng)機(jī)水泵的低效調(diào)速節(jié)能方案

3．1?? 液力耦合器

??? 液力耦合器是一種利用液體（多數(shù)為油）的動能來傳遞能量的葉片式傳動機(jī)械。安裝在定速電動機(jī)與風(fēng)機(jī)水泵之間，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

??? 液力耦合器的調(diào)速效率η等于輸出功率P2與輸入功率P1之比。在忽略各種阻力扭矩時可以近似認(rèn)為：

??? MB=－MT

式中：MB——穩(wěn)定流動時，泵輪葉片作用于液體的扭矩；

????? MT——穩(wěn)定流動時，液體作用于渦輪的扭矩。

則有：

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

式中：PB——穩(wěn)定流動時，泵輪葉片作用于液體的功率；

????? PT——穩(wěn)定流動時，液體作用于渦輪的功率；

????? ωB——對應(yīng)于MB的轉(zhuǎn)動角速度；

????? ωT——對應(yīng)于MT的轉(zhuǎn)動角速度；

????? nB——對應(yīng)于ωB的轉(zhuǎn)速；

????? nT——對應(yīng)于ωT的轉(zhuǎn)速。

??? 即在忽略液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失等損失時，液力耦合器的調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比。轉(zhuǎn)速比越小，其調(diào)速效率也越低，這是液力耦合器的一個重要工作特性。

??? 當(dāng)液力耦合器帶泵或風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速傳動時，泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n等于液力耦合器渦輪的轉(zhuǎn)速nT，即n=nT，而其軸功率P等于渦輪傳遞的軸功率PT，即P=PT。根據(jù)葉片式泵與風(fēng)機(jī)的比例定律，泵與風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比：

?????? PT/PTn=(nT/nTmax)3

或改寫成：

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

??? 因?yàn)閕=PT/PB，即PB=PT/i=PTn(i2/in3)，則液力耦合器的轉(zhuǎn)差損失功率：

????? ΔP=PB－PT=PTn(i2－i3)/in3??? (9)

??? 為了求出最大轉(zhuǎn)差功率損失處的轉(zhuǎn)速比i，將式（9）對i求導(dǎo)數(shù)，再令導(dǎo)數(shù)為零，可求出其極值點(diǎn)，即：

??? d(ΔP)/di=PTn(2i－3i2)/in3=0

得i=2/3=0.667時

??? 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，則：

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

??? 由此證明，液力耦合器帶泵或風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速傳動時，其最大轉(zhuǎn)差功率損耗ΔPmax發(fā)生在轉(zhuǎn)速比i=2/3處，并不是轉(zhuǎn)速越低，耗損越大。

??? 雖然液力耦合器工作在低速時其調(diào)速效率很低（等于轉(zhuǎn)速比），但在帶泵與風(fēng)機(jī)調(diào)速時，與節(jié)流調(diào)節(jié)相比較，仍具有顯著的節(jié)能效果。例如某離心風(fēng)機(jī)，當(dāng)流量Q=190×103m3/h時，風(fēng)機(jī)的軸功率為158kW，當(dāng)通過節(jié)流調(diào)節(jié)使流量Q=95×103m3/h時，風(fēng)機(jī)的軸功率為115kW。當(dāng)用液力耦合器調(diào)速時，由于流量為原流量的一半，則風(fēng)機(jī)的軸功率應(yīng)為其1／8。

??? 158kW×(1/2)3=19.75kW

??? 再考慮到i=1/2時的液力耦合器的效率η=i=0．5。原動機(jī)的輸出功率應(yīng)為19．75kW×2=39.5kW，較之節(jié)流調(diào)節(jié)仍有75.5kW（=115kW－39.5kW)的節(jié)電效果，仍是相當(dāng)可觀的。

??? 液力耦合器的優(yōu)點(diǎn)是：

??? ——無級調(diào)速，調(diào)速范圍大，較之節(jié)流調(diào)節(jié)有顯著節(jié)能效果；

??? ——可空載起動電動機(jī)和逐步起動大慣量負(fù)荷，降低了起動電流，使起動更為安全可靠；

??? ——隔離振動，能減輕負(fù)荷沖擊，再加之起動電流小，延長了電動機(jī)及泵與風(fēng)機(jī)的壽命；

??? ——過載保護(hù)，保護(hù)電動機(jī)及風(fēng)機(jī)水泵；

??? ——除軸承外無其他摩損部件，因滑差損耗產(chǎn)生的熱量均勻地分散到油中，不會引起局部過熱，故工作可靠，能長期無檢修工作，壽命長；

??? ——工作平穩(wěn)，可以平緩地起動、加速、減速和停車；

??? ——便于控制，液力耦合器是無級調(diào)速，便于實(shí)現(xiàn)自動控制，適合于各種伺服控制系統(tǒng)；

??? ——能用于大容量泵與風(fēng)機(jī)的變速調(diào)節(jié)，目前單臺液力耦合器傳遞的功率已達(dá)20MW以上。

??? 其缺點(diǎn)是：

??? ——和節(jié)流調(diào)節(jié)相比，增加了初投資，增加了安裝空間，大功率的液力耦合器除本體設(shè)備外，還要一套附加的冷油器等輔助設(shè)備與管路系統(tǒng)；

??? ——由于液力耦合器的最大轉(zhuǎn)速比in=0.97～0.98，因此液力耦合器的輸出最大轉(zhuǎn)速要比輸入轉(zhuǎn)速低；

??? ——調(diào)節(jié)延遲時間較長，不適應(yīng)緊急事故的處理，適合于較高轉(zhuǎn)速的泵與風(fēng)機(jī)調(diào)速的場合；

??? ——調(diào)速精度不高，不適宜要求精確轉(zhuǎn)速的場合使用；

??? ——因?yàn)闊o直聯(lián)機(jī)構(gòu)，故液力耦合器一旦發(fā)生故障，泵與風(fēng)機(jī)也只能停止工作；

??? ——調(diào)速效率低（η=i），等于轉(zhuǎn)速比，產(chǎn)生的損耗大，在各種變速裝置中屬低效調(diào)速裝置。

3．2?? 液力調(diào)速離合器

??? 液力調(diào)速離合器是一種以油為工作介質(zhì)，依靠摩擦力傳遞功率的變速傳動裝置。它是一種新型的液力無級調(diào)速傳動裝置，既能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，又能象普通離合器一樣，既可將主動部分與從動部分分離，又可將主動部分與從動部分無相對運(yùn)動地合在一起，所以稱其為液力調(diào)速離合器，也稱奧米伽離合器。

??? 其調(diào)速特性與液力耦合器基本相似，也屬于低效調(diào)速裝置，但其最大調(diào)速比in=1，調(diào)速效率η=P2/P1=M2ω2/M1ω1=n2/n1=i，當(dāng)泵與風(fēng)機(jī)相聯(lián)、i=2/3時，ΔPmax=0.148PN，體積比液力耦合器較小，投資差不多，但功率較小。

3．3?? 電磁轉(zhuǎn)差離合器

??? 電磁轉(zhuǎn)差離合器的功用和液力耦合器及液力調(diào)速離合器相同，都是安裝在定速電動機(jī)與泵或風(fēng)機(jī)之間的一種變速傳動裝置，使泵與風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。

??? 電磁轉(zhuǎn)差離合器的基本部件為電樞與磁極，這兩者之間沒有機(jī)械聯(lián)系，各自可以自由旋轉(zhuǎn)。電樞是主動部分，直接與電動機(jī)的輸出軸連接，并由電動機(jī)帶動其旋轉(zhuǎn)。電樞通常為圓筒形整塊鑄鋼，在外表面常鑄或焊有風(fēng)扇葉，以提高散熱效果。磁極為從動部分，它通過聯(lián)軸器與泵或風(fēng)機(jī)的輸入軸相連。磁極由鐵芯和勵磁繞組組成，勵磁繞組有裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上的，也有固定在機(jī)殼上的，前者的勵磁電流需通過集電環(huán)和電刷引到轉(zhuǎn)子。圖5所示為電磁轉(zhuǎn)差離合器的示意圖。從圖5可見，主動部分（電樞）與從動部分（磁極）之間在機(jī)械上是分開的，當(dāng)中有氣隙。當(dāng)勵磁繞組無勵磁電 流 通 過 時 ， 則 這 兩 部 分 互 不 相 干 ； 只 有 在 通 以 勵 磁 電 流 時 ， 才 能 靠 電 磁 效 應(yīng) 相 互 聯(lián) 系 起 來 。

圖5?? 電磁轉(zhuǎn)差離合器示意圖

??? 電磁轉(zhuǎn)差離合器的調(diào)速原理是基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)勵磁繞組通以直流電時，沿氣隙圓周面將形成若干對極性交替的磁極，其磁通穿過氣隙與電樞相鏈。當(dāng)電動機(jī)帶動電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞與磁極之間有相對運(yùn)動，因感應(yīng)而產(chǎn)生電勢，這一感應(yīng)電勢將在電樞中形成渦流，其方向可由右手定則確定。此渦流又與磁場的磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力，其方向可按左手定則確定，這個力作用于電樞一個轉(zhuǎn)矩，其方向與電樞的旋轉(zhuǎn)方向相反，是與帶動電樞旋轉(zhuǎn)的拖動轉(zhuǎn)矩相平衡的制動力矩。這個力及力矩也同樣作用在磁極上，其方向與電樞旋轉(zhuǎn)方向相同，它使磁極沿電樞旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，并拖動泵或風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

??? 電磁轉(zhuǎn)差離合器與硬性聯(lián)接的普通聯(lián)軸器傳動的不同之處是：電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極轉(zhuǎn)速n2是可以連續(xù)調(diào)整的，且n2一定小于電樞轉(zhuǎn)速n1。這是因?yàn)槿鬾2=n1，則磁極與電樞之間不存在相對運(yùn)動，即電樞沒有切割磁力線，也就不可能在電樞中感應(yīng)出電勢，更談不上產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩了。因此，電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極與電樞之間必存在一個轉(zhuǎn)速差Δn=n1－n2，這和異步電動機(jī)的原理相似。

??? 磁極轉(zhuǎn)速n2的高低由磁極磁場的強(qiáng)弱而定，亦即由勵磁電流的大小而定。當(dāng)勵磁電流大時，n2就高，磁極與電樞之間只要有較小的轉(zhuǎn)差率，就能產(chǎn)生足夠大的渦流轉(zhuǎn)矩來帶動負(fù)載；當(dāng)勵磁電流小時，n2就低，必須有大的轉(zhuǎn)差率才能產(chǎn)生帶動負(fù)載的渦流轉(zhuǎn)矩。所以，改變勵磁電流的大小就可達(dá)到泵或風(fēng)機(jī)調(diào)速的目的。

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

??? 電磁轉(zhuǎn)差離合器也是一種有轉(zhuǎn)差損耗的低效調(diào)速裝置，調(diào)速效率等于調(diào)速比，即：η=n2/n1=i，in=0.83～0.87，當(dāng)與泵或風(fēng)機(jī)聯(lián)接調(diào)速時，最大調(diào)速損耗為：

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

調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性比液力耦合器及液力調(diào)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(xiàn)長期無檢修工作；

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

??? ——結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，價格低廉。

??? 其缺點(diǎn)是：

??? ——存在轉(zhuǎn)差損耗，尤其是當(dāng)in較低時，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差；

??? ——容量較大時，需采用空冷或水冷，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；

??? ——調(diào)速響應(yīng)時間長；

??? ——噪聲較大。

??? 適用于轉(zhuǎn)速不很高、調(diào)速范圍不很寬的中小容量泵與風(fēng)機(jī)的調(diào)速傳動。

表4?? 液力耦合器、液力調(diào)速離合器、電磁調(diào)速離合器的工作特性比較

??? 用改變鼠籠式電動機(jī)定子電壓值實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法 稱 為 定 子 調(diào) 壓 調(diào) 速 簡 稱 為 調(diào) 壓 調(diào) 速 。

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

(a)普通鼠籠型??

(b)高轉(zhuǎn)子電阻值鼠籠型

圖6?? 鼠籠型電動機(jī)變定子電壓時的機(jī)械特性

??? ——異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1不變；

??? ——轉(zhuǎn)矩M與定子電源電壓U1的平方成正比，即M∝U12；

??? ——最大轉(zhuǎn)矩Mmax與定子電源電壓U1的平方成正比，即Mmax∝U12；

??? ——當(dāng)定子電源電壓變化時，最大轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)差率scr（臨界轉(zhuǎn)差率）不變。

??? 在圖6上作出負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線，則電動機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線與負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的交點(diǎn)，即為電動機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)。圖上作出了兩種負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線：恒轉(zhuǎn)矩特性曲線和轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成比例（M∝n2）的轉(zhuǎn)矩特性曲線。葉片式泵與風(fēng)機(jī)裝置在裝置靜揚(yáng)程Hst或裝置靜壓Pst等于零時屬于M∝n2型的轉(zhuǎn)矩特性曲線。

??? 從圖6可以看出：調(diào)壓調(diào)速應(yīng)用于普通鼠籠型電動機(jī)時，如果負(fù)載是恒轉(zhuǎn)矩型，則可調(diào)速的范圍極小，只能從同步轉(zhuǎn)速n1至n1sk轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)速。當(dāng)定子電壓由U10降至U20時，運(yùn)行點(diǎn)由a′變至b′，其轉(zhuǎn)速變化是很小的，所以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不適用普通鼠籠型電動機(jī)，而應(yīng)采用高轉(zhuǎn)子電阻值的鼠籠型電動機(jī)。但葉片式泵與風(fēng)機(jī)屬于M∝n2型特性負(fù)載，采用普通鼠籠型電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速時，可以得到較大的調(diào)速范圍，如圖6(a)所示，當(dāng)定子電壓由U10降至U20、U30時，運(yùn)行點(diǎn)由a變至b、c。c點(diǎn)雖交于電動機(jī)特性曲線的曲線段，但仍能穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)然，葉片式泵與風(fēng)機(jī)采用高轉(zhuǎn)子電阻值的鼠籠型電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速時，其調(diào)速特性會更好一些，見圖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(yáng)程Hst都不可能為零，工業(yè)風(fēng)機(jī)除靜壓Pst不可能為零外，其葉輪的靜轉(zhuǎn)矩Mst就更大了，所以其負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線與M軸（水平軸）的交點(diǎn)就會右移，這樣與電動機(jī)特性曲線的曲線段基本上成平行的走向，因而沒有穩(wěn)定的工作點(diǎn)。在風(fēng)機(jī)、水泵運(yùn)行中，當(dāng)試圖降低電動機(jī)定子電壓時，開始時轉(zhuǎn)速變化不明顯，繼續(xù)降低電壓則電流持續(xù)上升，轉(zhuǎn)速則迅速下降，直至停車，不能穩(wěn)定運(yùn)行。

??? 要進(jìn)行風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)壓調(diào)速，首先必須改變電動機(jī)的外特性，新的外特性必須使電動機(jī)有一個寬闊的穩(wěn)定的調(diào)速范圍，一般要采用高轉(zhuǎn)差率電機(jī)，交流力矩電機(jī)或在繞線式電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻的方法，并且要加上轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，才能進(jìn)行穩(wěn)定的調(diào)速。其次是要將調(diào)速過程中由于轉(zhuǎn)差功率引起的轉(zhuǎn)子的溫升很好地導(dǎo)出機(jī)外，才能實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的工作。這里可以采取旋轉(zhuǎn)熱管結(jié)構(gòu)，也可采取特殊風(fēng)道冷卻結(jié)構(gòu)，都是行之有效的方法。

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

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

(a)原 理 圖?? (b)閉 環(huán) 系 統(tǒng) 靜 特 性

圖7?? 具 有 轉(zhuǎn) 速 負(fù) 反 饋 的 調(diào) 壓 調(diào) 速 系 統(tǒng)

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

??? 定子調(diào)壓調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是線路簡單、可靠，調(diào)壓裝置體積小、價格低，使用維修比較方便。此外調(diào)壓裝置還可兼作鼠籠型電動機(jī)的降壓起動設(shè)備，簡化了系統(tǒng)。

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

??? 調(diào)壓調(diào)速實(shí)際上是一種變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方式，存在轉(zhuǎn)差損失，在忽略定子損失時，電動機(jī)的效率近似等于轉(zhuǎn)速比，即

??? ηd≈i=n2/n1=1－s?? (12)

實(shí)際上電動機(jī)及調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的損失，還應(yīng)包括晶閘管調(diào)壓裝置的損失。通常，為了提高調(diào)壓調(diào)速的特性和擴(kuò)大調(diào)速范圍，常需采用高轉(zhuǎn)子電阻值的鼠籠型電動機(jī)。這種電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率較大，約為10％～12％，因此，它的最高轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速）僅為同步轉(zhuǎn)速的88％～90％，顯然，這種電動機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗大，在額定電壓時效率低。因此，調(diào)壓調(diào)速方式的經(jīng)濟(jì)性比起液力偶合器、液力調(diào)速離合器等的調(diào)速方式還要差。

??? 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)子串電阻調(diào)速。這些調(diào)速方式的共同點(diǎn)是調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比，即η=n2/n1=i。但這并不意味著節(jié)能效果都相同。

??? 上述調(diào)速方式中，液力調(diào)速離合器調(diào)速和繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是節(jié)能效果最好的。這是因?yàn)椴捎眠@兩種調(diào)速方式時，泵與風(fēng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速仍可達(dá)到電動機(jī)未調(diào)速時的額定轉(zhuǎn)速，它們在電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的2／3時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差損失為最大，這時的最大轉(zhuǎn)差損失ΔPmax為0.148Pn，Pn是指泵或風(fēng)機(jī)在實(shí)際工作中能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速n2max時所需的軸功率值。

??? 液力耦合器和電磁調(diào)速離合器用在泵或風(fēng)機(jī)上時，風(fēng)機(jī)和水泵的最高轉(zhuǎn)速就達(dá)不到電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。這是因?yàn)橐毫︸詈掀骱碗姶呸D(zhuǎn)差離合器與電動機(jī)連接的主動部分與泵與風(fēng)機(jī)連接的被動部分間必須維持一定的轉(zhuǎn)速差才能維持正常工作。設(shè)風(fēng)機(jī)和水泵最高轉(zhuǎn)速n2max時的轉(zhuǎn)速比in=n2max/n1，對于液力耦合器in=0.97～0.98；對于電磁轉(zhuǎn)差離合器，過去in=0.83～0.87，現(xiàn)在的新產(chǎn)品in=0.94～0.96。液力耦合器和電磁轉(zhuǎn)差離合器也是在2／3額定轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)差損失Δ Pmax=0.148Pn/in3。可見液力耦合器和電磁轉(zhuǎn)差離合器的轉(zhuǎn)差損失實(shí)際比液力調(diào)速離合器和轉(zhuǎn)子串電阻方式大。在非額定轉(zhuǎn)速時，這幾種低效調(diào)速方式的轉(zhuǎn)差損失ΔP均可用式Δ P=Pn(i2－i3)/in3表示。故在相同轉(zhuǎn)速比i下，in越小，轉(zhuǎn)差損失越大。應(yīng)注意的是，因液力耦合器和電磁轉(zhuǎn)差離合器的in<1，故泵或風(fēng)機(jī)應(yīng)用它們調(diào)速時的最大轉(zhuǎn)速就達(dá)不到電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，因之它們的出力也小于額定轉(zhuǎn)速時的出力，必要時就需要加大泵或風(fēng)機(jī)的額定容量，即加大泵或風(fēng)機(jī)的尺寸。

??? 至于調(diào)壓調(diào)速裝置，除了調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比及轉(zhuǎn)差損失與上述調(diào)速方式相同之外，其晶閘管調(diào)速電路將產(chǎn)生損耗，并產(chǎn)生高次諧波影響電動機(jī)的性能。此外，調(diào)壓調(diào)速裝置通常配置高轉(zhuǎn)子電阻的鼠籠型電動機(jī)，它的效率比普通鼠籠型電動機(jī)要低。所以它是上述低效調(diào)速方式中節(jié)能效果最差的。（待續(xù)）