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（

磁極轉(zhuǎn)速n2的高低由磁極磁場的強(qiáng)弱而定，亦即由勵(lì)磁電流的大小而定。當(dāng)勵(lì)磁電流大時(shí)，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(dòng)負(fù)載；當(dāng)勵(lì)磁電流小時(shí)，n2就低，必須有大的轉(zhuǎn)差率才能產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載的渦流轉(zhuǎn)矩。所以，改變勵(lì)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(shí)，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(dòng)機(jī)額定功率的1％～2％；

——結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，價(jià)格低廉。

其缺點(diǎn)是：

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

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

——調(diào)速響應(yīng)時(shí)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(dòng)。

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(dòng)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(dòng) 機(jī) 在 不 同 的 定 子 電 壓 時(shí) ， 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(dòng) 機(jī) 的 定 子 電 壓 時(shí) ， 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(dòng)機(jī)變定子電壓時(shí)的機(jī)械特性

——異步電動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)時(shí)，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(shí)，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(dòng)機(jī)，而應(yīng)采用高轉(zhuǎn)子電阻值的鼠籠型電動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)，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(shí)，運(yùn)行點(diǎn)由a變至b、c。c點(diǎn)雖交于電動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)，其調(diào)速特性會(huì)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(huì)右移，這樣與電動(dòng)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(dòng)機(jī)定子電壓時(shí)，開始時(shí)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(dòng)機(jī)的外特性，新的外特性必須使電動(dòng)機(jī)有一個(gè)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(dòng)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(duì)鼠籠型電動(dòng)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(jià)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(dòng)機(jī)的定子端。通過控制晶閘管的移相控制角α，就能對(duì)交流電壓作阻斷控制，從而改變電動(dòng)機(jī)的端電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

高轉(zhuǎn)子電阻值的鼠籠型電動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速范圍工作時(shí)，由于其額定轉(zhuǎn)差率SN大，所以它比普通鼠籠型電動(dòng)機(jī)的效率低，而其在低轉(zhuǎn)速范圍工作時(shí)，由于其機(jī)械特性很軟，即負(fù)載或電壓稍有波動(dòng)，就會(huì)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(jià)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(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)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(huì)影響電網(wǎng)及電機(jī)，如使電動(dòng)機(jī)的損耗、振動(dòng)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(shí)，電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)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％