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（5）

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)

圖32各種電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式適用范圍

5各種調(diào)速方式的綜合性能分析

5?1不同的調(diào)速方式適用的電動(dòng)機(jī)容量和轉(zhuǎn)速

范圍

各種電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式所適用的容量和轉(zhuǎn)速范圍是不同的。無換向器電動(dòng)機(jī)適用于大、中容量和高、中轉(zhuǎn)速場合。對于大容量?gt;5000kW）、高轉(zhuǎn)速（>4000r/min）的電廠鍋爐給水泵的電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式，目前只有無換向器電動(dòng)機(jī)能適應(yīng)這個(gè)工作要求，其最大容量達(dá)50MW，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6000r/min。晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)適用于大、中容量和中、低轉(zhuǎn)速場合，目前國外生產(chǎn)的最大容量達(dá)25MW，最高轉(zhuǎn)速為2000r/min。鼠籠式電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于中、小容量和中等轉(zhuǎn)速（目前國外生產(chǎn)的最大容量已超過3MW，轉(zhuǎn)速低于電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速）。其它如電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)定子變壓調(diào)速以及繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等均適用于容量較小、轉(zhuǎn)速不高的場合。圖32為各種電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式的容量和轉(zhuǎn)速的大致適用范圍，可供在初步選擇調(diào)速裝置時(shí)參考。 5?2各種調(diào)速方式的電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速裝置的綜合

效率

適用于中、小型電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置，有鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)PWM型變頻調(diào)速、鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)電壓型變頻調(diào)速、鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)電流型變頻調(diào)速、電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)、繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。其綜合效率ηz以鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)PWM型變頻調(diào)速最高；鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)電流型、電壓型變頻

圖33各種電機(jī)調(diào)速方式的綜合效率ηz=ηvηd比較

(b)大容量電動(dòng)機(jī)各種調(diào)速系統(tǒng)綜合效率ηz比較

1－直流電動(dòng)機(jī)（750kW）

2－繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級調(diào)速（6500kW）

3－鼠籠式電動(dòng)機(jī)電流型變頻調(diào)速（1350kW）

4－無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速（5000kW）

(a)中、小容量電動(dòng)機(jī)各種調(diào)速系統(tǒng)綜合效率ηz比較

1－直流電動(dòng)機(jī)（75kW）

2－繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速（132kW）

3－鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)PWM型變頻調(diào)速（75kW）4－鼠籠式電動(dòng)機(jī)電壓型變頻調(diào)速（90kW）

5－鼠籠式電動(dòng)機(jī)電流型變頻調(diào)速（225kW）

6－電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)（37kW）

調(diào)速次之；繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速更次之；電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速最低。

PWM型變頻調(diào)速與電流型、電壓型變頻調(diào)速都是高效調(diào)速方式，但是前者ηz比后兩者ηz高。原因是前者的逆變器由GTR或IGBT組成，而后者由晶閘管組成。IGBT與晶閘管相比較，具有自關(guān)斷能力和開關(guān)頻率高的優(yōu)越性。因此，PWM型變頻調(diào)速線路相對簡單，且逆變器輸出的電壓或電流波形為近似的正弦波，使電動(dòng)機(jī)基本不受高次諧波影響，故線路損耗也相對小。

繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速都是具有轉(zhuǎn)差損失的低效調(diào)速方式。串電阻調(diào)速的ηz比電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的ηz高，原因是最高轉(zhuǎn)速比in=n2max/n1高，串電阻調(diào)速時(shí)in=1，電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)in<1。

適用于大型交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置，繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級調(diào)速的綜合效率ηz最高，無換向器電動(dòng)機(jī)次之，鼠籠式電動(dòng)機(jī)晶閘管變頻調(diào)速更次之。這是因?yàn)榍皟烧叩木€路相對比較簡單，線路損耗??；此外，串級調(diào)速及無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速經(jīng)過變頻器的僅是轉(zhuǎn)差功率，而無換向器電動(dòng)機(jī)和鼠籠式電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速則是輸入至電動(dòng)機(jī)的全部功率均要經(jīng)過變頻器，因而后兩者經(jīng)變頻器的功率損失要大些。

圖33是葉片式泵與風(fēng)機(jī)（M∞n2型負(fù)載）應(yīng)用各種調(diào)速方式時(shí)綜合效率ηz的實(shí)測結(jié)果圖。圖33給出的各種調(diào)速系統(tǒng)的ηz值，嚴(yán)格講只是一個(gè)典型的實(shí)測數(shù)據(jù)。實(shí)際上，由于電動(dòng)機(jī)及調(diào)速裝置各制造廠的設(shè)計(jì)、制造、工藝等水平并不完全相同，因此，即使是同型號同容量的調(diào)速系統(tǒng)，其綜合效率ηz（=ηvηd）值也會有一定差異。

5?3各種調(diào)速系統(tǒng)的電源功率因數(shù)

電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電源功率因數(shù)表示了無功功率的消耗，cosφ越低，表示系統(tǒng)的無功功率消耗越大。當(dāng)cosφ由0.8下降到0.4時(shí)，供電線路的損耗將增加5倍以上。因此，在選擇調(diào)速裝置時(shí)，既要重視節(jié)約有功功率，還應(yīng)重視決定無功功率的功率因數(shù)cosφ。

圖34給出各種調(diào)速系統(tǒng)的電源功率因數(shù)比較，從圖中可以看出：鼠籠式電動(dòng)機(jī)PWM型變頻調(diào)速在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均具有很高的（接近于1.0）的cosφ，電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)也具有較高的cosφ，繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)的電源功率因數(shù)cosφ是在各種調(diào)速系統(tǒng)中最低的，所以在選用這種調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分注意這個(gè)問題。

5?4各種調(diào)速方案的初投資和回收期

由于設(shè)備價(jià)格逐年在變動(dòng)，故以相對價(jià)格作為討論依據(jù)較好。如以普通三相交流異步電動(dòng)機(jī)的價(jià)格為1.0，各種調(diào)速系統(tǒng)的價(jià)格以電機(jī)價(jià)格為基準(zhǔn)給出，則

()

技術(shù)講座

1－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速

2－繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速（p=10，132kW）

3－繞線式異步電動(dòng)機(jī)晶閘管串級調(diào)速

4－鼠籠式電動(dòng)機(jī)PWM型變頻調(diào)速

5－鼠籠式電動(dòng)機(jī)電壓型晶閘管變頻調(diào)速

6－鼠籠式電動(dòng)機(jī)電流型晶閘管變頻調(diào)速

7－無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速

8－電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速（37kW）

圖34各種調(diào)速系統(tǒng)的電源功率因數(shù)cosφ比較

比較直觀、真實(shí)。各種調(diào)速方案的初投資和回收期見表5。

表5各種調(diào)速系統(tǒng)的相對價(jià)格及投資回收周期序號項(xiàng)目相對價(jià)格投資回收期/年
1三相交流異步電動(dòng)機(jī)1.00
2變極調(diào)速1.20.2
3電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)1.50.5
4繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)2.51.0
5晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)3.01.5
6液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)3.01.5
7液體離合器調(diào)速系統(tǒng)2.81.3
8無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)3.52.0
9普通串級調(diào)速系統(tǒng)4.02.5
10超同步雙饋串級調(diào)速系統(tǒng)5.03.0
11內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)3.01.5
12變頻調(diào)速系統(tǒng)5.0（低壓）10?0（高壓）3.0（低壓）6.0（高壓）
13無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)8?05.0
5．5各種調(diào)速裝置的性能比較

各種調(diào)速裝置的性能比較見表6。

6結(jié)語

鑒于發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能的巨大經(jīng)濟(jì)潛力，以及面對廠網(wǎng)分家，競價(jià)上網(wǎng)的嚴(yán)峻形勢，發(fā)電廠高壓輔機(jī)調(diào)速節(jié)能改造勢在必行。但是，由于各種調(diào)速方式在性能指標(biāo)、節(jié)能效果、資金投入等方面各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此究竟應(yīng)采用何種調(diào)速方案進(jìn)行節(jié)能改造，各廠應(yīng)根據(jù)其機(jī)組的具體情況、負(fù)荷情況（是否調(diào)峰）、設(shè)計(jì)余量、場地位置、資金投入等情況全面考慮，選擇適合本廠具體情況的節(jié)能改造方案。

1）對于常年滿負(fù)荷的機(jī)組，當(dāng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度在30％時(shí)，選用雙速電機(jī)最為經(jīng)濟(jì)。即使在滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行工況下，電機(jī)也可在低速檔運(yùn)行，并滿足風(fēng)量要求；當(dāng)風(fēng)量裕度在20％左右時(shí)，則采用變頻調(diào)速、串級調(diào)速較為經(jīng)濟(jì)，而采用雙速電機(jī)和液力耦合器不能起到節(jié)電作用；當(dāng)風(fēng)量裕度在10％左右時(shí)，采用雙速電機(jī)和液力耦合器調(diào)速還不及調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性好，而采用變頻調(diào)速和串級調(diào)速與調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性相差不大，因而此時(shí)只要采用調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)即可，不必采用變速調(diào)節(jié)。 2）對于調(diào)峰機(jī)組和長期處于低負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組，考慮到長期運(yùn)行的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和操作維護(hù)工作量等，變頻調(diào)速和串級調(diào)速比雙速電機(jī)及液力耦合器等調(diào)速方式具有更大的優(yōu)越性。因此，電廠在進(jìn)行風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能改造時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇變頻調(diào)速和串級調(diào)速方案。

3）母管制給水系統(tǒng)配備定速泵雖然可用臺數(shù)調(diào)節(jié)法提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，但是仍存在節(jié)流損失和運(yùn)行效率降低的問題，如改為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，不僅可以進(jìn)一步提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而且還可以提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。對于由多臺泵組成的母管制給水系統(tǒng)，至少要有一臺調(diào)速泵，以提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 4）低效調(diào)速節(jié)能方式，即使在低轉(zhuǎn)速比時(shí)，相對節(jié)流調(diào)節(jié)方式而言，也有明顯的節(jié)能效果。且因其投資少，見效快，資金回收周期短，在老機(jī)組和中小機(jī)組改造中，容易收到明顯的節(jié)能效益。

5）變頻調(diào)速具有調(diào)速效率高，力能指標(biāo)（功率因數(shù)）高，調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，又可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，減少對電網(wǎng)的電流沖擊及對設(shè)備的機(jī)械沖擊，延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)勢，故對于大部分采用籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的電廠風(fēng)機(jī)水泵，變頻調(diào)速不失為目前最理想的調(diào)速方案，但其昂貴的價(jià)格又使用戶望而卻步，且國內(nèi)目前尚無技術(shù)成熟的高壓大容量變頻設(shè)備，致使

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（5）

表6各種調(diào)速裝置的性能比較

技術(shù)講座

表6各種調(diào)速裝置的性能比較（續(xù)）

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（5）

表6各種調(diào)速裝置的性能比較（續(xù)）

其推廣應(yīng)用受到限制。

6）內(nèi)反饋串級調(diào)速和無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速，既有變頻調(diào)速的優(yōu)良性能，又避免了用戶的高投入，是適合中國國情的具有廣闊應(yīng)用前景的風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速節(jié)能方案。 參考文獻(xiàn)

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