一、電動(dòng)機(jī)的節(jié)能方式比較

 

廣一水泵的調(diào)速設(shè)備，一般有以下幾種方式：

 

(1)變極調(diào)整

 

　　改變定子繞組的接線方式來改變電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，這種調(diào)速方法由于從一個(gè)速度調(diào)到另一個(gè)速度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，不僅會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命，而且對(duì)廠用電的正常運(yùn)行可能造成影響。因而只適用于需要兩、三種轉(zhuǎn)速的鼠籠電動(dòng)機(jī)。在電廠，變極調(diào)速的主要應(yīng)用形式為雙速電機(jī)。

 

(2)串極調(diào)速

 

　　指繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)的附加電勢(shì)來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，達(dá)到調(diào)速的目的。適用于中、大功率的繞線式電動(dòng)機(jī)，節(jié)電率可達(dá)30%左右。此方法在繞線式電動(dòng)機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用。由于其節(jié)能效果明顯，近年來，火力發(fā)電廠中，也有將鼠籠電動(dòng)機(jī)改為繞線式電動(dòng)機(jī)，再利用此方法，達(dá)到節(jié)能的效果。如第二發(fā)電廠的鍋爐送風(fēng)機(jī)采用此調(diào)速方式，節(jié)能效果也相當(dāng)明顯。

 

(3)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

 

　　在繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，改變電阻使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率改變，達(dá)到調(diào)速的目的。此方法使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子銅損増加，電動(dòng)機(jī)效率降低，只適合于頻繁啟動(dòng)、負(fù)載變化不大、短時(shí)低速運(yùn)行的場(chǎng)合。目前這種調(diào)速方法在電廠己被淘汰。

 

(4)變壓調(diào)速

 

　　當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的肯富來水泵特性曲線，從而獲得不同的轉(zhuǎn)速。由于變壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在繞組電阻中，效率低，調(diào)速功率范圍≤220kW。在電廠的大型輔機(jī)中無應(yīng)用的先例。

 

(5)滑差調(diào)速

 

　　又稱電磁調(diào)速，主要由三相鼠籠電動(dòng)機(jī)和電磁轉(zhuǎn)差耦合器、測(cè)速發(fā)電機(jī)三部分組成。利用可控硅整流裝置調(diào)節(jié)耦合器中的勵(lì)磁電流，達(dá)到調(diào)速的目的。由于在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)差損耗很大，效率極低，僅適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、短時(shí)低速工作制的場(chǎng)合。只有當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的風(fēng)量與最大風(fēng)量之比Q/Qmax小于0.6時(shí)，方能顯示出經(jīng)濟(jì)效益，而且噪音較大，不宜在電廠推廣。

 

(6)液力偶合器調(diào)速

 

　　利用改變偶合器工作腔中的液體充滿程度來改變轉(zhuǎn)速。此方法屬于機(jī)械調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，無電聯(lián)接，機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性高。如二電廠的引風(fēng)機(jī)采用了此方法，節(jié)能效果也非常明顯。

 

(7)無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)

 

　　無刷雙饋電機(jī)是一種新型的很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方案，它但沒有成熟的系列產(chǎn)品，沒有大規(guī)模使用。

 

(8)變頻調(diào)速

 

　　改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，就能改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之改變，所以改變電源頻率就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)是：沒有附加損耗，效率高，調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達(dá)20:1，調(diào)節(jié)精度高，技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高。適用于流量不穩(wěn)定，變化范圍較大且需要經(jīng)常改變的場(chǎng)合，如：風(fēng)機(jī)和水泵等。變頻調(diào)速技術(shù)在高壓電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用也是廣一水泵廠探索的項(xiàng)目之一。

 

　　隨著功率器件和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速器己成為目前交流電動(dòng)機(jī)的首選調(diào)速設(shè)備。變頻調(diào)速器以其調(diào)速效率高，調(diào)速范圍寬、功率因數(shù)高，調(diào)速精度高等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)真正的軟起動(dòng)，減少對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊和對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊，有效延長設(shè)備的使用壽命，對(duì)于大部分采用籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)水泵，不失為目前最理想的調(diào)速設(shè)備。

 

二、變頻調(diào)速的工作原理和基本組成

 

　　從交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可以分析如何改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：

 

　　n=(l-s)nl=(l-s)60fl/p

 

　　式中：n—電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速；nl—電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；fl—電動(dòng)機(jī)電源頻率；p—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；s—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。

 

　　當(dāng)改變電源頻率fl時(shí)，同步轉(zhuǎn)速nl=60fl/p與頻率成正比變化，于是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之改變，所以改變電源頻率就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

 

　　異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，可知，U1不變，磁通小m隨頻率fl的改變而改變，頻率升高f會(huì)下降，電機(jī)允許的輸出力矩將降低，電機(jī)不能充分利用，所以，為了維持電動(dòng)機(jī)磁通恒定，在調(diào)頻的同時(shí)還耍調(diào)壓，使U1與fl成比例改變。

 

　　可以看出，改變頻率的調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差率基本不變、同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)理想轉(zhuǎn)速同步變化條件下的調(diào)速。所以，變頻調(diào)速的調(diào)速精度、功率因數(shù)和效率都較高，容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。

 

　　已知風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的功率P及其運(yùn)行轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為P二kn3,即對(duì)于風(fēng)機(jī)和泵類等一類的負(fù)載。電動(dòng)機(jī)的輸出功率正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方。其中k為負(fù)載功率計(jì)算系數(shù)，風(fēng)機(jī)約為3,泵類約為2�？梢圆扇『畏N方式均可使用P=kn3來計(jì)算負(fù)載功率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)機(jī)所消耗的電功率按三次方比例關(guān)系下降。

 

　　因此，當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)凝結(jié)水量的需求相對(duì)較少。如采用變頻控制，當(dāng)水量與轉(zhuǎn)速均下降到80%時(shí)，功率將降低到額定功率的51%;如采用閥門調(diào)節(jié)，電機(jī)消耗的功率約為90%,能量損失嚴(yán)重。當(dāng)水量與轉(zhuǎn)速均下降到60%時(shí)，功率將降低到額定功率的21%。由此可見，采用變頻調(diào)節(jié)后，調(diào)節(jié)閥門全開，幾乎消除了節(jié)流阻力，節(jié)能效果非常明顯。

 

　　變頻器按變換環(huán)節(jié)分為交一交變頻器和交一直一交變頻器，由于交一交變頻器連續(xù)可調(diào)的頻率范圍小，一般為額定頻率的1/2以下。目前，變頻器基本上采用交一直一交電流型或電壓型變頻器，變頻器的基本構(gòu)成如圖1所示：

 

　　主回路由整流器、濾波環(huán)節(jié)和逆變器構(gòu)成，廣一水泵廠將各部分功能簡(jiǎn)要說明如下：

 

　　整流器：作用是把三相交流電壓整流成直流，常采用橋式整流電路。

 

　　逆變器：采用大功率可控模塊組成橋式逆變電路，控制電路有規(guī)律地控制逆變器中開關(guān)管的通與斷，得到任意頻率的三相交流輸出。

 

　　中間直流環(huán)節(jié)：由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載，其功率因數(shù)不會(huì)為1，因此在變頻器和電動(dòng)機(jī)之間會(huì)有無功功率交換，這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件（電容或電感）來緩沖。

圖1：變頻器基本原理圖

 

　　控制回路：控制回路有頻率、電壓的運(yùn)算回路，主回路的電壓、電流檢測(cè)回路、電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)回路，將運(yùn)算回路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)回路，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)回路，佛山水泵廠常采用的是PWM脈寬控制。PWM的控制型變頻器一般采用電壓型和電流型逆變器，并采用恒脈寬調(diào)制，逆變器的輸入為直流電壓，通過調(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出交流電壓的頻率，既實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓，又實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻。

 

　　作為產(chǎn)品的變頻器系統(tǒng)具有很多功能，不同的產(chǎn)品的具體功能也不盡相同，但是從系統(tǒng)控制軟件的角度，總體上可以分為以下幾個(gè)功能：

 

　　電機(jī)運(yùn)行：這是變頻器系統(tǒng)功能的最基本和主要部分，包括所有和電機(jī)運(yùn)行有關(guān)的功能，包括啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速、轉(zhuǎn)向控制。

 

　　狀態(tài)監(jiān)測(cè)：對(duì)于實(shí)用化的產(chǎn)品而言不僅是必不可少的，而且對(duì)于產(chǎn)品的最終可用度有至關(guān)重要的影響，所監(jiān)測(cè)的狀態(tài)至少包括變頻器——電機(jī)系統(tǒng)里幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，如電流、電壓，具體而言電壓一般檢測(cè)直流母線上的直流參數(shù)，電流就有直流母線電流、電機(jī)線電流（交流量）的不同選擇，也可以都加以監(jiān)測(cè)。軟件通過監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可以判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。
 

　　故障處理：如果監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生故障，就需要加以判斷和相應(yīng)的處理。一般而言，需要區(qū)分和響應(yīng)的故障至少包括過電流、過電壓，在成熟的產(chǎn)品中一般還會(huì)包括過負(fù)載、過熱、缺相等。而對(duì)這些不同的故障的不同響應(yīng)，取決于理論分析和經(jīng)人工控制：提供一套人機(jī)界面系統(tǒng)，操作者可以通過其監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的運(yùn)行包括設(shè)置一些運(yùn)行參數(shù)，目前廣一水泵廠一般采用鍵盤作為輸入設(shè)備而采用小面積的數(shù)碼管或液晶屏幕作為顯示設(shè)備。

 

　　自動(dòng)控制：提供一些電子接口，通過這些接口可以由其他設(shè)備例如PLC來監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的運(yùn)行，但是一般不提供通過接口來設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)。主控：對(duì)上述各項(xiàng)功能的控制、調(diào)度和互相之間信息的傳遞。

 

　　在這個(gè)基礎(chǔ)上，功能比較復(fù)雜的變頻器可能會(huì)加入一些比較復(fù)雜的、具有少量自動(dòng)判斷和命令記憶的功能，但是無不是基于以上的基本劃分之后在特殊情況和特殊參數(shù)下的組合設(shè)計(jì)。因此，在設(shè)計(jì)變頻器控制軟件時(shí)，需要把握住以上諸項(xiàng)基本功能加以實(shí)現(xiàn)。