大型變極雙速同步電動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新性及應(yīng)用前景分析

陳 堅(jiān) 朱澤堂 周思妤

在大型泵站中，軸（混）流泵是一種流量大、揚(yáng)程低、比轉(zhuǎn)數(shù)高的泵型，其弱點(diǎn)是高效區(qū)窄，小流量區(qū)性能不穩(wěn)定，這些特性極大地限制了泵的正常使用范圍，當(dāng)泵運(yùn)行工況偏離額定工況時(shí)效率很低。當(dāng)前解決該問題唯一有效的方法是采用葉片調(diào)節(jié)，但其調(diào)節(jié)范圍有限，特別是對(duì)水位或揚(yáng)程變化幅度大的泵站，靠單一葉片調(diào)節(jié)往往無濟(jì)于事，嚴(yán)重時(shí)開不了機(jī)。對(duì)此，國內(nèi)有部分泵站采用了變頻調(diào)節(jié)進(jìn)行機(jī)組調(diào)速，但高壓變頻不僅設(shè)備昂貴，而且可靠性差，壽命短，因此很難在泵站推廣。針對(duì)這種情況，湖南省洞庭湖水利工程管理局、華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)、湖北華博電機(jī)有限公司等單位經(jīng)過幾年共同努力，完成了“大型變極雙速同步電動(dòng)機(jī)的研制及應(yīng)用”項(xiàng)目研究，成功研發(fā)了大型變極雙速凸極同步電動(dòng)機(jī)，解決了大型低速同步機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)長期未能解決的難題，其成果可廣泛應(yīng)用于各種供水、排水、跨流域調(diào)水及灌排發(fā)電結(jié)合的大型泵站主機(jī)配套，亦可用于水電站和抽水蓄能電站。

技術(shù)研發(fā)背景

該技術(shù)最早于20世紀(jì)30年代提出，并逐漸應(yīng)用于水電站水頭調(diào)節(jié)及抽水蓄能電站的工況轉(zhuǎn)換。但是，這些電機(jī)大多是根據(jù)電站具體條件專門設(shè)計(jì)的，且轉(zhuǎn)速切換需要拆機(jī)調(diào)整線圈，操作過程復(fù)雜，技術(shù)難度大，通用性差，至今沒有形成商業(yè)化。1996年武漢水利電力大學(xué)與湖南省洞庭湖水利工程管理局合作首次提出開發(fā)大型變極雙速同步電動(dòng)機(jī)，并先后在湖南巖汪湖和仙桃電排站試點(diǎn)，但因技術(shù)方案不夠成熟、勵(lì)磁電流過大等原因未能如愿。2007年，課題組調(diào)整了思路，特別是吸取了華中科技大學(xué)電機(jī)國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的最新研究成果，使該項(xiàng)技術(shù)有了突破并獲得成功。

這種新研發(fā)的大型變極雙速凸極同步電動(dòng)機(jī)采用了虛擬磁極的概念，通過改變其磁極對(duì)數(shù)，將電機(jī)做成二擋轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速能自動(dòng)切換，其效率都能達(dá)到94%左右，調(diào)速與水泵葉片調(diào)節(jié)配合，達(dá)到既能調(diào)角又能調(diào)速的“雙調(diào)”效果，從而有效地?cái)U(kuò)大了泵的高效工作范圍，推動(dòng)了該領(lǐng)域的科技進(jìn)步。2012年4月8日，湖南省水利廳在長沙市組織召開了“大型變極雙速同步電動(dòng)機(jī)的研制及應(yīng)用”成果鑒定會(huì)。由科研院所、高等院校及有關(guān)工程單位的專家組成的鑒定委員會(huì)認(rèn)為，該成果是對(duì)傳統(tǒng)變極同步電機(jī)設(shè)計(jì)的突破，創(chuàng)新性強(qiáng)，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

雙速同步電動(dòng)機(jī)與水泵配套同現(xiàn)有的機(jī)組比，具有以下技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

①擴(kuò)大了泵的工作范圍。通過切換電機(jī)轉(zhuǎn)速，使水泵在更寬的揚(yáng)程變化范圍內(nèi)安全運(yùn)行，即不空蝕，不振動(dòng)，不輕載，不超載，可使水泵始終處在最有利的工況下運(yùn)行。

②節(jié)能高效?？梢詮浹a(bǔ)軸（混）流泵高效區(qū)窄的缺陷，在葉片全調(diào)的基礎(chǔ)上，增加了工況調(diào)節(jié)的可靠性和靈活性，通過粗調(diào)（調(diào)速）和微調(diào)（調(diào)角），可使水泵在揚(yáng)程變化較大的范圍內(nèi)保持高效運(yùn)行，降低能耗。

③價(jià)格低廉，維護(hù)管理成本低。與同功率、同類型的單速電機(jī)比，雙速電機(jī)的重量僅增加30%，價(jià)格略高，但與變頻調(diào)速比，包括成本和維護(hù)管理費(fèi)用大大降低，且雙速電機(jī)的外形尺寸與單速電機(jī)相同，操作維護(hù)無特殊要求，高速運(yùn)行時(shí)可按低速起動(dòng)然后切換至高速，可降低高速、大功率時(shí)的起動(dòng)電流。這種新型雙速凸極同步電機(jī)可靠性好，在兩種速度下效率高，勵(lì)磁電流小，且接線方便，切換容易，控制簡單，很適合于與大型低速水泵或風(fēng)機(jī)配套。

其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：

①提出一種凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子虛擬多槽變極的分析方法——這種方法引入“虛擬槽”的概念，將凸極轉(zhuǎn)子化為多槽隱極轉(zhuǎn)子來分析，所獲得的變極方案仍然保持凸極結(jié)構(gòu)不變，且磁極大小寬度相同，導(dǎo)體利用率高，諧波含量低，兩種極數(shù)下均無需丟棄任何磁極。

②提出一種具有混合磁極的凸極同步電機(jī)變極轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)模式——因?yàn)榉治鲆噪[極轉(zhuǎn)子為基礎(chǔ)，于是可推論，對(duì)于各個(gè)磁極較大間隔，可考慮加裝導(dǎo)磁極改善磁路的導(dǎo)磁狀況等，而形成導(dǎo)磁極和勵(lì)磁極混合結(jié)構(gòu)的新的變極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在不改變現(xiàn)有電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，引入虛擬磁極的概念，通過減少磁極數(shù)量、增加線圈匝數(shù)、改變磁極的布置及接線方法等新的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)兩擋轉(zhuǎn)速的自動(dòng)切換，并成功地應(yīng)用于湖南澧縣觀音港大型排澇泵站。

推廣應(yīng)用前景分析

理論分析和現(xiàn)場測試表明，這種電動(dòng)機(jī)用于大型泵站，無論技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上，都是可行的。同時(shí)段、同條件下對(duì)典型泵站的效益分析顯示：雙速比單速機(jī)組在對(duì)比時(shí)段內(nèi)節(jié)省電能5.22萬kWh，耗電量約為后者能耗的10.3%；單臺(tái)機(jī)組前者比后者節(jié)電0.33萬kWh/d，約為后者能耗的18.6%。由此可見，雙速同步電動(dòng)機(jī)與現(xiàn)有全調(diào)節(jié)軸（混）流泵配套，節(jié)能效果顯著，它是大型低速水泵機(jī)組調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展的一大進(jìn)步，特別適用于水位變幅大、功能要求多的大型泵站，亦可應(yīng)用于軸流式風(fēng)機(jī)、水電站和抽水蓄能電站。

我國僅排灌泵站就有50余萬座，裝機(jī)總動(dòng)力達(dá)8 000萬kW以上。自2003年開始，我國陸續(xù)啟動(dòng)實(shí)施了中部四省大型排澇泵站更新改造及大型灌溉排水泵站更新改造工作，其中泵站主機(jī)組更新是重點(diǎn)。這些泵站都離不開大型電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的配套，加上其他行業(yè)的需要，大型雙速同步電動(dòng)機(jī)的需求量很大。

由于變極雙速同步電動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)電機(jī)節(jié)能，可降低能耗約2.5%，假如我國有30%的排灌動(dòng)力改用該變極雙速同步電動(dòng)機(jī)，按泵站一年平均運(yùn)行45天計(jì)算，年均可為國家節(jié)省電能約8 000萬kW×2.5%×30%×45d×24h=6.48億kWh，若按電價(jià)0.80元/kWh計(jì)，年均節(jié)約電費(fèi)約5.18億元。

以上分析僅表明雙速同步電機(jī)在運(yùn)行中的節(jié)能效果，其實(shí)它的更大效益表現(xiàn)在擴(kuò)大泵的工作范圍、提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性、減小排區(qū)澇災(zāi)損失或提高受益區(qū)經(jīng)濟(jì)效益等方面。另外，與其他調(diào)速裝置相比，其造價(jià)低廉，操作維護(hù)與單速機(jī)組無異，應(yīng)用該雙速同步電機(jī)，無論是設(shè)備、土建工程投資，還是維護(hù)管理費(fèi)用等都大為降低，而且性能穩(wěn)定，因此該技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，推廣前景看好。