水泵節(jié)能—內(nèi)反饋晶閘管串級調(diào)速的應(yīng)用

牛 波 吳智華 宋百春

（阜新市自來水總公司，遼寧 阜新 123000 ）

水泵節(jié)能—內(nèi)反饋晶閘管串級調(diào)速的應(yīng)用

牛 波 吳智華 宋百春

（阜新市自來水總公司，遼寧 阜新 123000 ）

本文結(jié)合泵站的具體工作實(shí)際情況，論述了以內(nèi)反饋晶閘管串級調(diào)速方式為基礎(chǔ)對泵站調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)施控制的工作原理及系統(tǒng)運(yùn)行所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，提出了一條節(jié)能增效的途徑。

水泵；晶閘管；內(nèi)反饋串級調(diào)速

一、概述

1.1 應(yīng)用調(diào)速的可行性

水泵調(diào)速運(yùn)行是降供水單耗的有效途徑，經(jīng)過對我市自來水公司各水廠實(shí)際調(diào)查，根據(jù)水泵運(yùn)行原始資料對比分析，我們認(rèn)為第四加壓站1號泵安裝調(diào)整設(shè)備較合適。第四加壓站在夏季和冬季晝夜供水期間，管道出水壓力和流量均在額定值的60%～90%間變化，調(diào)節(jié)水量通常采用關(guān)閉閥門方式，不但耗電增加，且勞動強(qiáng)度大，對機(jī)組和水泵的損傷加劇。而確定了壓力和流量的變化范圍舊具備了水泵調(diào)速的必要條件。

1.2 內(nèi)反饋串級調(diào)速的技術(shù)論證

（1）液壓偶合器或滑差離合器。這種方式和其它方式相比，壽命短，效率低，節(jié)能效果不及其它方式，又因安裝在電機(jī)與水泵間，一旦發(fā)生故障，水泵就不能運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）變頻調(diào)速。大功率器件工作在高壓電路中，只用一個器件往往耐壓不夠，要幾個串聯(lián)使用。調(diào)頻方式線路復(fù)雜，造價高，且線路復(fù)雜帶來可靠性問題。又因要求調(diào)速范圍不大，調(diào)速精度不高，用變頻器調(diào)速有些浪費(fèi)。（3）晶閘管串級調(diào)速。串調(diào)技術(shù)較成熟，我國已系列化生產(chǎn)，但產(chǎn)品帶有逆變變壓器，體積大，占地面積大，功率因數(shù)低，死區(qū)和諧波較大，與（4）相比造價高。（4）內(nèi)反饋晶閘管串級調(diào)速電機(jī)是在普通繞線型異步電動機(jī)的基礎(chǔ)上，在定子上加繞一組三相對稱繞組，稱為調(diào)節(jié)繞組，作用是取代普通串級調(diào)速所需的逆變變壓器。轉(zhuǎn)子繞組與調(diào)節(jié)繞組經(jīng)變流器相聯(lián)，使調(diào)節(jié)繞組吸收轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率，使電動機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率較少，與外反饋串調(diào)相比較，節(jié)省逆變變壓器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占地小，效率及功率因數(shù)較高，達(dá)0.7～0.9，諧波分量較小，系統(tǒng)造價較低。

1.3 應(yīng)用效益

1.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

內(nèi)反饋晶閘管串調(diào)系統(tǒng)從1992年10月投入運(yùn)行，運(yùn)行方式為泵站采用300kW的調(diào)速泵和440kW、300kW的兩臺定速泵并列運(yùn)行，至今已連續(xù)運(yùn)行3年多了，累計節(jié)電量約240萬kWh。累計節(jié)省電費(fèi)80余萬元。運(yùn)行十一個月全部收回串調(diào)設(shè)備投資。

1.3.2 社會效益

（1）串調(diào)設(shè)備投運(yùn)后，平穩(wěn)市區(qū)水壓。以前市區(qū)水壓不穩(wěn)，高峰時水壓低，高峰后，水壓增高，造成市區(qū)管道漏水，應(yīng)用串調(diào)隨時按調(diào)速指令調(diào)整市區(qū)水的壓力和流量，滿足用戶及市區(qū)用水需求，節(jié)省水資源和能源。（2）利于節(jié)能。（3）降低勞動強(qiáng)度，提高供水自動化水平。

二、系統(tǒng)的組成與工作原理

2.1 系統(tǒng)原理

（1）內(nèi)反饋串級調(diào)速電機(jī)是在普通繞線式電機(jī)的定子內(nèi)部與定子繞組同槽嵌入一個調(diào)節(jié)繞組。繞向與節(jié)距與定子繞組相同，轉(zhuǎn)子引出的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)變流裝置饋入反饋繞組，其值與轉(zhuǎn)差功率數(shù)值近似，減少電動機(jī)從電網(wǎng)吸收有功功率，有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性。電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，定子繞組有功電流隨轉(zhuǎn)速成正比，達(dá)到高效節(jié)能目的。（2）內(nèi)反饋串調(diào)裝置包括控制柜、交流柜、起動柜等。晶閘管串調(diào)裝置為三相不控全橋整流，三相全橋可控逆變方式，屬電流型有源逆變器，觸發(fā)裝置為自整角機(jī)移相觸發(fā)。

2.2 系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）調(diào)速范圍：1.5:1～2.0:1。（2）系統(tǒng)效率：高速時＞90%，低速時＞80%。（3）功率因數(shù)：0.7～0.9。（4）調(diào)速方式：手動無級調(diào)速。（5）JRNT功率與JR繞線式電機(jī)兼容，在全速運(yùn)行時相當(dāng)于同功率的JR電機(jī)，尺寸與同機(jī)座號JR電機(jī)相同，本系統(tǒng)用JRNT13δ—4型三相異步電動機(jī)。（6）有短路、過載、失壓等保護(hù)電路，故障時可自動轉(zhuǎn)換全速運(yùn)行。

2.3 調(diào)速原理

從直流電路看，電壓平衡方程式為

式中：S—轉(zhuǎn)差率；E2D—轉(zhuǎn)子開路時相電勢；Id—直流電流；XD、RD—折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏抗、電阻；U2T—調(diào)節(jié)繞組的相電壓；XT、RT—由調(diào)節(jié)繞組端看的每相等效電抗、電阻；RL—濾波電抗器電阻；β—逆變器的超前角；

由（1）式解出S為：

式中n1為同步轉(zhuǎn)速。理想空載時，Id=0則有

由（4）式可知， E2D、U2T、n1一定時，串級調(diào)速系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速n0將隨超前角β變化而變化。當(dāng)β=900時，理想空載轉(zhuǎn)速最大。由（3）式可知，改變超前角β，可以調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，可以看到調(diào)速死區(qū)很大，與外反饋串調(diào)系統(tǒng)沒區(qū)別。

三、應(yīng)用中的問題及改進(jìn)

（1）噪音大。（2）構(gòu)成中分立元件多，應(yīng)改成集成化或模塊化，可降低占地面積和造價，提高可靠性。（3）用中限流電阻曾燒壞，經(jīng)重新繞制后投入使用效果良好。（4）整流二極管在運(yùn)行中曾損壞過。（5）繞線式異步電機(jī)固有缺點(diǎn)，須加強(qiáng)對滑環(huán)及炭刷維護(hù)，保證系統(tǒng)可靠工作。

結(jié)論

（1）內(nèi)反饋串調(diào)裝置調(diào)整適當(dāng)，電機(jī)定子繞組，調(diào)節(jié)繞組電流小于同容量外反饋串調(diào)裝置電動機(jī)定子繞組電流，調(diào)節(jié)繞組電流遠(yuǎn)比逆變變壓器中電流小，該方式損耗小，效率高。（2）系統(tǒng)取消逆變變器，造價低，系統(tǒng)增設(shè)提高功率因數(shù)內(nèi)補(bǔ)償裝置，調(diào)速時功率因數(shù)較高，諧波污染小，可以減小主調(diào)節(jié)繞組中電流。（3）內(nèi)反饋串調(diào)系統(tǒng)用于水泵可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，高壓大容量電機(jī)調(diào)速范圍要求不寬調(diào)速精度要求不高時，該系統(tǒng)與其它調(diào)速方式相比，有較高性價比。（4）水泵電機(jī)用內(nèi)反饋串級調(diào)速電氣傳動利于節(jié)電。內(nèi)反饋電機(jī)與普通電機(jī)性能不同及內(nèi)反饋調(diào)速裝置與外反饋調(diào)速裝置有異，存在工程應(yīng)用成套設(shè)計及配套提供問題。如何從系統(tǒng)觀點(diǎn)解決內(nèi)反饋電機(jī)、水泵及內(nèi)反饋調(diào)速裝置間最佳協(xié)調(diào)與配合問題，以便取得更佳效果應(yīng)予以重視。

[1]金玉堯，等.風(fēng)機(jī)水泵交流調(diào)速節(jié)能技術(shù)方案選擇及應(yīng)用[J].電工技術(shù)雜志，1993（02）.

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.104