摘要：指出了發(fā)電廠風機水泵調(diào)速運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，并作出了詳細的技術(shù)經(jīng)濟分析。

關(guān)鍵詞：風機；水泵；液力耦合器；變頻調(diào)速；串級調(diào)速；無刷雙饋電機

Techno- economics Analysis of Energy Saving for

Adjusting Speed of Blower and Water Pump in Power Plant

XU Fu- rong

Abstract:This paper introduces the necessity of adjusting speed saving energy of blower and water pump in the power plant and the large latent capacity of saving energy; It also introduces the advantages and disadvantages of various bbbbbbs for adjusting speed and make a detail techno economics analysis.

Keywords:Blower; Water pump;Fluid coupler;Variable frequeney adjusting speed;Cascade adjusting speed;Brushless double-fed machine

3   風機水泵的低效調(diào)速節(jié)能方案

3．1   液力耦合器

    液力耦合器是一種利用液體（多數(shù)為油）的動能來傳遞能量的葉片式傳動機械。安裝在定速電動機與風機水泵之間，達到平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

    液力耦合器的調(diào)速效率η等于輸出功率P2與輸入功率P1之比。在忽略各種阻力扭矩時可以近似認為：

    MB=－MT

式中：MB——穩(wěn)定流動時，泵輪葉片作用于液體的扭矩；

      MT——穩(wěn)定流動時，液體作用于渦輪的扭矩。

則有：

    η=P2/P1≈PT/PB=－MTωT/MBωB=－MTnT/MBnB=nT/nB=i   （7）

式中：PB——穩(wěn)定流動時，泵輪葉片作用于液體的功率；

      PT——穩(wěn)定流動時，液體作用于渦輪的功率；

      ωB——對應(yīng)于MB的轉(zhuǎn)動角速度；

      ωT——對應(yīng)于MT的轉(zhuǎn)動角速度；

      nB——對應(yīng)于ωB的轉(zhuǎn)速；

      nT——對應(yīng)于ωT的轉(zhuǎn)速。

    即在忽略液力耦合器的機械損失和容積損失等損失時，液力耦合器的調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比。轉(zhuǎn)速比越小，其調(diào)速效率也越低，這是液力耦合器的一個重要工作特性。

    當液力耦合器帶泵或風機進行調(diào)速傳動時，泵或風機的轉(zhuǎn)速n等于液力耦合器渦輪的轉(zhuǎn)速nT，即n=nT，而其軸功率P等于渦輪傳遞的軸功率PT，即P=PT。根據(jù)葉片式泵與風機的比例定律，泵與風機的軸功率與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比：

       PT/PTn=(nT/nTmax)3

或改寫成：

      PT=PTn(nT/nTmax)3=PTn(nT/nB)3·(nB/nTmax)3=PTni3/in3    (8)

    因為i=PT/PB，即PB=PT/i=PTn(i2/in3)，則液力耦合器的轉(zhuǎn)差損失功率：

      ΔP=PB－PT=PTn(i2－i3)/in3    (9)

    為了求出最大轉(zhuǎn)差功率損失處的轉(zhuǎn)速比i，將式（9）對i求導(dǎo)數(shù)，再令導(dǎo)數(shù)為零，可求出其極值點，即：

    d(ΔP)/di=PTn(2i－3i2)/in3=0

得i=2/3=0.667時

    ΔPmax=PTn[(2/3)2－(2/3)3]/in3=（4/27）PTn/in3=0.148PTn/in3=0.148PBn/in2（10）

通常，液力耦合器的in=0.97～0.98，則：

    ΔPmax=(0.157～0.162)PTn=(0.154～0.157)PBn   （11）

    由此證明，液力耦合器帶泵或風機進行調(diào)速傳動時，其最大轉(zhuǎn)差功率損耗ΔPmax發(fā)生在轉(zhuǎn)速比i=2/3處，并不是轉(zhuǎn)速越低，耗損越大。

    雖然液力耦合器工作在低速時其調(diào)速效率很低（等于轉(zhuǎn)速比），但在帶泵與風機調(diào)速時，與節(jié)流調(diào)節(jié)相比較，仍具有顯著的節(jié)能效果。例如某離心風機，當流量Q=190×103m3/h時，風機的軸功率為158kW，當通過節(jié)流調(diào)節(jié)使流量Q=95×103m3/h時，風機的軸功率為115kW。當用液力耦合器調(diào)速時，由于流量為原流量的一半，則風機的軸功率應(yīng)為其1／8。

    158kW×(1/2)3=19.75kW

    再考慮到i=1/2時的液力耦合器的效率η=i=0．5。原動機的輸出功率應(yīng)為19．75kW×2=39.5kW，較之節(jié)流調(diào)節(jié)仍有75.5kW（=115kW－39.5kW)的節(jié)電效果，仍是相當可觀的。

    液力耦合器的優(yōu)點是：

    ——無級調(diào)速，調(diào)速范圍大，較之節(jié)流調(diào)節(jié)有顯著節(jié)能效果；

    ——可空載起動電動機和逐步起動大慣量負荷，降低了起動電流，使起動更為安全可靠；

    ——隔離振動，能減輕負荷沖擊，再加之起動電流小，延長了電動機及泵與風機的壽命；

    ——過載保護，保護電動機及風機水泵；

    ——除軸承外無其他摩損部件，因滑差損耗產(chǎn)生的熱量均勻地分散到油中，不會引起局部過熱，故工作可靠，能長期無檢修工作，壽命長；

    ——工作平穩(wěn)，可以平緩地起動、加速、減速和停車；

    ——便于控制，液力耦合器是無級調(diào)速，便于實現(xiàn)自動控制，適合于各種伺服控制系統(tǒng)；

    ——能用于大容量泵與風機的變速調(diào)節(jié)，目前單臺液力耦合器傳遞的功率已達20MW以上。

    其缺點是：

    ——和節(jié)流調(diào)節(jié)相比，增加了初投資，增加了安裝空間，大功率的液力耦合器除本體設(shè)備外，還要一套附加的冷油器等輔助設(shè)備與管路系統(tǒng)；

    ——由于液力耦合器的最大轉(zhuǎn)速比in=0.97～0.98，因此液力耦合器的輸出最大轉(zhuǎn)速要比輸入轉(zhuǎn)速低；

    ——調(diào)節(jié)延遲時間較長，不適應(yīng)緊急事故的處理，適合于較高轉(zhuǎn)速的泵與風機調(diào)速的場合；

    ——調(diào)速精度不高，不適宜要求精確轉(zhuǎn)速的場合使用；

    ——因為無直聯(lián)機構(gòu)，故液力耦合器一旦發(fā)生故障，泵與風機也只能停止工作；

    ——調(diào)速效率低（η=i），等于轉(zhuǎn)速比，產(chǎn)生的損耗大，在各種變速裝置中屬低效調(diào)速裝置。

3．2   液力調(diào)速離合器

    液力調(diào)速離合器是一種以油為工作介質(zhì)，依靠摩擦力傳遞功率的變速傳動裝置。它是一種新型的液力無級調(diào)速傳動裝置，既能實現(xiàn)無級調(diào)速，又能象普通離合器一樣，既可將主動部分與從動部分分離，又可將主動部分與從動部分無相對運動地合在一起，所以稱其為液力調(diào)速離合器，也稱奧米伽離合器。

    其調(diào)速特性與液力耦合器基本相似，也屬于低效調(diào)速裝置，但其最大調(diào)速比in=1，調(diào)速效率η=P2/P1=M2ω2/M1ω1=n2/n1=i，當泵與風機相聯(lián)、i=2/3時，ΔPmax=0.148PN，體積比液力耦合器較小，投資差不多，但功率較小。

3．3   電磁轉(zhuǎn)差離合器

    電磁轉(zhuǎn)差離合器的功用和液力耦合器及液力調(diào)速離合器相同，都是安裝在定速電動機與泵或風機之間的一種變速傳動裝置，使泵與風機可以實現(xiàn)無級調(diào)速。

    電磁轉(zhuǎn)差離合器的基本部件為電樞與磁極，這兩者之間沒有機械聯(lián)系，各自可以自由旋轉(zhuǎn)。電樞是主動部分，直接與電動機的輸出軸連接，并由電動機帶動其旋轉(zhuǎn)。電樞通常為圓筒形整塊鑄鋼，在外表面常鑄或焊有風扇葉，以提高散熱效果。磁極為從動部分，它通過聯(lián)軸器與泵或風機的輸入軸相連。磁極由鐵芯和勵磁繞組組成，勵磁繞組有裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上的，也有固定在機殼上的，前者的勵磁電流需通過集電環(huán)和電刷引到轉(zhuǎn)子。圖5所示為電磁轉(zhuǎn)差離合器的示意圖。從圖5可見，主動部分（電樞）與從動部分（磁極）之間在機械上是分開的，當中有氣隙。當勵磁繞組無勵磁電 流 通 過 時 ， 則 這 兩 部 分 互 不 相 干 ； 只 有 在 通 以 勵 磁 電 流 時 ， 才 能 靠 電 磁 效 應(yīng) 相 互 聯(lián) 系 起 來 。

圖5   電磁轉(zhuǎn)差離合器示意圖

    電磁轉(zhuǎn)差離合器的調(diào)速原理是基于電磁感應(yīng)定律。當勵磁繞組通以直流電時，沿氣隙圓周面將形成若干對極性交替的磁極，其磁通穿過氣隙與電樞相鏈。當電動機帶動電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞與磁極之間有相對運動，因感應(yīng)而產(chǎn)生電勢，這一感應(yīng)電勢將在電樞中形成渦流，其方向可由右手定則確定。此渦流又與磁場的磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力，其方向可按左手定則確定，這個力作用于電樞一個轉(zhuǎn)矩，其方向與電樞的旋轉(zhuǎn)方向相反，是與帶動電樞旋轉(zhuǎn)的拖動轉(zhuǎn)矩相平衡的制動力矩。這個力及力矩也同樣作用在磁極上，其方向與電樞旋轉(zhuǎn)方向相同，它使磁極沿電樞旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，并拖動泵或風機旋轉(zhuǎn)。

    電磁轉(zhuǎn)差離合器與硬性聯(lián)接的普通聯(lián)軸器傳動的不同之處是：電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極轉(zhuǎn)速n2是可以連續(xù)調(diào)整的，且n2一定小于電樞轉(zhuǎn)速n1。這是因為若n2=n1，則磁極與電樞之間不存在相對運動，即電樞沒有切割磁力線，也就不可能在電樞中感應(yīng)出電勢，更談不上產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩了。因此，電磁轉(zhuǎn)差離合器的磁極與電樞之間必存在一個轉(zhuǎn)速差Δn=n1－n2，這和異步電動機的原理相似。

    磁極轉(zhuǎn)速n2的高低由磁極磁場的強弱而定，亦即由勵磁電流的大小而定。當勵磁電流大時，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)矩來帶動負載；當勵磁電流小時，n2就低，必須有大的轉(zhuǎn)差率才能產(chǎn)生帶動負載的渦流轉(zhuǎn)矩。所以，改變勵磁電流的大小就可達到泵或風機調(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，當與泵或風機聯(lián)接調(diào)速時，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)濟性比液力耦合器及液力調(diào)速離合器更差。

    其優(yōu)點是：

    ——可靠性高，只要把絕緣處理好，就能實現(xiàn)長期無檢修工作；

    ——占地面積小，控制功率小，一般僅為電動機額定功率的1％～2％；

    ——結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，價格低廉。

    其缺點是：

    ——存在轉(zhuǎn)差損耗，尤其是當in較低時，運行經(jīng)濟性較差；

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

    ——調(diào)速響應(yīng)時間長；

    ——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機的調(diào)速傳動。

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

    用改變鼠籠式電動機定子電壓值實現(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 機 在 不 同 的 定 子 電 壓 時 ， 可 以 得 到 一 組 人 為 機 械 特 性 ， 如 圖6所 示 。 由 電 機 學(xué) 基 本 原 理 可 知 ， 改 變 電 動 機 的 定 子 電 壓 時 ， 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   鼠籠型電動機變定子電壓時的機械特性

    ——異步電動機的同步轉(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；

    ——當定子電源電壓變化時，最大轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)差率scr（臨界轉(zhuǎn)差率）不變。

    在圖6上作出負載轉(zhuǎn)矩特性曲線，則電動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線與負載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的交點，即為電動機的運行點。圖上作出了兩種負載轉(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。葉片式泵與風機裝置在裝置靜揚程Hst或裝置靜壓Pst等于零時屬于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機時，如果負載是恒轉(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。當定子電壓由U10降至U20時，運行點由a′變至b′，其轉(zhuǎn)速變化是很小的，所以恒轉(zhuǎn)矩負載不適用普通鼠籠型電動機，而應(yīng)采用高轉(zhuǎn)子電阻值的鼠籠型電動機。但葉片式泵與風機屬于M∝n2型特性負載，采用普通鼠籠型電動機調(diào)壓調(diào)速時，可以得到較大的調(diào)速范圍，如圖6(a)所示，當定子電壓由U10降至U20、U30時，運行點由a變至b、c。c點雖交于電動機特性曲線的曲線段，但仍能穩(wěn)定運行。當然，葉片式泵與風機采用高轉(zhuǎn)子電阻值的鼠籠型電動機調(diào)壓調(diào)速時，其調(diào)速特性會更好一些，見圖6(b)所示。

    但以上討論的只是理想的情況，工程實際中，水泵的靜揚程Hst都不可能為零，工業(yè)風機除靜壓Pst不可能為零外，其葉輪的靜轉(zhuǎn)矩Mst就更大了，所以其負載轉(zhuǎn)矩特性曲線與M軸（水平軸）的交點就會右移，這樣與電動機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。在風機、水泵運行中，當試圖降低電動機定子電壓時，開始時轉(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)定運行。

    要進行風機、水泵調(diào)壓調(diào)速，首先必須改變電動機的外特性，新的外特性必須使電動機有一個寬闊的穩(wěn)定的調(diào)速范圍，一般要采用高轉(zhuǎn)差率電機，交流力矩電機或在繞線式電動機的轉(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)出機外，才能實現(xiàn)長期穩(wěn)定的工作。這里可以采取旋轉(zhuǎn)熱管結(jié)構(gòu)，也可采取特殊風道冷卻結(jié)構(gòu)，都是行之有效的方法。

    為了對鼠籠型電動機進行定子電壓調(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，串接在電動機的定子端。通過控制晶閘管的移相控制角α，就能對交流電壓作阻斷控制，從而改變電動機的端電壓，實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。

    高轉(zhuǎn)子電阻值的鼠籠型電動機在高轉(zhuǎn)速范圍工作時，由于其額定轉(zhuǎn)差率SN大，所以它比普通鼠籠型電動機的效率低，而其在低轉(zhuǎn)速范圍工作時，由于其機械特性很軟，即負載或電壓稍有波動，就會引起轉(zhuǎn)速的很大變化，工作不易穩(wěn)定，實際上無法使用。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 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

    定子調(diào)壓調(diào)速的主要優(yōu)點是線路簡單、可靠，調(diào)壓裝置體積小、價格低，使用維修比較方便。此外調(diào)壓裝置還可兼作鼠籠型電動機的降壓起動設(shè)備，簡化了系統(tǒng)。

    調(diào)壓裝置的主要缺點是轉(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)生的高次諧波會影響電網(wǎng)及電機，如使電動機的損耗、振動和噪聲增大。

    調(diào)壓調(diào)速實際上是一種變轉(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，電動機的效率近似等于轉(zhuǎn)速比，即

    ηd≈i=n2/n1=1－s   (12)

實際上電動機及調(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)速的特性和擴大調(diào)速范圍，常需采用高轉(zhuǎn)子電阻值的鼠籠型電動機。這種電動機的額定轉(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％，顯然，這種電動機的轉(zhuǎn)子損耗大，在額定電壓時效率低。因此，調(diào)壓調(diào)速方式的經(jīng)濟性比起液力偶合器、液力調(diào)速離合器等的調(diào)速方式還要差。

    在泵與風機的調(diào)速節(jié)能方面，調(diào)壓調(diào)速適用于小容量且調(diào)速范圍不大的場合，通常用于100kW以下的鼠籠式電動機調(diào)速，調(diào)速范圍通常在70％～100％額定轉(zhuǎn)速之間。

    異步電機調(diào)壓調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型，究竟消耗多少轉(zhuǎn)差功率是決定這類調(diào)速系統(tǒng)工作性能的重要因素。分析表明，轉(zhuǎn)差功率損耗與系統(tǒng)的調(diào)速范圍和所帶負載的性質(zhì)都有密切關(guān)系。

    根據(jù)電機學(xué)原理，異步電機的電磁功率Pm為：

    Pm=TeΩ1=Teω1/Pn=Teω/[Pn(1－s)]   （13）

若忽略機械損耗等因素的影響，不同性質(zhì)負載的轉(zhuǎn)矩TL可近似表示為：

    TL=Cωα    （14）

式中：C——常數(shù)；

         α=0、1、2分別代表恒轉(zhuǎn)矩負載、與轉(zhuǎn)速成正比的負載和與轉(zhuǎn)速的二次方成正比的風機泵類負載。

    當Te=TL時，代入式（13）后得：

    Pm==(1－s)αω1α＋1    （15）

于是，轉(zhuǎn)差功率

     Ps=sPm=s(1－s)αω1α＋1    （16）

而輸出的機械功率

    P2≈(1－s)Pm=s(1－s)α＋1ω1α＋1   （17）

當s=0時，全部電磁功率都輸出，這時輸出功率最大，為：

    P2max=ω1α＋1   （18）

以P2max為基準值，定義轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)Ps＊為：

    Ps＊=Ps/P2max=s(1－s)α   (19)

這是標志轉(zhuǎn)差功率損耗的指標。

    圖8繪出了按式（13）確定的不同類型負載特性和電機調(diào)壓時的機械特性，當U1=U1N時各類負載特性都通過額定工作點。圖9則表示按式（19）畫出的不同類型負載時轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線。

圖8   不同類型的負載特性和異步電機的調(diào)壓機械特性

圖9   不同類型負載時轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線

    對于恒轉(zhuǎn)矩負載，α=0，轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)與s成正比。當α=1或α=2時，在s=0和s=1處都有Ps＊=0，而在某一s值處Ps＊最大。為了求出此最大值Psm＊，將式（19）對s求導(dǎo)，并令此導(dǎo)數(shù)等于零

    dPs＊/ds=(1－s)α－αs(1－s)α－1=(1－s)α－1[1－s－αs]=(1－s)α－1[1－(1＋α )s]=0

則Ps＊最大時的轉(zhuǎn)差率

    sm=1/(1＋α)   (20)

    將式（20）代入式（19）得最大轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)

      Psm＊=αα/(1＋α)α＋1   (21)

    對于α=0、1、2，代入式（20）和式（21），計算結(jié)果列于表5。

表5   不同負載時的sm和值Psm＊

    根據(jù)以上的分析和計算，可歸納出下述結(jié)論：

    ——對于恒轉(zhuǎn)矩負載，Ps＊和s成正比，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差功率損耗越大，這時調(diào)壓調(diào)速的異步電機不宜長期在低速下工作；

    ——對于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比的負載（α=1），當s=0.5時，轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)最大，其值為Psm＊=0.25；

    ——對于風機泵類負載（α=2），當s=0.33時，最大的轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)只有0.148，在整個s=0～1區(qū)間，Ps＊值都較小，因此，調(diào)壓調(diào)速對風機水泵類負載還是比較合適的。

3．5   繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

    由電機學(xué)可知，繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子經(jīng)集電環(huán)和電刷串接外加電阻后，可以改變電動機的轉(zhuǎn)差率s，亦即改變轉(zhuǎn)速。其串接電阻R值與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系如下：

    M∝n2（平方轉(zhuǎn)矩，如葉片式泵與風機負載時）

    R=[s(1－sN)2/sN(1－s)2]r2－r2（Ω）  （22）

    M=const（恒轉(zhuǎn)矩）負載時

    R=（s/sN）r2－r2（Ω）   （23）

上兩式中：sN——額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)差率；

          r2——轉(zhuǎn)子繞組每相的內(nèi)電阻，Ω。

    如圖10所示，繞線式異步電動機三相電路轉(zhuǎn)子內(nèi)各串接外電阻R時，其機械特性曲線要發(fā)生變化，與負載的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性曲線的交點（即工作點）亦要發(fā)生變化。串接的外電阻越大（不論是M=常數(shù)的恒轉(zhuǎn)矩負載或是M∝n2的平方轉(zhuǎn)矩負載），相應(yīng)的轉(zhuǎn)速降低越多。所以，繞線式異步電動機，通過改變其轉(zhuǎn)子串接的外電阻可實現(xiàn)調(diào)速。

    繞線式異步電動機起動時也常采用轉(zhuǎn)子串接外電阻方式。如圖10所示，轉(zhuǎn)子內(nèi)阻增加時，一方面可以減少起動電流，另一方面可以增加起動轉(zhuǎn)矩Mq。

圖10   繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子接外電阻調(diào)速時的機械特性R″>R′>R1

    繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串接的外加電阻，可以選擇下述任一種：

    ——串金屬電阻  這是一種有級調(diào)速，通過電磁接觸器逐級切換。其缺點是不能連續(xù)調(diào)速，且電磁接觸器易損壞，維修工作量大。

    ——串液體電阻  串液體電阻可實現(xiàn)平滑無級調(diào)速。電阻液用相對密度比為0．5％～5％的碳酸氫鈉水溶液，其濃度可根據(jù)所需外串電阻值選擇。串液體電阻的優(yōu)點還有：起動時沖擊電流小、體積小、觸頭不易過熱。

    ——斬波器控制等效電阻調(diào)速  如圖11所示。

圖11   斬波器控制等效電阻原理圖

從轉(zhuǎn)子端向斬波器看過去，相當于在X－Y上接一個等效電阻R＊。當晶閘管導(dǎo)通時R＊=0，晶閘管斷開時R＊=Rex。因此，調(diào)節(jié)晶閘管在導(dǎo)通和斷開的一個斬波周期內(nèi)的占空比，就可以得到從零到Rex變化的電阻R＊。故斬波器調(diào)速可以實現(xiàn)無觸點、無級調(diào)速。

    繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬于有轉(zhuǎn)差損失的低效調(diào)速方式。葉片式泵與風機采用這種調(diào)速方式時，其調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比，即η =n2/n1=i，式中n2為電動機串接電阻R時的轉(zhuǎn)速，n1為電動機的外接電阻R=0時的轉(zhuǎn)速；其轉(zhuǎn)差損失的最大值發(fā)生在2／3額定轉(zhuǎn)速處，即Δ Pmax=0.148Pn，式中Pn為電動機在額定轉(zhuǎn)速時（即R=0時）的輸出功率，即繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時，調(diào)速效率η和轉(zhuǎn)差損失的規(guī)律與液力調(diào)速離合器相同。

    從圖10轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時的機械特性可以看出：轉(zhuǎn)子串接的電阻值R越大，其機械特性也越軟，即轉(zhuǎn)矩很小的變化將引起轉(zhuǎn)速較大的波動；在負載小時（即轉(zhuǎn)矩小時），其調(diào)速范圍變窄。

    轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式的優(yōu)點是：調(diào)速方法簡單，不需要復(fù)雜的控制設(shè)備，一次投資低，容易實施；可靠性高，功率因數(shù)高，啟動設(shè)備和調(diào)速設(shè)備合為一體。缺點是：只能用于繞線式異步電動機；因其有集電環(huán)和電刷，使用環(huán)境受到限制，只適于在環(huán)境溫度40℃以下使用，在灰塵多的地方要采用全封閉式繞線式電動機；不宜用于振動大的場地；屬于低效調(diào)速方式，其轉(zhuǎn)差損失在外加電阻上以熱能形式散發(fā)；在調(diào)速時機械特性較軟，尤其在調(diào)速范圍較大時，缺點更為突出。

    通常，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式適用于調(diào)速范圍不大，對電動機機械特性硬度要求不高的場合。如中、小容量泵與風機的調(diào)速。過去國內(nèi)外火力發(fā)電廠的鍋爐送、引風機和鍋爐給水泵有用繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的。至今我國鍋爐送、引風機仍有采用這一調(diào)速方式的。

3．6   各種低效調(diào)速方式的節(jié)能效果比較

    所謂低效調(diào)速方式，就是指在調(diào)速過程中有轉(zhuǎn)差損失的調(diào)速方式，包括液力耦合器調(diào)速、液力調(diào)速離合器調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速以及繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。這些調(diào)速方式的共同點是調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比，即η=n2/n1=i。但這并不意味著節(jié)能效果都相同。

    上述調(diào)速方式中，液力調(diào)速離合器調(diào)速和繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是節(jié)能效果最好的。這是因為采用這兩種調(diào)速方式時，泵與風機的最高轉(zhuǎn)速仍可達到電動機未調(diào)速時的額定轉(zhuǎn)速，它們在電動機額定轉(zhuǎn)速的2／3時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差損失為最大，這時的最大轉(zhuǎn)差損失ΔPmax為0.148Pn，Pn是指泵或風機在實際工作中能達到的最高轉(zhuǎn)速n2max時所需的軸功率值。

    液力耦合器和電磁調(diào)速離合器用在泵或風機上時，風機和水泵的最高轉(zhuǎn)速就達不到電動機的額定轉(zhuǎn)速。這是因為液力耦合器和電磁轉(zhuǎn)差離合器與電動機連接的主動部分與泵與風機連接的被動部分間必須維持一定的轉(zhuǎn)速差才能維持正常工作。設(shè)風機和水泵最高轉(zhuǎn)速n2max時的轉(zhuǎn)速比in=n2max/n1，對于液力耦合器in=0.97～0.98；對于電磁轉(zhuǎn)差離合器，過去in=0.83～0.87，現(xiàn)在的新產(chǎn)品in=0.94～0.96。液力耦合器和電磁轉(zhuǎn)差離合器也是在2／3額定轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)差損失Δ Pmax=0.148Pn/in3?？梢娨毫︸詈掀骱碗姶呸D(zhuǎn)差離合器的轉(zhuǎn)差損失實際比液力調(diào)速離合器和轉(zhuǎn)子串電阻方式大。在非額定轉(zhuǎn)速時，這幾種低效調(diào)速方式的轉(zhuǎn)差損失ΔP均可用式Δ P=Pn(i2－i3)/in3表示。故在相同轉(zhuǎn)速比i下，in越小，轉(zhuǎn)差損失越大。應(yīng)注意的是，因液力耦合器和電磁轉(zhuǎn)差離合器的in<1，故泵或風機應(yīng)用它們調(diào)速時的最大轉(zhuǎn)速就達不到電動機的額定轉(zhuǎn)速，因之它們的出力也小于額定轉(zhuǎn)速時的出力，必要時就需要加大泵或風機的額定容量，即加大泵或風機的尺寸。

    至于調(diào)壓調(diào)速裝置，除了調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比及轉(zhuǎn)差損失與上述調(diào)速方式相同之外，其晶閘管調(diào)速電路將產(chǎn)生損耗，并產(chǎn)生高次諧波影響電動機的性能。此外，調(diào)壓調(diào)速裝置通常配置高轉(zhuǎn)子電阻的鼠籠型電動機，它的效率比普通鼠籠型電動機要低。所以它是上述低效調(diào)速方式中節(jié)能效果最差的。