水泵节能—内反馈晶闸管串级调速的应用

牛 波 吴智华 宋百春

（阜新市自来水总公司，辽宁 阜新 123000 ）

水泵节能—内反馈晶闸管串级调速的应用

牛 波 吴智华 宋百春

（阜新市自来水总公司，辽宁 阜新 123000 ）

本文结合泵站的具体工作实际情况，论述了以内反馈晶闸管串级调速方式为基础对泵站调节系统实施控制的工作原理及系统运行所带来的经济效益和社会效益，提出了一条节能增效的途径。

水泵；晶闸管；内反馈串级调速

一、概述

1.1 应用调速的可行性

水泵调速运行是降供水单耗的有效途径，经过对我市自来水公司各水厂实际调查，根据水泵运行原始资料对比分析，我们认为第四加压站1号泵安装调整设备较合适。第四加压站在夏季和冬季昼夜供水期间，管道出水压力和流量均在额定值的60%～90%间变化，调节水量通常采用关闭阀门方式，不但耗电增加，且劳动强度大，对机组和水泵的损伤加剧。而确定了压力和流量的变化范围旧具备了水泵调速的必要条件。

1.2 内反馈串级调速的技术论证

（1）液压偶合器或滑差离合器。这种方式和其它方式相比，寿命短，效率低，节能效果不及其它方式，又因安装在电机与水泵间，一旦发生故障，水泵就不能运转。（2）变频调速。大功率器件工作在高压电路中，只用一个器件往往耐压不够，要几个串联使用。调频方式线路复杂，造价高，且线路复杂带来可靠性问题。又因要求调速范围不大，调速精度不高，用变频器调速有些浪费。（3）晶闸管串级调速。串调技术较成熟，我国已系列化生产，但产品带有逆变变压器，体积大，占地面积大，功率因数低，死区和谐波较大，与（4）相比造价高。（4）内反馈晶闸管串级调速电机是在普通绕线型异步电动机的基础上，在定子上加绕一组三相对称绕组，称为调节绕组，作用是取代普通串级调速所需的逆变变压器。转子绕组与调节绕组经变流器相联，使调节绕组吸收转子转差功率，使电动机从电网吸收的有功功率较少，与外反馈串调相比较，节省逆变变压器，系统结构简单，占地小，效率及功率因数较高，达0.7～0.9，谐波分量较小，系统造价较低。

1.3 应用效益

1.3.1 经济效益

内反馈晶闸管串调系统从1992年10月投入运行，运行方式为泵站采用300kW的调速泵和440kW、300kW的两台定速泵并列运行，至今已连续运行3年多了，累计节电量约240万kWh。累计节省电费80余万元。运行十一个月全部收回串调设备投资。

1.3.2 社会效益

（1）串调设备投运后，平稳市区水压。以前市区水压不稳，高峰时水压低，高峰后，水压增高，造成市区管道漏水，应用串调随时按调速指令调整市区水的压力和流量，满足用户及市区用水需求，节省水资源和能源。（2）利于节能。（3）降低劳动强度，提高供水自动化水平。

二、系统的组成与工作原理

2.1 系统原理

（1）内反馈串级调速电机是在普通绕线式电机的定子内部与定子绕组同槽嵌入一个调节绕组。绕向与节距与定子绕组相同，转子引出的转差功率经变流装置馈入反馈绕组，其值与转差功率数值近似，减少电动机从电网吸收有功功率，有恒转矩调速特性。电动机负载转矩一定时，定子绕组有功电流随转速成正比，达到高效节能目的。（2）内反馈串调装置包括控制柜、交流柜、起动柜等。晶闸管串调装置为三相不控全桥整流，三相全桥可控逆变方式，属电流型有源逆变器，触发装置为自整角机移相触发。

2.2 系统的特点

（1）调速范围：1.5:1～2.0:1。（2）系统效率：高速时＞90%，低速时＞80%。（3）功率因数：0.7～0.9。（4）调速方式：手动无级调速。（5）JRNT功率与JR绕线式电机兼容，在全速运行时相当于同功率的JR电机，尺寸与同机座号JR电机相同，本系统用JRNT13δ—4型三相异步电动机。（6）有短路、过载、失压等保护电路，故障时可自动转换全速运行。

2.3 调速原理

从直流电路看，电压平衡方程式为

式中：S—转差率；E2D—转子开路时相电势；Id—直流电流；XD、RD—折算到转子侧的每相漏抗、电阻；U2T—调节绕组的相电压；XT、RT—由调节绕组端看的每相等效电抗、电阻；RL—滤波电抗器电阻；β—逆变器的超前角；

由（1）式解出S为：

式中n1为同步转速。理想空载时，Id=0则有

由（4）式可知， E2D、U2T、n1一定时，串级调速系统的理想空载转速n0将随超前角β变化而变化。当β=900时，理想空载转速最大。由（3）式可知，改变超前角β，可以调节电动机转速，实现无极调速，可以看到调速死区很大，与外反馈串调系统没区别。

三、应用中的问题及改进

（1）噪音大。（2）构成中分立元件多，应改成集成化或模块化，可降低占地面积和造价，提高可靠性。（3）用中限流电阻曾烧坏，经重新绕制后投入使用效果良好。（4）整流二极管在运行中曾损坏过。（5）绕线式异步电机固有缺点，须加强对滑环及炭刷维护，保证系统可靠工作。

结论

（1）内反馈串调装置调整适当，电机定子绕组，调节绕组电流小于同容量外反馈串调装置电动机定子绕组电流，调节绕组电流远比逆变变压器中电流小，该方式损耗小，效率高。（2）系统取消逆变变器，造价低，系统增设提高功率因数内补偿装置，调速时功率因数较高，谐波污染小，可以减小主调节绕组中电流。（3）内反馈串调系统用于水泵可实现高效节能，高压大容量电机调速范围要求不宽调速精度要求不高时，该系统与其它调速方式相比，有较高性价比。（4）水泵电机用内反馈串级调速电气传动利于节电。内反馈电机与普通电机性能不同及内反馈调速装置与外反馈调速装置有异，存在工程应用成套设计及配套提供问题。如何从系统观点解决内反馈电机、水泵及内反馈调速装置间最佳协调与配合问题，以便取得更佳效果应予以重视。

[1]金玉尧，等.风机水泵交流调速节能技术方案选择及应用[J].电工技术杂志，1993（02）.

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.104