大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（5）

摘要：指出了发电厂风机水泵调速运行的必要性和巨大的节能潜力；讨论了各种调速方式的优缺点，并作出了详细的技术经济分析。

关键词：风机；水泵；液力耦合器；变频调速；串级调速；无刷双馈电机

图32各种电动机调速方式适用范围

5各种调速方式的综合性能分析

5?1不同的调速方式适用的电动机容量和转速

范围

各种电动机调速方式所适用的容量和转速范围是不同的。无换向器电动机适用于大、中容量和高、中转速场合。对于大容量?gt;5000kW）、高转速（>4000r/min）的电厂锅炉给水泵的电动机调速方式，目前只有无换向器电动机能适应这个工作要求，其最大容量达50MW，最高转速可达6000r/min。晶闸管串级调速系统适用于大、中容量和中、低转速场合，目前国外生产的最大容量达25MW，最高转速为2000r/min。鼠笼式电动机变频调速系统适用于中、小容量和中等转速（目前国外生产的最大容量已超过3MW，转速低于电动机同步转速）。其它如电磁调速电动机、异步电动机定子变压调速以及绕线式电动机转子串电阻调速等均适用于容量较小、转速不高的场合。图32为各种电动机调速方式的容量和转速的大致适用范围，可供在初步选择调速装置时参考。 5?2各种调速方式的电动机及其调速装置的综合

效率

适用于中、小型电动机的调速装置，有鼠笼式异步电动机PWM型变频调速、鼠笼式异步电动机电压型变频调速、鼠笼式异步电动机电流型变频调速、电磁调速电动机、绕线式异步电动机转子串电阻调速等。其综合效率ηz以鼠笼式异步电动机PWM型变频调速最高；鼠笼式异步电动机电流型、电压型变频

图33各种电机调速方式的综合效率ηz=ηvηd比较

(b)大容量电动机各种调速系统综合效率ηz比较

1－直流电动机（750kW）

2－绕线式异步电动机晶闸管串级调速（6500kW）

3－鼠笼式电动机电流型变频调速（1350kW）

4－无换向器电动机调速（5000kW）

(a)中、小容量电动机各种调速系统综合效率ηz比较

1－直流电动机（75kW）

2－绕线式异步电动机转子串电阻调速（132kW）

3－鼠笼式异步电动机PWM型变频调速（75kW）4－鼠笼式电动机电压型变频调速（90kW）

5－鼠笼式电动机电流型变频调速（225kW）

6－电磁调速电动机（37kW）

调速次之；绕线式异步电动机转子串电阻调速更次之；电磁调速电动机和异步电动机定子调压调速最低。

PWM型变频调速与电流型、电压型变频调速都是高效调速方式，但是前者ηz比后两者ηz高。原因是前者的逆变器由GTR或IGBT组成，而后者由晶闸管组成。IGBT与晶闸管相比较，具有自关断能力和开关频率高的优越性。因此，PWM型变频调速线路相对简单，且逆变器输出的电压或电流波形为近似的正弦波，使电动机基本不受高次谐波影响，故线路损耗也相对小。

绕线式电动机转子串电阻调速、电磁调速电动机、异步电动机定子调压调速都是具有转差损失的低效调速方式。串电阻调速的ηz比电磁调速电动机的ηz高，原因是最高转速比in=n2max/n1高，串电阻调速时in=1，电磁调速电动机in<1。

适用于大型交流电动机的调速装置，绕线式异步电动机晶闸管串级调速的综合效率ηz最高，无换向器电动机次之，鼠笼式电动机晶闸管变频调速更次之。这是因为前两者的线路相对比较简单，线路损耗小；此外，串级调速及无刷双馈变频调速经过变频器的仅是转差功率，而无换向器电动机和鼠笼式电动机变频调速则是输入至电动机的全部功率均要经过变频器，因而后两者经变频器的功率损失要大些。

图33是叶片式泵与风机（M∞n2型负载）应用各种调速方式时综合效率ηz的实测结果图。图33给出的各种调速系统的ηz值，严格讲只是一个典型的实测数据。实际上，由于电动机及调速装置各制造厂的设计、制造、工艺等水平并不完全相同，因此，即使是同型号同容量的调速系统，其综合效率ηz（=ηvηd）值也会有一定差异。

5?3各种调速系统的电源功率因数

电动机调速系统的电源功率因数表示了无功功率的消耗，cosφ越低，表示系统的无功功率消耗越大。当cosφ由0.8下降到0.4时，供电线路的损耗将增加5倍以上。因此，在选择调速装置时，既要重视节约有功功率，还应重视决定无功功率的功率因数cosφ。

图34给出各种调速系统的电源功率因数比较，从图中可以看出：鼠笼式电动机PWM型变频调速在整个调速范围内均具有很高的（接近于1.0）的cosφ，电磁调速电动机也具有较高的cosφ，绕线式异步电动机晶闸管串级调速系统的电源功率因数cosφ是在各种调速系统中最低的，所以在选用这种调速系统时，应充分注意这个问题。

5?4各种调速方案的初投资和回收期

由于设备价格逐年在变动，故以相对价格作为讨论依据较好。如以普通三相交流异步电动机的价格为1.0，各种调速系统的价格以电机价格为基准给出，则

()

技术讲座

1－直流电动机调速

2－绕线式异步电动机转子串电阻调速（p=10，132kW）

3－绕线式异步电动机晶闸管串级调速

4－鼠笼式电动机PWM型变频调速

5－鼠笼式电动机电压型晶闸管变频调速

6－鼠笼式电动机电流型晶闸管变频调速

7－无换向器电动机调速

8－电磁调速电动机调速（37kW）

图34各种调速系统的电源功率因数cosφ比较

比较直观、真实。各种调速方案的初投资和回收期见表5。

表5各种调速系统的相对价格及投资回收周期序号项目相对价格投资回收期/年
1三相交流异步电动机1.00
2变极调速1.20.2
3电磁调速电动机调速系统1.50.5
4绕线式电动机转子串电阻调速系统2.51.0
5晶闸管调压调速系统3.01.5
6液力耦合器调速系统3.01.5
7液体离合器调速系统2.81.3
8无刷双馈变频调速系统3.52.0
9普通串级调速系统4.02.5
10超同步双馈串级调速系统5.03.0
11内反馈串级调速系统3.01.5
12变频调速系统5.0（低压）10?0（高压）3.0（低压）6.0（高压）
13无换向器电动机调速系统8?05.0
5．5各种调速装置的性能比较

各种调速装置的性能比较见表6。

6结语

鉴于发电厂风机水泵调速节能的巨大经济潜力，以及面对厂网分家，竞价上网的严峻形势，发电厂高压辅机调速节能改造势在必行。但是，由于各种调速方式在性能指标、节能效果、资金投入等方面各有其优缺点，因此究竟应采用何种调速方案进行节能改造，各厂应根据其机组的具体情况、负荷情况（是否调峰）、设计余量、场地位置、资金投入等情况全面考虑，选择适合本厂具体情况的节能改造方案。

1）对于常年满负荷的机组，当风机的风量裕度在30％时，选用双速电机最为经济。即使在满负荷连续运行工况下，电机也可在低速档运行，并满足风量要求；当风量裕度在20％左右时，则采用变频调速、串级调速较为经济，而采用双速电机和液力耦合器不能起到节电作用；当风量裕度在10％左右时，采用双速电机和液力耦合器调速还不及调节门调节的经济性好，而采用变频调速和串级调速与调节门调节的经济性相差不大，因而此时只要采用调节门调节即可，不必采用变速调节。 2）对于调峰机组和长期处于低负荷运行的机组，考虑到长期运行的安全可靠性、经济性和操作维护工作量等，变频调速和串级调速比双速电机及液力耦合器等调速方式具有更大的优越性。因此，电厂在进行风机水泵节能改造时，应优先选择变频调速和串级调速方案。

3）母管制给水系统配备定速泵虽然可用台数调节法提高运行经济性，但是仍存在节流损失和运行效率降低的问题，如改为转速调节，不仅可以进一步提高运行的经济性，而且还可以提高机组运行的安全可靠性。对于由多台泵组成的母管制给水系统，至少要有一台调速泵，以提高运行的经济性。 4）低效调速节能方式，即使在低转速比时，相对节流调节方式而言，也有明显的节能效果。且因其投资少，见效快，资金回收周期短，在老机组和中小机组改造中，容易收到明显的节能效益。

5）变频调速具有调速效率高，力能指标（功率因数）高，调速范围宽，调速精度高，又可以实现软起动，减少对电网的电流冲击及对设备的机械冲击，延长设备使用寿命等优势，故对于大部分采用笼型异步电动机拖动的电厂风机水泵，变频调速不失为目前最理想的调速方案，但其昂贵的价格又使用户望而却步，且国内目前尚无技术成熟的高压大容量变频设备，致使

大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（5）

表6各种调速装置的性能比较

技术讲座

表6各种调速装置的性能比较（续）

大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（5）

表6各种调速装置的性能比较（续）

其推广应用受到限制。

6）内反馈串级调速和无刷双馈变频调速，既有变频调速的优良性能，又避免了用户的高投入，是适合中国国情的具有广阔应用前景的风机、水泵调速节能方案。 参考文献

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辅机拖动中的应用前景[C].电源技术应用研讨会论文集.2001.

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