高压内反馈串级调速电机及其控制装置在水厂的应用

王励涛
哈尔滨九洲电力设备制造有限公司

　　对于供水系统的水厂来说，电费占供水成本的30％左右。目前，绝大多数水泵都采用恒速电机拖动，当水量发生变化时，采用阀门节流的办法来调节流量，因此严重浪费电能。在低压系统中，国外的变频调速器已经打入我国市场，取得了良好的节能效果，但由于电力半导体器件还不能单独应用于高压系统中，因此高压变频器的成本很高，设备投资回收期动辄近十年，所以急需调速性能好、价格低的高压调速电机来解决大中型水泵的调速节能运行。
　　内反馈串级调速电机及其控制装置是一种具有优良的性能价格比的调速节能产品，适合于水厂的大中型水泵调速节能运行，一般1～2年即可通过节电效益回收全部设备投资。

　　1 内反馈串级调速系统的构成及调速原理

　　内反馈串级调速系统由内反馈串级调速电机和与之配套使用的控制装置组成。
　　内反馈串级调速电机是在国家标准系列绕线型感应电动机的定子上增设了一套三相对称绕组，称为调节绕组，而将原来的定子绕组称为主绕组，为保证合理的磁负荷，适当加长电机定转子铁芯，以保证有效的铁面积不变。因此其相同规格具有相同(或相近)的安装尺寸，结构相似，便于现有水厂的调速节能改造。
　　内反馈串级调速属绕线型感应电机转子串附和电势进行调速的理论范畴，该附加电势就是由调节绕组从主绕组感应过来的电势所提供的，通过变流系统将该电势串入电机的转子绕组，改变其串入电势的大小和相位即可实现调速(如图1所示)。同时，调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用而产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速正比变化，达到调速节能的目的。

　　内反馈串级调速系统装有内补偿装置，它在调速电机调节绕组侧进行补偿，抵消变流系统产生的无功分量，直接改善电机的功率因数。

　　2 各种调速方式比较

　　2.1 高压变频调速
　　变频调速是通过改变向电机供电的电源频率来实现调速的，具有调速范围宽，控制功能完善等一系列优点，但由于受电力半导体器件绝缘水平的限制，在高压系统中国外多数厂家都采用"高-低-高"的变频方案，即用变压器将电网的高压降至600 V左右进行变频，然后向专用电机供电，或用变压器升压后供电给高压电机运行(但要考虑变压器的低频运行问题)，只有少数厂家采用电力半导体器件串并联的方案解决了高压变频问题，但仅其高压变频器造价便是高压内反馈串级调速电机及其控制装置成套造价的5～7倍，一次性投资巨大，设备投资回收期很长，而且对调速范围要求不大的水厂供水泵来说，变频调速的性能也没有得到充分的利用。
　　2.2 传统串级调速
　　传统的串级调速是将普通的绕组型感应电机的转差功率从电机转子引出，并通过变流系统的变换后，再经逆变变压器和高压操作柜送回电网(如图2所示)。由于逆变变压器是集中绕组，对谐波的抑制能力不如内反馈串级调速电机的调节绕组(其短距和分布作用对空间谐波有很强的抑制能力)，因此其谐波污染大；由于没有内补偿系统，功率因数低。逆变变压器的容量约为电机额定容量的一半，体积大，成本高。内反馈串级调速系统由于取消了逆变变压器及其附属设备的设备费用和占地，使整个调速系统结构更简单、更紧凑，具有更高的效率和更好的可靠性。

　　2.3 液力耦合器调速
　　液力耦合器调速属耗能型调速方式，有如下缺点：
　　① 在调速过程中有滑差损耗，该损耗最大可达电机额定功率的15％；
　　② 传动效率随转速下降而降低；
　　③ 故障时不能转换到全速运行。
　　尽管该调速方式成本很低，但运行很不经济。
　　综上所述，内反馈串级调速2∶1的调速范围完全能够满足水泵的调速节能运行，属高效调速方式，而且设备造价较低，一般1～2年即可通过节电效益回收全部设备投资，是符合我国国情的水泵调速节能运行的理想的解决方案。

　　3 工程实例

　　盘锦辽河化工(集团)公司供水厂一车间泵房共有JSD148-4(6 kV、440 kW)电机拖动的水泵4台套，负责供应公司的全部生产用水和生活区的生活用水，除此以外还负责供应盘锦乙烯工业公司的生产、生活用水和盘锦市双台子区部分生活用水，负荷变化频繁而且幅度较大。有时开2台泵，供水量依然不够，只好开3台泵，然后用阀门来控制流量；有时开2台泵也需要用阀门来调节流量，因此造成了很大的电能浪费。1995年底对其中一台电机进行了调速节能改造，即将其中一台JSQ148-4电机用具有相同安装尺寸的JRNT148-4(6kV、440kW)内反馈串级调速电机替代，电机基础无需改变，原电缆仍可使用。1995年11月24日投入运行，经测试，采用内反馈串级调速电机及其控制装置后，平均日节电量2266 kW·h，每年节省电费26万元，18个月即可通过节电效益回收全部设备投资。

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