陳 堅 朱澤堂 周思妤

在大型泵站中，軸（混）流泵是一種流量大、揚程低、比轉(zhuǎn)數(shù)高的泵型，其弱點是高效區(qū)窄，小流量區(qū)性能不穩(wěn)定，這些特性極大地限制了泵的正常使用范圍，當泵運行工況偏離額定工況時效率很低。當前解決該問題唯一有效的方法是采用葉片調(diào)節(jié)，但其調(diào)節(jié)范圍有限，特別是對水位或揚程變化幅度大的泵站，靠單一葉片調(diào)節(jié)往往無濟于事，嚴重時開不了機。對此，國內(nèi)有部分泵站采用了變頻調(diào)節(jié)進行機組調(diào)速，但高壓變頻不僅設備昂貴，而且可靠性差，壽命短，因此很難在泵站推廣。針對這種情況，湖南省洞庭湖水利工程管理局、華中科技大學、武漢大學、湖北華博電機有限公司等單位經(jīng)過幾年共同努力，完成了“大型變極雙速同步電動機的研制及應用”項目研究，成功研發(fā)了大型變極雙速凸極同步電動機，解決了大型低速同步機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)長期未能解決的難題，其成果可廣泛應用于各種供水、排水、跨流域調(diào)水及灌排發(fā)電結(jié)合的大型泵站主機配套，亦可用于水電站和抽水蓄能電站。

技術研發(fā)背景

該技術最早于20世紀30年代提出，并逐漸應用于水電站水頭調(diào)節(jié)及抽水蓄能電站的工況轉(zhuǎn)換。但是，這些電機大多是根據(jù)電站具體條件專門設計的，且轉(zhuǎn)速切換需要拆機調(diào)整線圈，操作過程復雜，技術難度大，通用性差，至今沒有形成商業(yè)化。1996年武漢水利電力大學與湖南省洞庭湖水利工程管理局合作首次提出開發(fā)大型變極雙速同步電動機，并先后在湖南巖汪湖和仙桃電排站試點，但因技術方案不夠成熟、勵磁電流過大等原因未能如愿。2007年，課題組調(diào)整了思路，特別是吸取了華中科技大學電機國家專業(yè)實驗室的最新研究成果，使該項技術有了突破并獲得成功。

這種新研發(fā)的大型變極雙速凸極同步電動機采用了虛擬磁極的概念，通過改變其磁極對數(shù)，將電機做成二擋轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速能自動切換，其效率都能達到94%左右，調(diào)速與水泵葉片調(diào)節(jié)配合，達到既能調(diào)角又能調(diào)速的“雙調(diào)”效果，從而有效地擴大了泵的高效工作范圍，推動了該領域的科技進步。2012年4月8日，湖南省水利廳在長沙市組織召開了“大型變極雙速同步電動機的研制及應用”成果鑒定會。由科研院所、高等院校及有關工程單位的專家組成的鑒定委員會認為，該成果是對傳統(tǒng)變極同步電機設計的突破，創(chuàng)新性強，達到國際領先水平。

技術特點及優(yōu)勢

雙速同步電動機與水泵配套同現(xiàn)有的機組比，具有以下技術特點及優(yōu)勢：

①擴大了泵的工作范圍。通過切換電機轉(zhuǎn)速，使水泵在更寬的揚程變化范圍內(nèi)安全運行，即不空蝕，不振動，不輕載，不超載，可使水泵始終處在最有利的工況下運行。

②節(jié)能高效。可以彌補軸（混）流泵高效區(qū)窄的缺陷，在葉片全調(diào)的基礎上，增加了工況調(diào)節(jié)的可靠性和靈活性，通過粗調(diào)（調(diào)速）和微調(diào)（調(diào)角），可使水泵在揚程變化較大的范圍內(nèi)保持高效運行，降低能耗。

③價格低廉，維護管理成本低。與同功率、同類型的單速電機比，雙速電機的重量僅增加30%，價格略高，但與變頻調(diào)速比，包括成本和維護管理費用大大降低，且雙速電機的外形尺寸與單速電機相同，操作維護無特殊要求，高速運行時可按低速起動然后切換至高速，可降低高速、大功率時的起動電流。這種新型雙速凸極同步電機可靠性好，在兩種速度下效率高，勵磁電流小，且接線方便，切換容易，控制簡單，很適合于與大型低速水泵或風機配套。

其主要創(chuàng)新點在于：

①提出一種凸極同步電機轉(zhuǎn)子虛擬多槽變極的分析方法——這種方法引入“虛擬槽”的概念，將凸極轉(zhuǎn)子化為多槽隱極轉(zhuǎn)子來分析，所獲得的變極方案仍然保持凸極結(jié)構(gòu)不變，且磁極大小寬度相同，導體利用率高，諧波含量低，兩種極數(shù)下均無需丟棄任何磁極。

②提出一種具有混合磁極的凸極同步電機變極轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)模式——因為分析以隱極轉(zhuǎn)子為基礎，于是可推論，對于各個磁極較大間隔，可考慮加裝導磁極改善磁路的導磁狀況等，而形成導磁極和勵磁極混合結(jié)構(gòu)的新的變極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在不改變現(xiàn)有電機結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，引入虛擬磁極的概念，通過減少磁極數(shù)量、增加線圈匝數(shù)、改變磁極的布置及接線方法等新的技術手段，實現(xiàn)了電機兩擋轉(zhuǎn)速的自動切換，并成功地應用于湖南澧縣觀音港大型排澇泵站。

推廣應用前景分析

理論分析和現(xiàn)場測試表明，這種電動機用于大型泵站，無論技術上還是經(jīng)濟上，都是可行的。同時段、同條件下對典型泵站的效益分析顯示：雙速比單速機組在對比時段內(nèi)節(jié)省電能5.22萬kWh，耗電量約為后者能耗的10.3%；單臺機組前者比后者節(jié)電0.33萬kWh/d，約為后者能耗的18.6%。由此可見，雙速同步電動機與現(xiàn)有全調(diào)節(jié)軸（混）流泵配套，節(jié)能效果顯著，它是大型低速水泵機組調(diào)節(jié)技術發(fā)展的一大進步，特別適用于水位變幅大、功能要求多的大型泵站，亦可應用于軸流式風機、水電站和抽水蓄能電站。

我國僅排灌泵站就有50余萬座，裝機總動力達8 000萬kW以上。自2003年開始，我國陸續(xù)啟動實施了中部四省大型排澇泵站更新改造及大型灌溉排水泵站更新改造工作，其中泵站主機組更新是重點。這些泵站都離不開大型電機及其調(diào)速系統(tǒng)的配套，加上其他行業(yè)的需要，大型雙速同步電動機的需求量很大。

由于變極雙速同步電動機比傳統(tǒng)電機節(jié)能，可降低能耗約2.5%，假如我國有30%的排灌動力改用該變極雙速同步電動機，按泵站一年平均運行45天計算，年均可為國家節(jié)省電能約8 000萬kW×2.5%×30%×45d×24h=6.48億kWh，若按電價0.80元/kWh計，年均節(jié)約電費約5.18億元。

以上分析僅表明雙速同步電機在運行中的節(jié)能效果，其實它的更大效益表現(xiàn)在擴大泵的工作范圍、提高機組運行的安全性和可靠性、減小排區(qū)澇災損失或提高受益區(qū)經(jīng)濟效益等方面。另外，與其他調(diào)速裝置相比，其造價低廉，操作維護與單速機組無異，應用該雙速同步電機，無論是設備、土建工程投資，還是維護管理費用等都大為降低，而且性能穩(wěn)定，因此該技術優(yōu)勢明顯，推廣前景看好。