雙速凸極同步電動機研究及其在泵站中的應用

摘 要：軸（混）流泵的高效區窄，小流量區性能不穩定，偏離額定工況工作時效率很低，特別是在水位或揚程變化幅度大的泵站中，進行葉片調節的范圍有限，變頻調節又存在設備昂貴，且可靠性差、壽命短的缺點。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，將電機做成二檔轉速，能自動切換，與葉片調節配合，既能調角又能調速，有效地擴大了泵的工作范圍，且造價低廉，操作維護與單速機組無異。是大型低速泵機組調節技術發展的一大進步，特別適用于水位變幅大、對功能要求多樣的大型軸（混）流泵站。

關鍵詞：雙速凸極同步電動機；泵站；應用前景

大型灌溉排水泵站作為城鄉基本水利設施，不僅承擔農業灌溉、排澇的重任，還承擔著城鄉防洪、供水以及流域調水的重任，在抗御水旱災害、確保農業穩產高產等方面發揮著重要的作用，取得了顯著的社會、經濟和生態效益[1]。

過去，大型泵站修建時根據南北差異和當地實際的水位情況進行水力機組的選型和配套，運行過程中通常能夠滿足設計揚程工況和平均揚程工況下工作點位于高效區的要求。但近年來，由于區域性水文條件變化、河床底部抬升和大型水利工程修建等原因，長江、黃河水位呈較大幅度的季節性變化，流域內河道、湖泊、水庫汛期與枯水期的水位變化也相應加大。這就使得運行過程中，機組工作點偏離高效區，運行效率低、功率大，甚至引發汽蝕，不利于泵站的安全與經濟運行。

1 大型泵站工況變速調節

工況調節是解決水泵實際運行中工作點偏離高效區這一問題的主要方法，通過變動水泵的工作點，擴大工作范圍，使之符合高效運行的要求。其中，大型泵站的工況變速調節通主要是變頻調速和變極調速。變頻調速要改變電源頻率，需配置專用的控制柜，占地面積大、操作復雜、投資也大，其應用受到諸多條件的限制；相對而言，變極調速只改變電動機內部結構和接線方式，不需要控制柜，操作方便、投資小。就我國機電灌排工程的現狀而言，大型泵站中采用操作便捷、投資節省的變極調速方式更為合適。

目前，國內大型電力灌排泵站廣泛采用凸極同步電動機。過去，由于存在很多難以解決的技術問題，同步電動機的變極調速一直未能實現，直至2008年才在樣機試驗的驗證下宣告初步成功。2009年，“凸極同步電機轉子變極的設計方法”發明專利出現，標志著國內率先研發成功適合于大型電力排灌站的新型雙速凸極同步電動機。這種電動機在原有電動機的基礎上，通過對其內部結構的改造，變換接入電流的方向實現變極調速。與水泵配套后可以針對泵站運行時間較長的揚程設計兩檔轉速，在擴大水泵工作范圍并滿足機組高效運行要求的同時，還可以節省成本。由于同時具有變角、變速調節的條件，配套該類電動機的大型泵站還可以通過變速-變角綜合經濟運行來實現節能目標。

2 雙速凸極同步電動機研究

凸極同步電動機變極調速應用于大型泵站的思想最早出現在20世紀90年代。1996年，湖南省常德市漢壽縣巖汪湖電力排灌站第二次大型技術改造進行電機增容提速后，出現水泵機組在高揚程下運行狀況良好，在低揚程下嚴重偏離高效區，引發汽蝕和振動的問題。水利部泵站測試中心根據巖汪湖電力排灌站的改造實踐及測試結果，提出“在更換電機線圈時，按照增容和變極調速的要求進行設計” 的建議。當時的武漢水利電力大學并與湖南省水利廳洞庭湖工程建設管理局等單位聯合組成科研小組共同進行大型泵站雙速電動機改造項目的研究，推動了同步電動機雙速改造技術研究的起步。

1997年湖南省仙桃電排站水泵機組增容技術改造時，又一次提出將同步電動機進行調速改造的方案：采用丟極式變極法增速，將原為40極的同步電動機，在圓周均勻“丟掉”4個磁極后以36極運行。該方案中，轉子變極不改動轉子結構，磁極仍為正規型等距分布，電機原有的40個極不改動。40極運行時與原來的狀態相同，而36極時則改變一半磁極方向，同時“丟掉”4個磁極。“丟極”變極方式的實現在于改變部分磁極的接線，引向一個電動的三極雙投開關，通過其三相電機低壓電源線沿轉子線槽穿出軸端引向三個線樁，在停機狀態下進行控制得到所需的轉子磁極。定子變極則使用對稱軸線法，得到40極變為36極后的對稱的三相繞組。這一嘗試采用了國內外先進的試驗研究成果，作為泵站更新改造的一項新技術，在我國屬首創，在國外也十分罕見。

隨著國內大型電力排灌站對凸極同步電動機變極調速需求的加大，相關企業也開始著手進行相關研究。2007年10月，湖北華博電機有限公司與華中科技大學國家專業重點電機試驗室聯合，在傳統電動機的基礎上進行大型同步電動機變極調速的改造。在不改變原TL800-24/2150的結構尺寸的情況下，僅通過減少磁極的數量、增加磁極線圈的匝數、改變磁極的布置及接線方法等技術手段，用20個磁極實現電動機在250r/min和300r/min兩檔轉速間的切換，來實現變極變速的目標。經過5次試驗驗證，電動機改造取得了初步成功。制造完成的雙速凸極同步電動機可分別在250r/min和300r/min兩種轉速下運行，電機效率可達94%以上，額定功率滿足兩種工況下水泵運行的要求，且結構和機座尺寸未發生改變，各項技術指標接近傳統同步電動機的水平。但在電動機內部結構改造過程中，仍存在定子接線方法較復雜等問題。

經過不斷地探索、改進，該項研究近年來取得了突破性進展。2009年，名為《一種凸極同步電機轉子變極的設計方法》的發明專利采用了最新交流電機定子繞組變極理論和獨特的凸極轉子變極技術，在國內率先研發成功適合于大型電排灌站應用的新型雙速凸極同步電動機。其特點在于：①轉子采用非均勻凸極分布新型結構；②轉子電路采用最少3個滑環即可方便實現變極換接；③轉子繞組導體在兩種極數下勵磁磁勢諧波含量均較低，且材料的有效利用率與標準電機相當；④兩種極數下的電機總體性能，與相同極數標準電機相當。目前，已經研發成功且適用于大型電力排灌泵站的雙速凸極同步電機變極比有24：20、36：32、44：36等。經過多次的試驗、測試及實際應用表明：這種新型雙速凸極同步電機通過低速啟動來減少對電網的沖擊，勵磁電流小；轉速變化不需停機，操作迅捷、控制簡單；兩種速度下效率高，可靠性好；且接線方便，不改變電動機的原有結構尺寸，投資節省、通用性強，達到國內領先和國際先進水平。

3 應用效果分析

凸極同步電動機在某大型泵站中投入運行后，取得了很好的使用效果：

3.1 節能效果

典型年7天的運行情況表明：在相同的排澇條件下，雙速雙調機組比單速機組節約能源5.22萬kWoh，占對照組能耗的10.3%，按0.6元/（kWoh）電價計算，這一周觀音港泵站可節省排澇費用3.1萬元。若泵站在汛期6～8月持續開機運行，按上述計算結果推算，觀音港泵站整個汛期可節省電能約68.6萬kWoh，電費約41.2萬元。

就7月1日至7月4日四天的情況進行單臺機組能耗的比較可知：雙速雙調機組平均每天耗能1.44萬kWoh，單速機組平均每天能耗1.77萬kWoh，前者比后者能耗減少0.33萬kWoh/天，約占后者的18.6%，節能效果明顯。

雙速凸極同步電動機在該泵站安裝試運行后，進行了節能監測。湖北省節能監測中心提出的檢測報告顯示：雙速凸極同步電動機在20極、1000kW、負載率為73.70%運行時，運行效率為93.39%；24極、800kW、負載率為67.28%運行時，運行效率為92.94%。兩種極數下正常運行時，均處于高效范圍。

3.2 成本投入

該泵站原TL1000-20/2150型電動機市場價格為64萬元，雙速凸極同步電動機價格為該電機的1.3倍，約83萬元，4臺電動機的差價76萬元經過兩個汛期的運行就可以完全收回，第三個汛期雙速雙調機組就可以完全發揮經濟效益。

同時，該新型電動機的轉速切換方便，不需要設置專用的控制柜，與變頻調速所需的變頻器比較，有著絕對的優勢。

3.3 安全性能

該泵站雙速凸極同步電動機的兩檔轉速300r/min和250r/min均屬于中、低速范圍，且其低速啟動方式可以適當的減小啟動電流，電動機本身不存在安全問題。與水泵配套后，在設計凈揚程和平均凈揚程下，機組正常運行時都位于高效區；最高凈揚程下機組工作點未遠離馬鞍區，也能高效運行；最低凈揚程下機組裝置效率雖然很低，但仍可以找到合適的工作點使機組不超載運行。總之，配套雙速雙調機組的泵站在運行過程中不會發生影響機組工作、危害泵站安全的汽蝕和振動。

4 結束語

理論研究和應用計算表明，這種雙速凸極同步電動機在泵站中應用的優勢明顯，既能節省電耗，又能擴大泵的工作范圍，能較好地適應泵站揚程的變化。這種電機的制造成本僅多出傳統同類電機成本的30%，且無需設置專用控制柜，操作便捷，投資回報率高，安全性、穩定性好，與水泵配套后機組不會發生危害性汽蝕、振動等現象，建議在水位變幅大或有多功能要求（如灌-排、排灌-發電、灌排-沖污、養殖或改善航運條件等）的大型泵站中推廣采用。

近年來我國在完成了中部四省大型排澇泵站更新改造項目的同時，又啟動了全國大型灌溉排水泵站的更新改造項目。列入規劃的長江中下游及北方部分地區的多座大型泵站都存在揚程變幅大、葉片調節范圍不滿足高效運行要求的現象，雙速凸極同步電動機在這些泵站中的應用意義重大。

參考文獻

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[2]劉竹溪，劉景植.水泵及水泵站[M].北京：中國水利水電出版社，2006：130-132.

[3]水利部.全國大型灌溉排水泵站更新改造規劃報告[R].北京：中國灌溉排水發展中心，2009.

[4]陳堅，李琪，許建中，等.中國泵站工程現狀及“十一五”期間泵站更新改造任務[J].水利水電科技進展.2008（2）：84-88.

[5]京華時報.中國成第一能源消費大國能耗強度是日本5倍[EB/OL].

作者簡介：梁湘燕（1986-），女，碩士研究生，主要從事機電排灌方面的科學研究。