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摘要：本文针对供热工程中高压电机节能的必要性、可行性进行了阐述，并对现今几种常用调速方案进行了比较，指出了变频调速及斩波内馈调速在不同类型供热工程中各自的优势。
关键词：节能调速;高压电机;液力耦合器;变频调速;斩波内馈串级调速
Abstract: In this paper, according to the necessity of high voltage motor energy saving of heating project feasibility, and present several commonly used control schemes are compared, pointed out that the inverter and chopper feed speed in different types of heating engineering advantages.
Key words: energy saving; high voltage motor; hydraulic coupler; frequency control; chopper inner feedback cascade speed regulation
中圖分类号：TU833
一、前言
风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机耗电量约占全国电力消耗总量的40％左右。目前，风机和水泵运行中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。
二、风机水泵类电机调速运行的必要性
在供热工程中，风机和水泵是最主要的耗电设备，加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力巨大。锅炉辅机电动机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。随着行业改革的不断深化，建设节约型社会的要求日益迫切，降低厂用电率，降低运营成本，提高竞争力，已成为供热企业努力追求的经济目标。
国外大型的风机和水泵已纷纷增设调速装置，而目前我国除火电厂中少量采用汽动给水泵，液力耦合器及双速电机外，其它风机和水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的泵，由于采用出口阀，风机则采用入口风门调节流量，都存在严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率降低。调查表明：我国锅炉风机运行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占1/5左右。由于目前普遍的机组负荷偏低，风机的效率就更低，有的甚至不到30％，结果是白白地浪费掉大量的电能，已经到了非改不可的地步。
尤其在供热机组中，由于锅炉的采暖负荷与天气情况紧密相连，气温改变时锅炉出力也随之改变，设计时又要保证最大负荷的用汽（水）量，所以冬季气温高时锅炉处于较低负荷的状态。再加上设计时考虑的裕量，这样风机、热网循环泵的负荷会长时间低于额定工况的负荷。
三、高压电机常用调速方法
目前几种常用的高压电机平滑调速方案有高压变频、液力耦合器、电磁调速、液阻调速、斩波内反馈串级调速。根据调速装置的效率可以分为低效节能型，高效节能型两大类。
1.低效节能型
（1）液力耦合器调速
液力耦合器是一种以液体为介质、靠液体动量矩的变化传递能量的装置，通过改变其工作腔中的工作油的充满程度以改变传递转矩的能量来进行调速。将其安装在异步电机和负载（风机、水泵等）之间来传递转矩，可以在电机恒速运转情况下，无级调节负载的转速。即在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等损失时，液力耦合器的调速效率等于转速比。
液力耦合器传动示意图
它是一种能耗型的调速方式，在转速为额定转速的2/3时，其调速能耗最大，为额定功率的14.8%，节能效果较差。另外液力耦合器的维护量很大，有的三个月就要停机检修一次。
（2）电磁调速
电磁调速是通过调节电磁滑差离合器的励磁电流，来改变电磁滑差离合器的转差从而实现调速。虽然调速理论不同，但这种调速方式性能曲线及优缺点与液力耦合器很近似，同样属于调转差的调速方式，是高能耗型调速，调速装置故障时也需要停机处理，所以与液力耦合器同样都属于逐渐被淘汰的调速方式。
电磁调速传动示意图
（3）液阻调速
液阻调速是在绕线电动机的转子中串入液态电阻，通过改变阻值的大小来实现无极调速，但从转子中引出的能量全部由液态电阻发热消耗掉，属于调转差的调速方式，效率较低。
液阻调速传动示意图
以上几种方案共同特点是都属于调转差率的调速方法，在调速过程中有损耗，以热量的形式散发掉，都属于低效型节能方案。
2.高效节能型
（1）变频调速
变频调速技术是在电机供电电源与电机定子间加入一个可改变电机供电电源频率的变流装置，将通常50HZ工频交流电源变为频率可调的交流电源。变频调速具有其它调节方式无法比拟的技术优势：调速范围宽，由于是改变电机供电电源的频率，理论上讲，它可以使电机从0转速一直到任意转速。调速精度最高，精确度达到0.1Hz，可以精确控制电机的转速，适用于对电机控制要求很高的领域。响应速度快，对于整个系统来说它是开环调节，所以响应速度最快。能耗低，变频调速属于高效节能型调速系统，消耗大约为电机额定功率的3~5%。
变频调速属于调输入频率的调速方法，在调速过程中没有转差损耗，属于高效型节能方案。高压变频技术在实际工程中的应用中，发展出了多种形式，右图为常见的单元串联多电平变频调速系统：
（2）斩波内反馈串级调速系统
传统串级调速是通过调整逆变器的逆变角（移相触发）来实现对等效反电势的调节的。这种移相触发的方法存在着功率因数低及可靠性差的缺点。现代串级调速则把逆变角固定下来并设在最小值，产生一恒定的附加直流反电势,等效电势大小的调节由斩波器来完成。通过调节斩波器导通时间与斩波周期的比率，来改变串入转子回路的等效电势的大小，从而改变转子电流和转差率，达到调节电机转速的目的。
由于通过增加内反馈绕组而省去了逆变变压器，同时也节省了相关的电气设备，使整个系统更为紧凑、简单。
斩波内反馈式串级调速原理
目前斩波内反馈调速系统的常规调速范围可以达到50%~99.5%，特殊可达0~100%。可以看出该调速系统可以满足风机、水泵在工艺上的要求。
3.调速方式节能比较
右图中给出了离心式风机不同调节方式耗电特性比较曲线，出口挡板门的效率最低，进口挡板门的效率次之，液力耦合器及电磁型调速等低效节能型效果明显，但仍不如高效节能型（变频器及斩波内反馈）调速方案效率高，高校节能型调速方案优势明显。
通过4.1、4.2节也可以看出，在各种调速方式中变频器和斩波内反馈式串级调速方案最优，也是当今最流行的控制方案。
四、供热工程中高压变频与斩波内反馈的方案选择
在供热项目中，采用调速系统的目的有两个，一是根据工艺的要求，调整风或水的流量，第二是节能，把生产过程中的能量损失降到最低。
变频调速与斩波内反馈调速均可以满足供热项目对调速设备在工艺和节能方面的要求。两种系统相比较各有优缺点：变频调速的优点是调速范围宽，精度高，响应快，可以使用普通的鼠笼式电机。缺点是柜体占地面积大（约6～8米），对环境散热及洁净程度要求高，一般要单独做控制室，而且价格比较高；斩波内馈调速的优点是占地面积小（约3米），价格低，缺点是调速范围、精度低于变频，（但能满足风机、水泵的工艺要求）响应慢，且必须使用特殊的绕线式电动机，绕线式电机的维护量要稍大于鼠笼式电机。
以石家庄某供热项目为例，对两种方案做经济性进行进一步比较。该供热项目分两部分，三期为新增项目，二期为改造项目。二期改造项目中，斩波内馈调速需对现有高压电机进线更换。由于两方案采用的电机价格不同，所以统计需要以整个系统的造价作比较：
通过比较可以看出，在新建项目中变频系统总造价为斩波内反馈系统的1.3～1.6倍，价格高出70~150万元，斩波内反馈价格优势明显，应首先考虑采用斩波内反馈调速作节能方案。在旧设备节能改造项目中，由于斩波内反馈需增加更换电机，价格优势不明显，而变频方案具有性能高、维护量维护小的优势，应优先考虑变频调速方案。
五、實际工程运行中节能效果
石家庄市近年共有四个工程采用了高压节能方案，其中采用高压变频及斩波内反馈式调速各2个工程。
通过2个采暖季的运行来看，斩波内馈与变频调速的节能效果接近，下面以变频器及斩波内反馈调速各一个工程为例，核算节能效果。每个采暖季运行120天，电费0.72元/kWh计算,每年可节约电费
变频器改造工程运行状况：
年节约电费68.01万元，成本回收期为4.5年。
斩波内反馈调速运行状况：
年节约电费为116.395万元，成本回收期为2.3年。
六、结束语
高压变频调速和斩波内馈调速都是高效的调速系统，尤其变频调速更是当今技术发展的主流。但相对于供热项目的辅机高压电机来说，两者均可以满足调速设备在工艺和节能方面的要求。在新建项目中斩波内馈价格优势明显，可以首先考虑采用；在旧系统节能改造的项目中，高压变频器具有性能高、维护量小的优势，可以优先考虑采用。
参考文献：
[1]斩波内馈调速及其功率控制原理.屈维谦
[2]交流调速系统.陈伯时.陈敏逊
[3]交-交变频调速技术在矿井中的应用.冯立杰
[4]电厂风机泵变频调速技术经济分析.刘家钰.齐秦松
[5]高压变频器技术的比较.张永惠
[6]斩波内馈在沈阳砂山水厂的应用.郑权
关键词：节能调速;高压电机;液力耦合器;变频调速;斩波内馈串级调速
Abstract: In this paper, according to the necessity of high voltage motor energy saving of heating project feasibility, and present several commonly used control schemes are compared, pointed out that the inverter and chopper feed speed in different types of heating engineering advantages.
Key words: energy saving; high voltage motor; hydraulic coupler; frequency control; chopper inner feedback cascade speed regulation
中圖分类号：TU833
一、前言
风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机耗电量约占全国电力消耗总量的40％左右。目前，风机和水泵运行中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。
二、风机水泵类电机调速运行的必要性
在供热工程中，风机和水泵是最主要的耗电设备，加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力巨大。锅炉辅机电动机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。随着行业改革的不断深化，建设节约型社会的要求日益迫切，降低厂用电率，降低运营成本，提高竞争力，已成为供热企业努力追求的经济目标。
国外大型的风机和水泵已纷纷增设调速装置，而目前我国除火电厂中少量采用汽动给水泵，液力耦合器及双速电机外，其它风机和水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的泵，由于采用出口阀，风机则采用入口风门调节流量，都存在严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率降低。调查表明：我国锅炉风机运行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占1/5左右。由于目前普遍的机组负荷偏低，风机的效率就更低，有的甚至不到30％，结果是白白地浪费掉大量的电能，已经到了非改不可的地步。
尤其在供热机组中，由于锅炉的采暖负荷与天气情况紧密相连，气温改变时锅炉出力也随之改变，设计时又要保证最大负荷的用汽（水）量，所以冬季气温高时锅炉处于较低负荷的状态。再加上设计时考虑的裕量，这样风机、热网循环泵的负荷会长时间低于额定工况的负荷。
三、高压电机常用调速方法
目前几种常用的高压电机平滑调速方案有高压变频、液力耦合器、电磁调速、液阻调速、斩波内反馈串级调速。根据调速装置的效率可以分为低效节能型，高效节能型两大类。
1.低效节能型
（1）液力耦合器调速
液力耦合器是一种以液体为介质、靠液体动量矩的变化传递能量的装置，通过改变其工作腔中的工作油的充满程度以改变传递转矩的能量来进行调速。将其安装在异步电机和负载（风机、水泵等）之间来传递转矩，可以在电机恒速运转情况下，无级调节负载的转速。即在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等损失时，液力耦合器的调速效率等于转速比。
液力耦合器传动示意图
它是一种能耗型的调速方式，在转速为额定转速的2/3时，其调速能耗最大，为额定功率的14.8%，节能效果较差。另外液力耦合器的维护量很大，有的三个月就要停机检修一次。
（2）电磁调速
电磁调速是通过调节电磁滑差离合器的励磁电流，来改变电磁滑差离合器的转差从而实现调速。虽然调速理论不同，但这种调速方式性能曲线及优缺点与液力耦合器很近似，同样属于调转差的调速方式，是高能耗型调速，调速装置故障时也需要停机处理，所以与液力耦合器同样都属于逐渐被淘汰的调速方式。
电磁调速传动示意图
（3）液阻调速
液阻调速是在绕线电动机的转子中串入液态电阻，通过改变阻值的大小来实现无极调速，但从转子中引出的能量全部由液态电阻发热消耗掉，属于调转差的调速方式，效率较低。
液阻调速传动示意图
以上几种方案共同特点是都属于调转差率的调速方法，在调速过程中有损耗，以热量的形式散发掉，都属于低效型节能方案。
2.高效节能型
（1）变频调速
变频调速技术是在电机供电电源与电机定子间加入一个可改变电机供电电源频率的变流装置，将通常50HZ工频交流电源变为频率可调的交流电源。变频调速具有其它调节方式无法比拟的技术优势：调速范围宽，由于是改变电机供电电源的频率，理论上讲，它可以使电机从0转速一直到任意转速。调速精度最高，精确度达到0.1Hz，可以精确控制电机的转速，适用于对电机控制要求很高的领域。响应速度快，对于整个系统来说它是开环调节，所以响应速度最快。能耗低，变频调速属于高效节能型调速系统，消耗大约为电机额定功率的3~5%。
变频调速属于调输入频率的调速方法，在调速过程中没有转差损耗，属于高效型节能方案。高压变频技术在实际工程中的应用中，发展出了多种形式，右图为常见的单元串联多电平变频调速系统：
（2）斩波内反馈串级调速系统
传统串级调速是通过调整逆变器的逆变角（移相触发）来实现对等效反电势的调节的。这种移相触发的方法存在着功率因数低及可靠性差的缺点。现代串级调速则把逆变角固定下来并设在最小值，产生一恒定的附加直流反电势,等效电势大小的调节由斩波器来完成。通过调节斩波器导通时间与斩波周期的比率，来改变串入转子回路的等效电势的大小，从而改变转子电流和转差率，达到调节电机转速的目的。
由于通过增加内反馈绕组而省去了逆变变压器，同时也节省了相关的电气设备，使整个系统更为紧凑、简单。
斩波内反馈式串级调速原理
目前斩波内反馈调速系统的常规调速范围可以达到50%~99.5%，特殊可达0~100%。可以看出该调速系统可以满足风机、水泵在工艺上的要求。
3.调速方式节能比较
右图中给出了离心式风机不同调节方式耗电特性比较曲线，出口挡板门的效率最低，进口挡板门的效率次之，液力耦合器及电磁型调速等低效节能型效果明显，但仍不如高效节能型（变频器及斩波内反馈）调速方案效率高，高校节能型调速方案优势明显。
通过4.1、4.2节也可以看出，在各种调速方式中变频器和斩波内反馈式串级调速方案最优，也是当今最流行的控制方案。
四、供热工程中高压变频与斩波内反馈的方案选择
在供热项目中，采用调速系统的目的有两个，一是根据工艺的要求，调整风或水的流量，第二是节能，把生产过程中的能量损失降到最低。
变频调速与斩波内反馈调速均可以满足供热项目对调速设备在工艺和节能方面的要求。两种系统相比较各有优缺点：变频调速的优点是调速范围宽，精度高，响应快，可以使用普通的鼠笼式电机。缺点是柜体占地面积大（约6～8米），对环境散热及洁净程度要求高，一般要单独做控制室，而且价格比较高；斩波内馈调速的优点是占地面积小（约3米），价格低，缺点是调速范围、精度低于变频，（但能满足风机、水泵的工艺要求）响应慢，且必须使用特殊的绕线式电动机，绕线式电机的维护量要稍大于鼠笼式电机。
以石家庄某供热项目为例，对两种方案做经济性进行进一步比较。该供热项目分两部分，三期为新增项目，二期为改造项目。二期改造项目中，斩波内馈调速需对现有高压电机进线更换。由于两方案采用的电机价格不同，所以统计需要以整个系统的造价作比较：
通过比较可以看出，在新建项目中变频系统总造价为斩波内反馈系统的1.3～1.6倍，价格高出70~150万元，斩波内反馈价格优势明显，应首先考虑采用斩波内反馈调速作节能方案。在旧设备节能改造项目中，由于斩波内反馈需增加更换电机，价格优势不明显，而变频方案具有性能高、维护量维护小的优势，应优先考虑变频调速方案。
五、實际工程运行中节能效果
石家庄市近年共有四个工程采用了高压节能方案，其中采用高压变频及斩波内反馈式调速各2个工程。
通过2个采暖季的运行来看，斩波内馈与变频调速的节能效果接近，下面以变频器及斩波内反馈调速各一个工程为例，核算节能效果。每个采暖季运行120天，电费0.72元/kWh计算,每年可节约电费
变频器改造工程运行状况：
年节约电费68.01万元，成本回收期为4.5年。
斩波内反馈调速运行状况：
年节约电费为116.395万元，成本回收期为2.3年。
六、结束语
高压变频调速和斩波内馈调速都是高效的调速系统，尤其变频调速更是当今技术发展的主流。但相对于供热项目的辅机高压电机来说，两者均可以满足调速设备在工艺和节能方面的要求。在新建项目中斩波内馈价格优势明显，可以首先考虑采用；在旧系统节能改造的项目中，高压变频器具有性能高、维护量小的优势，可以优先考虑采用。
参考文献：
[1]斩波内馈调速及其功率控制原理.屈维谦
[2]交流调速系统.陈伯时.陈敏逊
[3]交-交变频调速技术在矿井中的应用.冯立杰
[4]电厂风机泵变频调速技术经济分析.刘家钰.齐秦松
[5]高压变频器技术的比较.张永惠
[6]斩波内馈在沈阳砂山水厂的应用.郑权