水泵电机可控硅转子串水电阻模拟运算自动无级调速节能装置的研究武汉市市政工程设计研究院赖宣芹阻器通过可控硅接入电机转子回路，与输入信号指令环节、对比转换环节、摸拟运算控制环节、可控硅移相触发环节等构成闭环调节，实现水泵电机按给定工祝运行方式的数学模型模拟运算自动无级调速，使水泵总是自动在篼效率区及高效率区运行，实现篼效率低能耗的优工况控制，大限度地减小电能消耗。

　　本装置的大优点：原理结线、结构及运行维护简单、可靠性高、造价低（约为变频调速及串级调速造价的20~40）。缺点是：效率较低，需采用绕线式电机。但采用热能回收利用措施补偿了效率低的缺点。

　　水泵被称之为“工业的心脏”在我国工农业生产和人民生活中应用极为广泛，据统计，全国已有三千多万台水泵，约占全国总耗电量的21以上，为泵配套的电动机功率，每年占产生电动机总量的45左右。而水泵的能源利用效率都很低，其综合效率只有50左右，如果水泵节约用电量6，就能节电66亿度，相当于一个近100万千瓦发电厂的一年发电量。如果泵组配置及应用调速技术得当，做到节电15 ~20是可能的。由此可见，研究和推广水泵节能技术势在必行。

　　在水泵制造中，设法提高水泵特性的固有效率是一种方法，但在恒速的情况下，要获得很宽扬程的篼效率区是很困难的。众所周知，选择水泵的型号和台数，是按设计大供排水量及设计高扬程来确定。选用的水泵，其扬程~流量，流量效率关系特性，仅仅是在很窄的一段扬程范围内水泵效率是高的，当扬程变化时，大于或小于此段扬程，水泵效率即急骤降低，这就使得泵组偏离篼效率区运行，从而导致每方水量的电耗增大，泵组的振动和气蚀恶化，使得寿命缩短等不经济和不安全的后果。

　　采用水泵无级调速的方法提篼水泵运行效率，是一种节约能源十分有效的方法。目前我国已采用的水泵调速方式有。液力耦合器调速，可控硅串级调速，及变频调速等数种。水泵电机转子串水电阻调速方式尚未有见采用。

　　据统计，国外70年代至80年代初期，水泵调速方式，采用转子串金属电阻调速的方式多，占41.6，采用串级调速的方式次之，变频调速占7. 7.液力耦合器调速占0.8.其它方式占16.6.90年代起变频调速应用较多。

　　转子串电阻调速，效率较低。然而，当转差率低时，使用此法效率高，当转速数平均95时使用，与串级调速的效率相同。当转差率高时，转子串电阻调速效率低。各种调速方式的各种调速方法的效率比较（1000千瓦）如表一。

　　转速转子串电阻可控硅电动机可控硅串级变频器改变磁极对数备注本文提出《水栗电机可控硅转子串水电阻模拟运算自动无级调速节能装置》的研究。是采用高可靠的水阻器及热能回收利用环节，将水阻器人工负荷通过可控硅接人电机转子回路，与输入信号指令环节、对比转换环节、模拟运算控制环节、可控硅移相触发环节等构成闭环调节，实现水泵电机可按给定工况运行方式的数学模型，如恒定篼效率、恒定流量高效率区、恒定压力高效率区、及恒定水位高效率区等模拟运算自动无级调速，使水泵总是自动在高效率区及高效率区运行，实现高效率低能耗的优工况控制，大限度地节约电能消耗，其工作原理如所示。

　　转子串水电阻调速的大优点：原理结线、结构及运行维护简单、可靠性高、造价低、另外还有无高次谐波污染、无转矩脉动、无逆变颠覆故障、热容量大、功率因数高、设备布置灵活，当设备发生故障时易于转向全速运行，水中的热能可为生活及工业设施服务等优点。其缺点是：效率较低，需采用绕线式电机。但采用热能回收利用措施可补偿效率低的缺点。本研究采用90年代的可控硅电子技术，模拟运算技术，及自动化控制技术与水阻器技术相结合，应用于水泵调速节能，是一项符合我国当前国情的有效方法，可广泛应用于大中型水泵电机调速。

　　1水阻器的工作原理及特性水阻器的类型有三相三极、三相六极、三相多极、单相单极及单相多极等数种，电极有园筒型、弧型、扇型、平板型等数种。其工作原理，电机转子通过可控硅接入水阻器人工负载，改变电机转子的电流及转差率而改变电机的转速。转差功率转化为水中的热能，热能通过管道输送至用户回收利用，从而提高了能源利用效率。

　　水阻器的计算功率如下式所示：及r/S值相关）；k系数；c电极底部消耗功率（兆瓦）：p水电阻率（欧厘米）；r电极半径（厘米）；s电极间距（厘米）水中单位体积的热量如下式所示：E电场强度（安/厘米）；j电流密度（安/厘米2）；t时间（秒）经试验实测，水阻器投入的瞬间，用示波器拍照的结果：从零秒至持续一定的时间为止，电流与电压的波形和幅值均没有变化，说明水阻器在实用中为一纯电阻。

　　水为均匀介质，电场强度E =jp，电场线与电流线是一致的，在一定的r（电极半径）、s（极间距离）及v（电压）下，电流密度与电极的浸水深度无关。当r、s按增加的电压倍数放大，电流密度及电场强度是不变的，即r、s与v成线性关系。水阻器的设计，不仅考虑r/s满足功率的要求，而且要考虑电场分布的r/s优比值。在一定的r/s及温升的情况下，水阻器的容量与电极的浸水深度成正比。

　　试验表明：水中的闪光放电，均在水达到沸腾或沸腾以后出现。其闪光放电，水的热效应起主导作用，水的气化在水中产生气泡，气泡的电阻系数较之水中的电阻系数大得多，从而改变了水中的电场分布，电场分布不均匀程度大大增加，使电场强度集中在气泡上，而造成局部气泡的闪光击穿，这种现象在电极表面先发生，因为电极表面的电流密度大，靠近电极的水先行气化，气泡的产生使电极与水的接触面减少，电极表面的电场强度增加，形成电极表面通过气泡向水中闪光放电，随着气泡的增多扩大闪光的范围也增大，但并没有导至电极之间的连续电弧所形成短路。既然水的闪光放电，先是由于局部气泡的击穿，而气泡的膨胀需要作功，水的压力又约束气泡膨胀，气泡又是不断运动的，因此电极之间通过气团造成连续闪光电弧性的短路事故是很不容易的。

　　从试验中还看到，水的局部气泡光闪放电，并不导致电流的增加，电流随着水温的升高而增加，但到水沸腾时，电流则稳定。沸腾后，电流则上下摆动，并稍有下降。出现闪光后，甚至闪光发展到较大的程度，电流也没有增加。

　　通过应用于水电站电气制动的水阻器长期运行检验，水阻器在实用中是很可靠的。

　　2水泵调速的计算，特性曲线绘制及优运行方式数学模型的建立根据水泵转速特性有关公式运算推导，得出恒速特性组与变速特性的恒定篼效率，恒定流量高效率区，及恒定压力高效率区等运行方式的数学模型三种方式。从实际应用上看恒定篼效率方式更合乎理想，节电效果佳。下面以8PWL型水泵为例，给出计算恒转速组及恒定高效率、恒定流量高效率区特性曲线如、3、4、5所示：控制系统由输入控制指令水位、扬程、流量变送环节、水阻器水温反馈环节、对比转换环节、水泵运行方式数学模型运算环节、可控硅移相触发环节、及自动切换环节等组成，由输入指令讯号经对比转换输出控制电压，控制电压模拟量经给定的水泵运行方式数学模型进行模拟运算，输出控制电压，控制电压经可控硅触发环节进行移相，从而改变可控硅输出电压的大小，而改变水阻器的负荷电流及电机的转差率，从而实现自动无级调速。