大型变极双速同步电动机的创新性及应用前景分析

陈 坚 朱泽堂 周思妤

在大型泵站中，轴（混）流泵是一种流量大、扬程低、比转数高的泵型，其弱点是高效区窄，小流量区性能不稳定，这些特性极大地限制了泵的正常使用范围，当泵运行工况偏离额定工况时效率很低。当前解决该问题唯一有效的方法是采用叶片调节，但其调节范围有限，特别是对水位或扬程变化幅度大的泵站，靠单一叶片调节往往无济于事，严重时开不了机。对此，国内有部分泵站采用了变频调节进行机组调速，但高压变频不仅设备昂贵，而且可靠性差，寿命短，因此很难在泵站推广。针对这种情况，湖南省洞庭湖水利工程管理局、华中科技大学、武汉大学、湖北华博电机有限公司等单位经过几年共同努力，完成了“大型变极双速同步电动机的研制及应用”项目研究，成功研发了大型变极双速凸极同步电动机，解决了大型低速同步机组转速调节长期未能解决的难题，其成果可广泛应用于各种供水、排水、跨流域调水及灌排发电结合的大型泵站主机配套，亦可用于水电站和抽水蓄能电站。

技术研发背景

该技术最早于20世纪30年代提出，并逐渐应用于水电站水头调节及抽水蓄能电站的工况转换。但是，这些电机大多是根据电站具体条件专门设计的，且转速切换需要拆机调整线圈，操作过程复杂，技术难度大，通用性差，至今没有形成商业化。1996年武汉水利电力大学与湖南省洞庭湖水利工程管理局合作首次提出开发大型变极双速同步电动机，并先后在湖南岩汪湖和仙桃电排站试点，但因技术方案不够成熟、励磁电流过大等原因未能如愿。2007年，课题组调整了思路，特别是吸取了华中科技大学电机国家专业实验室的最新研究成果，使该项技术有了突破并获得成功。

这种新研发的大型变极双速凸极同步电动机采用了虚拟磁极的概念，通过改变其磁极对数，将电机做成二挡转速，转速能自动切换，其效率都能达到94%左右，调速与水泵叶片调节配合，达到既能调角又能调速的“双调”效果，从而有效地扩大了泵的高效工作范围，推动了该领域的科技进步。2012年4月8日，湖南省水利厅在长沙市组织召开了“大型变极双速同步电动机的研制及应用”成果鉴定会。由科研院所、高等院校及有关工程单位的专家组成的鉴定委员会认为，该成果是对传统变极同步电机设计的突破，创新性强，达到国际领先水平。

技术特点及优势

双速同步电动机与水泵配套同现有的机组比，具有以下技术特点及优势：

①扩大了泵的工作范围。通过切换电机转速，使水泵在更宽的扬程变化范围内安全运行，即不空蚀，不振动，不轻载，不超载，可使水泵始终处在最有利的工况下运行。

②节能高效。可以弥补轴（混）流泵高效区窄的缺陷，在叶片全调的基础上，增加了工况调节的可靠性和灵活性，通过粗调（调速）和微调（调角），可使水泵在扬程变化较大的范围内保持高效运行，降低能耗。

③价格低廉，维护管理成本低。与同功率、同类型的单速电机比，双速电机的重量仅增加30%，价格略高，但与变频调速比，包括成本和维护管理费用大大降低，且双速电机的外形尺寸与单速电机相同，操作维护无特殊要求，高速运行时可按低速起动然后切换至高速，可降低高速、大功率时的起动电流。这种新型双速凸极同步电机可靠性好，在两种速度下效率高，励磁电流小，且接线方便，切换容易，控制简单，很适合于与大型低速水泵或风机配套。

其主要创新点在于：

①提出一种凸极同步电机转子虚拟多槽变极的分析方法——这种方法引入“虚拟槽”的概念，将凸极转子化为多槽隐极转子来分析，所获得的变极方案仍然保持凸极结构不变，且磁极大小宽度相同，导体利用率高，谐波含量低，两种极数下均无需丢弃任何磁极。

②提出一种具有混合磁极的凸极同步电机变极转子的结构模式——因为分析以隐极转子为基础，于是可推论，对于各个磁极较大间隔，可考虑加装导磁极改善磁路的导磁状况等，而形成导磁极和励磁极混合结构的新的变极转子结构。在不改变现有电机结构尺寸的情况下，引入虚拟磁极的概念，通过减少磁极数量、增加线圈匝数、改变磁极的布置及接线方法等新的技术手段，实现了电机两挡转速的自动切换，并成功地应用于湖南澧县观音港大型排涝泵站。

推广应用前景分析

理论分析和现场测试表明，这种电动机用于大型泵站，无论技术上还是经济上，都是可行的。同时段、同条件下对典型泵站的效益分析显示：双速比单速机组在对比时段内节省电能5.22万kWh，耗电量约为后者能耗的10.3%；单台机组前者比后者节电0.33万kWh/d，约为后者能耗的18.6%。由此可见，双速同步电动机与现有全调节轴（混）流泵配套，节能效果显著，它是大型低速水泵机组调节技术发展的一大进步，特别适用于水位变幅大、功能要求多的大型泵站，亦可应用于轴流式风机、水电站和抽水蓄能电站。

我国仅排灌泵站就有50余万座，装机总动力达8 000万kW以上。自2003年开始，我国陆续启动实施了中部四省大型排涝泵站更新改造及大型灌溉排水泵站更新改造工作，其中泵站主机组更新是重点。这些泵站都离不开大型电机及其调速系统的配套，加上其他行业的需要，大型双速同步电动机的需求量很大。

由于变极双速同步电动机比传统电机节能，可降低能耗约2.5%，假如我国有30%的排灌动力改用该变极双速同步电动机，按泵站一年平均运行45天计算，年均可为国家节省电能约8 000万kW×2.5%×30%×45d×24h=6.48亿kWh，若按电价0.80元/kWh计，年均节约电费约5.18亿元。

以上分析仅表明双速同步电机在运行中的节能效果，其实它的更大效益表现在扩大泵的工作范围、提高机组运行的安全性和可靠性、减小排区涝灾损失或提高受益区经济效益等方面。另外，与其他调速装置相比，其造价低廉，操作维护与单速机组无异，应用该双速同步电机，无论是设备、土建工程投资，还是维护管理费用等都大为降低，而且性能稳定，因此该技术优势明显，推广前景看好。