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液力調(diào)速與變頻調(diào)速的運(yùn)行比較

熱電行業(yè)中，對(duì)在線運(yùn)行的風(fēng)機(jī)水泵的主要節(jié)能方法就是使其變速運(yùn) 行，傳統(tǒng)的變速方法是采用液力偶合器對(duì)負(fù)載的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，我們稱之為液力調(diào)速。電力 電子技術(shù)的發(fā)展，使人們可以通過(guò)改變電機(jī)的供電頻率，來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到改變 負(fù)載的轉(zhuǎn)速，我們稱這種調(diào)速方法為變頻調(diào)速。本文將就液力調(diào)速與變頻調(diào)速各自的優(yōu)缺點(diǎn) 做一分析，以供用戶在設(shè)備選 型時(shí)參考。

一、液力調(diào)速與變頻調(diào)速的工作原理

液力調(diào)速是利用液力偶合器工作腔內(nèi)工作油液的動(dòng)量矩變化，來(lái)傳遞電機(jī)能量。電機(jī)通過(guò)液 力偶合器的輸入軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪(泵輪)，對(duì)工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油沖擊液力 偶合器的從動(dòng)工作輪(渦輪)，通過(guò)輸出軸又把工作油的能量傳遞給負(fù)載。這樣，我們可以利 用某種裝置，控制工作腔內(nèi)參與能量傳遞的工作油的多少，來(lái)控制負(fù)載的轉(zhuǎn)速。

變頻調(diào)速是通過(guò)改變供給異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變負(fù)載的轉(zhuǎn)速 的。我們知道，電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

                                     n=50f(1-S)/P

其中f為供電頻率，P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，S為滑差。因此，改變f可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速的。

液力調(diào)速與變頻調(diào)速的共同特點(diǎn)是都可以對(duì)負(fù)載進(jìn)行無(wú)級(jí)變速。

二、液力調(diào)速與變頻調(diào)速的功率損耗

液力偶合器的效率就是它的輸出與輸入的轉(zhuǎn)速比即η=i。由于液力偶合器輸入轉(zhuǎn)速為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，很多人據(jù)此認(rèn)為，當(dāng)其輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)，效率也隨著呈線性下降。這種說(shuō)法具有一定的局限性，因?yàn)檎{(diào)速型液力偶合器的損失功率是由負(fù)載的特性決定的。例如，離心負(fù)載 的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，這樣，當(dāng)一離心負(fù)載的轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速ne下降到某一轉(zhuǎn)速n1時(shí)，其功率也隨之降到：N1f=(n1/ne)3Nef,Nef為負(fù)載 的額定軸功率。

當(dāng)負(fù)載處于額定轉(zhuǎn)速ne時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)液力偶合器的滑差很小，我們可以近似的認(rèn)為該轉(zhuǎn)速 就是電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)的輸出功率為Ned=Nef，S為液力偶合器的滑差。當(dāng) 負(fù)載的轉(zhuǎn)速降到n1時(shí)，液力偶合器的效率即為η=i=n1/ne。此時(shí)，液力偶合器的輸入 功率，即電機(jī)的輸出功率N1d為：

                                N1d=N1f/η=(n1/ne)2Nef

由上式可見(jiàn)，電機(jī)的輸出功率并非電機(jī)的額定功率。則液力偶合器的損失功率Ns為：

Ns=電機(jī)的輸出功率-負(fù)載的軸功率=(n1/ne)2Nef-(n1/ne)3Nef

如果我們對(duì)上式求導(dǎo)，則可以求出Ns的最大值：

                               當(dāng)i=2/3時(shí) Nsmax=0.148Ned

圖1為電機(jī)與液力偶合器拖動(dòng)離心負(fù)載時(shí)，電機(jī)功率、負(fù)載功率、機(jī)組效率及損失功率與液 力偶合器數(shù)比之間的關(guān)系。

η：液力偶合器的效率

Ns：液力偶合器的損失功率

i：液力偶合器的輸出與輸入轉(zhuǎn)速之比

Nd：電機(jī)功率 Nf：負(fù)載功率

圖1 液力偶合器的功率損失圖

因此，液力偶合器在驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵等離心負(fù)載時(shí)，其損失功率并不是很大，把它定為低效節(jié) .表1為某自來(lái)水公司1號(hào)水泵采用調(diào)速型液力偶合器的運(yùn)行記錄，從表中 可以看出，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)速下降時(shí)，電機(jī)的輸出功率也隨之減少，而并非始終以額定功率輸出。

變頻調(diào)速的方式有很多種，諸如，低-高變頻，高-低變頻，高-低 -高變頻，然而，無(wú)論哪一種變頻方法，同樣存在著功率損耗的問(wèn)題。以目前比較常用的 高-低-高變頻為例，它的交流變頻方式如圖2所示。

圖2 高-低-高變頻方式

表1 某自來(lái)水公司1號(hào)水泵運(yùn)行記錄

電源的高壓電經(jīng)過(guò)降壓-整流-逆變-升壓后送給電機(jī)。因此，該變頻系統(tǒng)的功率損耗包括 降壓損耗，變頻損耗，升壓損耗，而且，由于電源頻率的改變，電機(jī)的工作效率也會(huì)隨之下 降。

表2為某冶煉廠轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)使用變頻調(diào)速后的運(yùn)行記錄，表中的2號(hào)風(fēng)機(jī)和3號(hào)風(fēng)機(jī)為兩臺(tái)相同 的風(fēng)機(jī)，相同的系統(tǒng)及使用環(huán)境，因此，可以認(rèn)為，2號(hào)風(fēng)機(jī)的工頻運(yùn)行與3號(hào)風(fēng)機(jī)的工頻運(yùn) 行情況是一樣的。由表中可以看到，3號(hào)風(fēng)機(jī)采用了變頻調(diào)速后，電機(jī)的功率因素同樣有所 下 降。當(dāng)然由于負(fù)載及使用情況的不同，二者無(wú)法進(jìn)行直接比較，但至少可以認(rèn)為，液力調(diào)速 和變頻調(diào)速同樣存在著功率損失，同樣存在著功率因素下降。

表2 某冶煉廠2號(hào)、3號(hào)轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行記錄

表3為各種調(diào)速方式下，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的耗電特性表，該表已成為各種調(diào)速方式相互比較時(shí)經(jīng)常引用的依據(jù)。但如果用表中的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明液力調(diào)速不如變頻調(diào)速，筆者認(rèn)為缺乏一定的科學(xué)性。因?yàn)楸碇凶冾l調(diào)速一欄中，只考慮了由電機(jī)到負(fù)載之間的功率損失，而忽略了變頻調(diào)速還存在著由電源到電機(jī)之間的降壓，變頻，升壓的功率損失。

表3 風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的耗電特性

高壓整流二極管和高壓IGBT的誕生，使高-高直接變頻得以實(shí)現(xiàn)，以美國(guó)羅 賓康(ROBICON)公司為代表的企業(yè)還發(fā)明了利用低壓變頻功率單元串聯(lián)的辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)高- -高直接變頻。這都是解決變頻過(guò)程中由于變壓而導(dǎo)致功率損失的行之有效的辦法。

三、液力調(diào)速與變頻調(diào)速的特點(diǎn)

液力調(diào)速由于是調(diào)速型液力偶合器利用工作油來(lái)傳遞電機(jī)的能量的，它的輸入和輸出部分是 無(wú)機(jī)械連接的。因而，它可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正意義上的空載啟動(dòng)，即負(fù)載可以在電機(jī)完成啟 動(dòng)過(guò)程后，再由液力偶合器對(duì)其提速，對(duì)于大慣的負(fù)載，或者變電所容量有限的場(chǎng)合，液力 偶合器的這一功能特別有用。對(duì)于需要稀油潤(rùn)滑的機(jī)組，液力偶合器還可以向機(jī)組提供所需 的潤(rùn)滑油，既可以減小機(jī)組的占地面積，又可以節(jié)省泵站的投資。液力調(diào)速機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的要 求不高，無(wú)論是新上項(xiàng)目還是改造項(xiàng)目，都無(wú)需考慮電網(wǎng)方面的問(wèn)題，同時(shí)，機(jī)組也不會(huì)對(duì) 電 網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。對(duì)于超過(guò)3000轉(zhuǎn)/分的負(fù)載，可以把增速箱和液力偶合器做成一個(gè)整體， 這樣，當(dāng)機(jī)組進(jìn)行調(diào)速時(shí)，由于齒輪箱在液力偶合器的輸入端，因而增速箱的轉(zhuǎn)速不會(huì)因液 力偶合器對(duì)負(fù)載進(jìn)行調(diào)速而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化的現(xiàn)象，簡(jiǎn)化了增速箱的設(shè)計(jì)(主要指增速箱的齒 輪修型和軸承設(shè)計(jì))。另外，液力偶合器還具有維修簡(jiǎn)單，控制方便等優(yōu)點(diǎn)。有近百年的歷 史的液力傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。

當(dāng)然，液力調(diào)速也有一定的缺點(diǎn)。比如，它的不宜超過(guò)0.985。對(duì)于恒扭矩負(fù)載， 液力調(diào)速?zèng)]有象拖動(dòng)離心負(fù)載時(shí)的節(jié)能效果，由負(fù)載變速運(yùn)行所節(jié)省下來(lái)的能量*變成了 液力偶合器損失的熱能。因此，對(duì)于恒扭矩負(fù)載，如果不是為了只解決電機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題，不 宜 采用液力調(diào)速而應(yīng)采用變頻調(diào)速。相對(duì)于變頻調(diào)速來(lái)說(shuō)，液力調(diào)速的精度還比較差，對(duì)于諸 如軋鋼機(jī)等對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)速要求較嚴(yán)的場(chǎng)合，液力調(diào)速無(wú)法滿足機(jī)組的運(yùn)行要求。同時(shí)，液力偶 合器在負(fù)載低轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)組電機(jī)的功率因素及機(jī)組的運(yùn)行效率均不如變頻調(diào)速。

變頻調(diào)速可以使電機(jī)和負(fù)載之間沒(méi)有滑差，對(duì)電機(jī)的調(diào)速精度很高。對(duì)于改造項(xiàng)目可以不變 動(dòng)設(shè)備的基礎(chǔ)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，電機(jī)可以投工頻運(yùn)行而不必立即停車(chē)檢修。美國(guó)羅賓 康公司(ROBICON)制造的諧波變頻調(diào)速器，當(dāng)其中的一個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)組 仍然可以變速運(yùn)行，只是功率有所下降。或者機(jī)組投工頻運(yùn)行，無(wú)需立即停車(chē)檢修，而且功 率單元的更換比較簡(jiǎn)單。對(duì)于恒扭矩負(fù)載須變速運(yùn)行時(shí)，變頻調(diào)速應(yīng)是各種調(diào)速方式中，當(dāng)然，變頻調(diào)速也存在著諸如對(duì)電源的質(zhì)量和變頻器的工作環(huán)境要求比較高，對(duì)電網(wǎng)會(huì) 產(chǎn)生 諧波污染，損壞的功率單元維修比較困難，對(duì)于空--空冷卻的電機(jī)轉(zhuǎn)速降低會(huì)出 現(xiàn)空冷能力不足，需另配冷卻系統(tǒng)等問(wèn)題。

從價(jià)格方面來(lái)看，一般情況下，液力偶合器的投資可以在半年到一年的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)節(jié)省的電費(fèi)得到收回，而相同功率的變頻調(diào)速器的投資 ，大約需要一年半到三年的時(shí)間。如果是高--高變頻，則需要的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。因此，在目前的大功率調(diào)速機(jī)組上，變頻調(diào)速還無(wú)法與液力調(diào)速形成競(jìng)爭(zhēng)力。

總之，液力調(diào)速與變頻調(diào)速都有各自的特點(diǎn)， 但是，應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，變頻調(diào)速是調(diào)速節(jié)能的發(fā)展方向 ，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子元件性能不斷完善，變頻調(diào)速器的價(jià)格會(huì)逐步下降， 再加上與變頻調(diào)速器相適應(yīng)的電機(jī)等產(chǎn)品的出現(xiàn)，在調(diào)速節(jié)能領(lǐng)域，變頻調(diào)速取代液力調(diào)速 將是必然的。