風(fēng)機﹑泵類負載液力耦合器調(diào)速與變頻調(diào)速節(jié)能對比

摘要：本文通過計算比較了1000kW風(fēng)機變頻調(diào)速和液力偶合器調(diào)速耗能的差別，將偶合器調(diào)速改為變頻調(diào)速可在1年多的時間內(nèi)收回額外的投資。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速﹑液力偶合器調(diào)速﹑節(jié)能

一﹑概述

　　交流異步電動機的調(diào)速方式有調(diào)壓調(diào)速﹑電磁調(diào)速﹑液力偶合器調(diào)速﹑變極調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，調(diào)壓調(diào)速﹑電磁調(diào)速﹑液力偶合器調(diào)速是改變轉(zhuǎn)差率S的調(diào)速方式，需要消耗轉(zhuǎn)差功率，這種消耗轉(zhuǎn)差功率的調(diào)速方式，也就是調(diào)速需要以消耗能量為代價，是低效的調(diào)速方式；變極調(diào)速和變頻調(diào)速是改變電動機極數(shù)和電源頻率，是一種改變旋轉(zhuǎn)磁場同步速度的方法，轉(zhuǎn)差率S未變，沒有轉(zhuǎn)差損耗，是不耗能的調(diào)速。某30萬kW火力發(fā)電廠使用若干臺1000kW風(fēng)機和水泵，其調(diào)速方式均為液力偶合器調(diào)速。對于某一臺1000kW風(fēng)機或水泵，如果分別用液力偶合器調(diào)速或變頻調(diào)速，且假設(shè)風(fēng)機的輸出的風(fēng)量在額定風(fēng)量的65%-100%范圍內(nèi)變化，對比它們的投資和節(jié)能是很有意義的事。

二?液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)效率

　　液力偶合器的實質(zhì)是離心式油泵與渦輪機的組合。主要由輸入軸、輸出軸、泵輪、渦輪、外殼、輔助腔及安全保護裝置等組成。輸入軸一端與動力機相連，另一端與泵輪相連；輸出軸一端與渦輪相連，另一端與工作機相連。泵輪與渦輪對稱布置，輪內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的葉片。外殼與泵輪固連成一個密封腔，腔內(nèi)充填工作液體以傳遞動力。所配置的易熔塞、易爆塞等安全保護裝置，能保證偶合器在超載時不發(fā)生事故。當(dāng)動力機通過輸入軸帶動偶合器泵輪旋轉(zhuǎn)時，充填在偶合器工作腔內(nèi)的工作液體受離心力和工作輪葉片的雙重作用，從半徑較小的泵輪入口被加速加壓拋向半徑較大的泵輪出口，同時，液體的動量矩獲得增量，即泵輪將動力機輸入的機械能轉(zhuǎn)化成了液體動能。當(dāng)具有液體動能的工作液體由泵輪出口沖向?qū)γ娴臏u輪時，液流便沖擊渦輪葉片使之與泵輪同方向轉(zhuǎn)動，也就是說液體動能又轉(zhuǎn)化成了機械能，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)并帶動工作機做功。釋放完液體動能的工作液體由渦輪入口流向渦輪出口并再次進入泵輪入口，開始下一次循環(huán)流動。就這樣，工作液體在泵輪與渦輪間周而復(fù)始不停地作螺旋環(huán)流運動，于是輸出與輸入在沒有任何機械連接的情況下，僅靠液體動能便柔性地聯(lián)接在一起了。由于液力偶合器傳遞力矩的能力與其工作腔內(nèi)的充液率大致成正比，故若在運行中設(shè)法改變工作腔的充液率，便可以調(diào)節(jié)輸出力矩和輸出轉(zhuǎn)速，這便是調(diào)速型液力偶合器調(diào)速的基本原理。

　　液力偶合器有調(diào)速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動的調(diào)速，后者用于電機的起動。系統(tǒng)中的液力偶合器在電機起動時起緩沖作用，液力偶合器本身的損耗是由主動部分的磨擦損耗及從動部分的機械磨擦損耗所產(chǎn)生的。如果考慮到這些損耗與工作腔內(nèi)對工作油進行加壓的功率相平衡，且忽略不計的話，液力偶合器的輸入?輸出功率可由下式計算：

電動機軸輸出功率

P₁=T₁n₁ （1）

式中：T₁—電動機的輸出轉(zhuǎn)矩

n₁ –-電動機的輸出軸轉(zhuǎn)速

液力偶合器軸輸出功率

P₂=T₂n₂ （2）

式中：T₂—液力偶合器的輸出轉(zhuǎn)矩

n₂ –-液力偶合器的輸出軸轉(zhuǎn)速

在恒轉(zhuǎn)矩負載下，液力偶合器的效率正比于輸出轉(zhuǎn)速，損耗功率與轉(zhuǎn)差損耗成正比，即： （4）

轉(zhuǎn)差率可按下式計算：

（5）

則得： （6）

對于機械特性為平方轉(zhuǎn)矩風(fēng)機?泵類負載，輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：

（7）

即：

（8）

式中：

--

設(shè)電機側(cè)(包含液力偶合器的輸入軸拖動的主動工作輪)效率為 ，電機的輸入功率為：

（9）

若在 的條件下，電機的輸入功率 。

液力偶合器調(diào)速為低效的調(diào)速方式，調(diào)速過程中消耗的轉(zhuǎn)差功率為

（10）

　　由（4）式和（10）式可見，機械特性為平方轉(zhuǎn)矩風(fēng)機﹑泵類負載，液力偶合器調(diào)速過程中消耗的轉(zhuǎn)差功率損耗比恒轉(zhuǎn)矩負載損耗的功率要小得多，這是因為平方轉(zhuǎn)矩特性風(fēng)機?泵類負載，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時，輸出功率按轉(zhuǎn)速下降速率的三次方關(guān)系下降。

三﹑風(fēng)機?泵類負載變頻調(diào)速和液力偶合器調(diào)速的耗能比較

　　假定風(fēng)機?泵類負載沒有節(jié)流裝置調(diào)節(jié)，根據(jù)風(fēng)機特性的相似性原理和以上假設(shè)風(fēng)機的輸出的風(fēng)量在額定風(fēng)量的65%-100%范圍內(nèi)變化，則風(fēng)機的轉(zhuǎn)速也在額定轉(zhuǎn)速的65%-100%范圍內(nèi)變化，由（10）式計算液力偶合器調(diào)速的耗能量如表1括弧中所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時，由公式（3）其效率 等，這不符合液力偶合器效率最高為95%的特性，因此對計算出的數(shù)據(jù)進行了修正。

　　變頻器的效率一般為96%，所以變頻器損耗統(tǒng)一按4%計算。實際上，風(fēng)機?泵類負載轉(zhuǎn)速降低時，變頻器的效率有所提高。

由表1中可見，風(fēng)機?泵類負載轉(zhuǎn)速降低，液力偶合器調(diào)速的耗能量在增加。

四﹑變頻調(diào)速和液力偶合器調(diào)速的投資比較

1﹑投資比較：

　　一臺1000kW風(fēng)機﹑泵類負載的液力偶合器的價格為40萬元人民幣，一臺1000kW的高壓變頻器為80萬元人民幣，投資相差40萬元。

2﹑節(jié)能比較

變頻調(diào)速節(jié)能和節(jié)約的電費比較如表2所示：

表2變頻調(diào)速節(jié)能和節(jié)電費比較表：

　　用變頻器取代液力偶合器調(diào)速，且調(diào)速范圍在65%-100%額定轉(zhuǎn)速時，節(jié)能量最大為19.79%-4%=15.79%，但是，由于電動機的功率很大（1000Kw），每天按24小時，每年按300天計算，節(jié)電量仍非?？捎^。電費按每度0.5元計算，年節(jié)電費最多為56.8萬元。即使在額定轉(zhuǎn)速下運行，由于變頻器的效率比液力偶合器高一個百分點，年節(jié)電費最少也有3.6萬元。在調(diào)速過程中，風(fēng)機不可能總是在0.65的額定速度下運轉(zhuǎn)。由于設(shè)計﹑選型方面的因素，15%余量是常見的，那么，風(fēng)機在0.85的額定速度下運轉(zhuǎn)時所節(jié)電費為42.6萬元，在1年的時間內(nèi)可補償由于選用變頻器額而多花的40萬元。

　　實際上，由于液力偶合器的效率最高為95%，由（3）式可知，液力偶合器調(diào)速起碼損失5%的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速基本沒有轉(zhuǎn)速損失，因此，用變頻調(diào)速時，變頻器的輸出頻率要適當(dāng)下調(diào)，調(diào)速就節(jié)能。對于機械特性為平方轉(zhuǎn)矩風(fēng)機﹑泵類負載，轉(zhuǎn)速的降低節(jié)能率大幅度提高，節(jié)能的效益會更顯著，投資回收的時間會縮短。

五﹑結(jié)語

　　交流異步電動機可用多種方法調(diào)速，液力偶合器調(diào)速時常用的方法之一，主要的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，缺點是耗能。對于風(fēng)機?泵類負載，液力偶合器調(diào)速要比變頻調(diào)速多耗能；對恒轉(zhuǎn)矩負載，多耗能的比例更高。在風(fēng)機?泵類負載上選用變頻調(diào)速，有非常好的節(jié)能效果，經(jīng)濟效益極好，因此，用變頻調(diào)速取代液力偶合器初始投資大一些，投資回收期很短，從經(jīng)濟角度考慮是值得的，從節(jié)能減排社會效益考慮有很大的意義。

參考文獻：

1﹑彭海宇 杜俊明 變頻調(diào)速節(jié)能的計算方法 自動化信息2006-10

2﹑杜俊明 彭海宇 某些恒轉(zhuǎn)矩負載變頻調(diào)速的節(jié)能研究 自動化博覽2006-2

（轉(zhuǎn)載）