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液力調(diào)速與變頻調(diào)速的運行比較
液力調(diào)速與變頻調(diào)速的運行比較
熱電行業(yè)中，對在線運行的風機水泵的主要節(jié)能方法就是使其變速運 行，傳統(tǒng)的變速方法是采用液力偶合器對負載的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，我們稱之為液力調(diào)速。電力 電子技術的發(fā)展，使人們可以通過改變電機的供電頻率，來改變電機的轉(zhuǎn)速，進而達到改變 負載的轉(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 做一分析，以供用戶在設備選 型時參考。
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)工作油液的動量矩變化，來傳遞電機能量。電機通過液 力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪(泵輪)，對工作油進行加速，被加速的工作油沖擊液力 偶合器的從動工作輪(渦輪)，通過輸出軸又把工作油的能量傳遞給負載。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，來控制負載的轉(zhuǎn)速。
變頻調(diào)速是通過改變供給異步電動機的供電頻率，來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而改變負載的轉(zhuǎn)速 的。我們知道，電機的轉(zhuǎn)速：
n=50f(1-S)/P
其中f為供電頻率，P為電機的極對數(shù)，S為滑差。因此，改變f可以改變電機的轉(zhuǎn)速的。
液力調(diào)速與變頻調(diào)速的共同特點是都可以對負載進行無級變速。
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)速為電機的額定轉(zhuǎn)速，很多人據(jù)此認為，當其輸出轉(zhuǎn)速降低時，效率也隨著呈線性下降。這種說法具有一定的局限性，因為調(diào)速型液力偶合器的損失功率是由負載的特性決定的。例如，離心負載 的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，這樣，當一離心負載的轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速ne下降到某一轉(zhuǎn)速n1時，其功率也隨之降到：N1f=(n1/ne)3Nef,Nef為負載 的額定軸功率。
當負載處于額定轉(zhuǎn)速ne時，因為此時液力偶合器的滑差很小，我們可以近似的認為該轉(zhuǎn)速 就是電機的額定轉(zhuǎn)速，電機的輸出功率為Ned=Nef，S為液力偶合器的滑差。當 負載的轉(zhuǎn)速降到n1時，液力偶合器的效率即為η=i=n1/ne。此時，液力偶合器的輸入 功率，即電機的輸出功率N1d為：
N1d=N1f/η=(n1/ne)2Nef
由上式可見，電機的輸出功率并非電機的額定功率。則液力偶合器的損失功率Ns為：
Ns=電機的輸出功率-負載的軸功率=(n1/ne)2Nef-(n1/ne)3Nef
如果我們對上式求導，則可以求出Ns的最大值：
當i=2/3時 Nsmax=0.148Ned
圖1為電機與液力偶合器拖動離心負載時，電機功率、負載功率、機組效率及損失功率與液 力偶合器數(shù)比之間的關系。
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：電機功率 Nf：負載功率
圖1 液力偶合器的功率損失圖
因此，液力偶合器在驅(qū)動風機水泵等離心負載時，其損失功率并不是很大，把它定為低效節(jié) .表1為某自來水公司1號水泵采用調(diào)速型液力偶合器的運行記錄，從表中 可以看出，當負載轉(zhuǎn)速下降時，電機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，無論哪一種變頻方法，同樣存在著功率損耗的問題。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 某自來水公司1號水泵運行記錄
| 電壓(V) | 電流(A) | 功率因素COSΦ | 電機功率(kW) | |
| 水泵98%額定轉(zhuǎn)速 | 10373 | 14.87 | 0.902 | 241 |
| 水泵82.7%額定轉(zhuǎn)速 | 10374 | 11.41 | 0.878 | 180 |
| 水泵68.3%額定轉(zhuǎn)速 | 10305 | 8.89 | 0.835 | 132.5 |
| 水泵61.1%額定轉(zhuǎn)速 | 10363 | 7.84 | 0.803 | 113 |
| 水泵54%額定轉(zhuǎn)速 | 10256 | 7.12 | 0.755 | 95.5 |
| 火灰40%額定轉(zhuǎn)速 | 10231 | 5.96 | 0.658 | 69.5 |
電源的高壓電經(jīng)過降壓-整流-逆變-升壓后送給電機。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，電機的工作效率也會隨之下 降。
表2為某冶煉廠轉(zhuǎn)爐風機使用變頻調(diào)速后的運行記錄，表中的2號風機和3號風機為兩臺相同 的風機，相同的系統(tǒng)及使用環(huán)境，因此，可以認為，2號風機的工頻運行與3號風機的工頻運 行情況是一樣的。由表中可以看到，3號風機采用了變頻調(diào)速后，電機的功率因素同樣有所 下 降。當然由于負載及使用情況的不同，二者無法進行直接比較，但至少可以認為，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、3號轉(zhuǎn)爐風機運行記錄
| 電壓(V) | 電流(A) | 功率因素COSΦ | 電機功率(kW) | |
| 2號風機工頻運行 | 6462 | 168 | 0.92 | 1729.97 |
| 3號風機95%額定速度 | 6465 | 180 | 0.72 | 1492.01 |
| 3號風機66%額定速度 | 6460 | 56 | 0.41 | 256.1 |
表3為各種調(diào)速方式下，風機電動機的耗電特性表，該表已成為各種調(diào)速方式相互比較時經(jīng)常引用的依據(jù)。但如果用表中的數(shù)據(jù)來說明液力調(diào)速不如變頻調(diào)速，筆者認為缺乏一定的科學性。因為表中變頻調(diào)速一欄中，只考慮了由電機到負載之間的功率損失，而忽略了變頻調(diào)速還存在著由電源到電機之間的降壓，變頻，升壓的功率損失。
表3 風機電動機的耗電特性
| 風量% | 軸功率(kW) | 出口擋板 | 入口擋板 | 轉(zhuǎn)子串電阻液力偶合器 | 變頻串極調(diào)速 | 變極 | |||||
| 電機輸入 | 總損失 | 電機輸入 | 總損失 | 電機輸入 | 總損失 | 電機輸入 | 總損失 | 電機輸入 | 總損失 | ||
| 100 | 100 | 107 | 7 | 106 | 6 | 108 | 8 | 108 | 8 | 106 | 6 |
| 90 | 72.9 | 103.5 | 30.6 | 84 | 11.1 | 86 | 13.1 | 79 | 6 | / | / |
| 80 | 51.2 | 99.5 | 48.3 | 72.5 | 21.3 | 68 | 16.8 | 55 | 3.8 | / | / |
| 70 | 34.3 | 96 | 60.7 | 68 | 33.7 | 52 | 17.7 | 38 | 3.7 | / | / |
| 60 | 21.6 | 89.5 | 67.9 | 64 | 42.4 | 39 | 17.4 | 25 | 3.4 | / | / |
| 50 | 12.5 | 84 | 71.5 | 60 | 47.5 | 29 | 16.5 | 15 | 2.5 | 14 | 1.5 |
| 40 | 6.4 | 77.5 | 71.1 | 56 | 49.6 | 21 | 14.6 | 9 | 2.6 | / | / |
| 30 | 2.7 | 71 | 68.3 | 52 | 47.3 | 15 | 12.3 | 5 | 2.3 | / | / |
高壓整流二極管和高壓IGBT的誕生，使高-高直接變頻得以實現(xiàn)，以美國羅 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，來實現(xiàn)高- -高直接變頻。這都是解決變頻過程中由于變壓而導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
液力調(diào)速由于是調(diào)速型液力偶合器利用工作油來傳遞電機的能量的，它的輸入和輸出部分是 無機械連接的。因而，它可以使電機實現(xiàn)真正意義上的空載啟動，即負載可以在電機完成啟 動過程后，再由液力偶合器對其提速，對于大慣的負載，或者變電所容量有限的場合，液力 偶合器的這一功能特別有用。對于需要稀油潤滑的機組，液力偶合器還可以向機組提供所需 的潤滑油，既可以減小機組的占地面積，又可以節(jié)省泵站的投資。液力調(diào)速機組對電網(wǎng)的要 求不高，無論是新上項目還是改造項目，都無需考慮電網(wǎng)方面的問題，同時，機組也不會對 電 網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。對于超過3000轉(zhuǎn)/分的負載，可以把增速箱和液力偶合器做成一個整體， 這樣，當機組進行調(diào)速時，由于齒輪箱在液力偶合器的輸入端，因而增速箱的轉(zhuǎn)速不會因液 力偶合器對負載進行調(diào)速而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化的現(xiàn)象，簡化了增速箱的設計(主要指增速箱的齒 輪修型和軸承設計)。另外，液力偶合器還具有維修簡單，控制方便等優(yōu)點。有近百年的歷 史的液力傳動技術已經(jīng)是一項成熟的技術。
當然，液力調(diào)速也有一定的缺點。比如，它的不宜超過0.985。對于恒扭矩負載， 液力調(diào)速沒有象拖動離心負載時的節(jié)能效果，由負載變速運行所節(jié)省下來的能量*變成了 液力偶合器損失的熱能。因此，對于恒扭矩負載，如果不是為了只解決電機的啟動問題，不 宜 采用液力調(diào)速而應采用變頻調(diào)速。相對于變頻調(diào)速來說，液力調(diào)速的精度還比較差，對于諸 如軋鋼機等對設備轉(zhuǎn)速要求較嚴的場合，液力調(diào)速無法滿足機組的運行要求。同時，液力偶 合器在負載低轉(zhuǎn)速時，機組電機的功率因素及機組的運行效率均不如變頻調(diào)速。
變頻調(diào)速可以使電機和負載之間沒有滑差，對電機的調(diào)速精度很高。對于改造項目可以不變 動設備的基礎。當變頻器出現(xiàn)問題時，電機可以投工頻運行而不必立即停車檢修。美國羅賓 康公司(ROBICON)制造的諧波變頻調(diào)速器，當其中的一個功率單元出現(xiàn)故障時，機組 仍然可以變速運行，只是功率有所下降?；蛘邫C組投工頻運行，無需立即停車檢修，而且功 率單元的更換比較簡單。對于恒扭矩負載須變速運行時，變頻調(diào)速應是各種調(diào)速方式中，當然，變頻調(diào)速也存在著諸如對電源的質(zhì)量和變頻器的工作環(huán)境要求比較高，對電網(wǎng)會 產(chǎn)生 諧波污染，損壞的功率單元維修比較困難，對于空--空冷卻的電機轉(zhuǎn)速降低會出 現(xiàn)空冷能力不足，需另配冷卻系統(tǒng)等問題。
從價格方面來看，一般情況下，液力偶合器的投資可以在半年到一年的時間內(nèi)，通過節(jié)省的電費得到收回，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間。如果是高--高變頻，則需要的時間會更長。因此，在目前的大功率調(diào)速機組上，變頻調(diào)速還無法與液力調(diào)速形成競爭力。
總之，液力調(diào)速與變頻調(diào)速都有各自的特點， 但是，應當承認，變頻調(diào)速是調(diào)速節(jié)能的發(fā)展方向 ，相信隨著科學技術的發(fā)展，電力電子元件性能不斷完善，變頻調(diào)速器的價格會逐步下降， 再加上與變頻調(diào)速器相適應的電機等產(chǎn)品的出現(xiàn)，在調(diào)速節(jié)能領域，變頻調(diào)速取代液力調(diào)速 將是必然的。