電機調速方式選擇與節(jié)能分析

許多不銹鋼泵廠家在從事生產(chǎn)的過程中，幾乎免不了在變頻與液力耦合器之間做出選擇。本文結合實際就風機、泵類設備的耦合器與變頻器的選用與節(jié)能做了分析，更同行參考。

從事電廠技術管理工作多年，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到對于電機調速控制方式的選擇，本文就常用的兩種調速節(jié)能進行了分析，以期達到同行交流提高的目的。

1 變頻調速與液力偶合器調速的工作原理

電動機采用變頻調速后，電動機轉軸與負載直接相連，電動機由變頻器直接供電，而不再通過電網(wǎng)供電，這樣就減小了對電網(wǎng)的沖擊，變頻器啟動是通過改變電動機的供電頻率改變電機轉速，可實現(xiàn)電流從零開始啟動，然后平緩升到電機的額定電流工作，從而實現(xiàn)在相當寬的頻率范圍內(nèi)對電機無級調速控制，從而減小了機械振動，減小了對電機及相關設備的損害，調速過程中變頻器具有優(yōu)異的功率因數(shù)特性，有利于提高電機設備使用壽命。

通過變頻調速后，異步電動機轉速公式為：

n=60f(l-s)/p

式中f為變頻器輸出頻率，s為異步電動機轉差率，p為電動機極對數(shù)。

液力偶合器的實質是離心泵與渦輪機的組合，主要由輸入軸、輸出軸、泵輪、渦輪、輔室及安全保護裝置等構成。液力耦合器的泵輪和渦輪組成一個可使液體循環(huán)流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上。液力耦合器工作原理通過控制偶合器工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，改變電機輸出轉速，液力耦合器靠液體與泵輪、渦輪的葉片相互作用產(chǎn)生動量矩的變化來傳遞扭矩。泵輪象離心泵一樣使工作腔的油液獲得液體能（包括動能和位能）使油液自泵輪內(nèi)緣沖向外緣，液流穿過兩輪間的間隙到達渦輪，而渦輪的作用就象透平機，當液流在渦輪葉片間的通道由外緣向中間流動時，就將液流的液體能轉變成了渦輪的機械能。液流在返回泵輪時就開始了下一個循環(huán)，這樣旋轉著的液流就把電機的動力傳到了所帶負載上，達到控制負載轉速的目的。液力偶合器也可以實現(xiàn)負載轉速無級調節(jié)，但電動機仍是電網(wǎng)直接供電，且全速運行。

2 變頻調速與液力偶合器調速的節(jié)能比較

2.1 功率損耗的原因

無論采用變頻控制還是液力耦合控制，除電動機本身的機械性能功率損耗外，均存在著額外功率損耗，液力耦合器通過液力變送，加上電動機輸出軸的機械損耗，其效率應小于1，同樣通過變頻器調速，逆變后送入電動機電樞，效能也會小于1。而且在全轉速范圍內(nèi)，兩種方式的效率曲線也不一樣。

圖1“兩種調速方式效率曲線”為典型的變頻器和液力偶合器的效率-轉速曲線，隨著輸出轉速的降低，液力偶合器的效率基本上正比例關系降低，而變頻器在輸出轉速下降時效率仍然較高。

從曲線數(shù)據(jù)看，當輸出轉速降低時，液力偶合器的效率比變頻調速的效率下降快得多，因此變頻調速的低速特性比液力偶合器要好。當然，有一點我們應該看到，就是用于風機、泵類負載時，由于其軸功率與轉速的三次方成正比，當轉速下降時，雖然液力偶合器效率正比下降，但電動機綜合軸功率還是隨著轉速的下降成二次方比例下降，因此也能起到節(jié)能作用。

變頻調速通過電力電子整流和脈寬調制逆變技術改變電動機電樞的電壓和頻率，自身消耗功率很少，器件損耗與輸出功率成正比，因此變頻調速可保持高效運行。而液力偶合器依靠泵和渦輪往復循環(huán)液流產(chǎn)生能量，然后傳輸給電機，從而帶動負載，綜合利用效率較低。

圖1 兩種調速方式效率曲線

2.2 理論計算節(jié)能比較

從理論上進行計算，舉例說明如下：1000 KW風機風量從而降低到70%，由于流量與轉速一次方成正比，因此轉速可以降低70%，負載功率理論上降為34.3%，如果采用直接高高變頻調速，其效率按0.95算，再考慮電動機效率在低功率時有所下降、和管道系統(tǒng)效率有所下降，電網(wǎng)總輸入功率約34.3%/0.95/0.85/0.95=44.71%，即447.1 KW，節(jié)能55.29%，全年按300日計算，年節(jié)電398萬度。如果采用液力偶合器，其效率按0.665計算，電網(wǎng)總輸入功率約34.3%/0.665/0.85/0.95=63.87%，即638.7 KW，節(jié)能36.13%，年節(jié)電260萬度。

2.3 實測節(jié)能比較

以實測一臺20萬千瓦機組引風機改裝液力偶合器及變頻調速為例：該異步電動機額定值為1250 KW，6 KV、142 A、額定效率95%、額定轉速742 rpm、額定功率因數(shù)0.85。

按機組年運行300日7200小時計，應用變頻調速年節(jié)電385萬度，而應用液力藕合器年節(jié)電268萬度。雖然電動機功率不一致，但實測的節(jié)電比例與理論計算值基本一致。

3 變頻調速與液力偶合器調速的其他性能比較

變頻調速與液力偶合器調速在節(jié)能方面有明顯的差異之外，另外還在功率因數(shù)、起動性能、維護可靠性方面都存在著一定的差異，其主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1 功率因數(shù)

通過變頻器調速能夠保持較高的功率因數(shù)，當轉速達到20%以上時，功率因數(shù)一般都在0.95以上運行，而液力耦合器功率因數(shù)相對較小，在70%以下轉速運行時，功率因數(shù)大約為0.7左右，如需提高功率因數(shù)，必須采取增加功率補償裝置。

3.2 起動性能

通過變頻調速裝置啟動電機時，電動機保持額定轉矩起動，電網(wǎng)輸入電流很小，對電網(wǎng)沖擊較小，不影響同電網(wǎng)下其他設備的運行，而且起動過程中電流可控，起動點和爬坡時間可設置，可很好的控制起動電流，達到平緩起動。而液力耦合器起動電流一般是負載的6倍左右，即便增加額外裝置后，起動電流也較大，將會對電網(wǎng)沖擊較大，同時會干擾其他設備運行，嚴重會造成設備損壞，造成嚴重的經(jīng)濟損失。

3.3 運行可靠性、運行維護

變頻器裝置采用的電子線路技術比較成熟，高壓變頻具有單元自動切換和盈余運行的特性，可連續(xù)高速運行，可靠性得到保障，維護簡單易行，只需更換過濾網(wǎng)即可，而液力偶合器機械結構和管路系統(tǒng)比較復雜，維護難度較大，長期運行比較困難，一旦出現(xiàn)故障，將無法運行，必須停機處理，給生產(chǎn)造成一定的

損失。

因此，對于選擇調速需要的設備，初選調速方式，宜選目前技術已經(jīng)比較成熟的變頻調節(jié)方式為宜。

不銹鋼泵堪稱泵業(yè)典范之作

近年來，不銹鋼泵在生產(chǎn)科技的作用越來越突出，其以耐腐蝕、耐高溫著稱，不銹鋼泵具有使用壽命長，強度高，輕便易攜帶等優(yōu)勢，越來越受到各行業(yè)的青睞。

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