電機(jī)調(diào)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(jié)合實(shí)際就風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)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(shù)管理工作多年，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到對(duì)于電機(jī)調(diào)速控制方式的選擇，本文就常用的兩種調(diào)速節(jié)能進(jìn)行了分析，以期達(dá)到同行交流提高的目的。

1 變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的工作原理

電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與負(fù)載直接相連，電動(dòng)機(jī)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(duì)電網(wǎng)的沖擊，變頻器啟動(dòng)是通過改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)電流從零開始啟動(dòng)，然后平緩升到電機(jī)的額定電流工作，從而實(shí)現(xiàn)在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)電機(jī)無級(jí)調(diào)速控制，從而減小了機(jī)械振動(dòng)，減小了對(duì)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的損害，調(diào)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(jī)設(shè)備使用壽命。

通過變頻調(diào)速后，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

液力偶合器的實(shí)質(zhì)是離心泵與渦輪機(jī)的組合，主要由輸入軸、輸出軸、泵輪、渦輪、輔室及安全保護(hù)裝置等構(gòu)成。液力耦合器的泵輪和渦輪組成一個(gè)可使液體循環(huán)流動(dòng)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(dòng)量矩變化，改變電機(jī)輸出轉(zhuǎn)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(dòng)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(dòng)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(dá)渦輪，而渦輪的作用就象透平機(jī)，當(dāng)液流在渦輪葉片間的通道由外緣向中間流動(dòng)時(shí)，就將液流的液體能轉(zhuǎn)變成了渦輪的機(jī)械能。液流在返回泵輪時(shí)就開始了下一個(gè)循環(huán)，這樣旋轉(zhuǎn)著的液流就把電機(jī)的動(dòng)力傳到了所帶負(fù)載上，達(dá)到控制負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的。液力偶合器也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)節(jié)，但電動(dòng)機(jī)仍是電網(wǎng)直接供電，且全速運(yùn)行。

2 變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)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(dòng)機(jī)本身的機(jī)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(dòng)機(jī)輸出軸的機(jī)械損耗，其效率應(yīng)小于1，同樣通過變頻器調(diào)速，逆變后送入電動(dòng)機(jī)電樞，效能也會(huì)小于1。而且在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，兩種方式的效率曲線也不一樣。

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

從曲線數(shù)據(jù)看，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)，液力偶合器的效率比變頻調(diào)速的效率下降快得多，因此變頻調(diào)速的低速特性比液力偶合器要好。當(dāng)然，有一點(diǎn)我們應(yīng)該看到，就是用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載時(shí)，由于其軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，雖然液力偶合器效率正比下降，但電動(dòng)機(jī)綜合軸功率還是隨著轉(zhuǎn)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(diào)速通過電力電子整流和脈寬調(diào)制逆變技術(shù)改變電動(dòng)機(jī)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(diào)速可保持高效運(yùn)行。而液力偶合器依靠泵和渦輪往復(fù)循環(huán)液流產(chǎn)生能量，然后傳輸給電機(jī)，從而帶動(dòng)負(fù)載，綜合利用效率較低。

圖1 兩種調(diào)速方式效率曲線

2.2 理論計(jì)算節(jié)能比較

從理論上進(jìn)行計(jì)算，舉例說明如下：1000 KW風(fēng)機(jī)風(fēng)量從而降低到70%，由于流量與轉(zhuǎn)速一次方成正比，因此轉(zhuǎn)速可以降低70%，負(fù)載功率理論上降為34.3%，如果采用直接高高變頻調(diào)速，其效率按0.95算，再考慮電動(dòng)機(jī)效率在低功率時(shí)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(jì)算，年節(jié)電398萬度。如果采用液力偶合器，其效率按0.665計(jì)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(shí)測(cè)節(jié)能比較

以實(shí)測(cè)一臺(tái)20萬千瓦機(jī)組引風(fēng)機(jī)改裝液力偶合器及變頻調(diào)速為例：該異步電動(dòng)機(jī)額定值為1250 KW，6 KV、142 A、額定效率95%、額定轉(zhuǎn)速742 rpm、額定功率因數(shù)0.85。

按機(jī)組年運(yùn)行300日7200小時(shí)計(jì)，應(yīng)用變頻調(diào)速年節(jié)電385萬度，而應(yīng)用液力藕合器年節(jié)電268萬度。雖然電動(dòng)機(jī)功率不一致，但實(shí)測(cè)的節(jié)電比例與理論計(jì)算值基本一致。

3 變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)速的其他性能比較

變頻調(diào)速與液力偶合器調(diào)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(dòng)性能、維護(hù)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(gè)方面：

3.1 功率因數(shù)

通過變頻器調(diào)速能夠保持較高的功率因數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到20%以上時(shí)，功率因數(shù)一般都在0.95以上運(yùn)行，而液力耦合器功率因數(shù)相對(duì)較小，在70%以下轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，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(bǔ)償裝置。

3.2 起動(dòng)性能

通過變頻調(diào)速裝置啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)保持額定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，電網(wǎng)輸入電流很小，對(duì)電網(wǎng)沖擊較小，不影響同電網(wǎng)下其他設(shè)備的運(yùn)行，而且起動(dòng)過程中電流可控，起動(dòng)點(diǎn)和爬坡時(shí)間可設(shè)置，可很好的控制起動(dòng)電流，達(dá)到平緩起動(dòng)。而液力耦合器起動(dòng)電流一般是負(fù)載的6倍左右，即便增加額外裝置后，起動(dòng)電流也較大，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，同時(shí)會(huì)干擾其他設(shè)備運(yùn)行，嚴(yán)重會(huì)造成設(shè)備損壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 運(yùn)行可靠性、運(yùn)行維護(hù)

變頻器裝置采用的電子線路技術(shù)比較成熟，高壓變頻具有單元自動(dòng)切換和盈余運(yùn)行的特性，可連續(xù)高速運(yùn)行，可靠性得到保障，維護(hù)簡(jiǎn)單易行，只需更換過濾網(wǎng)即可，而液力偶合器機(jī)械結(jié)構(gòu)和管路系統(tǒng)比較復(fù)雜，維護(hù)難度較大，長(zhǎng)期運(yùn)行比較困難，一旦出現(xiàn)故障，將無法運(yùn)行，必須停機(jī)處理，給生產(chǎn)造成一定的

損失。

因此，對(duì)于選擇調(diào)速需要的設(shè)備，初選調(diào)速方式，宜選目前技術(shù)已經(jīng)比較成熟的變頻調(diào)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(zhǎng)，強(qiáng)度高，輕便易攜帶等優(yōu)勢(shì)，越來越受到各行業(yè)的青睞。

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