变频调速与液力偶合器调速的节能技术经济比较(修改).doc

变频调速与液力偶合器调速的节能技术经济比较 我国现实拥有的风机水泵数量很大，它们的年消耗电能占全国发电量的 30%，因此风机水泵节能是国家节能的主抓重点；调速就是在这种情况下提出来的。钢厂的除尘风机和煤气风机都需要调速节能；另外调速有时也是生产工艺的需要，如钢厂除磷泵系统的特殊工艺要求，还有电厂调峰等。调速方式有很多种，电磁离合器调速电机，液粘调速离合器调速，变频调速与液力偶合器调速等，变频调速与液力偶合器调速是交流电机调速节能常用的两种技术，其明显的技术经济效益已越来越引起人们的关注，现对这两种调速方式进行分析，比较。调速原理比较变频调速：对于交流电机拖动的负载，其转速表达式通常可以写成：n=nd*ic*i式中nd-电机转速 nd=60f/p*(1-S) i-调速装置输出/输入转速比i=nT/nB=1- STiC -机械传动装置的转速比故n=60f/p *(1-S) *iC* (1- ST)式中f-电机用电频率 HZ；P-电机极对数 对；S-电机转差率；ST-调速装置转差率。由此式可见，交流电机拖动的负载转速调节的途径有以下几种：改变电机用电频率f,如变频调速装置改变电机极对数p,如变极调速改变电机转差率S,如定子调压调速，转子串电阻调速改变调速装置转差率ST， 液力偶合器调速：液力偶合器是一种应用很广的通用传动元件，它置于动力机与工作机之间传递动力。其结构由对称分布的泵轮，涡轮以及主轴，外壳等组成，外壳与泵轮通过螺栓固定连接，其作用是防止工作液体外溢，输入轴（与泵轮固定连接）与输出轴（与涡轮固定连接）分别与动力机和工作机相连接，泵轮与涡轮均为具有径向直叶片的叶轮，由泵轮和涡轮的具有叶片的凹腔部分所形成的圆环状空腔称为工作腔，供工作液体在其中循环流动，传递动力进行工作。在液力偶合器被动力机带动运转时，存在于液力偶合器腔体内的工作液体，受泵轮的搅动即随泵轮做圆周（牵连）运动，同时又对泵轮作相对运动。由于旋转运动的离心力作用，液流就以很高的速度和压强并沿着叶片表面与工作腔外环所构成的流道作向心流动。即涡轮得到泵轮传递来的能量而进行旋转运动，从而可以带动工作机转动，又由于调速型液力偶合器功能需要，其工作腔内有可以调整油液液面高度的勺管，调整勺管的插入深度，就可以改变液力偶合器的输出转速，从而改变工作机的转速，达到调速的目的。由其工作原理可知，液力偶合器调速是机械装置，改变其输出转速不需要改变动力机（电机）的任何参数。技术性能的比较异步电动机的转速n=60f/p*(1-S),改变其中的供电频率 从而改变异步电动机的转速的调速方式被称为变频调速。三相异步电动机每相电动势e的有效值E=4.44fN，为保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持电动势与频率之比为常数。变频器组成分为交-交和交-直-交两种形式，交-交变频器将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的的交流，又称为直接式变频，而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变成频率、电压均可控制的的交流电，它又被称为间接式变频，这种变频的构成如框图所示： 对于变频器的具体分类，可以分为按直流电源的性质、按输出电压调节方式、按控制方式的不同分类方法，但对用于风机，水泵调速的变频调速装置主要有交-直-交式电压型，电流型和脉宽调制型（PWM）三种。 变频调速无附加转差（ST）损耗为其优点，而且对于高性能通用变频器（价格高）还具有宽的调速范围，变频器及其驱动的电动机噪声低，良好的低频启动性能等；但在电源变换装置中的损耗不容忽视，尤其在高电压电机无高压直接变频装置时，高电压电源需经降压，整流，储能，逆变和再升压五次能量变换，增多了设备装置，不但设备生产成本（投资）高，而且使电能损耗增加了1020%，再加上电机低速运行时功率因数和总效率均低等因素，会使变频调速总损耗不小于20%。 变频调速产生的高次谐波对电网有严重污染，在应用中必须采取相应措施，治理谐波污染的费用较高，增加了投资费用。在上述三种类型变频装置中，PWM在低速运行时效率，功率因数较低，电能损耗较大。液力偶合器调速是将调速型液力偶合器传动装置（由齿轮变速机构与调速型液力偶合器结合一体而成）安装于恒速运转的电机与负载之间，靠手动，电动遥控或自动控制操作导管调节工作腔中油液充满度来实现调速。 它属于机械调速，其主要特点是：能使电机空载起动（因其Mn2，起动瞬时n=0,M=0）,软起动，提高电机起动载荷能力。使载荷与电机分步启动，电机先带偶合器泵轮动启，泵轮再带涡轮（工作机）启动，延长启动时间，降低启动电流，使载荷平稳，缓慢升速，减少对电网的冲击。无级调速，且易于实现遥控和自动控制。减缓冲击和振动，延长设备使用寿命。可与不同等级高，低电压的大容量电机配用，在调速中电机始终以额定转速运行，电机效率高，功率因数高，且无谐波污染。调速范围较宽，对风机，水泵类离心机械，调速范围为1：1/5，对恒转矩传动（提升机，带式输送机等）调速范围为1：1/3。传动中存在转差，使负载不能达到电机额定转速，调速中转差损耗以使油液发热的形式散掉，最大发热点为转速比i=0.66,最大转差发热为传递功率额定值的14.8%。调速技术成熟可靠，结构简单，耐热，耐粉尘，对使用环境和维护技术条件要求不高，寿命长，可长期无检修地运行。目前国产调速型液力偶合器最高输入转速3000r/min,最大功率达6500KW，液力偶合器传动装置最高输出转速12000r/min,最大功率达27000KW。三，技术经济效益比较两种调速方式的技术经济效益可通过以下几个方面进行比较。节能效果表1是两种方式的耗能比较（摘自“各类调速装置在火，热电厂应用与节能”）。假定风机（离心式机械）风量100%时电机轴功率为100KW。按风机有效功率与转速三次方成正比关系，得出不同百分比下的轴功率。以此为基数加上液力偶合器不同转速比下的总损失即为液力偶合器调速时电机的输入功率。液力偶合器的总损失是由转差损失和其空载损失相加构成，理论分析表明转差损失和其空载损失相加构成，理论分析表明转差损失呈正态分布曲线，最高值发生在转速比为66.6%处，最高值为14.8%。通常调速型液力偶合器空载损失为1%，两者之和为15.8%，故转速比70%（即风量）时总损失为15.6%，此时效率为85%，额定转速时效率为97%；与恒扭矩机械匹配时效率等于速比，速比低效率亦低。而且，液力偶合器调速在广泛条件下运行，不必考虑额外的能量损失。表1 风机（水泵）电机功率消耗特性表（在未考虑变频装置本身损耗时）风量（%）电机轴功率（KW）液力偶合器调速变频调速电机输入（KW）总损失（KW）电机输入（KW）总损失（KW）100100106610889072.981.58.57968051.264.813.6553.87034.349.915.6383.76021.636.915.3253.45012.525.813.3152.5406.416.610.292.6302.79.46.752.3从表及前述的理论可见，在未考虑变频装置本身损耗时，变频调速比液力偶合器调速节能效益高。 可是，变频器制造商提供的功率资料都没有考虑到所有系统的能量消耗，或其他辅助能源的需求，包括谐波过滤，能源控制因素，空调和控制室照明设备的能源消耗等等。当所有能量消耗都被计算在内时，变频装置的实际系统功率只有80%或更低。而液力偶合器调速没有其他配套系统的能源消耗，所以，在考虑了变频装置本身及配套设施损耗的情况下，对于离心式机械的调速，液力偶合器调速更有优势。设备投资低电压（380V）变频装置平均价格1000元/KW，按我国规范同步电机和异步电机380V额定电压的最大容量范围为320KW（见机械手册第5卷，机械工业出版社出版）。大容量电机均为高电压（3KV，6KV，10KV），我国至今尚无高压直接变频产品，国外进口则价格惊人。如以380V变频装置用于高电压电机，则需要降压，储能，整流，逆变和再升压五项变换装置，效率下降了1020%，投资要增大几倍。表2为456500KW两类调速装置现行产品价格比较表，表中1000KW以上高压大容量电机变频装置未列入，因其基本上全是进口的，且多用在冶金企业的轧机等设备上，基本上是专用的，单独配套。表2 456500KW两类调速装置现行产品价格（万元）功率（KW）调速型液力偶合器变频调速装置（380V）453.8(GC280)753.8(GC280)905.08(GC320)9.7（西门子）6SE7031-8EF601326.4(GC360)12.9（西门子）6SE7032-6TG602006.4(GC360)14.4（西门子）6SE7033-7TG602506.4(GC360)19.45（西门子）6SE7035-1EK603157.6(GC400)23.16（西门子）6SE7036-0EK606308.4(GC450)48.56（西门子）6SE7041-1TK607108.4(GC450)55.62（西门子）6SE7041-3TL6010009.72200012.5300018.7550020.88650054.0注：1，调速型液力偶合器为大连液力机械有限公司2007年价格1000KW以上者为高电压电机，目前国内尚无高压直接变频装置，进口价格高且需要逆变装置及防电网污染装置。含逆变装置及防污染装置后价格是正常变频器2倍甚至更高，国内目前还报不出这方面的具体价格。通常认为液力偶合器与变频装置在价格方面比较有优势。小容量变频装置规格多，价格竞争激烈，近年来价格比不到1：10，而大容量范围高于1：10。就投资回收而言，通常认为23年收回投资为限，液力偶合器通常在1年左右即可收回，而变频装置只少要23年才能收回投资。 另外需要特别说明的是：一些变频器装置需要的是比标准功率电机更昂贵的变频电机。（因变频电机配置变频器效果更佳）功率因数及高次谐波对电网的影响 资料表明，液力偶合器和变频调速在低速时功率因数均较低，尤其变频调速更低，表3表明两类调速方式的功率因数。调速控制方式总效率（输出功率/输入功率）总功率因数100%转速时50%转速时100%转速时50%转速时液力偶合器约0.95约0.85约0.9约0.65交-交变频约0.95约0.8约0.9约0.3注：1，总效率总功率因数是6极1000KW异步电机值；2，力矩特性（转速）2在转速降到50%时，变频调速的总功率因数降到约0.3，液力偶合器为0.65，两者差值很大。在考虑风机，水泵调速节能选择调速装置时，人们往往只注重有功功率的节约，提高运行效率，而对于功率因数cos不同，则要求输入的视在功率不同。cos越低，视在功率越大，大量的无功功率白白地消耗在线路上，使线路损耗增加，电压质量下降。表4表明cos与线路损耗的关系。不仅如此，功率因数还涉及奖惩关系，国家电力部门规定有奖惩标准如表5，表中“+”为罚款，“-”为奖励。表4 cos与线路损耗P的关系cos1.00.80.50.4P100156400680表5 电费奖惩标准功率因数0.350.40.50.60.70.80.90.95奖惩（%）+80+70+50+30+10+50-2.5凡使用可控硅元件的变流装置，都是靠改变其控制角大小从而改变频率，电压工作的，这就不可避免地使电源波形恶化，产生大量的高次谐波，对电网产生公害。高次谐波电压与换流瞬时压降一起引起电网电压波形畸变，这个畸变电压会增加电机定子损耗和转子损耗，会使电源变压器增加损耗，加大噪声等等。电流型变频器的电流谐波，会引起电机转矩脉动。 液力偶合器调速过程中电动机始终以额定转速运转，既无高次谐波功率因数波动又小，变频调速产生高次谐波和使功率因数下降，这是选用者应考虑的问题。电腐蚀，由于变频装置可以通过轴承产生电流。在接触表面的过程与电子弧焊相似，从而在轴承滚道和柱形成槽（波纹），轴承被这些循环的轴电流损坏，造成平滑的滚道表面被破坏而使噪音和振动加大。液力偶合器调速由于不会产生谐波干扰，故不会产生电腐蚀。5，维修保养与寿命调速型液力偶合器可以长期无检修地运行，一般情况只要监视好运行油温和油压就可稳定运行。由于两个传动主件泵轮和涡轮不直接接触，传动油对金属叶轮又不磨损，所以液力偶合器寿命很长。通常运行35年大修一次，大修只需要更换滚动轴承（或滑动轴承“刮瓦”）。如攀枝花钢铁公司120T转炉除尘风机配用调速型液力偶合器（3000r/min,1000KW），91年投产运行，至今仍在使用。35年大修一次，液力偶合器维修便利，即使需要更换零部件，其备用零部件也很容易提供；一般机械钳工即可完成正常维护保养。 以电子元器件为核心的变频装置，其可靠性主要取决于元器件本身质量，装置部件的工艺性和抗干扰能力，保护措施及日常维修能力。通常变频装置较少出问题，然而一旦出问题难以维修，常要整体报废，或者当设备出现故障，使用单位就要请受过专业训练，费用昂贵的技师，他们通常是很难及时进入维修现场进行服务；更重要的是，变频装置升级换代周期短，一旦出问题经常是没法找到当初产品的替代零部件，变频装置由于专业性很强，很难在短期内培训出业务能力很好的维护人员；另外变频装置对运行环境的温度，湿度等也有较高要求。关于使用寿命，诸说不一。北京热力公司设在长安大戏院地下室的热网循环泵站有6台水泵由变频调速（1500r/min,350KW），是南韩组装的，因价格贵，出了问题又不能修，现已有一台改为液力偶合器调速。用户反映该变频装置只保证使用寿命为5年，而液力偶合器的寿命则远远高出许多。四，选型中的几个问题 风机，水泵采用调速运行一是为了更好的满足系统工艺流程的要求，二是为了调速节能，由于风机（水泵）流量与转速一次方成正比，而轴功率与转速三次方成正比，故只要调低转速（流量）就可以（比节流调节）节约能源。选择调速方式时要依据电源电压高低，流量变化范围，风机水泵容量的大小，调速装置的技术复杂程度，节能效益，产品价格高低，使用寿命，对电网污染程度等多种因数，综合考虑，进行技术经济分析比较后决定。电源电压 液力偶合器对高，低电压均适应，特别是对高电压，高转速，大容量更能发挥其优越性。变频装置对低电压（380V），小容量（100KW以下）场合比较适宜，但由于其灵敏度的限制，对电源的质量要求很高，如果电源质量不佳，其使用寿命将会缩短。目前对于高电压条件下只能是采取“高-低-高”变频方式，且效率低，投资高，就不如采用液力偶合器。流量变化范围，对于高流量变化型，即额定转速运转时间长，而调低幅度不大且时间较短者，一般不推荐变频装置，而建议采用液力偶合器，对于低流量变化型，即低速运转时间长，而高速运转时间短者，宜采用变频装置。容量大小，通常对100KW以下容量，首先要考虑的应是初始投资，因其节电的绝对值较小，初始投资过高回收期必长。对于100KW以上容量者应将节能效果和寿命周期费用综合考虑。对于特大容量的风机水泵（如P2000KW），多采用液力偶合器或液力偶合器传动装置。五，综合比较结论节能效率：液力偶合器与离心式机械匹配，最大发热工况点i=0.66，此时效率为0.85，额定转速时功率损失为0.03，效率为0.97，即高效区0.970.85之间，在除尘风机等场合，多数只在高效区的几个转速比点进行工作 变频装置从工频电源往变频电源的转化过程中会损失一部分功率，再者受温升等因素影响，100%转速比时效率约为0.95，50%转速比时约为0.80，平均为0.85在考虑了变频装置本身及配套设施损耗的情况下，对于离心式机械的调速，液力偶合器调速更有优势。传递功率范围： 液力调速比变频调速传递功率范围宽，从零点几kW至6万kW，传递功率范围很宽对高转速、大功率（大于1000KW）、超大功率工作机调速尤其以液力调速为主变频调速以中小功率为主（1000KW以下），大容量变频调速目前较少，对恒扭矩机械较适用设备投资：通常认为液力偶合器与变频装置在价格比较方面有优势。小容量变频装置规格多，价格竞争激烈，近年来价格比不到1：10，可是小功率首先要考虑初始投资，因小功率节能的绝对值小故回收初始投资时间必长，而大容量范围高于1：10。就投资回收而言，通常认为23年收回投资为限，液力偶合器通常在1年左右即可收回，而变频装置至少要23年才能收回投资。 另外由于一些变频器装置需要的是比标准功率电机更昂贵的变频电机。（因变频电机配置变频器效果更佳），还需要考虑与之配套的空调等辅助设施的费用；从这个角度考虑，选液力偶合器设备投资更有优势。输入转速对传递功率的影响：液力调速传递功率的能力与输入转速的立方成正比，输入转速降低偶合器规格增大，成本高，液力调速不适合在低速机械上使用。变频调速输入转速对传递功率无影响；变频调速在低速机械上使用有优势；液力调速适合与高电压电机拖动的高转速、大功率离心式机械匹配；变频调速适合与低转速、恒力矩机械匹配改善传动品质：液力调速具有空载启动、过载保护、减缓冲击、隔离扭振、协调多动力机均衡驱动、柔性传动与制动功能，延长了电机、主机寿命变频调速可以分级启动，基本上不改善传动品质；在改善传动品质方面上，液力调速优于变频调速。总功率因数：液力调速电机转速不变，功率因数变化较小，100%转速比时功率因数约为0.9；转速比50%时功率因数约为0.65变频调速电机改变转速，功率因数变化较大，100%转速比时功率因数约为0.9；50%转速比时功率因数约为0.3，总功率因数较低；从功率因数方面考察，液力调速优于变频调速，总功率因数低不仅造成一系列损失，而且还会受到供电部门的罚款。调速精度和动态响应：液力调速能满足工作机调速要求，导管开度与转速调节是