四、 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速和液力耦合器調(diào)速節(jié)能比較
交流異步籠型電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)異的性能和環(huán)境適應(yīng)能力而獲得了廣泛的應(yīng)用，但是其調(diào)速技術(shù)卻一直困擾著工程界。在變頻技術(shù)發(fā)明以前，人們只能采用電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，而電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速又不適合大功率電機(jī)；繼而又發(fā)明了液力耦合器，解決了大功率電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題，并獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，它們都屬于低效調(diào)速方式，其調(diào)速效率等于調(diào)速比。即便如此，當(dāng)其用在風(fēng)機(jī)水泵的調(diào)速時(shí)，與采用擋板和閥門的節(jié)流調(diào)節(jié)相比，也具有顯著的節(jié)能效果。
在已經(jīng)采用液力耦合器調(diào)速的場(chǎng)合，進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造時(shí)，一定要認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，對(duì)其節(jié)能潛力有一個(gè)正確的估計(jì)，以免達(dá)不到預(yù)期的效果。不要以節(jié)能效果作為評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性的唯一指標(biāo)，而要與進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造后帶來(lái)的其它好處一起綜合評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)效益，比如改善啟動(dòng)性能、提高調(diào)速精度、滿足工藝控制要求、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、減少維修費(fèi)用和降低噪聲水平……等等。
1 液力耦合器的工作原理和主要特性參數(shù)
1.1 液力耦合器的工作原理
液力耦合器是一種以液體(多數(shù)為油)為工作介質(zhì)、利用液體動(dòng)能傳遞能量的一種葉片式傳動(dòng)機(jī)械。按應(yīng)用場(chǎng)合不同可分為普通型(標(biāo)準(zhǔn)型或離合型)、限矩型(安全型)、牽引型和調(diào)速型四類。用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能的為調(diào)速型，這里討論的僅限于調(diào)速型。
調(diào)速型液力耦合器主要由泵輪、渦輪、旋轉(zhuǎn)外套和勺管組成，泵輪和渦輪均為具有徑向葉輪的工作輪，泵輪與主動(dòng)軸固定連接，渦輪與從動(dòng)軸固定連接；主動(dòng)軸與電動(dòng)機(jī)連接，而從動(dòng)軸則與風(fēng)機(jī)或水泵連接。泵輪與渦輪之間無(wú)固體的部件聯(lián)系，為相對(duì)布置，兩者的端面之間保持一定的間隙。由泵輪的內(nèi)腔p和渦輪的內(nèi)腔t共同形成的圓環(huán)狀的空腔稱為工作腔。若在工作腔內(nèi)充以油等工作介質(zhì)，則當(dāng)主動(dòng)軸帶著泵輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，泵輪上的葉片將驅(qū)動(dòng)工作油高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)工作油做功，使油獲得能量(旋轉(zhuǎn)動(dòng)能)。同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的工作油在慣性離心力的作用下，被甩向泵輪的外圓周側(cè)，并流入渦輪的徑向進(jìn)口流道，其高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能將推動(dòng)渦輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)渦輪做功，將工作油的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為渦輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。工作油對(duì)渦輪做功后，能量減少，流出渦輪后再流入泵輪的徑向進(jìn)口流道，在泵輪中重新獲得能量。如此周而復(fù)始的重復(fù)，形成了工作油在泵輪和渦輪中的循環(huán)流動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，泵輪驅(qū)動(dòng)工作油旋轉(zhuǎn)時(shí)就把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為工作油的動(dòng)能和壓力勢(shì)能，這個(gè)原理與葉片式泵的葉輪相同，故稱此輪為泵輪；而工作油在進(jìn)入渦輪后由其所攜帶的動(dòng)能和壓力勢(shì)能在推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)渦輪做功，又轉(zhuǎn)化為渦輪輸出軸上的機(jī)械能，這個(gè)原理與水輪機(jī)葉輪的作用相同，故稱此輪為渦輪。渦輪的輸出軸又與風(fēng)機(jī)或水泵相聯(lián)接，因此輸出軸又把機(jī)械能傳給風(fēng)機(jī)或水泵，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵旋轉(zhuǎn)。這樣就實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)軸功率的柔性傳遞。
只要改變工作腔內(nèi)工作油的充滿度，即改變循環(huán)圓內(nèi)的循環(huán)油量，就可以改變液力耦合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩和輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)在定速旋轉(zhuǎn)的情況下對(duì)風(fēng)機(jī)或水泵的無(wú)級(jí)變速。工作油油量的變化是通過(guò)一根可移動(dòng)的勺管(導(dǎo)流管)位置的改變而實(shí)現(xiàn)的：勺管可以把其管口以下的循環(huán)油抽走，當(dāng)勺管往上推移時(shí)，在旋轉(zhuǎn)外套中的油將被抽吸，使工作腔內(nèi)的工作油量減少，渦輪減速，從而使風(fēng)機(jī)或水泵減速；反之，當(dāng)勺管往下推移時(shí)，風(fēng)機(jī)或水泵將升速。
1.2 液力耦合器的主要特性參數(shù)
表示液力耦合器性能的特性參數(shù)主要有轉(zhuǎn)矩m、轉(zhuǎn)速比i、轉(zhuǎn)差率s、轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ、和調(diào)速效率ηv等。
(1)轉(zhuǎn)矩m
當(dāng)忽略液力耦合器的軸承及鼓風(fēng)損失時(shí)，其輸入轉(zhuǎn)矩m1等于傳遞給泵輪的轉(zhuǎn)矩mb，即m1=mb。其輸出轉(zhuǎn)矩m2與渦輪的阻力矩大小相等，方向相反，即m2=-mt。
若忽略工作液體的容積損失等，則由動(dòng)量矩定律及作用力與反作用力定律可以證明mb=-mt，因此有m1=m2。著就是說(shuō)，液力耦合器不能改變其所傳遞的力矩，其輸出力矩m2等于其輸入力矩m1。
(2)轉(zhuǎn)速比i
液力耦合器運(yùn)行時(shí)其渦輪轉(zhuǎn)速nt與泵輪轉(zhuǎn)速nb之比，稱為液力耦合器的轉(zhuǎn)速比i，即：i= nt/nb
液力耦合器在正常工作時(shí)，其轉(zhuǎn)速比i必然小于1。因?yàn)槿鬷=1，就意味著泵輪與渦輪之間不存在轉(zhuǎn)速差，兩者同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而當(dāng)泵輪與渦輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作油的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能是不能對(duì)渦輪作功的，也就不能傳遞功率。
液力耦合器在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速比in是表示液力耦合器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，in表示渦輪轉(zhuǎn)速為最大值時(shí)的轉(zhuǎn)速比，通常 in= 0.97～0.98。從液力耦合器的調(diào)速效率特性可知，in表示了液力耦合器調(diào)速效率的最高值。
液力耦合器在工作時(shí)，其轉(zhuǎn)速比一般在0.4～0.98 之內(nèi)，當(dāng)其小于0.4時(shí)，由于轉(zhuǎn)速比小，工作腔內(nèi)充油量少，工作油升溫很快，工作腔內(nèi)氣體量大，這時(shí)工作中常會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況。
(3)轉(zhuǎn)差率s
液力耦合器工作時(shí)，其泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速差與泵輪轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)，稱為轉(zhuǎn)差率，即：
液力耦合器的轉(zhuǎn)差率除表示相對(duì)轉(zhuǎn)速差的大小外，還表示在液力耦合器中功率的傳動(dòng)損失率。由液力耦合器的輸入、輸出力矩相等，即m1=m2，可得：
(1)
即： 
(2)
(4)轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ
轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ是液力耦合器得一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它表示液力耦合器通流部分的完善程度。轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ越大，表示液力耦合器得動(dòng)力儲(chǔ)存也越大，亦即其傳遞功率和轉(zhuǎn)矩得能力越大。轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ的值主要是由液力耦合器工作腔的幾何尺寸及形狀、以及工作腔流道表面的粗糙度等因素所決定的。
對(duì)于已確定工作腔尺寸和形狀的液力耦合器，轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ僅隨轉(zhuǎn)速比而變，即λ＝f(i)，在額定工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速比in時(shí)，液力耦合器的轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ值約為(0.8～2.0)×10－6 min2/m，gb5837-86 規(guī)定，調(diào)速型液力耦合器的轉(zhuǎn)矩系數(shù)值因滿足λ≥1.7×10－6 min2/m 。
(5)調(diào)速效率ηv(液力耦合器效率)
液力耦合器的調(diào)速效率又稱為傳動(dòng)效率。它等于液力耦合器的輸出功率p2與輸入功率p1之比，因?yàn)閙b=-mt，故有：
(3)
在忽略液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失等時(shí)，液力耦合器的調(diào)速效率等于調(diào)速比。當(dāng)液力耦合器工作時(shí)的轉(zhuǎn)速比越小，其調(diào)速效率也越低，這是液力耦合器的一個(gè)重要工作特性。
2 液力耦合器在風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速中的節(jié)能效果
2.1 液力耦合器在風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速中的功率損耗
由上可知，液力耦合器的調(diào)速效率等于調(diào)速比，所以液力耦合器屬低效調(diào)速裝置。液力耦合器在帶動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速工作時(shí)，轉(zhuǎn)速比越小，其調(diào)速效率越低，轉(zhuǎn)差功率損耗也越大；但是在帶動(dòng)葉片式風(fēng)機(jī)水泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速工作時(shí)，情況就不是這樣了。這是因?yàn)槿~片式風(fēng)機(jī)水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，這時(shí)液力耦合器所傳遞的功率也迅速減小，轉(zhuǎn)差功率損耗△p也就是一個(gè)很小的量了。
當(dāng)風(fēng)機(jī)與水泵由液力耦合器驅(qū)動(dòng)調(diào)速工作時(shí)，風(fēng)機(jī)或水泵的輸入軸與液力耦合器的從動(dòng)軸相連接，故風(fēng)機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速等于液力耦合器渦輪的轉(zhuǎn)速，即n=nt ,
而其軸功率p等于渦輪軸傳遞的功率，即p=pt 。根據(jù)葉片式風(fēng)機(jī)水泵的比例定律可知，
風(fēng)機(jī)水泵的軸功率p與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即p=kn3t。當(dāng)液力耦合器在最大轉(zhuǎn)速比i=in時(shí)，pt=ptn=kn3t，max 兩式相除得：
或改寫成：
即：
(4)
因?yàn)?， 即代入式(4)得：
(5)
由式(4)和式(5)可求出液力耦合器得轉(zhuǎn)差功率損失△p與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系為：
(6)
為求出最大轉(zhuǎn)差功率損耗時(shí)的轉(zhuǎn)速比，可將式(6)的△p對(duì)i求導(dǎo)數(shù)，再令導(dǎo)數(shù)為零，求出其極值點(diǎn)，即可求出其極大值或極小值：
(7)
得出取得極大值得極值點(diǎn)為 i = 2/3 = 0.667 。把極大值代入式(7)可求出液力耦合器的最大轉(zhuǎn)差功率損耗△pmax為：
(8)
注意：式(8)中的ptn為nt=nt,max時(shí)液力耦合器渦輪所傳遞的功率，等于風(fēng)機(jī)或水泵在最高轉(zhuǎn)速時(shí)的軸功率?！鱬max亦可用相應(yīng)的液力耦合器泵輪傳遞的功率pbn(等于風(fēng)機(jī)或水泵最高轉(zhuǎn)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出功率)表示，由ptn/pbn=in得：
(9)
通常，液力耦合器的 in = 0.97～0.98 ,代入式(8)及式(9)得：
(10)
以上通過(guò)理論分析，導(dǎo)出了液力耦合器的渦輪傳遞功率pt、泵輪傳遞功率pb、以及轉(zhuǎn)差功率損失△p的計(jì)算公式；證明了液力耦合器的最低轉(zhuǎn)差功率損失
△pmax發(fā)生再轉(zhuǎn)速比i = 2/3處。而不是轉(zhuǎn)速越低，△pmax越大。
由以上推導(dǎo)的公式可以作出葉片式風(fēng)機(jī)水泵在采用液力耦合器調(diào)速時(shí)的調(diào)速效率、泵輪傳遞功率、渦輪傳遞功率、轉(zhuǎn)差損失功率與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系曲線，如圖1所示。
圖1 葉片式風(fēng)機(jī)水泵在采用液力耦合器調(diào)速時(shí)的調(diào)速效率、泵輪傳遞功率、渦輪傳遞功率、轉(zhuǎn)差損失功率與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系曲線
從圖1中可以直觀地看出：隨著轉(zhuǎn)速比的減小，液力耦合器泵輪和渦輪所傳遞的功率也迅速減小，而轉(zhuǎn)差損失功率△p＝pb-pt，因而當(dāng)液力耦合器泵輪所傳遞的功率pb和渦輪所傳遞的功率pt都變得很小時(shí)，轉(zhuǎn)差損失功率△p也是一個(gè)很小的量了。
2.2 液力耦合器在風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速中的節(jié)能效果
下面通過(guò)一個(gè)具體的例子來(lái)說(shuō)明葉片式風(fēng)機(jī)水泵在采用液力耦合器調(diào)速，即使工作在低轉(zhuǎn)速比時(shí)，盡管其調(diào)速效率很低，但與節(jié)流調(diào)節(jié)相比，也還具有顯著的節(jié)能效果。
圖2某離心式通風(fēng)機(jī)的性能曲線
圖2所示為某離心式通風(fēng)機(jī)的性能曲線，設(shè)此風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在未經(jīng)節(jié)流調(diào)節(jié)和液力耦合器調(diào)節(jié)時(shí)，管路性能曲線經(jīng)過(guò)最高效率點(diǎn)，即q = 190×103m3/h，p = 280×9.81pa；由于管路靜壓pst=0，管路性能曲線經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，故此管路性能曲線與經(jīng)過(guò)最高效率點(diǎn)的相似拋物線相重合(因?yàn)樗鼈兌际墙?jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)和最佳工況點(diǎn)的二次拋物線)。下面分析比較將流量調(diào)節(jié)到風(fēng)機(jī)額定流量的50%時(shí)，即95×103m3/h時(shí)，采用節(jié)流調(diào)節(jié)和液力耦合器調(diào)節(jié)時(shí)各自所需的原動(dòng)機(jī)功率。
先看節(jié)流調(diào)節(jié)，從圖1-13可直接讀出：當(dāng)q=190×103m3/h時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率為158 kw，當(dāng)通過(guò)節(jié)流調(diào)節(jié)使q = 95×103m3/h時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率為115 kw。
而通過(guò)液力耦合器調(diào)速時(shí)，風(fēng)機(jī)的性能曲線要發(fā)生變化，但管路性能曲線不變，故變速前后的運(yùn)行工況點(diǎn)均位于管路性能曲線上，而管路性能曲線上的各點(diǎn)又都是相似工況點(diǎn)，相互之間的參數(shù)關(guān)系遵守比例定律：
; ;
故當(dāng)流量下降到額定值的50%時(shí)，轉(zhuǎn)速應(yīng)下降到額定轉(zhuǎn)速的50%，降速后風(fēng)機(jī)所需的軸功率為：
若再考慮到液力耦合器的損耗功率，就得到實(shí)際所需的原動(dòng)機(jī)功率。由式(3)可知，液力耦合器的調(diào)速效率等于調(diào)速比，當(dāng)轉(zhuǎn)速比i=0.5時(shí)，調(diào)速效率也等于0.5，這就意味著從液力耦合器輸入的功率只有一半為有效功率，而另一半則要損耗掉！因此，原動(dòng)機(jī)的輸出功率應(yīng)為19.75+19.75 =39.5kw。可見，當(dāng)把風(fēng)量調(diào)節(jié)到額定風(fēng)量的50%時(shí)，盡管在液力耦合器中要產(chǎn)生較大的損耗，但它較之節(jié)流調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，所損耗的原動(dòng)機(jī)功率仍然要少得多，比節(jié)流調(diào)節(jié)少消耗115-39.5=75.5kw，其節(jié)約的功率還是相當(dāng)可觀的，節(jié)電率達(dá)65.7%。當(dāng)然，這只是粗略的計(jì)算，實(shí)際上液力耦合器的冷卻水系統(tǒng)和油泵系統(tǒng)等輔助設(shè)備以及液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失也要消耗一定的功率(一般為額定傳動(dòng)功率的3%～4%)，故實(shí)際節(jié)約的功率比上述計(jì)算結(jié)果要少一些，約在70kw左右，實(shí)際節(jié)電率約為60%。
3 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速和液力耦合器調(diào)速對(duì)比計(jì)算
根據(jù)上述分析可知：液力耦合器的調(diào)速效率等于調(diào)速比，其轉(zhuǎn)差損耗變成油溫的升高散發(fā)掉了，加上液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失等于額定傳動(dòng)功率的3%～4%(取3.6%)，所以液力耦合器屬于低效的調(diào)速方式。
從圖2中可以直觀地看出：隨著轉(zhuǎn)速比的減小，液力耦合器泵輪和渦輪所傳遞的功率也迅速減小，而轉(zhuǎn)差損失功率△p＝pb-pt，因而當(dāng)液力耦合器泵輪所傳遞的功率pb和渦輪所傳遞的功率pt都變得很小時(shí)，轉(zhuǎn)差損失功率△p也是一個(gè)很小的量了。
由于液力耦合器的調(diào)速效率等于調(diào)速比，而變頻器的效率在94%～97%，所以用變頻器代替液力耦合器的節(jié)電率的計(jì)算就變得十分簡(jiǎn)單：
節(jié)電率 == 1-變頻器損耗-調(diào)速比＋液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失等于額定傳動(dòng)功率的3%～4%(取3.6%)/調(diào)速比。也就是“節(jié)電率=變頻器效率-調(diào)速比 + 3.6% pec/調(diào)速比” ！ 一般可以認(rèn)為變頻器的損耗和液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失相當(dāng)，則節(jié)電率的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為：節(jié)電率=100%－調(diào)速比。
如果要保留液力耦合器的話，節(jié)電率=變頻器效率 - 調(diào)速比 - 液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失等于額定傳送功率的3%～4%(取3.6%)/調(diào)速比 --液力耦合器因?yàn)閬G轉(zhuǎn)而損失的效率約3%～4%/調(diào)速比。為了與上式有可比性，均按實(shí)際傳送功率的4～5%計(jì)算的話，則節(jié)電率的計(jì)算也可以簡(jiǎn)化為：節(jié)電率=100% －調(diào)速比－(12～15%)。
以上的簡(jiǎn)化或近似在工程中是完全允許的?？梢姡ゲ蝗サ粢毫︸詈掀鞯墓?jié)電率的差別，若“液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失”一加一減以及“液力耦合器因?yàn)閬G轉(zhuǎn)而損失的效率”均按實(shí)際傳送功率的4～5%計(jì)算，其節(jié)電率相差12～15%。所以當(dāng)采用變頻器取代液力耦合器進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，為了取得最大的經(jīng)濟(jì)效益， 應(yīng)當(dāng)去掉液力耦合器。
表1 變頻器和液力耦合器的節(jié)能計(jì)算對(duì)比結(jié)果
由表1可見，對(duì)于風(fēng)機(jī)(靜壓pst=0)來(lái)說(shuō)，液力耦合器調(diào)速也有顯著的節(jié)電效果；在液力耦合器調(diào)速的基礎(chǔ)上進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，盡管在低轉(zhuǎn)速時(shí)也有很高的節(jié)電率，但是因?yàn)樵诘退贂r(shí)，由于傳遞功率也已經(jīng)變得很小了，所以其最大節(jié)電量也不會(huì)超過(guò)額定傳送功率 (pec)的18%(發(fā)生在三分之二額定轉(zhuǎn)速時(shí))。所以我們?cè)谶M(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造工程的節(jié)能計(jì)算時(shí)，一定要把這兩個(gè)容易混肴的概念區(qū)別開來(lái)。
值得注意的是：
(1) 在進(jìn)行有關(guān)液力耦合器調(diào)速的節(jié)能計(jì)算時(shí)，要用液力耦合器的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，而不能用液力耦合器的轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)橐毫︸詈掀鞯霓D(zhuǎn)速設(shè)定值(勺管油位)表示液力耦合器工作腔內(nèi)油量的多少，它與液力耦合器的輸出轉(zhuǎn)速不存在固定的線性關(guān)系，只是表示一種趨勢(shì)：即工作腔內(nèi)油位升高，輸出轉(zhuǎn)速增加，而它們之間具體的數(shù)量關(guān)系，每一臺(tái)液力耦合器都不同。表2是某實(shí)際工程中液力耦合器的勺管油位給定值和實(shí)際轉(zhuǎn)速
表2某實(shí)際工程中液力耦合器的勺管油位給定值和實(shí)際轉(zhuǎn)速
(2) 設(shè)計(jì)采用液力耦合器調(diào)速的風(fēng)機(jī)，在設(shè)備配套選型時(shí)，往往采用不同額定轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)配套，其原因是采用液力耦合器調(diào)速時(shí)不必采用額定轉(zhuǎn)速相同(或接近)的電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)配套，因?yàn)樵趩?dòng)時(shí)，可以先啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，然后再由液力耦合器“掛檔”，并根據(jù)不同的工藝要求，使風(fēng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。當(dāng)采用變頻器代替液力耦合器時(shí)，一旦因變頻器故障而退出運(yùn)行，為了使生產(chǎn)不受影響，需要將風(fēng)機(jī)切換到工頻運(yùn)行，但是由于電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速不同，因此不能直接投工頻運(yùn)行。如果系統(tǒng)有備用設(shè)備時(shí)，可以將備用設(shè)備投入使用，以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。
4 液力耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速的主要優(yōu)缺點(diǎn)比較
4.1 液力耦合器調(diào)速的主要優(yōu)缺點(diǎn)
液力耦合器用于葉片式風(fēng)機(jī)水泵的變速調(diào)節(jié)時(shí)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。在液力耦合器輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下，可以輸出無(wú)級(jí)連續(xù)變化的、且變化范圍很寬的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化較大時(shí)，與節(jié)流調(diào)節(jié)相比較，有顯著的節(jié)能效果。
(2)可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的空載啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流。因而可選用容量較小的電動(dòng)機(jī)及電控設(shè)備，減少設(shè)備的投資。
(3)可隔離震動(dòng)。液力耦合器的泵輪和渦輪之間沒有機(jī)械聯(lián)系，轉(zhuǎn)矩通過(guò)工作液體傳遞，是柔性連接。當(dāng)主動(dòng)軸有周期性的震動(dòng)(如扭震等)時(shí)，不會(huì)傳到從動(dòng)軸上，具有良好的隔震效果。能減緩沖擊負(fù)荷，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)水泵的機(jī)械壽命。
(4)過(guò)載保護(hù)。由于液力耦合器是柔性傳動(dòng)，其泵輪和渦輪之間有轉(zhuǎn)速差，故當(dāng)從動(dòng)軸阻力矩突然增加時(shí)，轉(zhuǎn)速差增大，甚至當(dāng)風(fēng)機(jī)或水泵等負(fù)載機(jī)器制動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)仍能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不致被燒毀，風(fēng)機(jī)與水泵也可受到保護(hù)。同時(shí)裝在液力耦合器上的易熔放油塞還能及時(shí)地把流道熱油自動(dòng)排空，切斷轉(zhuǎn)矩的傳遞。
(5) 除軸承外無(wú)其它磨損部件，故工作可靠，能長(zhǎng)期無(wú)檢修運(yùn)行，壽命長(zhǎng)。
(6)工作平穩(wěn)，可以和緩地啟動(dòng)、加速、減速和停車。
(7)便于控制。液力耦合器是無(wú)級(jí)調(diào)速，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，適用于各種伺服系統(tǒng)控制。
(8)能用于大容量風(fēng)機(jī)與水泵的變速調(diào)節(jié)，目前單臺(tái)液力耦合器傳遞的功率已達(dá)20mw以上。
液力耦合器的主要缺點(diǎn)是：
(1)和節(jié)流調(diào)節(jié)相比，增加了初投資，增加了設(shè)備安裝空間。大功率的液力耦合器除本體設(shè)備外，還要一套諸如冷油器等輔助設(shè)備和管路系統(tǒng)。
(2)由于液力耦合器的最大轉(zhuǎn)速比為in = 0.97～0.98，故液力耦合器輸出的最大轉(zhuǎn)速要比輸入轉(zhuǎn)速低。因此在選擇風(fēng)機(jī)與水泵時(shí)，要按照液力耦合器的最大輸出轉(zhuǎn)速確定其容量，而不能用電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速來(lái)確定風(fēng)機(jī)與水泵的容量。此外考慮到液力耦合器的轉(zhuǎn)差損失(2%～3%)、升速齒輪損失(1.5%～3%)、機(jī)械損失和容積損失及油泵功率消耗(總計(jì)小于1%)等因素，電動(dòng)機(jī)的容量亦要稍增大些。
(3)當(dāng)液力耦合器的轉(zhuǎn)矩一定而轉(zhuǎn)速比較低時(shí)，不僅液力耦合器的體積和重量將增加，而且調(diào)速的延遲時(shí)間增大，反應(yīng)變慢，當(dāng)轉(zhuǎn)速比小于0.4時(shí)，還會(huì)使工作不穩(wěn)定，因此液力耦合器最適用于較高轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速的場(chǎng)合。
(4)液力耦合器在運(yùn)轉(zhuǎn)中隨著負(fù)載的變化，其輸出轉(zhuǎn)速也要相應(yīng)的變化，所以不能保持精確的轉(zhuǎn)速比，因此不適用于要求精確轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。
(5)液力耦合器一旦發(fā)生故障，被拖動(dòng)的負(fù)載也就不能工作。
(6)雖然液力耦合器用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速時(shí)具有顯著的節(jié)能效果，但是由于液力耦合器的調(diào)速效率等于轉(zhuǎn)速比，特別是在低速段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差損耗還是很大的，因此液力耦合器仍屬低效調(diào)速裝置。
4.2 變頻調(diào)速的主要優(yōu)缺點(diǎn)
變頻調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是：
(1)可實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，且調(diào)速精度高，轉(zhuǎn)速(頻率)分辯率高。
(2)調(diào)速效率高。變頻調(diào)速的特點(diǎn)是在頻率變化后，電動(dòng)機(jī)仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，基本上保持額定轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差損失不增加。變頻調(diào)速時(shí)的損失，只是在變頻裝置中產(chǎn)生的變流損失，以及由于高次諧波的影響，使電動(dòng)機(jī)的損耗有所增加，相應(yīng)效率有所下降。所以變頻調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。
(3)調(diào)速范圍寬，一般可達(dá)10:1(50～5hz)或20∶1(50～2.5hz)。并在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的調(diào)速裝置效率ηv。所以變頻調(diào)速方式適用于調(diào)速范圍寬，且經(jīng)常處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)行的負(fù)載。
(4)功率因數(shù)高，可以降低變壓器和輸電線路的容量，減少線損，節(jié)省投資。
或在同樣的電源容量下，可以多裝風(fēng)機(jī)或水泵負(fù)載。
(5)變頻裝置故障時(shí)可以退出運(yùn)行，改由電網(wǎng)直接供電(工頻旁路)。這對(duì)于泵或風(fēng)機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是很有利的。如萬(wàn)一變頻裝置發(fā)生故障，就退出運(yùn)行，不影響泵與風(fēng)機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行；又如在接近額定頻率(50hz)范圍工作時(shí)，由變頻裝置調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性并不高，變頻裝置可退出運(yùn)行，由電網(wǎng)直接供電，改用節(jié)流等常規(guī)的調(diào)節(jié)方式。
(6)變頻裝置可以兼作軟起動(dòng)設(shè)備，通過(guò)變頻器可將電動(dòng)機(jī)從零速起動(dòng)連續(xù)平滑加速直致全速運(yùn)行。變頻軟起動(dòng)是目前最好的軟起動(dòng)方式，變頻器是目前最好的軟起動(dòng)設(shè)備。
變頻調(diào)速的主要缺點(diǎn)是：
(1)目前，變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大容量傳動(dòng)中推廣應(yīng)用的主要問(wèn)題有兩個(gè)：一個(gè)是我國(guó)大功率電動(dòng)機(jī)供電電壓高(3～10kv)，而功率開關(guān)器件耐壓水平不夠，造成電壓匹配上的問(wèn)題；二是高壓大功率變頻調(diào)速裝置技術(shù)含量高、難度大，因而投入也高(尤其是對(duì)于200kw～500kw)，而一般風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能改造都要求低投入，高回報(bào)，從而造成經(jīng)濟(jì)效益上的問(wèn)題。這兩個(gè)問(wèn)題是它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能的主要障礙。
(2) 因電流型變頻器輸出電流的波形和電壓型變頻器輸出電壓的波形均為非正弦波形而產(chǎn)生的高次諧波，對(duì)電動(dòng)機(jī)和供電電源會(huì)產(chǎn)生種種不良影響。如使電動(dòng)機(jī)附加損耗增加、溫升增高，從而使電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)下降，出力受到限制，噪聲增大以及對(duì)無(wú)線電通信干擾增大等。同時(shí)，高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，其脈動(dòng)頻率為6kf(k=1，2，3…)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率較低并接近裝置系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此，裝置系統(tǒng)必須注意避免在共振點(diǎn)附近運(yùn)行。如采用pwm變頻器或采用多重化技術(shù)的電流型和電壓型變頻器，其輸出波形大為改善，高次諧波大大減少，所以這個(gè)問(wèn)題可以得到大大的改善。
5 結(jié)束語(yǔ)
液力耦合器雖然屬于低效調(diào)速方式，但是當(dāng)用在風(fēng)機(jī)水泵類平方轉(zhuǎn)矩型負(fù)載的調(diào)速時(shí)，相對(duì)于節(jié)流調(diào)節(jié)方式而言，也有明顯的節(jié)能效果。且因其投資少，見效快，資金回收周期短，在老設(shè)備的改造中，容易收到明顯的節(jié)能效益。
變頻調(diào)速因其調(diào)速效率高，力能指標(biāo)(功率因數(shù))高，調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高等優(yōu)勢(shì)，又可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，減少電網(wǎng)的電流沖擊及設(shè)備的機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，對(duì)于大部分采用籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)水泵，變頻調(diào)速不失為目前最理想的調(diào)速方案。
在實(shí)際的節(jié)能改造項(xiàng)目中，應(yīng)根據(jù)用戶的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、節(jié)能指標(biāo)和設(shè)備的運(yùn)行要求綜合考量，選擇切實(shí)可行的改造方案。對(duì)于已經(jīng)采用液力耦合器調(diào)速的設(shè)備，如果不是因?yàn)橐毫︸詈掀鞯膯?wèn)題而影響生產(chǎn)的話，一般不要強(qiáng)行進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，因?yàn)槠涔?jié)能潛力畢竟有限(最大不超過(guò)18%pec)，投資回收期較長(zhǎng)，還要改動(dòng)基礎(chǔ)。如果是因?yàn)橐毫︸詈掀鞴收虾芏?，影響正常生產(chǎn)，那就又另當(dāng)別論了。
作者簡(jiǎn)介
徐甫榮(1946-) 男 1970年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電機(jī)工程系發(fā)電廠電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)專業(yè)，后在西安電子科技大學(xué)攻讀碩士研究生。畢業(yè)后國(guó)家電力公司熱工研究院自動(dòng)化所工作，任總工程師，教授級(jí)高工，現(xiàn)為深圳市科陸變頻器公司工程技術(shù)總監(jiān)，享受國(guó)家特殊津貼的專家。主要從事火電廠熱工自動(dòng)化和交直流電機(jī)調(diào)速拖動(dòng)及節(jié)能技術(shù)的研究工作，在國(guó)內(nèi)外各類學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文五十余篇，專著“高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐”等兩本。
參考文獻(xiàn)(略)
(未完待續(xù))
作 者：國(guó)家電力公司熱工研究院自動(dòng)化所， 徐甫榮
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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