高压变频器与液力耦合器调速的比较.pdf

‘ 变 频 器 世 界 2 0 0 4 年1 O 月 高 压 变 频 器 Hj an Vo} t aae I Nver t e r 高压变频器与液力耦合器调速的比较 Th e Comp ar e b e t we e n HV I n v er t er a n d Hy d r a u l i c Cou pl er Dr i v e 深t T i l f i i l ,u , 业技术学院范维浩 Fa n W e i ha o 弦 。 ≮ “ 【 ； I _ J 』 4 。 - l ， 』 H ， i 较 Abs t r a c t Th e p a p e r a na l 7 04 a nd C Ol r c 、t h e p l t i s c s a n d ll l i nt l s e S be t ＼ v e e l } t h e HV ． 1 ] 、 c r i e r a n d h y d r a u l i c c ‘ u pl e l’ di‘ i r e a n d， t h e i l c h ‘ I 、 I 11 a n d C I ] C I 。 【 、 i n g a p p l i c t t i o l 1 t h e w 1 l c r pu mp‘ a n d a i r bl o x e r ‘ r u n n i n g．Al s o pr m i d e s t h e c o nc l u s i o n a n d ug g es t i o n． Ke 、 、 o r ds H＼ i n x c r t c l ’ H dl’ a u l i c C OL l pl c i ’ L 1 r j ＼ c Al l ’ h 1 ‘ 、 、 c r＼ V a t e r p u mp En e l ’g y s a vi n g An a l y z e a n d c o mpa r e j 摹 ]T 、 1 9 2 1 乏 i ]{ { l 1 5 6 1 0 3 3 0 t 2 0 4 l t - 0 6 4 一 - l l 引言 高压变频调速技术是近年来发展起来的集电力电子、 自动控制 、微电子、 电机学 等之大成 的一项高新技术， 技术含量 高 ，难 度大，是 性能最好 ，效率最 高， 最为 理想的交流电机调速技术，它为风机水泵等设备的大量节 约电能提供了重要的新手段 。高压变频调速器是指电压等 级为 3 k V、6 kV、1 0 k V 的变频调速器 国外称之为中压 变频器 。它主要用于高压 电动机传动的风机 、水泵等设 备， 以达 到其节能运行 的 目的。 近年来高压变频调速技术 日趋成熟，并已有产品供应 于市场，在不少的工业部 门中得到广泛的应用，特别是 在火 电厂 、冶金 、有 色 、矿 山、 自来水 、石油化 工等 行业的风机泵类设备的应用，取得 了很好的经济效益和社 会效益。变频调速技术是我国节能的一项重点推广技术。 这在 我国 能源法 、 中国节能技术 政策大纲 中都 有明确的规定。有关高压变频调速技术的发展 、应用等 情况 已有很多论述和介绍，在此不再赘述。 液力耦合器是液力传动元件，是利用液体的动能来传 递功率的一种动力式液压传动装置，它相当于离心泵和涡 轮泵的组合。将其安装在异步电机和负载 风机、水泵等 6 4 l Th e W or l d o f I n v e r t e r s 之 间来传递转矩，可以在 电机恒速运转情况下，无级调 节负载的转速。液力耦合器是一种转差损耗的低效调速设 备 。在高压变频技术尚未成熟，尚未在工业 中应用之前， 液力耦合器在风机、水泵等调速节能方面曾有过较多的应 用，发挥过其应有的作用。随着高压变频调速技术的 日 渐成熟及应用推广，液力耦合器也将逐步退出风机 、泵 类调速节能的市场。尽管液力耦合器存在许多固有 的缺 点，但它仍在 以其价格低廉 的优势与高压变频器争夺市 场。甚至有些新的设计项 目 风机、泵类调速节能 仍以其 价格 因素而选择液力耦合器。 如何评价高压变频器和液力耦合器二者的优势，如何 正确地选择风机，泵类 的调速节能方式，可能还是一些 读者关心的问题 。作者根据 自己认识及所 了解的情况，对 此进行一些粗浅的分析和 比较，仅供参考，并愿与同仁 们进行商榷和讨论 。 2 高压变频调速器与液力耦合器主要技术经济 指标的比较 本文中对两者的比较，仅限于应用方面的技术性能的 比较，对他们的优缺点，以及客户关心的问题进行 比较 维普资讯 高 压 变 频 器 H【ah Volt a qe I r L v e r t e r 变频器世界 2 0 0 4年 1 0月 和 分析 。其简要的比较如表 1所示 。 表 1 高压变频器和液力耦合器主要技术经济指标的比较 性能 高压变频器 液力耦合器 调速范围 宽 窄 一 调速精度 向 低 一 效率 向 低 额定转差率 0 ≥3 ％ 软起动，对电网 直接起动， 起动性能 无冲击 对电网冲击大 设备的可靠性 高般 维修工作量 小 无 l l _ 呙 局 大 生产不能进行 故障睛况下对生产的影响 设备的利用率 功率因数 低 低 二者的技术经济性能比较如下 1 调速范围 高压变频器调速范围宽，达到 l 0 l以上，甚至达到 1 0 0 1以上； 而调速型液力耦合器的调速范围最大为 4 1 。 2 调速精度 高压变频器调速精度达到 0 ． 1 Hz ，而且稳定性高，这 是一个重要的技术指标。调速精度高、稳定性 高，意味 着所传动的风机 水泵 的压力和风量 流量 稳定，这对于稳 定生产工艺过程是很重要的，例如 对火力发电厂的锅炉辅 机 引风机、送风机、给水泵等 都需保持压力的恒定，高压 变频器能够满足这个要求。液力耦合器调速精度差，转速 波动大，例如某火力发电厂的给水泵采用进 口的液力耦合 器调速，转速经常在 5 1 O 0 5 4 0 0 r ／ mi n之间波动，使给水 泵的压力波动大，给发电机生产带来了不利影响，难以保 证 稳 定 生 产 。 3 效率 高压变频器效率高，无转差损耗，其效率达 0 ． 9 5以 上，并且不随调速的范围而变化。液力耦合器效率低，其 效率与调速 比成正比，负载的转速越低，其效率越低，图 1 所示为液力耦合器的效率 曲线。 图1 液力耦合器的效率曲线 液力耦合器 属转差损耗 型调 速，是低效调速设备 ， 在调速的过程 中， 转差功率以热能的形式损耗在油 中。这 不仅消耗 了能量 ，而且使液力耦合器油温升高，为此必 须采取妥善的冷却方式，特别是在环境温度较高的场合应 用，对冷却的要求更高 。例如某发电厂的给水泵的液力 耦合器在夏季不得不采取不间断的冲水冷却等措施，即使 如此，有时仍会因温度过高，威胁到液力耦合器安全时， 不得不停机， 以使温度降下来 。 4 额定转差率 高压变频器没有转差率 问题，负载与 电动机同轴， 电机能达到额定转速，即电机转速与负载转速相同，能达 到额定压力和额定风量 流量 。在电机结构允许的情况下， 还可以超过额定转速运行。 液力耦合器 由于是柔性连接，存 在着固定的转差率，即液力耦合器的转差率 ≥3 ％，所以， 负载的转速不可能达到电机的转速，最高只能达到电机转 速的 9 7 ％，因此负载 风机、水泵等 就不能达到额定输出， 其压力最高只能达到额定压力的9 4 ％，而风量 流量 最高只 能到额定值 的 9 1 ％左右。 5 起动性能 高压变频器具有真正意义上的软起动功能，它可以使 起动电流值保持在额定电流以内，不会对电网造成冲击，也 不会对所传动的风机 、泵类的机械设备带来冲击，是最理 想的软启动设备。液力耦合器属于直接起动类型，电动机 的起动电流约为额定电流的 4 - 7倍，对电网造成冲击，特 别是在电网容量受限而电机容量较大时，这种直接起动对 电网所造成的冲击有时是不允许的。例如某钢铁厂的一台 6 k V 1 4 0 0 k W 的炉前风机，在采用液力耦合器的情况下， 由于电机的起动电流对电网的冲击大，而不得不又增加了 一 台晶闸管高压软起动器。 6 可靠性 调速设备的可靠性 是客户最关心 的、最基本的 、也 是最主要的指标之一，它是能否保证生产的正常运行的关 键指标。高压变频器的可靠性高，故障率低，这在许多高 压变频器应用中得到证实 。而液力耦合器则可靠性差，特 别是漏油和打坏齿轮等。 7 维修工作量 高压变频器由于可靠性高，故障率低而使其维修量 少，据某电厂反映，给水泵采用的进 口液力耦合器维修工 作量仅打坏齿轮一项就需维修费 3 0余万元。当然，这也可 能仅是个别的例子。但总的来看液力耦合器的维修工作量 大于高压变频器 的维修工作量 。 8 故障情况下对生产的影响 在调速设备一旦发生故障时对生产会有什么影响，也 Th e W o r ld o f I n v er t er s I 6 5 维普资讯 ‘ 变 频 嚣 世 界 2 0 0 4 年1 0 月 高 压 变频 器 Hj a h V0}f a 0 e f rq v e r t e r 是用户关心的一个 问题 。高压变频器一旦发生故 障，则 可立 即切 出，并切换 到工频 电源上，使负载 风机 、水 泵等 能保持连续运行。液力耦合器 由于连接在电机和风 机之 间，一旦液力耦合器 出了故 障，负载便不能运行， 不能保证生产的连续性 。 9 设备的利用率 即是否能够充分的利用调速设备。高压变频器可以一 机多用，即一台高压变频器可以通过开关切换设备控制几 台高压 电机的运行 。液力耦合器只能一机一用，一 台液 力耦合器只能供一台负载使用 。 1 0 功率因数 高压变频器由于采用二极管整流，可以保证电网侧的 功率因数在 0 ． 9 5以上。液力耦合器调速则使电网侧功率 因数降低， 因为风机的 电机 的裕量都较大，输入 电流 中 无功分量就越大 ，导致其在低功率 因数下运行。 1 1 价格 价格的高低是客户关心的重要指标之一。高压变频器 的价格贵，液力耦合器价格便宜，这是液力耦合器与高 压变频器相比的主要优势之一 。 1 2 占地 面积 高压变频器设备 占地面积较大，它包括变频器本身和 与之配套的设备，但它可分散安装在控制室 O n 变频器 或室 外 如变压器 ； 液力耦合器占地面积小，但它必须安装在电 机和负载之间并与之同轴，需作基础固定。 3 高压变频器与液力耦合器应用于风机调速节 能的比较 参考文献 1的作者在这方面进行大量 的卓有成效的工 作，本文直接引用了参考文献 1 中的一些内容。根据某发电 厂一台2 0万 k W 机组风机选型，并加装液力耦合器改造的 试验状况，计算比较了该吸风机采用入 口档板，液力耦合器 调速和高压变频器调速三种调节方式功率损耗的情况。 该吸风机的异步 电动机的额定值 P 1 2 5 0 k W ， U N 6 k V， c o s cp Ⅳ0 ．8 5， 7 7 0 ．9 5 ， n ， 7 4 2 r ／ m i n。 三种调节方式在不同发电负荷时电动机的输入 电流， 综合功率损耗分别如图2和图3所示。 由图2和图 3可以看出 1 高压变频调速调节效率最高， 耗 电量最少， 液力耦 合器变速调节次之， 档板调节耗电量最大。 2 液力耦合器在发电机组满负荷时，转差S O ． 2 7 ，效 率 r 1 7 3 ％，二者基本成反比，而变频调速在调速的全范 6 6 I Th e W o r l d o f I n v er t er s 挡板i胃 节液力耩合罄⋯ 一 变绥器 图2 三种调节方式在不同发电负荷时电动机的输入电流 电动柄筠冶糖 1 2 0 l ∞ l ∞ 啪I ∞ 挡板调节液力耦合器 一 变颇器 图3 三种调节方式在不同发电负荷时电动机的综合功率损耗 围内效率基本不变，保持在 9 5 ％左右，所以它节 电显著。 3 使用液力耦合器输入电流中含有很大的无功分量， 而使用变频调速则无功分量很小， 因而输入 电流比使用液力 耦合器时小得多。 根据 GB1 2 4 9 7 9 5 三相异步电动机经济运行的 规定，异步 电动机运行时，因无功功率使电网增加的有功 损耗应计算到异步电动机的功率损耗中， 因此参考文献【 1 ] 用该标准给出的电动机综合效率进行计算比较，根据该机 组三天 包括周六和周 日 的 日负荷曲线 图 4 所计算的结果 如表 2所示 。 ／ ＼ ／ ～⋯／ J／， ＼ 7 ＼ 一 ， 图4 日负荷 曲线 蛳 蛳 m 啪 啪 啪 姗 啪 m o 维普资讯 高 压 变 频 器 H 0h VO f a 0 e i n v e r t e r 变频器世界 2 0 0 4年 1 0月 表2 三种调节方式的吸风机 日耗电量 单位k W ～日发电负荷 MW 3 4 6 9 周五 2 6 6 7 周六 2 9 1 0 周日 调节方式 ～、 、 ～～ 1 9 9 8 ． 1 1 ． 2 7 1 9 9 8 ． 1 1 ． 2 8 1 9 9 8 ． 1 1 ． 2 9 档板 1 7 5 7 5 1 5 8 4 3 1 6 4 7 4 液力耦合器 8 9 2 0 6 6 9 6 7 4 3 7 高压变频器 5 1 3 4 2 7 3 8 3 4 9 9 按机组年运行 7 2 0 0 小时 3 0 0 天 计算， 以图4 给出的负 荷曲线作为典型 日负荷曲线， 应用高压变频调速年节电 3 5 0 万k Wh以上， 而使用液力耦合器年节电能为 1 0 0 多万k Wh 。 4 经济性评价 对风机，水泵 等设备进行调速节能改造时，首先应 进行可行性分析，进行经济性评价，在评价时，通常采用 “ 回收投资年限”比较法，这种方法是通过节约的电费与改 造设备的投资及安装费的比较，以投资收回的年限最短为 最优方案。上述应用实例中，用这种方法计算，高压变频 器的投资回收期 T为 T 投资额 ／年节电费 3 5 0 ／1 0 83 ． 2年 而液力耦合器的投资回收期为 1年多。这种经济性评 价方法有一定的局限性，没有考虑设备的使用年限、运行 费用、维修费用等因素。参考文献[ 2 】 所提出的 “ 将来费用 折算现值”法是比较全面，可以采用的一种经济性评价方 法。这种方法是指所购买设备费，设备安装调试费，维持 在设备使用寿命期间所需的运行费，维修费的折算现值，以 总现值年平均最低为最优方案。 将来费用折算现值可按下式计算 F E T S TE T S X HD X D F WX X YS X 1 0 式中 F E-- _ -将 来费用现值万元 T S一风机台数 T E 风机和调速等附加装置总投资 万元 HD 风机系统的年耗电量 k wh ／年 DF一 电费 元 ／ k Wh YS 调速设备的使用寿命年 WX 风机和附加设备的年维修费 元 这种经济性评价方法不仅考虑了设备的一次投资和它 的节电率，还考虑它的维修费，运行费用，使用年限等因 素。它和 “ 回收投资年限”法相 比是一种比较全面比较科 学的经济性评价方法 。对于上述应用实例，用这种方法计 算，高压变频器的投资回收期比液力耦合器的投资回收期 相当，甚至投资回收期还短些，可见高压变频器方案优于 液力耦合器。 5 结束语 通过上述对高压变频器和液力耦 合器的优缺点 的分 析，及其在风机水泵在调速节能运行 应用中的比较，不 难得出这样的结论 高压变频器在技术经济等方面都是优越 的、先进的。它和液力耦合器相 比，不仅技术先进，而 且经济合理 。尽管高压变频器的初期投资远高于液力耦合 器，但它 的综合经济效益优于液力耦合器，它不仅是风 机水泵调速节能运行的发展方向，而且也符合国家政策的 规定，是应当大力推广 的先进技术 。 参考文献 [ 1 】 白 恺． 火力发电厂大型电动机应用变频调速技术 的可行性[ A】 ．电厂高压电动机变频调速装置[ C 】 ．中国电力 技术协会， 中国电力器乐联合会科技服务中心． [ 2 】刘家钰， 齐春松． 电厂风机 泵 变频调速技术经济 分析[ A】 ．电厂高压电动机变频调速装置[ C】 ．中国电力技术 协会， 中国电力器乐联合会科技服务中心． [ 3 】 张永惠． 高压变频器技术的比较[ J 】 ．变频器世界， 2 0 0 1 8 ． [ 4 】上海节能办公室等风机水泵调速节能手册[ M】 ．北 京 机械工业出版社， 1 9 8 7 ． 作者简介 范维浩 1 9 5 5 一 男 高级工程师主要从事单片机产 品的研发和 自动化技术的应用及教学工作。 上接第5 1 页 [ 4 】S I E ME NS S 7 3 0 0 、 7 - 4 0 0语句表编程[ Z 】 ． S I E ME NS公司． [ 5 】MAS T E RD RI VE S MC F u n c t i o n d i a g r a m “ F 0 1 t e c h n o l o g y o p t i o n ” P o s i t i o n i n g a n d s y n c h r o n i z a t i o n [ Z 】 ．S I E ME N S公司． [ 6 】MA S TE RD RI V E S MC “ F r e e b l o c k s “f u n c t i o n d i a g r a m S t a t u s[ Z 】 ．S I E ME NS公司． 作者简介 李田科 男 1 9 9 4年中国纺织大学 自动控制系毕 业，1 9 9 9年获中国人民银行工程师资格，现主要从事硬币 压印机电气设计及改造。 Th e Wor ld o f I n v e ae r s I 6 7 维普资讯