摘要：本文通过计算比较了1000kW风机变频调速和液力偶合器调速耗能的差别，将偶合器调速改为变频调速可在1年多的时间内收回额外的投资。
关键词：变频调速﹑液力偶合器调速﹑节能
一﹑概述
交流异步电动机的调速方式有调压调速﹑电磁调速﹑液力偶合器调速﹑变极调速和变频调速。其中，调压调速﹑电磁调速﹑液力偶合器调速是改变转差率S的调速方式，需要消耗转差功率，这种消耗转差功率的调速方式，也就是调速需要以消耗能量为代价，是低效的调速方式；变极调速和变频调速是改变电动机极数和电源频率，是一种改变旋转磁场同步速度的方法，转差率S未变，没有转差损耗，是不耗能的调速。某30万kW火力发电厂使用若干台1000kW风机和水泵，其调速方式均为液力偶合器调速。对于某一台1000kW风机或水泵，如果分别用液力偶合器调速或变频调速，且假设风机的输出的风量在额定风量的65%-100%范围内变化，对比它们的投资和节能是很有意义的事。
二､液力偶合器调速系统效率
液力偶合器的实质是离心式油泵与涡轮机的组合。主要由输入轴、输出轴、泵轮、涡轮、外壳、辅助腔及安全保护装置等组成。输入轴一端与动力机相连，另一端与泵轮相连；输出轴一端与涡轮相连，另一端与工作机相连。泵轮与涡轮对称布置，轮内设置一定数量的叶片。外壳与泵轮固连成一个密封腔，腔内充填工作液体以传递动力。所配置的易熔塞、易爆塞等安全保护装置，能保证偶合器在超载时不发生事故。当动力机通过输入轴带动偶合器泵轮旋转时，充填在偶合器工作腔内的工作液体受离心力和工作轮叶片的双重作用，从半径较小的泵轮入口被加速加压抛向半径较大的泵轮出口，同时，液体的动量矩获得增量，即泵轮将动力机输入的机械能转化成了液体动能。当具有液体动能的工作液体由泵轮出口冲向对面的涡轮时，液流便冲击涡轮叶片使之与泵轮同方向转动，也就是说液体动能又转化成了机械能，驱动涡轮旋转并带动工作机做功。释放完液体动能的工作液体由涡轮入口流向涡轮出口并再次进入泵轮入口，开始下一次循环流动。就这样，工作液体在泵轮与涡轮间周而复始不停地作螺旋环流运动，于是输出与输入在没有任何机械连接的情况下，仅靠液体动能便柔性地联接在一起了。由于液力偶合器传递力矩的能力与其工作腔内的充液率大致成正比，故若在运行中设法改变工作腔的充液率，便可以调节输出力矩和输出转速，这便是调速型液力偶合器调速的基本原理。
液力偶合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动。系统中的液力偶合器在电机起动时起缓冲作用，液力偶合器本身的损耗是由主动部分的磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损耗所产生的。如果考虑到这些损耗与工作腔内对工作油进行加压的功率相平衡，且忽略不计的话，液力偶合器的输入､输出功率可由下式计算：
电动机轴输出功率
P1=T1n1 （1）
式中：T1—电动机的输出转矩
n1 –-电动机的输出轴转速
液力偶合器轴输出功率
P2=T2n2 （2）
式中：T2—液力偶合器的输出转矩
n2 –-液力偶合器的输出轴转速
|
（3） |
电动机的输出功率，即为液力偶合器的输入功率，对于恒转矩负载T= T1 = T2，所以，液力偶合器的效率 ：
在恒转矩负载下，液力偶合器的效率正比于输出转速，损耗功率与转差损耗成正比，即： （4）
转差率可按下式计算：
（5）
则得： （6）
对于机械特性为平方转矩风机､泵类负载，输出功率与转速的三次方成正比：
（7）
即：
（8）
式中：
--
设电机侧(包含液力偶合器的输入轴拖动的主动工作轮)效率为 ，电机的输入功率为：
（9）
若在 的条件下，电机的输入功率 。
液力偶合器调速为低效的调速方式，调速过程中消耗的转差功率为
（10）
由（4）式和（10）式可见，机械特性为平方转矩风机﹑泵类负载，液力偶合器调速过程中消耗的转差功率损耗比恒转矩负载损耗的功率要小得多，这是因为平方转矩特性风机､泵类负载，当转速下降时，输出功率按转速下降速率的三次方关系下降。
三﹑风机､泵类负载变频调速和液力偶合器调速的耗能比较
假定风机､泵类负载没有节流装置调节，根据风机特性的相似性原理和以上假设风机的输出的风量在额定风量的65%-100%范围内变化，则风机的转速也在额定转速的65%-100%范围内变化，由（10）式计算液力偶合器调速的耗能量如表1括弧中所示，当转速为额定转速时，由公式（3）其效率 等，这不符合液力偶合器效率最高为95%的特性，因此对计算出的数据进行了修正。
变频器的效率一般为96%，所以变频器损耗统一按4%计算。实际上，风机､泵类负载转速降低时，变频器的效率有所提高。
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表1风机､泵类负载变频调速和液力偶合器调速，不同转速时的节能量 |
由表1中可见，风机､泵类负载转速降低，液力偶合器调速的耗能量在增加。
四﹑变频调速和液力偶合器调速的投资比较
1﹑投资比较：
一台1000kW风机﹑泵类负载的液力偶合器的价格为40万元人民币，一台1000kW的高压变频器为80万元人民币，投资相差40万元。
2﹑节能比较
变频调速节能和节约的电费比较如表2所示：
表2变频调速节能和节电费比较表：
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转速调节量( ) |
变频调速代替液力偶合器调速的年节电量(kWh) |
节电费（元） |
|
0.65 |
1136880 |
568440 |
|
0.7 |
1130400 |
565200 |
|
0.75 |
1084320 |
542160 |
|
0.8 |
993600 |
496800 |
|
0.85 |
852480 |
426240 |
|
0.9 |
655200 |
327600 |
|
0.95 |
324720 |
162360 |
|
1 |
72000 |
36000 |
用变频器取代液力偶合器调速，且调速范围在65%-100%额定转速时，节能量最大为19.79%-4%=15.79%，但是，由于电动机的功率很大（1000Kw），每天按24小时，每年按300天计算，节电量仍非常可观。电费按每度0.5元计算，年节电费最多为56.8万元。即使在额定转速下运行，由于变频器的效率比液力偶合器高一个百分点，年节电费最少也有3.6万元。在调速过程中，风机不可能总是在0.65的额定速度下运转。由于设计﹑选型方面的因素，15%余量是常见的，那么，风机在0.85的额定速度下运转时所节电费为42.6万元，在1年的时间内可补偿由于选用变频器额而多花的40万元。
实际上，由于液力偶合器的效率最高为95%，由（3）式可知，液力偶合器调速起码损失5%的转速，变频调速基本没有转速损失，因此，用变频调速时，变频器的输出频率要适当下调，调速就节能。对于机械特性为平方转矩风机﹑泵类负载，转速的降低节能率大幅度提高，节能的效益会更显著，投资回收的时间会缩短。
五﹑结语
交流异步电动机可用多种方法调速，液力偶合器调速时常用的方法之一，主要的优点是结构简单，造价较低，缺点是耗能。对于风机､泵类负载，液力偶合器调速要比变频调速多耗能；对恒转矩负载，多耗能的比例更高。在风机､泵类负载上选用变频调速，有非常好的节能效果，经济效益极好，因此，用变频调速取代液力偶合器初始投资大一些，投资回收期很短，从经济角度考虑是值得的，从节能减排社会效益考虑有很大的意义。
参考文献：
1﹑彭海宇 杜俊明 变频调速节能的计算方法 自动化信息2006-10
2﹑杜俊明 彭海宇 某些恒转矩负载变频调速的节能研究 自动化博览2006-2
（转载）
