风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座(五) 第一讲 风机变频调速节能技术

1、风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座（五） / 第一讲 / 风机变频调速节能技术（5）作 者：国家电力公司热工研究院自动化所， 徐甫荣四、 风机变频调速和液力耦合器调速节能比较交流异步笼型电动机以其优异的性能和环境适应能力而获得了广泛的应用，但是其调速技术却一直困扰着工程界。在变频技术发明以前，人们只能采用电磁转差离合器调速，而电磁转差离合器调速又不适合大功率电机；继而又发明了液力耦合器，解决了大功率电动机的调速问题，并获得了广泛的应用。但是，它们都属于低效调速方式，其调速效率等于调速比。即便如此，当其用在风机水泵的调速时，与采用挡板和阀门的节流调节相比，也具有显著的节能效果。在已经采用液力耦合

2、器调速的场合，进行变频调速节能改造时，一定要认识到这一点，对其节能潜力有一个正确的估计，以免达不到预期的效果。不要以节能效果作为评价其经济性的唯一指标，而要与进行变频调速节能改造后带来的其它好处一起综合评价其经济效益，比如改善启动性能、提高调速精度、满足工艺控制要求、提高产品质量、增加生产效率、延长设备寿命、减少维修费用和降低噪声水平等等。1 液力耦合器的工作原理和主要特性参数1.1 液力耦合器的工作原理液力耦合器是一种以液体(多数为油)为工作介质、利用液体动能传递能量的一种叶片式传动机械。按应用场合不同可分为普通型(标准型或离合型)、限矩型(安全型)、牵引型和调速型四类。用于风机水泵调速节能

3、的为调速型，这里讨论的仅限于调速型。调速型液力耦合器主要由泵轮、涡轮、旋转外套和勺管组成，泵轮和涡轮均为具有径向叶轮的工作轮，泵轮与主动轴固定连接，涡轮与从动轴固定连接；主动轴与电动机连接，而从动轴则与风机或水泵连接。泵轮与涡轮之间无固体的部件联系，为相对布置，两者的端面之间保持一定的间隙。由泵轮的内腔p和涡轮的内腔t共同形成的圆环状的空腔称为工作腔。若在工作腔内充以油等工作介质，则当主动轴带着泵轮高速旋转时，泵轮上的叶片将驱动工作油高速旋转，对工作油做功，使油获得能量(旋转动能)。同时高速旋转的工作油在惯性离心力的作用下，被甩向泵轮的外圆周侧，并流入涡轮的径向进口流道，其高速旋转的旋转动能将

4、推动涡轮作旋转运动，对涡轮做功，将工作油的旋转动能转化为涡轮的旋转动能。工作油对涡轮做功后，能量减少，流出涡轮后再流入泵轮的径向进口流道，在泵轮中重新获得能量。如此周而复始的重复，形成了工作油在泵轮和涡轮中的循环流动。在这个过程中，泵轮驱动工作油旋转时就把原动机的机械能转化为工作油的动能和压力势能，这个原理与叶片式泵的叶轮相同，故称此轮为泵轮；而工作油在进入涡轮后由其所携带的动能和压力势能在推动涡轮旋转时对涡轮做功，又转化为涡轮输出轴上的机械能，这个原理与水轮机叶轮的作用相同，故称此轮为涡轮。涡轮的输出轴又与风机或水泵相联接，因此输出轴又把机械能传给风机或水泵，驱动风机水泵旋转。这样就实现了电

5、动机轴功率的柔性传递。只要改变工作腔内工作油的充满度，即改变循环圆内的循环油量，就可以改变液力耦合器所传递的转矩和输出轴的转速，从而实现了电动机在定速旋转的情况下对风机或水泵的无级变速。工作油油量的变化是通过一根可移动的勺管(导流管)位置的改变而实现的：勺管可以把其管口以下的循环油抽走，当勺管往上推移时，在旋转外套中的油将被抽吸，使工作腔内的工作油量减少，涡轮减速，从而使风机或水泵减速；反之，当勺管往下推移时，风机或水泵将升速。1.2 液力耦合器的主要特性参数表示液力耦合器性能的特性参数主要有转矩m、转速比i、转差率s、转矩系数、和调速效率v等。(1)转矩m当忽略液力耦合器的轴承及鼓风损失时，

6、其输入转矩m1等于传递给泵轮的转矩mb，即m1=mb。其输出转矩m2与涡轮的阻力矩大小相等，方向相反，即m2=-mt。若忽略工作液体的容积损失等，则由动量矩定律及作用力与反作用力定律可以证明mb=-mt，因此有m1=m2。着就是说，液力耦合器不能改变其所传递的力矩，其输出力矩m2等于其输入力矩m1。(2)转速比i液力耦合器运行时其涡轮转速nt与泵轮转速nb之比，称为液力耦合器的转速比i，即：i= nt/nb液力耦合器在正常工作时，其转速比i必然小于1。因为若i=1，就意味着泵轮与涡轮之间不存在转速差，两者同步转动，而当泵轮与涡轮同步转动时，工作油的旋转动能是不能对涡轮作功的，也就不能传递功率。

7、液力耦合器在设计工况点的转速比in是表示液力耦合器性能的一个重要指标，in表示涡轮转速为最大值时的转速比，通常 in= 0.970.98。从液力耦合器的调速效率特性可知，in表示了液力耦合器调速效率的最高值。液力耦合器在工作时，其转速比一般在0.40.98 之内，当其小于0.4时，由于转速比小，工作腔内充油量少，工作油升温很快，工作腔内气体量大，这时工作中常会出现不稳定状况。(3)转差率s液力耦合器工作时，其泵轮与涡轮的转速差与泵轮转速之比的百分数，称为转差率，即：液力耦合器的转差率除表示相对转速差的大小外，还表示在液力耦合器中功率的传动损失率。由液力耦合器的输入、输出力矩相等，即m1=m2，

8、可得：(1)即： (2)(4)转矩系数转矩系数是液力耦合器得一个重要技术指标，它表示液力耦合器通流部分的完善程度。转矩系数越大，表示液力耦合器得动力储存也越大，亦即其传递功率和转矩得能力越大。转矩系数的值主要是由液力耦合器工作腔的几何尺寸及形状、以及工作腔流道表面的粗糙度等因素所决定的。对于已确定工作腔尺寸和形状的液力耦合器，转矩系数仅随转速比而变，即f(i)，在额定工况点的转速比in时，液力耦合器的转矩系数值约为(0.82.0)106 min2/m，gb5837-86 规定，调速型液力耦合器的转矩系数值因满足1.7106 min2/m 。(5)调速效率v(液力耦合器效率)液力耦合器的调速效率

9、又称为传动效率。它等于液力耦合器的输出功率p2与输入功率p1之比，因为mb=-mt，故有：(3)在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等时，液力耦合器的调速效率等于调速比。当液力耦合器工作时的转速比越小，其调速效率也越低，这是液力耦合器的一个重要工作特性。2 液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果2.1 液力耦合器在风机水泵调速中的功率损耗由上可知，液力耦合器的调速效率等于调速比，所以液力耦合器属低效调速装置。液力耦合器在带动恒转矩负载调速工作时，转速比越小，其调速效率越低，转差功率损耗也越大；但是在带动叶片式风机水泵类平方转矩负载调速工作时，情况就不是这样了。这是因为叶片式风机水泵的轴功率与转速

10、的三次方成正比，这时液力耦合器所传递的功率也迅速减小，转差功率损耗p也就是一个很小的量了。当风机与水泵由液力耦合器驱动调速工作时，风机或水泵的输入轴与液力耦合器的从动轴相连接，故风机水泵的转速等于液力耦合器涡轮的转速，即n=nt ,而其轴功率p等于涡轮轴传递的功率，即p=pt 。根据叶片式风机水泵的比例定律可知，风机水泵的轴功率p与其转速的三次方成正比，即p=kn3t。当液力耦合器在最大转速比i=in时，pt=ptn=kn3t，max 两式相除得：或改写成： 即： (4)因为 ， 即代入式(4)得：(5)由式(4)和式(5)可求出液力耦合器得转差功率损失p与转速比的关系为：(6)为求出最大转差

11、功率损耗时的转速比，可将式(6)的p对i求导数，再令导数为零，求出其极值点，即可求出其极大值或极小值：(7)得出取得极大值得极值点为 i = 2/3 = 0.667 。把极大值代入式(7)可求出液力耦合器的最大转差功率损耗pmax为：(8)注意：式(8)中的ptn为nt=nt,max时液力耦合器涡轮所传递的功率，等于风机或水泵在最高转速时的轴功率。pmax亦可用相应的液力耦合器泵轮传递的功率pbn(等于风机或水泵最高转速时电动机的输出功率)表示，由ptn/pbn=in得：(9)通常，液力耦合器的 in = 0.970.98 ,代入式(8)及式(9)得：(10)以上通过理论分析，导出了液力耦合器

12、的涡轮传递功率pt、泵轮传递功率pb、以及转差功率损失p的计算公式；证明了液力耦合器的最低转差功率损失pmax发生再转速比i = 2/3处。而不是转速越低，pmax越大。由以上推导的公式可以作出叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线，如图1所示。图1 叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线从图1中可以直观地看出：随着转速比的减小，液力耦合器泵轮和涡轮所传递的功率也迅速减小，而转差损失功率ppb-pt，因而当液力耦合器泵轮所传递的功率pb和涡轮所传递的功率pt都

13、变得很小时，转差损失功率p也是一个很小的量了。2.2 液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果下面通过一个具体的例子来说明叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速，即使工作在低转速比时，尽管其调速效率很低，但与节流调节相比，也还具有显著的节能效果。图2某离心式通风机的性能曲线图2所示为某离心式通风机的性能曲线，设此风机系统在未经节流调节和液力耦合器调节时，管路性能曲线经过最高效率点，即q = 190103m3/h，p = 2809.81pa；由于管路静压pst=0，管路性能曲线经过坐标原点，故此管路性能曲线与经过最高效率点的相似抛物线相重合(因为它们都是经过坐标原点和最佳工况点的二次抛物线)。下面分析比

14、较将流量调节到风机额定流量的50%时，即95103m3/h时，采用节流调节和液力耦合器调节时各自所需的原动机功率。先看节流调节，从图1-13可直接读出：当q=190103m3/h时，风机的轴功率为158 kw，当通过节流调节使q = 95103m3/h时，风机的轴功率为115 kw。而通过液力耦合器调速时，风机的性能曲线要发生变化，但管路性能曲线不变，故变速前后的运行工况点均位于管路性能曲线上，而管路性能曲线上的各点又都是相似工况点，相互之间的参数关系遵守比例定律：; ;故当流量下降到额定值的50%时，转速应下降到额定转速的50%，降速后风机所需的轴功率为：若再考虑到液力耦合器的损耗功率，就得

15、到实际所需的原动机功率。由式(3)可知，液力耦合器的调速效率等于调速比，当转速比i=0.5时，调速效率也等于0.5，这就意味着从液力耦合器输入的功率只有一半为有效功率，而另一半则要损耗掉！因此，原动机的输出功率应为19.75+19.75 =39.5kw。可见，当把风量调节到额定风量的50%时，尽管在液力耦合器中要产生较大的损耗，但它较之节流调节来说，所损耗的原动机功率仍然要少得多，比节流调节少消耗115-39.5=75.5kw，其节约的功率还是相当可观的，节电率达65.7%。当然，这只是粗略的计算，实际上液力耦合器的冷却水系统和油泵系统等辅助设备以及液力耦合器的机械损失和容积损失也要消耗一定的

16、功率(一般为额定传动功率的3%4%)，故实际节约的功率比上述计算结果要少一些，约在70kw左右，实际节电率约为60%。3 风机变频调速和液力耦合器调速对比计算根据上述分析可知：液力耦合器的调速效率等于调速比，其转差损耗变成油温的升高散发掉了，加上液力耦合器的机械损失和容积损失等于额定传动功率的3%4%(取3.6%)，所以液力耦合器属于低效的调速方式。从图2中可以直观地看出：随着转速比的减小，液力耦合器泵轮和涡轮所传递的功率也迅速减小，而转差损失功率ppb-pt，因而当液力耦合器泵轮所传递的功率pb和涡轮所传递的功率pt都变得很小时，转差损失功率p也是一个很小的量了。由于液力耦合器的调速效率等于

17、调速比，而变频器的效率在94%97%，所以用变频器代替液力耦合器的节电率的计算就变得十分简单：节电率 = 1-变频器损耗-调速比液力耦合器的机械损失和容积损失等于额定传动功率的3%4%(取3.6%)/调速比。也就是“节电率=变频器效率-调速比 + 3.6% pec/调速比” ！ 一般可以认为变频器的损耗和液力耦合器的机械损失和容积损失相当，则节电率的计算可以简化为：节电率=100%调速比。如果要保留液力耦合器的话，节电率=变频器效率 - 调速比 - 液力耦合器的机械损失和容积损失等于额定传送功率的3%4%(取3.6%)/调速比 -液力耦合器因为丢转而损失的效率约3%4%/调速比。为了与上式有可

18、比性，均按实际传送功率的45%计算的话，则节电率的计算也可以简化为：节电率=100% 调速比(1215%)。以上的简化或近似在工程中是完全允许的。可见，去不去掉液力耦合器的节电率的差别，若“液力耦合器的机械损失和容积损失”一加一减以及“液力耦合器因为丢转而损失的效率”均按实际传送功率的45%计算，其节电率相差1215%。所以当采用变频器取代液力耦合器进行节能改造时，为了取得最大的经济效益， 应当去掉液力耦合器。 表1 变频器和液力耦合器的节能计算对比结果 由表1可见，对于风机(静压pst=0)来说，液力耦合器调速也有显著的节电效果；在液力耦合器调速的基础上进行变频调速节能改造，尽管在低转速时也

19、有很高的节电率，但是因为在低速时，由于传递功率也已经变得很小了，所以其最大节电量也不会超过额定传送功率 (pec)的18%(发生在三分之二额定转速时)。所以我们在进行变频调速节能改造工程的节能计算时，一定要把这两个容易混肴的概念区别开来。值得注意的是：(1) 在进行有关液力耦合器调速的节能计算时，要用液力耦合器的实际输出转速进行计算，而不能用液力耦合器的转速设定值进行计算。因为液力耦合器的转速设定值(勺管油位)表示液力耦合器工作腔内油量的多少，它与液力耦合器的输出转速不存在固定的线性关系，只是表示一种趋势：即工作腔内油位升高，输出转速增加，而它们之间具体的数量关系，每一台液力耦合器都不同。表2

20、是某实际工程中液力耦合器的勺管油位给定值和实际转速表2某实际工程中液力耦合器的勺管油位给定值和实际转速(2) 设计采用液力耦合器调速的风机，在设备配套选型时，往往采用不同额定转速的电动机和风机配套，其原因是采用液力耦合器调速时不必采用额定转速相同(或接近)的电动机和风机配套，因为在启动时，可以先启动电动机，然后再由液力耦合器“挂档”，并根据不同的工艺要求，使风机在不同的转速下运行。当采用变频器代替液力耦合器时，一旦因变频器故障而退出运行，为了使生产不受影响，需要将风机切换到工频运行，但是由于电动机和风机的额定转速不同，因此不能直接投工频运行。如果系统有备用设备时，可以将备用设备投入使用，以保证

21、生产的正常进行。4 液力耦合器调速和变频调速的主要优缺点比较4.1 液力耦合器调速的主要优缺点液力耦合器用于叶片式风机水泵的变速调节时，具有以下优点：(1)可实现无级调速。在液力耦合器输入转速不变的情况下，可以输出无级连续变化的、且变化范围很宽的转速。当转速变化较大时，与节流调节相比较，有显著的节能效果。(2)可实现电动机的空载启动，降低启动电流。因而可选用容量较小的电动机及电控设备，减少设备的投资。(3)可隔离震动。液力耦合器的泵轮和涡轮之间没有机械联系，转矩通过工作液体传递，是柔性连接。当主动轴有周期性的震动(如扭震等)时，不会传到从动轴上，具有良好的隔震效果。能减缓冲击负荷，延长电动机和

22、风机水泵的机械寿命。(4)过载保护。由于液力耦合器是柔性传动，其泵轮和涡轮之间有转速差，故当从动轴阻力矩突然增加时，转速差增大，甚至当风机或水泵等负载机器制动时，原动机或电动机仍能继续运转而不致被烧毁，风机与水泵也可受到保护。同时装在液力耦合器上的易熔放油塞还能及时地把流道热油自动排空，切断转矩的传递。(5) 除轴承外无其它磨损部件，故工作可靠，能长期无检修运行，寿命长。(6)工作平稳，可以和缓地启动、加速、减速和停车。(7)便于控制。液力耦合器是无级调速，便于实现自动控制，适用于各种伺服系统控制。(8)能用于大容量风机与水泵的变速调节，目前单台液力耦合器传递的功率已达20mw以上。液力耦合器

23、的主要缺点是：(1)和节流调节相比，增加了初投资，增加了设备安装空间。大功率的液力耦合器除本体设备外，还要一套诸如冷油器等辅助设备和管路系统。(2)由于液力耦合器的最大转速比为in = 0.970.98，故液力耦合器输出的最大转速要比输入转速低。因此在选择风机与水泵时，要按照液力耦合器的最大输出转速确定其容量，而不能用电动机的额定转速来确定风机与水泵的容量。此外考虑到液力耦合器的转差损失(2%3%)、升速齿轮损失(1.5%3%)、机械损失和容积损失及油泵功率消耗(总计小于1%)等因素，电动机的容量亦要稍增大些。(3)当液力耦合器的转矩一定而转速比较低时，不仅液力耦合器的体积和重量将增加，而且调

24、速的延迟时间增大，反应变慢，当转速比小于0.4时，还会使工作不稳定，因此液力耦合器最适用于较高转速的风机水泵调速的场合。(4)液力耦合器在运转中随着负载的变化，其输出转速也要相应的变化，所以不能保持精确的转速比，因此不适用于要求精确转速的场合。(5)液力耦合器一旦发生故障，被拖动的负载也就不能工作。(6)虽然液力耦合器用于风机水泵调速时具有显著的节能效果，但是由于液力耦合器的调速效率等于转速比，特别是在低速段产生的转差损耗还是很大的，因此液力耦合器仍属低效调速装置。4.2 变频调速的主要优缺点变频调速的主要优点是：(1)可实现平滑的无级调速，且调速精度高，转速(频率)分辩率高。(2)调速效率高

25、。变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，基本上保持额定转差率，转差损失不增加。变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失，以及由于高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。所以变频调速是一种高效调速方式。(3)调速范围宽，一般可达10:1(505hz)或201(502.5hz)。并在整个调速范围内均具有较高的调速装置效率v。所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于低转速状态下运行的负载。(4)功率因数高，可以降低变压器和输电线路的容量，减少线损，节省投资。或在同样的电源容量下，可以多装风机或水泵负载。(5)变频装置故障时可以退出运行，改由电

26、网直接供电(工频旁路)。这对于泵或风机的安全经济运行是很有利的。如万一变频装置发生故障，就退出运行，不影响泵与风机的继续运行；又如在接近额定频率(50hz)范围工作时，由变频装置调速的经济性并不高，变频装置可退出运行，由电网直接供电，改用节流等常规的调节方式。(6)变频装置可以兼作软起动设备，通过变频器可将电动机从零速起动连续平滑加速直致全速运行。变频软起动是目前最好的软起动方式，变频器是目前最好的软起动设备。变频调速的主要缺点是：(1)目前，变频调速技术在高压大容量传动中推广应用的主要问题有两个：一个是我国大功率电动机供电电压高(310kv)，而功率开关器件耐压水平不够，造成电压匹配上的问题；二是高压大功率变频调速装置技术含量高、难度大，因而投入也高(尤其是对于200kw500kw)，而一般风机水泵节能改造都要求低投入，高回报，从而造成经济效益上的问题。这两个问题是它应用于风机水泵调速节能的主要障碍。(2) 因电流型变频器输出电流的波形和电