风机水泵变频调速和液力耦合器调速节能对比计算讲解

1、风机水泵变频调速和液力耦合器调速节能比较广东明阳龙源电力电子有限公司 徐甫荣 朱修春摘 要： 本文介绍了液力耦合器的工作原理和主要特性，详细分析了液力耦合器在风机 水泵调速应用中的节能效果， 并与变频调速进行了对比计算， 给出了详实的数据， 澄清了一些误区；同时也客观地比较了变频调速和液力耦合器调速的优缺点，供 用户在选择节能方案时参考。关键词： 变频器 液力耦合器 风机 水泵 调速节能1 引 言 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

2、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。2 液

3、力耦合器的工作原理和主要特性参数2.1 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

4、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，

5、 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，亦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

6、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。2.2 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， 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=

7、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。液力耦合器在设计工况点的转速比 i n 是表示液力耦合器性能的一个重要 指标，i n表示涡轮转速为最大值时的转速比，通常 i n 0.97 0.98 。从液力 耦合器的

8、调速效率特性可知， i n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 0.4 0.98 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：21）SnBnT100%nB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，可得：nB nT SB T M 1 B M 2 TPB PTP（22）nBBM 1 BPBP

9、B即：S 1 PT 1P（23）PBPB（ 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 传递功率和转矩的能力越大。 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 i n 时，液力耦合器的转矩系数 值约 为（ 0.8 2.0 ） 106 min2/m，GB5837-86 规定，调速型液力耦合器的转矩系 数值因满足 1.7 10 6 mi

10、n2/m 。（5）调速效率 （液力耦合器效率） 液力耦合器的调速效率又称为传动效率。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：P2 PTMT TMT nT nTiP1 PB M B BM BnB n即： B i 1 S （ S 1）（ 2 4）nB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。3 液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果3.1 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

11、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 。

12、当液 力耦合器在最大转速比 i in 时， PT PTn kn3T ,max 两式相除得：PTPTn333或改写成： PT PTnnTPTnnTnBnT,maxnBnT ,max即：3PTPTn i3innBnT,max因为PPTB ， 即 PB PiT 代入式（ 27）得：2PBPTn 3in25）26）（27）（28）由式（ 27）和式（ 28）可求出液力耦合器得转差功率损失P与转速比的关系为：29）P PB PT PTn i i 3 iin为求出最大转差功率损耗时的转速比，可将式（ 29）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：d P P3Tn 2i

13、 3i 2 0 dii 3n得出取得极大值得极值点为 i = 2/3 = 0.667 。把极大值代入式（ 29）可求 出液力耦合器的最大转差功率损耗Pmax 为：210）注意：式（ 210）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再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：Pmax 0.148 P3Tn 0.148 PB3nin 0.148 P2Bn（211）i n i n i n通常，液力耦合器的 i n = 0.97 0.98 , 代入式

14、（ 2100及式（ 211）得： Pmax （ 0.157 0.162 ）PTn = （0.154 0.157） P Bn （2-12） 以上通过理论分析，导出了液力耦合器的涡轮传递功率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

15、损失功率与转速比的关系曲线 从图中可以直观地看出：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 P PB-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。3.2 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

16、过最高效率点，即 Q = 190103m3/h ，p = 280 9.81Pa；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 2 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 = 95 103m3/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

17、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：HH(nn )2(n)2PP(nn )3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：P P3 n nQ158kW 1 3 19.75kW2若再考虑到液力耦合器的损耗功率，则得实际所需得原动机功率。由式（ 2 4）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

18、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，节电率约为 60%。上面讨论的只是风机的情况，因为多数风机系统的管路性能曲线是经过坐 标原点的（ p

19、st=0），所以可以用相似工况来计算 （ 如图 2b） 。但是对于水泵来说 由于一般泵系统的静扬程 （Hst） 不等于零，所以其管路性能曲线并不经过坐标原 点，在这种情况下，管路性能曲线与变转速时的相似抛物线并不重合，即经液 力耦合器调速前后位于管路性能曲线上的两个运行工况点不是相似工况点，因 而不满足比例定律 （ 如图 3a） 。即变速前后的流量比不等于转速比，而是流量比 大于转速比。因为转速变化小，所以功率的减小量也小，因此水泵的调速节能效果比风机要差些图 3 转速变化时风机（水泵）装置运行工况点的变化（a）泵（当管路静扬程 Hst0时）；（b）风机（当管路静压 Pst=0 时）某锅炉给水

20、泵的性能曲线如图 4 所示，其在额定转速下运行时的运行工况点为 M，相应的 Q.M=380m3/h。现欲通过变速调节，使新运行工况点 M 的流量 减为 190m3/h ，试问其转速应为多少？（额定转速为 2950r/min）图 4 某锅炉给水泵的性能曲线和管路性能曲线变速调节时管路性能曲线不变，而泵的运行工况点必在管路性能曲线上，故 3M点可由 QM=190m3/h 处向上作垂直线与管路性能曲线相交得出 （见图 4），由 图可读出 M点的扬程 H M1 =1670m。M /与 M 不是相似工况点， 需在额定转速时 的 H-Q 曲线上找出 M 的相似工况点 A，以便求出 M 的转速。过 M /点

21、作相似抛物线，由相似定律可推得H QH2mm Q216702190222Q2 0.046Q2为把相似抛物线作到图 4上，上式（ H=0.046Q2）中H 与Q的关系列表如下：Q(m3/h)0100200220240H(m)0460184022262650把列表中数值作到图 4 上，此过 M 点的相似抛物线与额定转速下 H-Q 相交 于 A 点。由图可读出 QA=227m3/h，HA=2360m，故得 :n Qm n 190 29502469 (r/min) QA227或 n16 7 02 9502 4 8 1(r/min)2360上述两式得出的结果略有不同是因作图及读数误差引起的。从计算结果知

22、， 此泵装置因管路静扬程 Hst很高，故当流量减少到原流量的 50% 时，其转速只降 到原转速的 2469/2950 =83.7%，而不是 50% 。若锅炉给水泵电动机的额定功率为 2300kW，节流调节到 50流量时的实际 消耗功率为 2000kW ，试计算采用液力耦合器调速的节能效果。 由以上的计算可 知，当转速下降到 2469r/min，即额定转速的 83.7% 时，流量为 190t/h， 即额 定流量的 50% ，压力为 16.7MPa，略高于锅炉汽包压力，为了保证汽包顺利进 水，转速已不能再下降了。所以其调速范围为83.7%100% ，当水泵转速为额定转速的 83.7% 时，由 P/

23、P=（n/n）3，其轴功率 P=1173kW，因为液力耦合器 的调速效率等于调速比， 这时液力耦合器的输入功率为 1173kW/83.7%= 1400kW, 再加上液力耦合器本身的损耗，输入功率约为 1480kW，最大节电率约为 30% 左 右。与上面的风机相比，同样是 50流量，节电率却相差一半！4 风机水泵变频调速和液力耦合器调速对比计算4.1 风机的对比计算根据液力耦合器的调速效率等于调速比， 和液力耦合器的机械损失和容积损 失等于额定传动功率的 34（取 3.6%），以及变频器的效率为 94 97计算，结果列于下表。流量百分比(%)变速调节 理论轴功 率(%)节流调节 轴功率 (%)液

24、力耦合 器调速轴 功率 (%)液力耦合 器节电率 (%)变频调速 轴功率 (%)变频调速 节电率 (%)两种调速 节电率之 差(%)1001001001081039072.99584.610.9575.9420.110.068051.28767.622.353.3338.716.46729.68247.841.731.1262.220.56021.67839.649.222.7170.120.95012.572.828.660.713.1681.921.2406.46819.671.26.9589.818.6由上表可见，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

25、液力耦合器调速的基础上进行变频调速节能改造，平均不超过20的节电率。4.2 水泵的对比计算取水泵的静扬程为额定扬程的 60，根据液力耦合器的调速效率等于调速比，和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%)，以及变频器的效率为 94 97计算，结果列于下表。由下表可见，由 于水泵的静扬程较大(额定扬程的 60)，转速比大大减小，变速调节的节能效 果也大大减小；但是在液力耦合器调速的基础上进行变频调速节能改造，其平 均节电率也不超过 20。流量百比(%)转速百比()变速调 节 理 论 轴功率 (%)节流调 节轴功 率(%)液力耦 合器调 速轴功 率(%)液力耦 合器节 电

26、率(%)变频调 速轴功 率(%)变频调 速节电 率(%)两种调 速节电 率之差 (%)1001001001001081039096.589.869896.721.3293.64.493.198093.280.959490.453.7784.3210.37.537089.872.429084.256.3975.4316.199.806086.664.958578.617.5367.6520.4112.885083.758.647973.667.1661.0822.6815.524080.952.957469.056.6955.1225.5118.82105 液力耦合器调速和变频调速的主要优缺点比

27、较5.1 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，延长电动机和风机水泵 的机械寿命。（4）过载保护。由于液力

28、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。液力耦合器的主要缺点是：（1）和节流调节相

29、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 i n = 0.97 0.98 ，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，而且调速的延迟时间

30、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。11（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，产生的转差损耗还是较大的，因此液力耦合 器仍属低效调速装置。5.2 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。变频调速

31、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 101（50 5Hz）或 201（50 2.5Hz ）。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

32、以退出运行，改由电网直接供电（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： 一个是我国发电厂辅机电动机供电电压高（ 3 10KV），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，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压型变频器输出电压的波形均为 非正弦波形而产生的高次谐波，对电动机和供电电源会产生种种不良影响。如12 使电动机附加损耗增加、温升增高