液力耦合器调速和高压变频器调速的比较

1、液力耦合器调速和高压变频器调速的比较由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n0与电源频率f1、磁极对数P之间的关系式为：(r/min)异步电动机的转差率S的定义式为：则可得异步电动机的转速表达式为：可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现：改变定子绕组的磁极对数P（变极调速）；改变供电电源的频率f1（变频调速）；改变异步电动机的转差率S调速。改变定子绕组磁极对数调速的方法称为变极调速；改变电源频率调速的方法称为变频调速，都是高效调速方法。而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差调速（串级调速除外），它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率都变成热量消耗掉了，绕线

2、式电机转子串电阻调速和定子调压调速就属于这种调速方式。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

3、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

4、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下的循环油抽走

5、，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，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

6、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

7、，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）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： （22）即： （23）（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

8、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 min2/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：即： （） （24）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

9、性。2 变频器调速的工作原理和主要特性参数21 变频调速由前所述可知，通过改变电动机供电电源频率的方法而达到调节电动机转速的调速方式称为变频调速。变频调速用的变频器是通过采用可关断的功率器件如：GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驱动、保护电路组成的。由于发电厂风机水泵的电动机功率都很大，一般采用3KV、6KV供电，所以必须采用高压变频器进行调速运行。 目前高压变频器在世界上不象低压变频器一样具有成熟的一致性的拓扑结构，而是限于采用目前有限电压耐量的功率器件，又要面对高压使用条件的情况下，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此主电路拓扑结构不尽一致，但都较成功地解决了高耐

10、压、大容量这一难题。如美国罗宾康（ROBICON）公司生产的第三代完美无谐波变频器；罗克韦尔（AB）公司生产的BULLETIN1557和Power Flex7000变频器；瑞典ABB公司生产的ACS1000变频器；德国西门子公司生产的SimovertMv变频器；意大利ANSALDO公司生产的SILCOVERT TH变频器；以及日本的三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内的利德华福公司和成都东方日立，成都佳灵公司，合康亿盛公司和山东新风光公司等生产的高压变频器。但归纳起来主要有两种：一是采用低耐压器件的多重化技术，再就是采用高耐压器件的多电平技术。（1）多重化技术所谓多重化技术就是每相由几个

11、低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。图1.12为6KV变频器的主电路拓扑图，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V×5=3450V，所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12°的相位差。图13中以中间接法为参考（0°），上下方各有两套分别超前（+12°、+24°）和滞后（-

12、12°、-24°）的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。图1.12多重化变频器拓扑图图1.13五功率单元串联变频器的电气连接图1.12中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。功率单元电路见图1.14。每个功率单元输出电压为1、0、-1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为±5、±4、±3、±2、±1和0。图1.15为一相合成的正波输出电压波形。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变

13、频器。采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术，由5对依次相移12°的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号，分别控制A1A5 5个功率单元，经叠加可得图1.15所示的具有11级阶梯电平的相电压波形，它相当于30脉波变频，理论上19次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2%和0.8%，堪称完美无谐波（Perfect Harmony）变频器。它的输入功率因数可达0.95以上，不必设置输入滤波器和功率

14、因数补偿装置。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的IGBT开关频率若为600HZ，则当5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6KHZ。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外，还可以降低噪声、du/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器对电机无特殊要求，可用于普遍笼型电机，且不必降额使用，对输出电缆长度也无特殊限制。由于功率单元有足够的滤波电容，变频器可承受-30%电源电压下降和5个周期的电源丧失。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加，但由于IGBT驱

15、动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达96%以上。图1.14功率单元电路图1.15五功率单元串联输出电压波形（2）多电平技术我国标准中压电压等级为6KV和10KV，若直接变频，即使用4.5KV6KV耐压的功率器件，仍需串联使用，使器件数量增加，电路复杂，成本增加，可靠性大为降低。为了避免功率器件的串、并联使用，世界上很多公司致力于开发高耐压、低损耗、高速度的功率器件。如西门子公司研制的HV-IGBT耐压可达4.5KV，ABB公司研制的新型功率器件一集成门极换流晶闸管（IGCT），耐压可达6KV，并在致力于研制耐压9KV的IGCT器件。在研制高耐压器件的同时，

16、对变频器的主电路拓扑的研究也有所突破，多电平技术就是使用有限耐压的功率器件，直接应用于6KV电压的主电路拓扑技术。图1.16是ABB公司ACS1000型12脉冲输入三电平高压变频器的主电路结构图。 整流部分采用12脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。由图1.16可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用高耐压的IGCT功率器件，使得器件总数减少为12个。随着器件数量的减少，成本降低，电路结构简洁，从而使体积缩小，可靠性更高。若采用6KV耐压的IGCT，变频器输出电压可达4.16KV，采用5.5KV耐压的IGCT，变频器输出电压可达3500V，将Y型接法的6KV中压

17、电动机改为接法，刚好适用此电压等级，同时也满足了IGCT电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求，因此这个方案可能是最经济合理的。若要输出6KV电压，还必须进行器件串联。由于变频器的整流部分是非线性的，产生的高次谐波将对电网造成污染。为此，图1.16所示的ACS1000系列变频器的12脉波整流接线图中，将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来，其初级绕组接成三角形，其次级绕组则一组接成三角形，另一组接成星形。整流变压器两个次级绕组的线电压相同，但相位则相差30°角，这样5次、7次谐波在变压器的初级将会有180°的相移，因而能够互相抵消，同样的17、19次谐波也会互相抵消

18、。这样经过2个整流桥的串联叠加后，即可得到12波头的整流输出波形，比6个波头更平滑，并且每个整流桥的二级管耐压可降低一半。采用12相整流电路减少了特征谐波含量，由于N=KP±1(P为整流相数、K为自然数、N为特征谐波次数)。所以网侧特征谐波只有11、13、23、25次等。如果采用24脉波整流电路，网侧谐波将更进一步被抑制。两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在0.95以上，不需要功率因数补偿电容器。图1.16三电平IGCT变频器主电路结构图图1.17 三电平PWM变频器输出线电压波形图变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三

19、电平逆变方式所固有的。输出线电压波形见图1.17。因此在变频器的输出侧必须配置输出滤波器才能用于普通的笼型电动机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，随着转速的降低，功率因数和效率都会相应降低。（3）两种类型变频器的性能比较现对多重化变频器（CSML）和三电平(中性点钳位)变频器（NPC）进行性能比较，两种高压变频器各有优缺点，分别体现在以下各方面：器件数量以6KV输出电压等级的变频器为例，采用NPC方式，逆变器部分需36个耐压为3300V的高压IGBT，或者采用24个耐压为5000V的IGCT。采用CSML方式，需要15个功率

20、单元，共计60个耐压为1700V的低压IGBT。从器件的数量上看，CSML方式要多于NPC方式，但CSML方式采用的是低压IGBT，相对于高压功率器件而言，低压器件的技术更加成熟、可靠，成本也较低。均压问题：均压问题（包括静态均压和动态均压）是影响高压变频器可靠性的重要因素，采用NPC方式，当输出电压等级较高（如6KV）时，单用12个器件不能满足耐压要求，必须采用器件直接串联，器件直接串联必然带来均压问题，失去三电平结构在均压方面的优势，大大影响系统的可靠性。采用CSML方式，不存在均压问题，唯一存在的问题是当变频器处于快速制动时，电动机处于发电制动状态，机械能转化为动能，导致单元内直流母线电

21、压上升，各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异，但这个问题很容易解决，通过检测功率单元直流母线电压，当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时，自动延长减速时间，以防止直流母线电压“泵升”，即所谓的过电压失速防止功能，这种技术在低压变频器中被广泛采用，非常成功。对电网的谐波污染和功率因数 由于CSML方式输入整流电路的脉冲数超过NPC方式，前者在输入谐波方面的优势是明显的，因此在综合功率因数方面也有一定的优势。输入波形 NPC方式输出相电压是三电平，线电压是五电平。而6KV等级的CSML方式输出相电压为11电平，线电压为21电平。而且，后者的等效开关频率（6KHZ）大大高于前者，所以后者在输出波

22、形质量方面优势也是明显的。dv/dt NPC方式的输出电压跳变台阶为一半的高压直流母线电压，对于6KV输出变频器而言，为4000V左右，CSML方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，不会超过1000V，所以二者在输出dv/dt方面的差距也是明显的。系统效率就变压器与逆变电路而言，NPC方式和CSML方式的效率非常接近，但考虑到输出波形的质量的差异，若采用普通电机，前者必须设置输出滤波器，后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率0.5%左右。若采用特殊变频电机，两种变频器的效率基本接近，但由于输出波形方面的优势，采用CSML方式时，电机运行效率相对较高。但由于IGBT导通压降大，效率较低，而I

23、GCT则损耗较小，因而器件效率较高。四象限运行 NPC方式当输入采用对称的PWM整流电路时，可以实现四象限运行，可用于轧机、卷扬机等设备；而CSML方式则无法实现四象限运行，只能用于风机、水泵类负载。冗余设计 NPC方式的冗余设计很难实现。而CSML方式可以方便地采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大地有利于提高系统的可靠性。可维护性 除了可靠性以外，可维护性也是衡量高压变频器优劣的一个重要因素，CSML方式采用模块化设计，更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和两个交流输出端子，以及一个光纤插头，就可抽出整个单元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。综上所述，三电平电压源型变频器

24、结构简单，且可做成四象限运行的变频器，应用范围较宽。如电压等级较高时，采用器件直接串联，带来均压问题，且存在输出谐波和dv/dt等问题，一般要设置输出滤波器。在电网对谐波失真要求较高时，还要设置输入滤波器。多重化PWM电压源型变频器不存在均压问题，且在输入谐波输出谐波及dv/dt等方面有明显的优势，但只能二象限运行。从负载类型而言，对于风机、水泵等一般不要求四象限运行的设备，CSML变频器有较大的应用前景；对轧机、卷扬机等要求四象限运行的设备而言，适合采用NPC型变频器。从电压等级来看，在目前的电力电子功率器件的耐压水平下，考虑到器件串联带来的均压问题，6KV以上电压等级（含6KV），宜优先考

25、虑CSML方式。 22 变频器调速对转矩的控制变频器的控制方式多种多样：有压频比控制、电压矢量控制、直接转矩控制等。目前使用较多的还是最简单的压频比控制，即变频器的输出电压和输出频率成比例关系。在压频比控制方式下，变频器拖动的电动机的输出转矩不会改变，只有在低速时由于电动机绕组的直流电阻的压降，会引起低频转矩下降，这时可用提高压频比的办法弥补，称为“低频转矩提升”功能。可根据不同负载的启动转矩的大小来确定“低频转矩提升”的大小，一般可为5%10%。23 变频调速系统的主要优缺点：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（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