關鍵詞：負載特性；液力耦合器；變頻器；調速運行；節能分析

        Abstract: In this paper, the mechanical work load characteristics are classified and discussed, and the use of hydraulic coupler and energy-saving inverter are analyzed and compared, summed up the calculation using the drive to replace hydraulic coupling energy saving effect.

      Key words: Load characteristics; Hydraulic Coupler; Inverter; Speed Run; Energy Saving Analysis

  【中圖分類號】TH137.331 【文獻標識碼】B   文章編號1561-0330（2016）08-0000-00

       1 引言

鑒于目前在電動機變頻調速節能改造領域，對于原來采用液力耦合器拖動的設備在采用變頻器拖動改造時，保留和拆除液力耦合器對于節電率的影響問題上存在著很大的誤區：很多技術人員和企業領導包括所謂的專家，都普遍認為如果保留液力耦合器的話只影響3~5%的節電率，而通過工程實際測量的結果是至少要減少8~10%，有的甚至超過10%。原因是他們只看到液力耦合器3~5%的丟轉損耗，而忽略了還有約占傳送功率3-5%的固有損耗（容積損耗和摩擦損耗以及冷卻水系統和潤滑油系統所消耗的功率）的存在，所以就出現了上述3~5%的說法。為了糾正這個錯誤以正視聽，有必要從理論和實踐兩個方面予以澄清，避免用戶尤其是EMC企業在進行節能率估算的時候出現差錯，造成不必要的經濟損失。

2 工作機械的負載特性

國民經濟各行業中的生產機械，具有各自不同的負載特性，深入了解各種生產機械的負載特性，對于電力拖動系統的設計以及調速節能分析具有深刻的意義，生產機械的負載特性歸納起來可以分為以下5種類型：

（1）恒功率負載（或稱反比例轉矩負載，也稱雙曲線轉矩負載）其負載特性T_G = K₁/n_G，如輸送高粘度，高重度液體的泵或攪拌機。見圖1中的（d）所示。

（2) 恒轉矩負載，其負載特性T_G = K₂，如帶式傳送機、斗式提升機、恒壓定量式泵（容積式流體機械如容積泵和活塞式壓縮機）。見圖1中的（a）、（b）所示。

（3）遞增轉矩負載（一次方轉矩）其負載特性T_G = K₃×n_G。如破碎機、粉碎機和中速磨等。以及機床平移機構的負載特性，見圖1中的（e）所示。

（4）平方轉矩負載（二次方轉矩）其負載特性T_G = K₄×n²_G，如在無反壓情況下工作的透平式風機和水泵。見圖1中的（c）所示。

 

圖2所示的是恒轉矩負載和恒功率負載（雙曲線轉矩）下的電動機的調速機械特性。

其實各種工作機械的負載特性是非常復雜的，以上也只是粗略的分類。實際的工作機械負載特性，不是可以簡單地用某一些規范的數學公式所能夠描述的，充其量也只是“逼近”而已。而且有一些工作機械的負載特性還是分段的，在不同的工作段有不同的負載特性。如鍋爐給水泵就屬于這一類的負載特性，在出水前是純二次方轉矩負載特性，出水后則是具有較高靜揚程的二次方轉矩負載特性。

3 液力耦合器調速運行效率計算及節能分析

液力耦合器額定轉差率 s≤3%，傳動比 i=n_T/n_B 。

電動機輸出功率恒等于泵輪功率：P_D = P_B = T_D×n_E = T_B×n_B

工作機械消耗功率恒等于渦輪功率：P_G = P_T = T_G×n_G = T_B×i×n_B

工作機械定速運行時的額定功率：P_E = T_E×n_E = T_G×n_B

調速效率：η= P_G/P_D = P_T/P_B = T_B×i×n_B/ T_Bn×_B = i

損失功率：Ps = P_D-P_G = P_B-P_T

節約功率：P_J = P_E–P_D = P_E-P_B

節電率：μ= (P_J/P_E ) ×100%

工作機械的轉矩特性可以統一表達為：T_G = K_u×n^v_G（式中：u=1～5；v=-1～3）。

（1）恒功率（雙曲線轉矩）負載（u=1，v=-1）

對于雙曲線轉矩負載，有T_G = K₁/n_G，因而有T_E = K₁/[n_E×(1-s)]

工作機械額定功率：P_E = K₁/(1-s)

耦合器泵輪功率：P_B = K₁/i   P_B/P_E = (1-s)/i ≥1

耦合器渦輪功率：P_T = K₁     P_T/P_E = 1-s

損失功率：P_S =P_B-P_T = K₁×(1/i-1)

功率損失率：Ψ = P_S/P_E = (1/i-1) ×( 1-s)

節約功率：P_J = P_E-P_B = K₁× [1/(1-s)-1/i]  < 0

節電率：Φ = P_J/P_E = [1/(1-s)-1/i]×(1-s)  < 0

效率：η = P_T/P_B = i

功率損失率為雙曲線函數，理論上i在0～0.97之間時，Ψ由無限大陡降到S=0.3。實際上該類機械允許的調速范圍是i=0.7～0.97之間。當i_min = 0.7時，Ψ_max = 42.21%；i_max = 0.97時，Ψ_min = S=3%，調速時功率損失很大。節電率<0，調速不但不節能反而還要費電。使用耦合器時為了改善電動機的啟動性能，使電動機可以空載啟動，并用電動機的尖峰力矩啟動工作機械。

（2）恒轉矩負載（u=2，v=0）

對恒轉矩機械有T_G = K₂則：

工作機額定功率：P_E = K₂×n_B

耦合器泵輪功率：P_B = K₂×n_B   P_B/P_E = 1

耦合器渦輪功率：P_T = K₂ ×n_B× i  P_T/P_E = i

損失功率：P_S =P_B-P_T = K₂×(1-i)

功率損失率：Ψ = P_S/P_E = (1-i)

節約功率：P_J = P_E-P_B = 0

節電率：Φ = P_J/P_E = 0

效率：η = P_T/P_B = i

功率損失率為正比例遞減函數，理論上調速比i在0～0.97之間，當i_min = 0時，Ψ_max = 100%；i_max = 0.97時，Ψ_min= s=3%，實際上該類機械允許的調速范圍是i=0.45～0.97之間，當i_min = 0.45時，Ψ_max = 55%；i_max = 0.97時，Ψ_min = S=3%。節電率Φ = 0，調速時不節能，僅能實現工作機械的變速需要。

（3）遞增轉矩（一次方）負載（u=3，v=1）

對遞增轉矩機械有T_G = K₃×n_G，因而有T_E = K₃×n_E×(1-s)則：

工作機額定功率：P_E = K₃×n²_B×(1-s)

耦合器泵輪功率：P_B = K₃×n²_B×i   P_B/P_E = i/(1-s)

耦合器渦輪功率：P_T = K₃ ×n²_B×i²    P_T/P_E = i²/(1-s)

損失功率：P_S =P_B-P_T = K₃×n²_B ×(i-i²)

功率損失率：Ψ = P_S/P_E = (i-i²)/(1-s)

節約功率：P_J = P_E-P_B = K₃× n²_B ×(1-s-i)

節電率：Φ = P_J/P_E = (1-s-i)/(1-s)

效率：η = P_T/P_B = i

對Ψ求導數，Ψ^，=（1-2i）/(1-s）,當Ψ^，= 0時，Ψ有極大值，當i=0.5時，Ψmax = 25.28%，節電率為遞減函數，理論上調速比i在0～0.97之間，當i_min = 0時，Φ_max = 100%；i_max = 1-s = 0.97時，Φ_min = 0，實際上該類機械允許的調速范圍是i =0.25～0.97之間，當i_min = 0.25時，Φ_max = 74.23%。

（4）平方轉矩（二次方）負載（u=4，v=2）

對平方轉矩機械有T_G = K₄×n²_G，因而有T_E = K₄×n²_E×(1-s)² 則：

工作機額定功率：P_E = K₄×n³_B×(1-s)²

耦合器泵輪功率：P_B = K₄×n³_B×i²   P_B/P_E = i²/(1-s)²

耦合器渦輪功率：P_T = K₄×n³_B×i³    P_T/P_E = i³/(1-s)²

損失功率：P_S =P_B-P_T = K₄×n³_B ×(i²-i³)

功率損失率：Ψ = P_S/P_E = (i²-i³)/(1-s)²

節約功率：P_J = P_E-P_B = K₄×n³_B ×[(1-s)²-i²]

節電率：Φ = P_J/P_E = [(1-s)²-i²]/(1-s)²

效率：η = P_T/P_B = i

對Ψ求導數，Ψ^，=（2i-3i²）/(1-s)²，當Ψ^，= 0時，Ψ有極大值，當i=2/3=0.67時，Ψmax = 15.75%，節電率Φ為拋物線函數，理論上調速比i在0-0.97之間，當i_min = 0時，Φ_max = 100%；i_max = 1-s = 0.97時，Φ_min = 0，實際上該類機械允許的調速范圍是i=0.35～0.97之間，當i_min = 0.35時，Φ_max = 86.98%。

（5）高次方轉矩（三次方）負載（ u=5，v=3）

對三次方轉矩機械有T_G = K₅×n³_G ，因而有T_E = K₅×n³_E×(1-s)³ 則：

工作機械額定功率：P_E = K₅×n⁴_B×(1-s)³

耦合器泵輪功率：P_B = K₅×n⁴_B×i³   P_B/P_E = i³/(1-s)³

耦合器渦輪功率：P_T = K₅ ×n⁴_B×i⁴    P_T/P_E = i⁴/(1-s)³

損失功率：P_S =P_B-P_T = K₅×n⁴_B ×(i³-i⁴)

功率損失率：Ψ = P_S/P_E = (i³-i⁴)/(1-s)³

節約功率：P_J = P_E-P_B = K₅×n⁴_B ×[(1-s)³-i³]

節電率：Φ = P_J/P_E = [(1-s)³-i³]/(1-s)³

效率：η = P_T/P_B = i

對Ψ求導數，Ψ^，=（3i²-4i³）/(1-s)²,當Ψ^，= 0時，Ψ有極大值，當i=3/4=0.75時，Ψmax = 11.56%，節電率Φ為高次函數，理論上調速比i在0-0.97之間，當i_min= 0時，Φ_max=100%；i_max= 1-s = 0.97時，Φ_min = 0，實際上該類機械允許的調速范圍是i=0.65～0.97之間，當i_min = 0.65時，Φ_max= 69.91%。

4 變頻器調速節能分析

變頻器是通過改變電動機供電電源的頻率，從而改變電動機的轉速達到節能目的的。變頻器的調速比為i，變頻器的效率η = P_ch/P_ru = 92%-98%之間。工作機械的轉矩特性可以統一表達為：T_G = K_u×n^v_G（式中：u=1～5；v=-1～3）

（1）恒功率(雙曲線轉矩)負載（u=1，v=-1）

對于雙曲線轉矩負載，有T_G = K₁/n_G，因而有T_E = K₂/n_E則：

工作機械額定功率：P_E = T_E×n_E = K₂ 額定功率恒定不變

電動機工頻輸入功率：P_D ==P_E/η_D = K₂/η_D

工作機械變頻調速功率：P_T = K₂      P_T/P_E = 1

電動機變頻輸入功率：P_d = P_T/η_D = K₂ /η_D

變頻器輸入功率：P_B = P_d/η_B = K₂ /η_D /η_B

節約電功率：P_J = P_D-P_B =( K₂ /η_D )×(1-1/η_B) ∠0

節電率：Φ = P_J/P_D = 1-1/η_B ∠0

（2）恒轉矩負載（u=2，v=0）

對恒轉矩機械有T_G = K₂則：

工作機械額定功率：P_E = K₂×n_E

電動機工頻輸入功率：P_D == P_E/η_D = K₂×n_E/η_D

工作機械變頻調速功率：P_T = K₂×n_E×i     P_T/P_E = i

電動機變頻輸入功率：P_d = P_T/η_D = K₂ ×n_E×i/η_D

變頻器輸入功率：P_B = P_d/η_B = K₂ ×n_E×i/η_D /η_B

節約電功率：P_J = P_D-P_B =(K₂ ×n_E/η_D )×(1-i /η_B)

節電率：Φ = P_J/P_D = 1-i/η_B

（3）遞增轉矩（一次方）負載（u=3，v=1）

對遞增轉矩機械有：T_G = K₃×n_G，因而有 T_E = K₃×n_E則：

工作機械額定功率：P_E = K₃×n²_E

電動機工頻輸入功率：P_D == P_E/η_D = K₃×n²_E/η_D

工作機械變頻調速功率：P_T = K₃×n²_E×i²     P_T/P_E = i²

電動機變頻輸入功率：P_d = P_T/η_D = K₃ ×n²_E×i²/η_D

變頻器輸入功率：P_B = P_d/η_B = K₃ ×n²_E×i²/η_D /η_B

節約電功率：P_J = P_D-P_B =( K₃ ×n²_E/η_D )×(1-i² /η_B)

節電率：Φ = P_J/P_D = 1-i²/η_B

（4）平方轉矩（二次方）負載（u=4，v=2）

對平方轉矩機械有：T_G = K₄×n²_G，因而有T_E = K₄×n²_E則：

工作機械額定功率：P_E = K₄×n³_E

電動機工頻輸入功率：P_D == P_E/η_D = K₄×n³_E/η_D

工作機械變頻調速功率：P_T = K₄×n³_E×i³     P_T/P_E = i³

電動機變頻輸入功率：P_d = P_T/η_D = K₄ ×n³_E×i³/η_D

變頻器輸入功率：P_B = P_d/η_B = K₄ ×n³_E×i³/η_D /η_B

節約電功率：P_J = P_D-P_B =（K₄ ×n³_E/η_D）×(1-i³/η_B)

節電率：Φ=P_J/P_D =1-i³/η_B

（5）高次方轉矩（三次方）負載（u=5，v=3）

對三次方轉矩機械有：T_G = K₅×n³_G，因而有T_E = K₅×n³_E則：

工作機械額定功率：P_E = K₅×n⁴_E

電動機工頻輸入功率：P_D == P_E/η_D = K₅×n⁴_E/η_D

工作機械變頻調速功率：P_T = K₅×n⁴_E×i⁴     P_T/P_E = i⁴

電動機變頻輸入功率：P_d = P_T/η_D = K₅ ×n⁴_E×i⁴/η_D

變頻器輸入功率：P_B = P_d/η_B = K₅ ×n⁴_E×i⁴/η_D /η_B

節約電功率：P_J = P_D-P_B =(K₅ ×n⁴_E/η_D)×(1-i⁴/η_B)

節電率：Φ = P_J/P_D = 1-i⁴/η_B

對于上述5種類型的負載，變頻調速的節電率可以統一表達為式：

Φ = 1-i^v/η_B，（式中 v = 0～4）。

值得注意的是：以上的分析都是基于工作機械的額定（轉速）功率而言的，只是一種理論分析而已。工作機械雖然在工頻額定轉速運行時，也可以采用一些傳統的調節手段來滿足生產工況的需要，例如風機可以采用入口風門的開度來控制風量，水泵則可以通過控制出口閥門的開度實現控制流量的目的。而當工作機械采用傳統的控制手段時，其所消耗的電功率也是隨著流量的減少而有所降低的，并不是一直保持額定功率不變的，所以以上推導的兩種調速裝置的節電率也是最理想的數據，實際上的節電率都要比以上推導的結果低得多。

例1：有一臺額定功率為1000kW的離心式風機，當風門開度為50%時，其風量約為80%額定風量，消耗的電功率只有700kW，而不是1000kW。采用變頻器調速（80%額定轉速）控制風量所消耗的電功率為530kW，只節省電功率170kW，而不是470kW，節電率為24.3 %，也不是理論計算的46.7%；采用液力耦合器調速控制時其泵輪功率為640kW，若電動機的效率為95%的話，電動機輸入功率為674kW，僅節省電功率26kW，節電率僅為3.7%，而不是理論計算的32%！當采用變頻器代替液力耦合器調速控制時其節電率=1-調速比=20%，所節省的電功率為135 kW，而不是200 kW。

       5 變頻器代替液力耦合器節能分析

如果已經采用了液力耦合器調速，而用變頻調速代替液力耦合器調速的話，在一般的調速范圍內，可以將變頻器的效率損耗與液力耦合器的容積損耗和摩擦損耗基本上相抵消，而丟轉損耗則可以納入調速效率統一計算，那么節能計算就變得十分簡單了：節電率=（1- n/ne）*100%，或稱：“1 – 調速比”。

而如果在改造時還要保留液力耦合器的話，則還要增加約6～10%的功率損耗。因為除了調速效率的損耗之外，液力耦合器還有兩項固有的損耗：

（1）首先液力耦合器具有約3～5% 的丟轉率，這不僅意味著其最高轉速達不到電動機的額定轉速，同時也意味著傳送功率的損耗，而液力耦合器的傳動效率等于轉速比，所以丟轉損耗還意味著占傳送功率3～5%的功率損耗。

（2）除了丟轉損耗外，液力耦合器的容積損耗和機械損耗以及冷卻水系統和油泵系統等輔助設備也要消耗一定的功率，約占傳送功率3～5%，這兩部分損耗加起來就要占到傳送功率的6～10%。

液力耦合器雖然屬于低效調速裝置，但是當用在像葉片式的風機、水泵類平方轉矩負載時，需要的軸功率與轉速的三次方成正比，所以相對于閥門調節來講也有相當好的節能效果，尤其是在低轉速時具有相當高的節電率。

例2：有一臺額定功率為1000kW的風機，當用入口風門控制風量為50%額定風量時，其消耗的電功率為580kW；采用變頻器調速控制所消耗的電功率為130kW，節省電功率450kW，節電率為77.6%；采用液力耦合器調速控制所消耗的電功率為260kW，節省電功率320kW，節電率為55.2%；當采用變頻器取代液力耦合器調速控制時其節電率 = 1-調速比 = 50%，但是所節省的電功率僅為130kW而已！

所以當用變頻器取代液力耦合器時，其節電率 =（1- n/ne）*100%，或稱：“1–調速比！”，尤其是在低轉速時具有很高的節電率，但是其節電量即實際節省的電功率并不多，對于風機水泵類二次方轉矩負載來說，最多不會超過額定傳送功率的16.2%。最大節電量發生在i=0.67時，隨著轉速的上升和下降，節電量都會下降。例1中當轉速為80%額定轉速時節電率為20%；例2中當轉速為50%額定轉速時節電率為50%；但是其節電量卻都是130kW。這是因為液力耦合器相對于閥門調節來說，已經節省下了很大的一部分能量了，所以在談及節能問題時不能簡單地和節電率的概念混為一談。節電率只是一個相對的概念，只有用節電量乘上電價才是節省的電費。對于這一點，應當有一個清醒的認識。

6 結束語

本文從分析工作機械的負載特性出發，分別總結了各類工作機械在采用液力耦合器和變頻器調速時的節能分析方法，以及采用變頻器替代液力耦合器調速節能改造時的節能計算方法，特別是闡述了改造時保留和拆除液力耦合器對節電率影響的差別。

作者簡介

徐甫榮：男，1946年生，1970年畢業于西安交通大學電機工程系發電廠電力網及電力系統專業，國家電力公司西安熱工研究院退休教授級高工，長期從事發電廠自動化和輔機節能工作。退休后曾在中山明陽公司，深圳微能公司，深圳科陸變頻器公司任高級技術顧問和工程技術總監，在北京國電四維節能技術公司任總工程師。曾在國內外各類刊物上發表論文近百篇；并著有《高壓變頻調速技術應用實踐》和《高壓變頻調速技術工程實踐》兩書。