關(guān)鍵詞:負(fù)載特性;液力耦合器;變頻器;調(diào)速運(yùn)行;節(jié)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(hào)】TH137.331 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 文章編號(hào)1561-0330(2016)08-0000-00
1 引言
鑒于目前在電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造領(lǐng)域,對(duì)于原來采用液力耦合器拖動(dòng)的設(shè)備在采用變頻器拖動(dòng)改造時(shí),保留和拆除液力耦合器對(duì)于節(jié)電率的影響問題上存在著很大的誤區(qū):很多技術(shù)人員和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)包括所謂的專家,都普遍認(rèn)為如果保留液力耦合器的話只影響3~5%的節(jié)電率,而通過工程實(shí)際測(cè)量的結(jié)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(zhuǎn)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(tǒng)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)所消耗的功率)的存在,所以就出現(xiàn)了上述3~5%的說法。為了糾正這個(gè)錯(cuò)誤以正視聽,有必要從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面予以澄清,避免用戶尤其是EMC企業(yè)在進(jìn)行節(jié)能率估算的時(shí)候出現(xiàn)差錯(cuò),造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
2 工作機(jī)械的負(fù)載特性
國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中的生產(chǎn)機(jī)械,具有各自不同的負(fù)載特性,深入了解各種生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性,對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及調(diào)速節(jié)能分析具有深刻的意義,生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性歸納起來可以分為以下5種類型:
(1)恒功率負(fù)載(或稱反比例轉(zhuǎn)矩負(fù)載,也稱雙曲線轉(zhuǎn)矩負(fù)載)其負(fù)載特性TG = K1/nG,如輸送高粘度,高重度液體的泵或攪拌機(jī)。見圖1中的(d)所示。
(2) 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,其負(fù)載特性TG = K2,如帶式傳送機(jī)、斗式提升機(jī)、恒壓定量式泵(容積式流體機(jī)械如容積泵和活塞式壓縮機(jī))。見圖1中的(a)、(b)所示。
(3)遞增轉(zhuǎn)矩負(fù)載(一次方轉(zhuǎn)矩)其負(fù)載特性TG = K3×nG。如破碎機(jī)、粉碎機(jī)和中速磨等。以及機(jī)床平移機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性,見圖1中的(e)所示。
(4)平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載(二次方轉(zhuǎn)矩)其負(fù)載特性TG = K4×n



圖2所示的是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒功率負(fù)載(雙曲線轉(zhuǎn)矩)下的電動(dòng)機(jī)的調(diào)速機(jī)械特性。
其實(shí)各種工作機(jī)械的負(fù)載特性是非常復(fù)雜的,以上也只是粗略的分類。實(shí)際的工作機(jī)械負(fù)載特性,不是可以簡(jiǎn)單地用某一些規(guī)范的數(shù)學(xué)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(jī)械的負(fù)載特性還是分段的,在不同的工作段有不同的負(fù)載特性。如鍋爐給水泵就屬于這一類的負(fù)載特性,在出水前是純二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,出水后則是具有較高靜揚(yáng)程的二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性。
3 液力耦合器調(diào)速運(yùn)行效率計(jì)算及節(jié)能分析
液力耦合器額定轉(zhuǎn)差率 s≤3%,傳動(dòng)比 i=nT/nB 。
電動(dòng)機(jī)輸出功率恒等于泵輪功率:PD = PB = TD×nE = TB×nB
工作機(jī)械消耗功率恒等于渦輪功率:PG = PT = TG×nG = TB×i×nB
工作機(jī)械定速運(yùn)行時(shí)的額定功率:PE = TE×nE = TG×nB
調(diào)速效率:η= PG/PD = PT/PB = TB×i×nB/ TBn×B = i
損失功率:Ps = PD-PG = PB-PT
節(jié)約功率:PJ = PE–PD = PE-PB
節(jié)電率:μ= (PJ/PE ) ×100%
工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩特性可以統(tǒng)一表達(dá)為:TG = Ku×nvG(式中:u=1~5;v=-1~3)。
(1)恒功率(雙曲線轉(zhuǎn)矩)負(fù)載(u=1,v=-1)
對(duì)于雙曲線轉(zhuǎn)矩負(fù)載,有TG = K1/nG,因而有TE = K1/[nE×(1-s)]
工作機(jī)械額定功率:PE = K1/(1-s)
耦合器泵輪功率:PB = K1/i PB/PE = (1-s)/i ≥1
耦合器渦輪功率:PT = K
損失功率:PS =PB-PT = K1×(1/i-1)
功率損失率:Ψ = PS/PE = (1/i-1) ×( 1-s)
節(jié)約功率:PJ = PE-PB = K1× [1/(1-s)-1/i] < 0
節(jié)電率:Φ = PJ/PE = [1/(1-s)-1/i]×(1-s) < 0
效率:η = PT/PB = i
功率損失率為雙曲線函數(shù),理論上i在0~0.97之間時(shí),Ψ由無限大陡降到S=0.3。實(shí)際上該類機(jī)械允許的調(diào)速范圍是i=0.7~0.97之間。當(dāng)imin = 0.7時(shí),Ψmax = 42.21%;imax = 0.97時(shí),Ψmin = S=3%,調(diào)速時(shí)功率損失很大。節(jié)電率<0,調(diào)速不但不節(jié)能反而還要費(fèi)電。使用耦合器時(shí)為了改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能,使電動(dòng)機(jī)可以空載啟動(dòng),并用電動(dòng)機(jī)的尖峰力矩啟動(dòng)工作機(jī)械。
(2)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載(u=2,v=0)
對(duì)恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械有TG = K2則:
工作機(jī)額定功率:PE = K2×nB
耦合器泵輪功率:PB = K2×nB PB/PE = 1
耦合器渦輪功率:PT = K2 ×nB× i PT/PE = i
損失功率:PS =PB-PT = K2×(1-i)
功率損失率:Ψ = PS/PE = (1-i)
節(jié)約功率:PJ = PE-PB = 0
節(jié)電率:Φ = PJ/PE = 0
效率:η = PT/PB = i
功率損失率為正比例遞減函數(shù),理論上調(diào)速比i在0~0.97之間,當(dāng)imin = 0時(shí),Ψmax = 100%;imax = 0.97時(shí),Ψmin= s=3%,實(shí)際上該類機(jī)械允許的調(diào)速范圍是i=0.45~0.97之間,當(dāng)imin = 0.45時(shí),Ψmax = 55%;imax = 0.97時(shí),Ψmin = S=3%。節(jié)電率Φ = 0,調(diào)速時(shí)不節(jié)能,僅能實(shí)現(xiàn)工作機(jī)械的變速需要。
(3)遞增轉(zhuǎn)矩(一次方)負(fù)載(u=3,v=1)
對(duì)遞增轉(zhuǎn)矩機(jī)械有TG = K3×nG,因而有TE = K3×nE×(1-s)則:
工作機(jī)額定功率:PE = K3×n2B×(1-s)
耦合器泵輪功率:PB = K3×n2B×i PB/PE = i/(1-s)
耦合器渦輪功率:PT = K3 ×n2B×i
損失功率:PS =PB-PT = K3×n2B ×(i-i2)
功率損失率:Ψ = PS/PE = (i-i2)/(1-s)
節(jié)約功率:PJ = PE-PB = K3× n2B ×(1-s-i)
節(jié)電率:Φ = PJ/PE = (1-s-i)/(1-s)
效率:η = PT/PB = i
對(duì)Ψ求導(dǎo)數(shù),Ψ,=(1-2i)/(1-s),當(dāng)Ψ,= 0時(shí),Ψ有極大值,當(dāng)i=0.5時(shí),Ψmax = 25.28%,節(jié)電率為遞減函數(shù),理論上調(diào)速比i在0~0.97之間,當(dāng)imin = 0時(shí),Φmax = 100%;imax = 1-s = 0.97時(shí),Φmin = 0,實(shí)際上該類機(jī)械允許的調(diào)速范圍是i =0.25~0.97之間,當(dāng)imin = 0.25時(shí),Φmax = 74.23%。
(4)平方轉(zhuǎn)矩(二次方)負(fù)載(u=4,v=2)
對(duì)平方轉(zhuǎn)矩機(jī)械有TG = K4×n
工作機(jī)額定功率:PE = K4×n3B×(1-s)2
耦合器泵輪功率:PB = K4×n3B×i2 PB/PE = i2/(1-s)2
耦合器渦輪功率:PT = K4×n3B×i
損失功率:PS =PB-PT = K4×n3B ×(i2-i3)
功率損失率:Ψ = PS/PE = (i2-i3)/(1-s)2
節(jié)約功率:PJ = PE-PB = K4×n3B ×[(1-s)2-i2]
節(jié)電率:Φ = PJ/PE = [(1-s)2-i2]/(1-s)2
效率:η = PT/PB = i
對(duì)Ψ求導(dǎo)數(shù),Ψ,=(2i-3i2)/(1-s)2,當(dāng)Ψ,= 0時(shí),Ψ有極大值,當(dāng)i=2/3=0.67時(shí),Ψmax = 15.75%,節(jié)電率Φ為拋物線函數(shù),理論上調(diào)速比i在0-0.97之間,當(dāng)imin = 0時(shí),Φmax = 100%;imax = 1-s = 0.97時(shí),Φmin = 0,實(shí)際上該類機(jī)械允許的調(diào)速范圍是i=0.35~0.97之間,當(dāng)imin = 0.35時(shí),Φmax = 86.98%。
(5)高次方轉(zhuǎn)矩(三次方)負(fù)載( u=5,v=3)
對(duì)三次方轉(zhuǎn)矩機(jī)械有TG = K5×n
工作機(jī)械額定功率:PE = K5×n4B×(1-s)3
耦合器泵輪功率:PB = K5×n4B×i3 PB/PE = i3/(1-s)3
耦合器渦輪功率:PT = K5 ×n4B×i
損失功率:PS =PB-PT = K5×n4B ×(i3-i4)
功率損失率:Ψ = PS/PE = (i3-i4)/(1-s)3
節(jié)約功率:PJ = PE-PB = K5×n4B ×[(1-s)3-i3]
節(jié)電率:Φ = PJ/PE = [(1-s)3-i3]/(1-s)3
效率:η = PT/PB = i
對(duì)Ψ求導(dǎo)數(shù),Ψ,=(3i2-4i3)/(1-s)2,當(dāng)Ψ,= 0時(shí),Ψ有極大值,當(dāng)i=3/4=0.75時(shí),Ψmax = 11.56%,節(jié)電率Φ為高次函數(shù),理論上調(diào)速比i在0-0.97之間,當(dāng)imin= 0時(shí),Φmax=100%;imax= 1-s = 0.97時(shí),Φmin = 0,實(shí)際上該類機(jī)械允許的調(diào)速范圍是i=0.65~0.97之間,當(dāng)imin = 0.65時(shí),Φmax= 69.91%。
4 變頻器調(diào)速節(jié)能分析
變頻器是通過改變電動(dòng)機(jī)供電電源的頻率,從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)能目的的。變頻器的調(diào)速比為i,變頻器的效率η = Pch/Pru = 92%-98%之間。工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩特性可以統(tǒng)一表達(dá)為:TG = Ku×nvG(式中:u=1~5;v=-1~3)
(1)恒功率(雙曲線轉(zhuǎn)矩)負(fù)載(u=1,v=-1)
對(duì)于雙曲線轉(zhuǎn)矩負(fù)載,有TG = K1/nG,因而有TE = K2/nE則:
工作機(jī)械額定功率:PE = TE×nE = K2 額定功率恒定不變
電動(dòng)機(jī)工頻輸入功率:PD ==PE/ηD = K2/ηD
工作機(jī)械變頻調(diào)速功率:PT = K
電動(dòng)機(jī)變頻輸入功率:Pd = PT/ηD = K2 /ηD
變頻器輸入功率:PB = Pd/ηB = K2 /ηD /ηB
節(jié)約電功率:PJ = PD-PB =( K2 /ηD )×(1-1/ηB) ∠0
節(jié)電率:Φ = PJ/PD = 1-1/ηB ∠0
(2)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載(u=2,v=0)
對(duì)恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械有TG = K2則:
工作機(jī)械額定功率:PE = K2×nE
電動(dòng)機(jī)工頻輸入功率:PD == PE/ηD = K2×nE/ηD
工作機(jī)械變頻調(diào)速功率:PT = K2×nE×i PT/PE = i
電動(dòng)機(jī)變頻輸入功率:Pd = PT/ηD = K2 ×nE×i/ηD
變頻器輸入功率:PB = Pd/ηB = K2 ×nE×i/ηD /ηB
節(jié)約電功率:PJ = PD-PB =(K2 ×nE/ηD )×(1-i /ηB)
節(jié)電率:Φ = PJ/PD = 1-i/ηB
(3)遞增轉(zhuǎn)矩(一次方)負(fù)載(u=3,v=1)
對(duì)遞增轉(zhuǎn)矩機(jī)械有:TG = K3×nG,因而有 TE = K3×nE則:
工作機(jī)械額定功率:PE = K3×n2E
電動(dòng)機(jī)工頻輸入功率:PD == PE/ηD = K3×n2E/ηD
工作機(jī)械變頻調(diào)速功率:PT = K3×n2E×i
電動(dòng)機(jī)變頻輸入功率:Pd = PT/ηD = K3 ×n2E×i2/ηD
變頻器輸入功率:PB = Pd/ηB = K3 ×n2E×i2/ηD /ηB
節(jié)約電功率:PJ = PD-PB =( K3 ×n2E/ηD )×(1-i2 /ηB)
節(jié)電率:Φ = PJ/PD = 1-i2/ηB
(4)平方轉(zhuǎn)矩(二次方)負(fù)載(u=4,v=2)
對(duì)平方轉(zhuǎn)矩機(jī)械有:TG = K4×n
工作機(jī)械額定功率:PE = K4×n3E
電動(dòng)機(jī)工頻輸入功率:PD == PE/ηD = K4×n3E/ηD
工作機(jī)械變頻調(diào)速功率:PT = K4×n3E×i
電動(dòng)機(jī)變頻輸入功率:Pd = PT/ηD = K4 ×n3E×i3/ηD
變頻器輸入功率:PB = Pd/ηB = K4 ×n3E×i3/ηD /ηB
節(jié)約電功率:PJ = PD-PB =(K4 ×n3E/ηD)×(1-i3/ηB)
節(jié)電率:Φ=PJ/PD =1-i3/ηB
(5)高次方轉(zhuǎn)矩(三次方)負(fù)載(u=5,v=3)
對(duì)三次方轉(zhuǎn)矩機(jī)械有:TG = K5×n
工作機(jī)械額定功率:PE = K5×n4E
電動(dòng)機(jī)工頻輸入功率:PD == PE/ηD = K5×n4E/ηD
工作機(jī)械變頻調(diào)速功率:PT = K5×n4E×i
電動(dòng)機(jī)變頻輸入功率:Pd = PT/ηD = K5 ×n4E×i4/ηD
變頻器輸入功率:PB = Pd/ηB = K5 ×n4E×i4/ηD /ηB
節(jié)約電功率:PJ = PD-PB =(K5 ×n4E/ηD)×(1-i4/ηB)
節(jié)電率:Φ = PJ/PD = 1-i4/ηB
對(duì)于上述5種類型的負(fù)載,變頻調(diào)速的節(jié)電率可以統(tǒng)一表達(dá)為式:
Φ = 1-iv/ηB,(式中 v = 0~4)。
值得注意的是:以上的分析都是基于工作機(jī)械的額定(轉(zhuǎn)速)功率而言的,只是一種理論分析而已。工作機(jī)械雖然在工頻額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),也可以采用一些傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)手段來滿足生產(chǎn)工況的需要,例如風(fēng)機(jī)可以采用入口風(fēng)門的開度來控制風(fēng)量,水泵則可以通過控制出口閥門的開度實(shí)現(xiàn)控制流量的目的。而當(dāng)工作機(jī)械采用傳統(tǒng)的控制手段時(shí),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(dǎo)的兩種調(diào)速裝置的節(jié)電率也是最理想的數(shù)據(jù),實(shí)際上的節(jié)電率都要比以上推導(dǎo)的結(jié)果低得多。
例1:有一臺(tái)額定功率為1000kW的離心式風(fēng)機(jī),當(dāng)風(fēng)門開度為50%時(shí),其風(fēng)量約為80%額定風(fēng)量,消耗的電功率只有700kW,而不是1000kW。采用變頻器調(diào)速(80%額定轉(zhuǎn)速)控制風(fēng)量所消耗的電功率為530kW,只節(jié)省電功率170kW,而不是470kW,節(jié)電率為24.3 %,也不是理論計(jì)算的46.7%;采用液力耦合器調(diào)速控制時(shí)其泵輪功率為640kW,若電動(dòng)機(jī)的效率為95%的話,電動(dòng)機(jī)輸入功率為674kW,僅節(jié)省電功率26kW,節(jié)電率僅為3.7%,而不是理論計(jì)算的32%!當(dāng)采用變頻器代替液力耦合器調(diào)速控制時(shí)其節(jié)電率=1-調(diào)速比=20%,所節(jié)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(jié)能分析
如果已經(jīng)采用了液力耦合器調(diào)速,而用變頻調(diào)速代替液力耦合器調(diào)速的話,在一般的調(diào)速范圍內(nèi),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(zhuǎn)損耗則可以納入調(diào)速效率統(tǒng)一計(jì)算,那么節(jié)能計(jì)算就變得十分簡(jiǎn)單了:節(jié)電率=(1- n/ne)*100%,或稱:“1 – 調(diào)速比”。
而如果在改造時(shí)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?yàn)槌苏{(diào)速效率的損耗之外,液力耦合器還有兩項(xiàng)固有的損耗:
(1)首先液力耦合器具有約3~5% 的丟轉(zhuǎn)率,這不僅意味著其最高轉(zhuǎn)速達(dá)不到電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,同時(shí)也意味著傳送功率的損耗,而液力耦合器的傳動(dòng)效率等于轉(zhuǎn)速比,所以丟轉(zhuǎn)損耗還意味著占傳送功率3~5%的功率損耗。
(2)除了丟轉(zhuǎn)損耗外,液力耦合器的容積損耗和機(jī)械損耗以及冷卻水系統(tǒng)和油泵系統(tǒng)等輔助設(shè)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(diào)速裝置,但是當(dāng)用在像葉片式的風(fēng)機(jī)、水泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí),需要的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,所以相對(duì)于閥門調(diào)節(jié)來講也有相當(dāng)好的節(jié)能效果,尤其是在低轉(zhuǎn)速時(shí)具有相當(dāng)高的節(jié)電率。
例2:有一臺(tái)額定功率為1000kW的風(fēng)機(jī),當(dāng)用入口風(fēng)門控制風(fēng)量為50%額定風(fēng)量時(shí),其消耗的電功率為580kW;采用變頻器調(diào)速控制所消耗的電功率為130kW,節(jié)省電功率450kW,節(jié)電率為77.6%;采用液力耦合器調(diào)速控制所消耗的電功率為260kW,節(jié)省電功率320kW,節(jié)電率為55.2%;當(dāng)采用變頻器取代液力耦合器調(diào)速控制時(shí)其節(jié)電率 = 1-調(diào)速比 = 50%,但是所節(jié)省的電功率僅為130kW而已!
所以當(dāng)用變頻器取代液力耦合器時(shí),其節(jié)電率 =(1- n/ne)*100%,或稱:“1–調(diào)速比!”,尤其是在低轉(zhuǎn)速時(shí)具有很高的節(jié)電率,但是其節(jié)電量即實(shí)際節(jié)省的電功率并不多,對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵類二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載來說,最多不會(huì)超過額定傳送功率的16.2%。最大節(jié)電量發(fā)生在i=0.67時(shí),隨著轉(zhuǎn)速的上升和下降,節(jié)電量都會(huì)下降。例1中當(dāng)轉(zhuǎn)速為80%額定轉(zhuǎn)速時(shí)節(jié)電率為20%;例2中當(dāng)轉(zhuǎn)速為50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)節(jié)電率為50%;但是其節(jié)電量卻都是130kW。這是因?yàn)橐毫︸詈掀飨鄬?duì)于閥門調(diào)節(jié)來說,已經(jīng)節(jié)省下了很大的一部分能量了,所以在談及節(jié)能問題時(shí)不能簡(jiǎn)單地和節(jié)電率的概念混為一談。節(jié)電率只是一個(gè)相對(duì)的概念,只有用節(jié)電量乘上電價(jià)才是節(jié)省的電費(fèi)。對(duì)于這一點(diǎn),應(yīng)當(dāng)有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。
6 結(jié)束語
本文從分析工作機(jī)械的負(fù)載特性出發(fā),分別總結(jié)了各類工作機(jī)械在采用液力耦合器和變頻器調(diào)速時(shí)的節(jié)能分析方法,以及采用變頻器替代液力耦合器調(diào)速節(jié)能改造時(shí)的節(jié)能計(jì)算方法,特別是闡述了改造時(shí)保留和拆除液力耦合器對(duì)節(jié)電率影響的差別。
作者簡(jiǎn)介
徐甫榮:男,1946年生,1970年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電機(jī)工程系發(fā)電廠電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)專業(yè),國(guó)家電力公司西安熱工研究院退休教授級(jí)高工,長(zhǎng)期從事發(fā)電廠自動(dòng)化和輔機(jī)節(jié)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(jí)技術(shù)顧問和工程技術(shù)總監(jiān),在北京國(guó)電四維節(jié)能技術(shù)公司任總工程師。曾在國(guó)內(nèi)外各類刊物上發(fā)表論文近百篇;并著有《高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐》和《高壓變頻調(diào)速技術(shù)工程實(shí)踐》兩書。










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