本文首先對液力耦合器進行了能耗分析，采用變頻器對液力耦合器調速設備進行節(jié)能改造時，其節(jié)電率就等于它們的效率之差，但是在改造時，拆除還是保留液耦對于節(jié)電率是有很大差別的，本文詳細分析了它們之間的差別。
    關鍵詞：變頻器；液力耦合器；節(jié)電率
    Abstract: This article first hydraulic coupling energy analysis carried out, when the inverter is used for hydraulic coupling speed equipment for energy saving, the saving rate is equal to the difference between their efficiency, but at the time of alteration, dismantling or fluid retention coupled to energy-saving rate is very different, a detailed analysis of the differences between them.
    Key words: Inverter; Hydraulic Coupler; Saving rate
    【中圖分類號】TH137.331  【文獻標識碼】B   文章編號1561-0330（2016）07-0000-00

    1引言
    變頻器是一種電力電子設備，在運行中其本身也是要有能量損耗的，所以其效率也不是100%，一般在其滿負荷運行時效率可達97-98%。但是隨著轉速的下降，其運行效率也會有所下降，但一般都會保持在90%以上。
    液力耦合器則是一種通過工作油傳遞動力的機械式調速設備，其調速效率等于轉速比，節(jié)省的轉差功率都變成熱量消耗掉了，所以是一種低效的調速裝置。當液力耦合器工作時的轉速比越小，其調速效率也越低，這是液力耦合器的一個重要工作特性。
    當采用變頻器對液力耦合器調速設備進行節(jié)能改造時，其節(jié)電率就等于它們的效率之差。但是在改造時，拆除還是保留液耦對于節(jié)電率是有很大差別的，請看下面的分析。
   
    2關于液力耦合器的能耗分析
    液力耦合器的調速效率又稱為傳動效率。它等于液力耦合器的輸出功率P₂與輸入功率P₁之比，因為M_B=-M_T，故有：

在忽略液力耦合器的機械損失和容積損失等時，液力耦合器的調速效率等于調速比，S為轉差率，S = (n_B – n_T)/n_B。
    當風機與水泵由液力耦合器驅動調速工作時，風機或水泵的輸入軸與液力耦合器的從動軸相連接，故風機水泵的轉速等于液力耦合器渦輪的轉速，即n=n_T ，而其軸功率P等于渦輪軸傳遞的功率，即P=P_T 。根據(jù)葉片式風機水泵的比例定律可知，風機水泵的軸功率P與其轉速的三次方成正比，即。當液力耦合器在最大轉速比時，兩式相除得：

為求出最大轉差功率損耗時的轉速比，可將式（6）的對i求導數(shù)，再令導數(shù)為零，求出其極值點，即可求出其極大值或極小值：

得出取得極大值得極值點為 i = 2/3 = 0.667。把極大值代入式（6）可求出液力耦合器的最大轉差功率損耗為：

    以上通過理論分析，導出了液力耦合器的渦輪傳遞功率P_T、泵輪傳遞功率P_B、以及轉差功率損失 的計算公式；證明了液力耦合器的最低轉差功率損失發(fā)生在轉速比i = 2/3處。而不是轉速越低，  越大。

圖1 葉片式風機水泵在采用液力耦合器調速時的調速效率、泵輪傳遞功率、渦輪傳遞功率、轉差損失功率與轉速比的關系曲線

由以上推導的結果可以作出葉片式風機水泵在采用液力耦合器調速時的調速效率、泵輪傳遞功率、渦輪傳遞功率、轉差損失功率與轉速比的關系曲線，如圖1所示。從圖1中可以直觀地看出：調速效率與轉速的一次方成正比，泵輪傳遞功率P_B與轉速的二次方成正比，而渦輪傳遞功率P_T則與轉速的三次方成正比，轉差損失功率為泵輪功率減去渦輪功率：＝P_B-P_T，其最大值發(fā)生在三分之二轉速處，為額定輸入功率P_B的15.4-15.7 %。并且隨著轉速比的減小，液力耦合器泵輪和渦輪所傳遞的功率也迅速減小，因而當液力耦合器泵輪所傳遞的功率P_B和渦輪所傳遞的功率P_T都變得很小時，轉差損失功率也就是一個很小的量了；說明在低轉速時，用變頻器代替液耦雖然有很高的節(jié)電率，但是節(jié)省的電功率卻并不多。

    這里需要特別注意的是：在大多數(shù)工程中，電動機、液力耦合器與風機的額定轉速相同或十分接近，關于液力耦合器的能耗分析可見以上所述；但是在有些工程中，所選的電動機和風機的轉速不一樣（風機的額定轉速小于電動機的額定轉速，而液耦地輸入轉速一般與電動機相同）時，液耦的能耗分析就不能照搬以上的分析結果了。在這里變成：
    （1）液力耦合器的轉速比還是i=渦輪轉速/泵輪轉速，傳送效率還是i；
    （2）液力耦合器額定負載（風機的額定負載）時的轉速比已經(jīng)不再是i_n = 0.97～0.98，而是i_n =n_fe/nd了：等于風機的額定轉速/電動機額定轉速了；
    （3）液耦的損耗功率＝P_B-P_T = P_fn/i_n-i³/i³_nP_fn = (1/i_n-i³/i³_n)P_fn；
    額定負載時液耦的損耗是_e = (1/i_n-1)P_fn；
    （4）液耦的最大轉差功率損耗max＝ 0.148 P_Bn/i²_n = 0.226 P_fn（i_n=0.81）；
    （5）變頻代替液耦的節(jié)電率還是（1- n/ne）*100% ；
    （6）節(jié)省的電功率已經(jīng)不是P_Tn乘以節(jié)電率了，而是P_fn/i_n乘以節(jié)電率了。
    例如：電動機額定轉速是988r/min，風機的額定轉速是800r/min，額定功率是800kW的話，那么當轉速控制在600r/m時：
    轉速比 i = 60.7% 額定轉速；
    傳送效率= 60.7%  i_n = 800/988 = 0.81；
    損耗功率＝P_B-P_T = (1-i)*P_fn/i_n = (1-0.607)P_fn/0.81 = 0.485 P_fn；
    節(jié)電率=（1- n/ne）*100% = 39.3%；
    節(jié)省電功率= 0.393 P_b = 0.485 P_fn；
    與以上的分析相比，節(jié)電率還是一樣的，但是節(jié)省的電功率卻增加了，因為在同樣的傳送P_fn風機額定功率時，液耦的損耗增加了，增加的比例為風機與電動機額定轉速比的倒數(shù)減1，或稱電動機高出風機轉速的百分比。
    在這種情況下，電動機和液力耦合器功率選擇的原則應該是：風機額定功率除以風機和電動機額定轉速之比，這是折算到液力耦合器泵輪也就是電動機輸出端的功率，再適當考慮5-10% 的功率余量，就是所選電動機的額定功率。由此可見，這種設計方案對于電動機和液耦容量選擇都是不利的，同時也增加了液耦運行時的功率損耗。
    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、水泵類二次方轉矩負載時，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(jié)來講也有相當好的節(jié)能效果，尤其是在低轉速時具有相當高的節(jié)電率。
    雖然液力耦合器的調速效率等于調速比，但是當用在風機水泵類負載時由于低轉速時的傳送功率也很小，實際損耗并不大：其最大損耗發(fā)生在2/3額定轉速時，可達額定傳送功率的15.7%！再加上其固有損耗，最大不會超過額定傳送功率的20%而已！
    所以當用變頻器取代液力耦合器時，其節(jié)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(jié)電率，但是其節(jié)電量即實際節(jié)省的電功率并不多，最多不會超過額定傳送功率的20%！(因為變頻器也有損耗，一般可以與液力耦合器的固有損耗相抵消)。這是因為液力耦合器相對于閥門調節(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)能問題時不能簡單地和節(jié)電率的概念混為一談！節(jié)電率只是一個相對的概念，只有用節(jié)電量乘上電價才是節(jié)省的電費！對于這一點，應當有一個清醒的認識。

    3拆除和保留液耦對節(jié)電率的影響
    液力耦合器除了調速效率的損耗之外，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，液力耦合器的冷卻水系統(tǒng)和油泵系統(tǒng)等輔助設備以及液力耦合器的機械損耗和容積損耗等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%。
    所以當對于原來采用液力耦合器拖動的設備進行變頻調速節(jié)能改造時，拆除和保留液力耦合器對于節(jié)電率的影響如下：
    （1）拆除液力耦合器。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相抵消，而丟轉損耗則可以納入調速效率統(tǒng)一計算，那么節(jié)能計算就變得十分簡單了：
          節(jié)電率=（1- n/ne）*100%，或稱：“1–調速比”
    例：一臺額定功率為1000kW的風機，當用風門控制風量為50%額定風量時，其消耗的電功率為580kW，采用液力耦合器調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%；當采用變頻器代替液力耦合器調速控制時，其節(jié)電率=1-調速比= 50%，但是所節(jié)省的電功率僅為130kW！
    （2）保留液力耦合器。就要比拆除液力耦合器多出上面分析的兩項損耗：丟轉損耗和液耦的固有損耗，這兩部分損耗加起來就要占到傳送功率的6～10%，就會直接減少6～10個點的節(jié)電率。而遠不止3個百分點。
    上例中若保留液力耦合器的話，以傳送功率260kW的8%計算液耦的兩項損耗為20.8kW，變頻調速節(jié)省電功率為109.2kW，節(jié)電率降低為42%。
    筆者曾經(jīng)親自在一臺1600kW水泥窯高溫風機上進行過實測：在保留液力耦合器的情況下節(jié)電率為12%；拆除液力耦合器后在同樣的工況條件下，測得節(jié)電率為19.8%。所以不管你承認不承認，實際的測量結果早已經(jīng)證明了這一點！

        4結束語
    目前在電動機變頻調速節(jié)能改造領域，對于原來采用液力耦合器拖動的設備進行變頻調速改造時，在保留和拆除液力耦合器對于節(jié)電率的影響問題上存在著很大的誤區(qū)：很多技術人員和企業(yè)領導甚至包括所謂的專家，都普遍認為如果保留液力耦合器的話只影響3-5%的節(jié)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%！因為他們只看到液力耦合器3-5%的丟轉損耗，而忽略了還有占額定傳送功率約3-5%的固有損耗（容積損耗和摩擦損耗以及冷卻水系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)所消耗的功率）的存在，所以就出現(xiàn)了上述影響節(jié)電率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(yè)在進行節(jié)能率估算的時候出現(xiàn)差錯，造成不必要的經(jīng)濟損失。  

    作者簡介 
    徐甫榮：男，1946年生，1970年畢業(yè)于西安交通大學電機工程系發(fā)電廠電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)專業(yè)，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(fā)電廠自動化和輔機節(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技術顧問和工程技術總監(jiān)，在北京國電四維節(jié)能技術公司任總工程師。曾在國內外各類刊物上發(fā)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。

    參考文獻 
    [1]徐甫榮:《高壓變頻調速技術應用實踐》,中國電力出版社2007年2月北京.
    [2]徐甫榮:《高壓變頻調速技術工程實踐》,中國電力出版社2012年1月北京.