液偶与变频比较.doc

高压大功率电动机变频调速与液力偶合器调速的节能比较
高压节电 2010-07-14 15:14:28 阅读54 评论1   字号：大中小 订阅
上海发电设备成套设计研究所 李南坤
一、变频调速与液力偶合器调速的工作原理
电动机采用变频调速后，电动机转轴与负载直接相连，但电动机不再由电网
直接供电，而是由变频器供电，变频器通过改变电动机的供电频率改变电机转速，
因此可以实现相当宽的频率范围内无级调速，而且在全范围内具有优异的效率和
功率因素特性。
采用变频调速后，异步电动机转速 n=60f(1-s)/p，其中f 为变频器输出频率，
s 为异步电动机转差率，p 为电动机极对数。
液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量
并改变输出转速的，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作
油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到
输出轴和负载，这样，可以通过控制工作腔内参与能量传递的工作油多少来控制
输出轴的力矩，达到控制负载的转速的目地。因此液力偶合器也可以实现负载转
速无级调节。
如采用液力偶合器调速，则电动机转轴连接到液力偶合器，而负载连接到液
力偶合器，电动机仍由电网供电，电动机仍全速运行。
二、变频调速与液力偶合器调速的节能比较
1、功率损耗的原因
电动机本身功率损耗除外，无论是变频调速还是液力偶合器调速，均存在额
外的功率损耗，液力偶合器从电动机输出轴取得机械能，通过液力变速后送入负
载，其效率不可能为1；变频器从电网取的电能，通过逆变后送入电动机电枢，
其效率也不可能是1。而且在全转速范围内，两种方式的效率曲线也不一样。
图 1“两种调速方式效率曲线”为典型的液力偶合器和变频器（高高变频器）
的效率－转速曲线，随着输出转速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低（例
如：额定转速时效率0.95，75%转速时效率约0.72，20%转速时效率约0.19），
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而变频器在输出转速下降时效率仍然较高（例如：额定转速时效率0.97，75%以
上转速时效率大于0.95，20%以上转速时效率大于0.9）。
输出转速比
效率
变频调速效率
液力偶合器效率
图 1 两种调速方式效率曲线
从曲线数据看，当输出转速降低时，液力偶合器的效率比变频调速的效率下
降快得多，因此变频调速的低速特性比液力耦合器要好。当然，有一点我们应该
看到，就是用于风机、泵类负载时，由于其轴功率与转速的三次方成正比，当转
速下降时，虽然液力偶合器效率正比下降，但电动机综合轴功率还是随着转速的
下降成二次方比例下降，因此也能起到节能作用。
变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和
频率，除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不变外，电力电子器件的损耗基
本上与输出功率成正比，因此变频调速可以在全转速范围内保持较高效率运行。
而液力偶合器依靠泵和涡轮传递能量，在低速输出时，泵和涡轮的效率均下降，
因此综合效率随转速下降而下降。
２、理论计算节能比较
从理论上进行计算，举例说明如下：1000KW 风机风量从100%降低到70%，
由于流量与转速一次方成正比，因此转速可以降低70%，负载功率理论上降为
34.3%，如果采用直接高高变频调速，其效率按0.95 算，再考虑电动机效率在低
功率时有所下降、和管道系统效率有所下降， 电网总输入功率约
34.3%/0.95/0.85/0.95=44.71%，即447.1KW，节能55.29%，全年按300 日计算，
年节电398 万度。如果采用液力偶合器，其效率按0.665 计算，电网总输入功率
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约34.3%/0.665/0.85/0.95=63.87%，即638.7KW，节能36.13%，年节电260 万度。
因此变频调速每年多节电138 万度。列表如下：
1000KW 高压风机电动机降速70%时液力偶合器和变频调速节能比较
变频调速 液力偶合器
电网总输入功率 447.1KW 638.7KW
调速装置效率 0.95 0.665
节能 55.29% 36.13%
年节电 398 万度 260 万度
３、实测节能比较
以某电力设计院实测一台 20 万千瓦机组引风机改装液力耦合器及变频调速
为例：该异步电动机额定值为1250KW，6KV、142A、额定效率95％、额定转
速742RPM、额定功率因素0.85。
三种调节方式在不同发电机负荷下的输入电流如下：
调节方式 不同发电机负荷（MW）下的输入电流
100MW 120MW 140MW 160MW 180MW 200MW
挡板调节 73A 78A 82A 85A 89A 102A
液力耦合器 41A 45A 49A 51A 61A 63A
变频调节 12A 17A 20A 23A 32A 39A
三种调节方式的电动机综合输入功率如下：
调节方式 不同发电机负荷（MW）下的电动机综合输入功率
100MW 120MW 140MW 160MW 180MW 200MW
挡板调节 650KW 690KW 720KW 760KW 800KW 840KW
液力耦合器 280KW 310KW 350KW 380KW 480KW 510KW
变频调节 110KW 130KW 200KW 220KW 320KW 380KW
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三种调节方式的日耗电量预计如下：
日发电量（MW）对应的风机电机日耗电量
调节方式 3469MW 2667MW 2910MW
挡板 17575 KWH 15843 KWH 16474 KWH
液力耦合器 8920 KWH 6696 KWH 7437 KWH
变频装置 5134 KWH 2738 KWH 3499 KWH
按机组年运行300 日7200 小时计，应用变频调速年节电385 万度，而应用
液力耦合器年节电268 万度。
虽然电动机功率不一致，但实测的节电比例与理论计算值基本一致。
三、变频调速与液力偶合器调速的其他性能比较
变频调速与液力偶合器调速除了节能方面的差别外，还在功率因素、起动性
能、运行可靠性、运行维护、调节及控制特性、投资及回报等方面有较大差异。
１、功率因素
变频调速可以在很宽的转速范围内保持高功率因素运行（例如20%以上转速
时功率因素大于0.95%），而液力偶合器低速运行时功率因素低于电动机额定功
率因素，如果在70%以下转速时，功率因素将低于0.7。
采用液力偶合器如果需要提高功率因素，则需另加功率因素补偿装置。
2、起动性能
采用变频调速时，如电动机保持额定转矩起动，电网输入起动电流小于电动
机额定电流的10%，对于风机泵类负载，其起动电流更小。而且起动的全过程可
控，起动点和爬坡时间可设置。而液力偶合器不能直接改善起动性能，起动电流
达到额定电流的5-7 倍，即使是绕线型转子，采取转子串电阻方法需改善起动性
能，需增加起动装置，但起动电流仍将是额定电流的2 倍以上，是变频起动的
20 倍以上。
起动对电动机和电网的冲击相当大，对电动机来说，造成转子鼠笼断条和定
子绕组开焊，据统计，约15%的电动机故障由直接起动引起。对于电网来说，直
接起动造成电网电压短时下降，干扰其它设备运行。
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3、运行可靠性、运行维护
液力偶合器机械结构和管路系统复杂，要长期可靠运行，系统维护工作量增
大，如果出现故障，无法直接定速运行，必须停机检修。高压变频装置电子线路
比较复杂，但目前技术已趋成熟，尤其是单元串联多电平方式的高压变频装置具
有单元自动切换和冗余运行特性，在单元故障时可不停机连续运行，可靠性得以
保证，而且检修维护相当容易，只需定期更换进风滤网即可。
4、调节及控制特性
液力偶合器依靠调节工作腔油量大小改变输出转速，因此响应慢，可能跟不
上控制的需要，而变频调速的频率改变速度相当快，完全可以以系统允许的最高
速度进行调节。
液力偶合器的速度调节精度较低，而变频调速属于数字式控制，其稳频精度
达到0.1%以上，因此可以实现精确控制。
5、投资及回报
目前，液力偶合器初期投资比变频调速低，但变频调速节能效果及其它方面
均明显优于液力偶合器，从前面的例子可知，1000KW 电动机，应用变频调速比
应用液力偶合器每年多节电138 万度，如果变频调速需多投资60 万元，则1 年
多即可收回。以后的运行情况是：变频调速比液力偶合器每年节省数十万元的开
支，因此总体投资回报效果更佳。
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液力偶合器初期投资比变频调速低，但变频调速节能效果及其它方面
均明显优于液力偶合器，从前面的例子可知，1000KW 电动机，应用变频调速比
应用液力偶合器每年多节电138 万度，如果变频调速需多投资60 万元，则1 年
多即可收回。以后的运行情况是：变频调速比液力偶合器每年节省数十万元的开
支，因此总体投资回报效果更佳。
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