變頻器方式和液力偶合器方式在高壓電機系統節能改造中的應用比較

林家偉

摘 要：在火力發電廠中，風機和水泵是主要的耗能設備，通常情況下其輸入能量的15%～20%被電機和風機或水泵所消耗，35%～50%的輸入能量被擋板或節流閥所消耗，因此對風機和水泵進行節能改造具有很大的潛力。本文首先簡要介紹了比較常見的兩種調速技術，變頻器和液力耦合器兩種調速技術，然后通過在電廠應用的實例，對兩種調速方式的優勢和不足進行比較和分析，用實踐證明，高壓變頻器在實現大功率電動機的穩定調整、運行可靠和高效節能有著無可比擬的優勢，每年因使用變頻產生的直接經濟效益也非常可觀，節電率在50%左右，大大縮短了投資回報期，具有很好的推廣應用價值。

關鍵詞：調速技術;變頻器;液力耦合器;節電率

據中國電監會統計，截止2014年底，我國電網總裝機容量為136019萬kW，工業用電就占了全國總發電量的70%，電動機負載占總發電量的50%，而泵和風機則消耗40%，是主要的耗電大戶，國家發改委提出的十大重點節能工程中第五項就是電機系統節能工程，鼓勵推廣調速節能技術，“十一五”規劃中明確提出了能耗比十五期間降低20%的硬性指標，這一系列政策的出臺，既順應了國家節能的現實需要，也大大促進了調速技術的發展。

選擇何種調速技術取決于一個企業經營策略，企業經營者也不斷的在探索適合本企業的節能技術，在這種情況下，各種調速技術不斷發展起來。本文將從變頻調速和液力耦合調速方式的節能原理入手，分析比較它們在技術及經濟等方面都有哪些優勢和不足。

1 兩種調速技術的節能原理

依據流體動力學理論可知功率和轉速的三次方成正比，當轉速減小時電機耗能將以其三次方的速率下降，而交流異步電動機的輸出轉速由下式確定：n=60f（1—s）/p （1）

式中n——電動機的輸出轉速;f——輸入的電源頻率;s——電動機的轉差率;p——電機的極對數。

由公式（1）可知，電動機的輸出轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極對數有關系，因而交流電動機的直接調速方式主要有變極調速（調整p）、轉子串電阻調速或串級調速或內反饋電機（調整s）和變頻調速（調整f）等。

1.1 變頻調速技術

變頻調速器從電網接收工頻50Hz的交流電，通過變流裝置，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調節的交流電輸出到交流電動機，實現交流電動機的變速運行。

將工頻交流電變換成為可變頻的交流電輸出的變換方法主要有兩種：一種稱為直接變換方式，又稱為交—交變頻方式，它是通過可控整流和可控逆變的方式，將輸入的工頻電直接強制成為需要頻率的交流輸出，因而稱其為交流—交流的變頻方式。另一種稱為間接變換方式，又稱為交-直-交變頻方式，它是先將輸入的工頻交流電通過全控/半控/不控整流變換為直流電，再將直流電通過逆變單元變換成為頻率和幅值都可調節的交流電輸出。

本調速技術適用于繞線式電機和鼠籠式電機，廣泛的應用于水工業、石油、發電、煤炭、水泥、冶金、鋼鐵、化工、艦船等，在低、中、高壓大容量的風機、泵類上均有運用，技術也較為成熟。

1.2 液力耦合器

以液體為工作介質的一種非剛性聯軸器，又稱液力聯軸器。結構上液力耦合器的泵輪和渦輪組成一個可使液體循環流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上。動力機（內燃機、電動機等）帶動輸入軸旋轉時，液體被離心式泵輪甩出。這種高速液體進入渦輪后即推動渦輪旋轉，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸。最后液體返回泵輪，形成周而復始的流動。液力耦合器靠液體與泵輪、渦輪的葉片相互作用產生動量矩的變化來傳遞扭矩。它的輸出扭矩等于輸入扭矩減去摩擦力矩，所以它的輸出扭矩恒小于輸入扭矩。液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體聯系，工作構件間不存在剛性聯接。

2 兩種調速方式的技術特點及適用范圍

2.1 變頻調速技術特點

可以實現電機軟啟動，使電機轉速慢慢升高，啟動時最大電流可按需要限制在一定范圍內;調速平滑，減少了對機械負載的沖擊，變頻器可以實現零頻率到50Hz輸出，甚至可達數百赫茲，具有很寬的調速范圍，且線性度可達0.99;降低了電機的轉速，節電率可在20%～40%之間;由于電機轉速的降低使各種機械磨損降低，減輕震蕩，降低了軸承溫度，增加了設備的使用壽命，延長了設備的使用周期，降低了維修成本;利用變頻器內部PI模擬的功能，在不增加控制器的條件下，實現電機轉速閉環控制，同時可與機組DCS聯接，完成控制任務;具有過負載、缺相、短路、欠壓、過壓、三相電流不平衡、三相電壓不平衡等多種保護功能，并且能隨時檢測電機的運行電流、電壓、轉速頻率等數值，大大提高了電機運行可靠性;采用變頻調速，輸出三相交流電源直接接到電機上，就能方便、快捷地啟動電機;具有無功就地補償功能，提高功率因數到0.98以上;操作簡便，改善操作環境、降低工人作業強度。

本調速技術適用于繞線式電機和鼠籠式電機，廣泛的應用于水工業、石油、發電、煤炭、水泥、冶金、鋼鐵、化工、艦船等，在低、中、高壓大容量的風機、泵類上均有運用，技術也很成熟。

2.2 液力耦合器技術的特點

由原理可知，這是一種機械調速;調速范圍寬，可實現從零調節;沒有電氣連接，可以工作在危險場合，對環境要求不高;結構簡單，操作方便;故障率低，要求精度低;能量轉換效率低。

本調速技術適用于大功率電機，可以應用于石油、發電、煤炭、冶金、鋼鐵、化工、艦船等，由于液力耦合器是一種耗能型機械調速，所以調速越深（轉速越低）耗能越大，而且液力耦合器出現故障后需要停機維修，影響正常生產，在運行一段時間后還要對液壓油進行更換。

3 節能分析

筆者收集凝泵、給水泵等設備的節能改造前后運行數據，經分析計算，列出兩種調速技術實際運行比較的結果。

3.1 變頻調速技術

某發電廠300MW機組2B凝結水泵系統配套電機型號TIKE-DCNW，額定功率2750kW，額定電壓為6kV，額定頻率為50HZ，轉速為590r/min，三相交流異步電動機。為比較分析凝結水泵變頻改造后的節能效果，選取了各負荷階段凝結水泵工頻、變頻運行參數進行了比較。

表1 2B凝結水泵工、變頻運行時測試結果

機組負荷 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 180MW ? ? ? ? ? ? ? ?200MW ? ? ? ? ? ? ? ?250MW ? ? ? ? ? ? ? ?300MW

運行方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻

電流/ A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?88 ? ? ? ? ?28 ? ? ? ? ? 92 ? ? ? ? ?29 ? ? ? ? ? ?98 ? ? ? ? 36 ? ? ? ? ? 105 ? ? ? ? 52

機組負荷 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 180MW ? ? ? ? ? ? ? ?200MW ? ? ? ? ? ? ? ? 250MW ? ? ? ? ? ? ? 300MW

運行方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻 ? ? ? 工頻 ? ? 變頻

凝結水泵出口壓力/ MPa ? ?3.33 ? ? ? 1.32 ? ? ? ? 3.28 ? ? ?1.32 ? ? ? ? 3.16 ? ? ?1.37 ? ? ? ? 3.07 ? ? ?1.67

節電率/ % ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 63.65 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?64.41 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 59.03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 45.2

3.2 液力耦合器

某發電廠300MW機組高壓水泵配套電機型號YK4000-2，額定功率4000kw，額定轉速為2990r/min，額定電壓為6kV，額定電流437A。

表2給水泵不同負荷改造前后耗能比較

機組負荷 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 80MW ? ? ? ? ? ? ? ?100MW ? ? ? ? ? ? ? ? 135MW

改造前給水泵電機電流/ A ? ? ? ?260.5 ? ? ? ? ? ?355.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 400.2

改造后給水泵電機電流/ A ? ? ? ?211.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 311.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 365.4

節電率/ % ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 18.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 12.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?8.7

由以技術特點、適用范圍及實際應用的數據可知，變頻器無論是在可靠性、穩定性和節能方面都有著明顯優勢，雖然前期投入較大，但由于節能效果高，它的投資回報期也相對較短，從筆者調研的幾個單位看，平均回報期為二年，從長遠來看，變頻器的節能效果還是相當可觀的。

4 結語

通過理論分析以及實際的比較可知，變頻器調速節電率在不同的負荷段均表現出絕對的領先率最高達60%，最低也高達40%，遠遠超過液力耦合器的節電率。在節能領域，無論從當前的應用還是發展前景來看，變頻器都具有很大的推廣空間，變頻器發展的更為迅速，它的系列覆蓋高、中、低容量的各種電機，在工業生產中有舉足輕重的作用，也帶動了與之相適應的各種技術的發展。

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