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液力調速與變頻調速的運行比較

熱電行業中，對在線運行的風機水泵的主要節能方法就是使其變速運 行，傳統的變速方法是采用液力偶合器對負載的轉速進行調節，我們稱之為液力調速。電力 電子技術的發展，使人們可以通過改變電機的供電頻率，來改變電機的轉速，進而達到改變 負載的轉速，我們稱這種調速方法為變頻調速。本文將就液力調速與變頻調速各自的優缺點 做一分析，以供用戶在設備選 型時參考。

一、液力調速與變頻調速的工作原理

液力調速是利用液力偶合器工作腔內工作油液的動量矩變化，來傳遞電機能量。電機通過液 力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪(泵輪)，對工作油進行加速，被加速的工作油沖擊液力 偶合器的從動工作輪(渦輪)，通過輸出軸又把工作油的能量傳遞給負載。這樣，我們可以利 用某種裝置，控制工作腔內參與能量傳遞的工作油的多少，來控制負載的轉速。

變頻調速是通過改變供給異步電動機的供電頻率，來改變電機的轉速，從而改變負載的轉速 的。我們知道，電機的轉速：

                                     n=50f(1-S)/P

其中f為供電頻率，P為電機的極對數，S為滑差。因此，改變f可以改變電機的轉速的。

液力調速與變頻調速的共同特點是都可以對負載進行無級變速。

二、液力調速與變頻調速的功率損耗

液力偶合器的效率就是它的輸出與輸入的轉速比即η=i。由于液力偶合器輸入轉速為電機的額定轉速，很多人據此認為，當其輸出轉速降低時，效率也隨著呈線性下降。這種說法具有一定的局限性，因為調速型液力偶合器的損失功率是由負載的特性決定的。例如，離心負載 的軸功率與其轉速的三次方成正比，這樣，當一離心負載的轉速由額定轉速ne下降到某一轉速n1時，其功率也隨之降到：N1f=(n1/ne)3Nef,Nef為負載 的額定軸功率。

當負載處于額定轉速ne時，因為此時液力偶合器的滑差很小，我們可以近似的認為該轉速 就是電機的額定轉速，電機的輸出功率為Ned=Nef，S為液力偶合器的滑差。當 負載的轉速降到n1時，液力偶合器的效率即為η=i=n1/ne。此時，液力偶合器的輸入 功率，即電機的輸出功率N1d為：

                                N1d=N1f/η=(n1/ne)2Nef

由上式可見，電機的輸出功率并非電機的額定功率。則液力偶合器的損失功率Ns為：

Ns=電機的輸出功率-負載的軸功率=(n1/ne)2Nef-(n1/ne)3Nef

如果我們對上式求導，則可以求出Ns的最大值：

                               當i=2/3時 Nsmax=0.148Ned

圖1為電機與液力偶合器拖動離心負載時，電機功率、負載功率、機組效率及損失功率與液 力偶合器數比之間的關系。

η：液力偶合器的效率

Ns：液力偶合器的損失功率

i：液力偶合器的輸出與輸入轉速之比

Nd：電機功率 Nf：負載功率

圖1 液力偶合器的功率損失圖

因此，液力偶合器在驅動風機水泵等離心負載時，其損失功率并不是很大，把它定為低效節 .表1為某自來水公司1號水泵采用調速型液力偶合器的運行記錄，從表中 可以看出，當負載轉速下降時，電機的輸出功率也隨之減少，而并非始終以額定功率輸出。

變頻調速的方式有很多種，諸如，低-高變頻，高-低變頻，高-低 -高變頻，然而，無論哪一種變頻方法，同樣存在著功率損耗的問題。以目前比較常用的 高-低-高變頻為例，它的交流變頻方式如圖2所示。

圖2 高-低-高變頻方式

表1 某自來水公司1號水泵運行記錄

電源的高壓電經過降壓-整流-逆變-升壓后送給電機。因此，該變頻系統的功率損耗包括 降壓損耗，變頻損耗，升壓損耗，而且，由于電源頻率的改變，電機的工作效率也會隨之下 降。

表2為某冶煉廠轉爐風機使用變頻調速后的運行記錄，表中的2號風機和3號風機為兩臺相同 的風機，相同的系統及使用環境，因此，可以認為，2號風機的工頻運行與3號風機的工頻運 行情況是一樣的。由表中可以看到，3號風機采用了變頻調速后，電機的功率因素同樣有所 下 降。當然由于負載及使用情況的不同，二者無法進行直接比較，但至少可以認為，液力調速 和變頻調速同樣存在著功率損失，同樣存在著功率因素下降。

表2 某冶煉廠2號、3號轉爐風機運行記錄

表3為各種調速方式下，風機電動機的耗電特性表，該表已成為各種調速方式相互比較時經常引用的依據。但如果用表中的數據來說明液力調速不如變頻調速，筆者認為缺乏一定的科學性。因為表中變頻調速一欄中，只考慮了由電機到負載之間的功率損失，而忽略了變頻調速還存在著由電源到電機之間的降壓，變頻，升壓的功率損失。

表3 風機電動機的耗電特性

高壓整流二極管和高壓IGBT的誕生，使高-高直接變頻得以實現，以美國羅 賓康(ROBICON)公司為代表的企業還發明了利用低壓變頻功率單元串聯的辦法，來實現高- -高直接變頻。這都是解決變頻過程中由于變壓而導致功率損失的行之有效的辦法。

三、液力調速與變頻調速的特點

液力調速由于是調速型液力偶合器利用工作油來傳遞電機的能量的，它的輸入和輸出部分是 無機械連接的。因而，它可以使電機實現真正意義上的空載啟動，即負載可以在電機完成啟 動過程后，再由液力偶合器對其提速，對于大慣的負載，或者變電所容量有限的場合，液力 偶合器的這一功能特別有用。對于需要稀油潤滑的機組，液力偶合器還可以向機組提供所需 的潤滑油，既可以減小機組的占地面積，又可以節省泵站的投資。液力調速機組對電網的要 求不高，無論是新上項目還是改造項目，都無需考慮電網方面的問題，同時，機組也不會對 電 網產生諧波污染。對于超過3000轉/分的負載，可以把增速箱和液力偶合器做成一個整體， 這樣，當機組進行調速時，由于齒輪箱在液力偶合器的輸入端，因而增速箱的轉速不會因液 力偶合器對負載進行調速而出現轉速變化的現象，簡化了增速箱的設計(主要指增速箱的齒 輪修型和軸承設計)。另外，液力偶合器還具有維修簡單，控制方便等優點。有近百年的歷 史的液力傳動技術已經是一項成熟的技術。

當然，液力調速也有一定的缺點。比如，它的不宜超過0.985。對于恒扭矩負載， 液力調速沒有象拖動離心負載時的節能效果，由負載變速運行所節省下來的能量*變成了 液力偶合器損失的熱能。因此，對于恒扭矩負載，如果不是為了只解決電機的啟動問題，不 宜 采用液力調速而應采用變頻調速。相對于變頻調速來說，液力調速的精度還比較差，對于諸 如軋鋼機等對設備轉速要求較嚴的場合，液力調速無法滿足機組的運行要求。同時，液力偶 合器在負載低轉速時，機組電機的功率因素及機組的運行效率均不如變頻調速。

變頻調速可以使電機和負載之間沒有滑差，對電機的調速精度很高。對于改造項目可以不變 動設備的基礎。當變頻器出現問題時，電機可以投工頻運行而不必立即停車檢修。美國羅賓 康公司(ROBICON)制造的諧波變頻調速器，當其中的一個功率單元出現故障時，機組 仍然可以變速運行，只是功率有所下降。或者機組投工頻運行，無需立即停車檢修，而且功 率單元的更換比較簡單。對于恒扭矩負載須變速運行時，變頻調速應是各種調速方式中，當然，變頻調速也存在著諸如對電源的質量和變頻器的工作環境要求比較高，對電網會 產生 諧波污染，損壞的功率單元維修比較困難，對于空--空冷卻的電機轉速降低會出 現空冷能力不足，需另配冷卻系統等問題。

從價格方面來看，一般情況下，液力偶合器的投資可以在半年到一年的時間內，通過節省的電費得到收回，而相同功率的變頻調速器的投資 ，大約需要一年半到三年的時間。如果是高--高變頻，則需要的時間會更長。因此，在目前的大功率調速機組上，變頻調速還無法與液力調速形成競爭力。

總之，液力調速與變頻調速都有各自的特點， 但是，應當承認，變頻調速是調速節能的發展方向 ，相信隨著科學技術的發展，電力電子元件性能不斷完善，變頻調速器的價格會逐步下降， 再加上與變頻調速器相適應的電機等產品的出現，在調速節能領域，變頻調速取代液力調速 將是必然的。