变频器方式和液力偶合器方式在高压电机系统节能改造中的应用比较

林家伟

摘 要：在火力发电厂中，风机和水泵是主要的耗能设备，通常情况下其输入能量的15%～20%被电机和风机或水泵所消耗，35%～50%的输入能量被挡板或节流阀所消耗，因此对风机和水泵进行节能改造具有很大的潜力。本文首先简要介绍了比较常见的两种调速技术，变频器和液力耦合器两种调速技术，然后通过在电厂应用的实例，对两种调速方式的优势和不足进行比较和分析，用实践证明，高压变频器在实现大功率电动机的稳定调整、运行可靠和高效节能有着无可比拟的优势，每年因使用变频产生的直接经济效益也非常可观，节电率在50%左右，大大缩短了投资回报期，具有很好的推广应用价值。

关键词：调速技术;变频器;液力耦合器;节电率

据中国电监会统计，截止2014年底，我国电网总装机容量为136019万kW，工业用电就占了全国总发电量的70%，电动机负载占总发电量的50%，而泵和风机则消耗40%，是主要的耗电大户，国家发改委提出的十大重点节能工程中第五项就是电机系统节能工程，鼓励推广调速节能技术，“十一五”规划中明确提出了能耗比十五期间降低20%的硬性指标，这一系列政策的出台，既顺应了国家节能的现实需要，也大大促进了调速技术的发展。

选择何种调速技术取决于一个企业经营策略，企业经营者也不断的在探索适合本企业的节能技术，在这种情况下，各种调速技术不断发展起来。本文将从变频调速和液力耦合调速方式的节能原理入手，分析比较它们在技术及经济等方面都有哪些优势和不足。

1 两种调速技术的节能原理

依据流体动力学理论可知功率和转速的三次方成正比，当转速减小时电机耗能将以其三次方的速率下降，而交流异步电动机的输出转速由下式确定：n=60f（1—s）/p （1）

式中n——电动机的输出转速;f——输入的电源频率;s——电动机的转差率;p——电机的极对数。

由公式（1）可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速（调整p）、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机（调整s）和变频调速（调整f）等。

1.1 变频调速技术

变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，通过变流装置，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。

将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种：一种称为直接变换方式，又称为交—交变频方式，它是通过可控整流和可控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，因而称其为交流—交流的变频方式。另一种称为间接变换方式，又称为交-直-交变频方式，它是先将输入的工频交流电通过全控/半控/不控整流变换为直流电，再将直流电通过逆变单元变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出。

本调速技术适用于绕线式电机和鼠笼式电机，广泛的应用于水工业、石油、发电、煤炭、水泥、冶金、钢铁、化工、舰船等，在低、中、高压大容量的风机、泵类上均有运用，技术也较为成熟。

1.2 液力耦合器

以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。结构上液力耦合器的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上。动力机（内燃机、电动机等）带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动。液力耦合器靠液体与泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。它的输出扭矩等于输入扭矩减去摩擦力矩，所以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。液力耦合器输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间不存在刚性联接。

2 两种调速方式的技术特点及适用范围

2.1 变频调速技术特点

可以实现电机软启动，使电机转速慢慢升高，启动时最大电流可按需要限制在一定范围内;调速平滑，减少了对机械负载的冲击，变频器可以实现零频率到50Hz输出，甚至可达数百赫兹，具有很宽的调速范围，且线性度可达0.99;降低了电机的转速，节电率可在20%～40%之间;由于电机转速的降低使各种机械磨损降低，减轻震荡，降低了轴承温度，增加了设备的使用寿命，延长了设备的使用周期，降低了维修成本;利用变频器内部PI模拟的功能，在不增加控制器的条件下，实现电机转速闭环控制，同时可与机组DCS联接，完成控制任务;具有过负载、缺相、短路、欠压、过压、三相电流不平衡、三相电压不平衡等多种保护功能，并且能随时检测电机的运行电流、电压、转速频率等数值，大大提高了电机运行可靠性;采用变频调速，输出三相交流电源直接接到电机上，就能方便、快捷地启动电机;具有无功就地补偿功能，提高功率因数到0.98以上;操作简便，改善操作环境、降低工人作业强度。

本调速技术适用于绕线式电机和鼠笼式电机，广泛的应用于水工业、石油、发电、煤炭、水泥、冶金、钢铁、化工、舰船等，在低、中、高压大容量的风机、泵类上均有运用，技术也很成熟。

2.2 液力耦合器技术的特点

由原理可知，这是一种机械调速;调速范围宽，可实现从零调节;没有电气连接，可以工作在危险场合，对环境要求不高;结构简单，操作方便;故障率低，要求精度低;能量转换效率低。

本调速技术适用于大功率电机，可以应用于石油、发电、煤炭、冶金、钢铁、化工、舰船等，由于液力耦合器是一种耗能型机械调速，所以调速越深（转速越低）耗能越大，而且液力耦合器出现故障后需要停机维修，影响正常生产，在运行一段时间后还要对液压油进行更换。

3 节能分析

笔者收集凝泵、给水泵等设备的节能改造前后运行数据，经分析计算，列出两种调速技术实际运行比较的结果。

3.1 变频调速技术

某发电厂300MW机组2B凝结水泵系统配套电机型号TIKE-DCNW，额定功率2750kW，额定电压为6kV，额定频率为50HZ，转速为590r/min，三相交流异步电动机。为比较分析凝结水泵变频改造后的节能效果，选取了各负荷阶段凝结水泵工频、变频运行参数进行了比较。

表1 2B凝结水泵工、变频运行时测试结果

机组负荷                       180MW                200MW                250MW                300MW

运行方式                   工频     变频       工频     变频       工频     变频       工频     变频

电流/ A                      88          28           92          29            98         36           105         52

机组负荷                         180MW                200MW                 250MW               300MW

运行方式                   工频     变频       工频     变频       工频     变频       工频     变频

凝结水泵出口压力/ MPa    3.33       1.32         3.28      1.32         3.16      1.37         3.07      1.67

节电率/ %                           63.65                    64.41                     59.03                   45.2

3.2 液力耦合器

某发电厂300MW机组高压水泵配套电机型号YK4000-2，额定功率4000kw，额定转速为2990r/min，额定电压为6kV，额定电流437A。

表2给水泵不同负荷改造前后耗能比较

机组负荷                                 80MW                100MW                 135MW

改造前给水泵电机电流/ A        260.5            355.7                     400.2

改造后给水泵电机电流/ A        211.8                   311.9                     365.4

节电率/ %                                 18.7                     12.3                        8.7

由以技术特点、适用范围及实际应用的数据可知，变频器无论是在可靠性、稳定性和节能方面都有着明显优势，虽然前期投入较大，但由于节能效果高，它的投资回报期也相对较短，从笔者调研的几个单位看，平均回报期为二年，从长远来看，变频器的节能效果还是相当可观的。

4 结语

通过理论分析以及实际的比较可知，变频器调速节电率在不同的负荷段均表现出绝对的领先率最高达60%，最低也高达40%，远远超过液力耦合器的节电率。在节能领域，无论从当前的应用还是发展前景来看，变频器都具有很大的推广空间，变频器发展的更为迅速，它的系列覆盖高、中、低容量的各种电机，在工业生产中有举足轻重的作用，也带动了与之相适应的各种技术的发展。

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