风机水泵应用转差调速设备节能效果分析

杨可银,徐俊峰,黄海,薛勇,刘丽

(江苏磁谷科技股份有限公司,江苏 镇江 212009)

0 引言

目前,风机水泵类负载设备具有平方转矩特性,目前公认调速运行是最佳的节能方式[1]。风机与水泵常见的调速方式有液力偶合调速、变频调速和永磁调速等,其中液力偶合调速的发展已经有上百年的历史,技术已经比较成熟。变频调速从20世纪70年代出现,其功能越来越全面,调速精度也越来越高。虽然液力偶合与变频调速都有很多的优点,但其固有的缺点也是显而易见的。液力偶合器调速精度差、响应慢、转差损耗较大;变频器电子元器件众多、高压大功率变频调速装置技术含量高、难度大、电力谐波等问题都很难解决[2]。而新型的永磁调速技术越来越受欢迎。永磁调速器按照转差功率的处理方式分为两类,一类是将转差功率以热能的形式消耗的涡流永磁调速器,另一类是将转差功率进行回收的绕组永磁调速器,两者在调速节能效果上有着较大的差别。本文通过对转差调速设备调速节能原理及节能效果的阐述与计算,完成风机水泵应用转差调速设备节能效果分析。

1 风机、水泵调速的必要性

风机、水泵的运行曲线如图1所示[2],当所需流量从Q1减小到Q2时,如果采用调节阀门的办法,管网阻力将会增加,管网特性曲线上移,系统的运行工况点从A点变到B点,所需轴功率P2与面积H1×Q2成正比;如果采用调速方式,负载转速由n1下降到n2,其管网特性并不发生改变,但负载的特性曲线将下移。因此其运行工况点由A点移至C点,此时所需轴功率P3与面积H3×Q2成正比。从理论上分析,所节约的轴功率ΔP与(H2-H3)×(Q1-Q2)的面积成正比[3]。

图1 离心式负载的运行曲线

文中所涉风机、水泵符合《GB12497三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南的要求,设备符合以下计算公式:

流量变化与转速变化成正比:

Q1/Q2=n1/n2

(1)

压力变化与转速变化平方成正比:

H1/H2=(n1/n2)2

(2)

功率变化与转速变化立方成正比:

P1/P2=(n1/n2)3

(3)

风机和水泵类负载属平方转矩负载,在不同转速n下的流量Q、压力(扬程)H和功率P符合相似定律。

2 转差调速设备工作原理及主要参数定义

2.1 转差调速设备工作原理

液力偶合调速器、涡流永磁调速器及绕组永磁调速器都属于转差调速设备,可定义为以特定介质将原动机的动力传递给工作机械,并在一定范围内实现输出转速的无级调节的机械调速装置,各自工作原理介绍如下。

1)液力偶合调速器

液力偶合调速器是一种以液体为工作介质、利用液体动能传递能量的一种叶片式传动机械。液力偶合器主要由泵轮、涡轮、旋转外套和勺管组成。泵轮驱动工作油旋转时把电机的机械能转化为工作油的动能和压力势能,工作油在进入涡轮后由其所携带的动能和压力势能推动涡轮旋转。通过勺管改变工作腔内工作油的充满度,就可以改变液力偶合器输出的转矩和转速,从而实现电机定速旋转情况下对风机或泵的无级变速。虽然液力藕合器用于风机水泵调速时具有显著的节能效果,但是由于液力偶合器的调速效率不大于转速比,产生的转差损耗还是较大的,因此液力偶合器仍属低效调速装置[2]。

2)涡流永磁调速器

涡流永磁调速器由导体转子、永磁转子、调节器三部分组成。导体转子安装在电机侧,永磁转子安装在负载侧,与导体转子相对,并由气隙分开。当导体转子旋转时,切割永磁转子的磁力线,在导体转子上产生涡流,涡流产生感应磁场与永磁场相互作用,从而带动永磁转子旋转,最终带动负载运行。通过调节器调节导体转子和永磁转子之间的相对位置,就可以控制传递转矩的大小,实现负载转速的变化[3]。永磁涡流调速器的传递效率只与主动盘与从动盘之间的转速差有关,转速差越小,效率越高。永磁涡流调速器功耗与传递功耗成正比,传递功耗大,自身能耗也大[4]。

3)绕组永磁调速器

绕组永磁调速器是一种转差调速设备,由调速器和控制器两部分组成。调速器由永磁转子和绕组转子组成。驱动电机驱动调速器永磁转子旋转产生旋转磁场,线圈绕组切割旋转磁场磁力线产生感应电流,进而产生感应磁场。该感应磁场与旋转磁场相互作用传递转矩,通过控制器控制绕组转子的感应电流大小来控制其传递转矩的大小以适应转速要求,实现软起动和调速功能。绕组永磁偶合调速器在传递动力和调速的同时,将转差功率通过集电环和碳刷引出,经整流、逆变后回馈至电机电源端再利用,从而达到节约电能消耗的目的,同时还解决了转差损耗带来的温升问题[5]。

2.2 转差调速设备参数定义

转差调速设备的特性参数主要有转矩T、转速比i、转差率S和调速效率η。

1)转矩T

转差类调速设备在忽略风磨损耗下,输入转矩T1等于传递给负载的转矩Tf,即T1=Tf。

2)转速比i

转差类调速设备运行时其输出转速n2与输入转速n1之比,称为转速比i,其转速比i必然小于1。因为若i=1,就意味着输入与输出之间不存在转速差,转速比i是设备性能的一个重要指标。

3)转差率S

转差调速设备工作时,输入转子与输出转子转速差与输入转速之比的百分数称为转差率,即

(4)

转差率除表示相对转速差的大小外,还表示在调速设备功率的传动损失率。在忽略风磨损耗下,输入转矩T1等于传递给负载的转矩Tf,可得:

(5)

4)调速效率η

调速效率又称为传动效率。它等于调速设备的输出功率P2与输入功率P1之比,因转矩T1等于传递给负载的转矩Tf,故有:

(6)

η+S=1

(7)

由上述公式可看出在忽略调速器的机械损失和容积损失等时,转差类设备的调速效率η等于调速百分比i。工作时的转速比i越小,其调速效率也越低,这是不可回收转差调速设备的一个重要工作特性[2]。

3 转差调速设备在风机水泵调速中的功率损耗计算

因离心式风机符合二次方转矩负载特性[6],根据式(1)—式(3),可得出不同调速n转速下的风机轴功率Pn及风机轴转矩Tn。设风机额定功率为PN,风机额定转速为nN,则Pn=(nn/nN)3×PN。

同时根据功率、转速、转矩关系可得:Pn=Tn×nn。

综上可得在调速n转速下转差功率为

额定转速下的调速比i=nn÷nN×100%,所以在调速n下的转差功率:

△P=(i2-i3)×PN

(8)

为求出最大转差功率损耗时的转速比,可将式(8)的△P对i求导数,再令导数为0,求出其极值点,即可求出其极大值或极小值:

得出取得极大值的极值点为i=2/3=0.667。把极大值代入式(8)可求出转差调速设备的最大转差功率损耗为0.148PN。

以上通过理论分析,推导出风机水泵应用转差调速设备进行调速时,最大转差功率发生在转速比i=2/3处。据此做出风机、水泵在采用转差调速设备进行调速运行时的调速效率、转差损失功率与转速比的关系曲线,如图2所示。

图2 转差调速设备调速效率、功率与调速比关系曲线

从图2中可以看出随着转速比的减小,效率较高,转差损失功率△P也相应变小,调速比越大,调速器的传递功率也迅速减小,相应的转差损失功率△P也相应变小。呈现出△P随调速比两端逐步减小的现象。

上述推导过程显示转差调速设备在调速运行过程中必然存在转差功率,在实际应用中涡流永磁调速器与液力偶合调速器都是以发热形式将其散发浪费,调速效率较为低下。绕组永磁调速则可以将转差功率△P通过集电环和碳刷引出,经整流、逆变后回馈至电机电源端再利用,从而达到节约电能消耗的目的,避免转差损耗带来的温升问题。

4 风机采用不同转差调速设备的节能数据比较

为检测各设备的节能情况,下面以某钢厂的在3台不同风机设备上应用的三类不同转差调速设备为例,委托第三方检测应用不同转差调速设备的风机在额定转速及调速模式下的耗电情况。评估测试方法如下。

1)风机风门全开,调速器最高输出转速为额定转速nN。

2)最高输出转速工况下有功功率值P1为基准有功耗电功率。

3)依次将风机转速调整至90%nN、85%nN、80%nN、75%nN、70%nN、65%nN并稳定运行,分别记录风机转速瞬时有功功率P。

4)测试数据显示如表1—表3,表中计算公式及说明如下:

表1 评估检测数据

表2 不同调速比下三类调速设备的耗电率 单位:%

表3 不同调速比下相关调整设备节电率 单位:%

转速百分比为风机转速n2与电机额定转速nN之比的百分数,电机额定转速为995r/min。

耗电比为调速工况运行功率P与P1之比。

相对节电率为1与耗电比之差的百分数。

节电率(A相对B)为A耗电率与B耗电率的差值与A耗电率之比的百分数。

检测评估数据显示涡流永磁调速器与液力偶合调速器的耗电率基本一致,绕组永磁调速器相对于其他两种调速设备具有更高的节电效果,这得益于绕组永磁调速器将转差功率ΔP回收重新利用。

本文检测评估数据是离心式风机负载,但是应该注意的是对于离心式水泵,其静扬程一般都比较大,所以调速前后的流量比不一定完全等于调速比,往往是流量比大于调速比。因为调速比变化小,所以功率减小量也少。因此水泵的调速节能效果要比风机差些。

5 结语

风机、水泵采用调速方式运行可提高系统的效率,节约大量能源,符合我国节能减排政策的必然趋势,特别是在使用较多风机水泵类负载的大型高能耗的电力、钢铁、冶炼石化、水泥行业更应采用先进的节能设备。目前调速节能技术种类较多,液力偶合器由于其较低的效率和较高的维护费用,正逐渐被市场淘汰;涡流永磁调速技术是近几年发展起来的技术,可靠性高、维护费用低、传动性能好、环境适应能力强,但同属转差调速设备,转差功率均以发热方式进行消耗,大功率需外加冷却装置;绕组永磁调速器成熟度及认可度正逐步提高,且调节精度和效率高,虽初始投资略大,但节电优势明显。

在选择调速节能设备时要充分考虑负载的调速运行情况、现场的安装条件、投资回报周期等因素,在保证系统能够长期稳定运行的同时,达到降本增效的目的。