风机水泵变频调速和液力耦合器调速节能对比计算

1风机水泵变频调速和液力耦合器调速节能比较广东明阳龙源电力电子有限公司徐甫荣朱修春摘要：本文介绍了液力耦合器的工作原理和主要特性，详细分析了液力耦合器在风机水泵调速应用中的节能效果，并与变频调速进行了对比计算，给出了详实的数据，澄清了一些误区；同时也客观地比较了变频调速和液力耦合器调速的优缺点，供用户在选择节能方案时参考。关键词：变频器液力耦合器风机水泵调速节能1．引言交流异步笼型电动机以其优异的性能和环境适应能力而获得了广泛的应用，但是其调速技术却一直困扰着工程界。在变频技术发明以前，人们只能采用电磁转差离合器调速，而电磁转差离合器调速又不适合大功率电机；继而又发明了液力耦合器，解决了大功率电动机的调速问题，并获得了广泛的应用。但是，它们都属于低效调速方式，其调速效率等于调速比。即便如此，当其用在风机水泵的调速时，与采用挡板和阀门的节流调节相比，也具有显著的节能效果。在已经采用液力耦合器调速的场合，进行变频调速节能改造时，一定要认识到这一点，对其节能潜力有一个正确的估计，以免达不到预期的效果。不要以节能效果作为评价其经济性的唯一指标，而要与进行变频调速节能改造后带来的其它好处一起综合评价其经济效益，比如改善启动性能、提高调速精度、满足工艺控制要求、提高产品质量、增加生产效率、延长设备寿命、减少维修费用和降低噪声水平……等等。2．液力耦合器的工作原理和主要特性参数2.1液力耦合器的工作原理液力耦合器是一种以液体（多数为油）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。按应用场合不同可分为普通型（标准型或离合型）、限矩型（安全型）、牵引型和调速型四类。用于风机水泵调速节能的为调速型，这里讨论的仅限于调速型。调速型液力耦合器主要由泵轮、涡轮、旋转外套和勺管组成，泵轮和涡2轮均为具有径向叶轮的工作轮，泵轮与主动轴固定连接，涡轮与从动轴固定连接；主动轴与电动机连接，而从动轴则与风机或水泵连接。泵轮与涡轮之间无固体的部件联系，为相对布置，两者的端面之间保持一定的间隙。由泵轮的内腔P和涡轮的内腔T共同形成的圆环状的空腔称为工作腔。若在工作腔内充以油等工作介质，则当主动轴带着泵轮高速旋转时，泵轮上的叶片将驱动工作油高速旋转，对工作油做功，使油获得能量（旋转动能）。同时高速旋转的工作油在惯性离心力的作用下，被甩向泵轮的外圆周侧，并流入涡轮的径向进口流道，其高速旋转的旋转动能将推动涡轮作旋转运动，对涡轮做功，将工作油的旋转动能转化为涡轮的旋转动能。工作油对涡轮做功后，能量减少，流出涡轮后再流入泵轮的径向进口流道，在泵轮中重新获得能量。如此周而复始的重复，形成了工作油在泵轮和涡轮中的循环流动。在这个过程中，泵轮驱动工作油旋转时就把原动机的机械能转化为工作油的动能和压力势能，这个原理与叶片式泵的叶轮相同，故称此轮为泵轮；而工作油在进入涡轮后由其所携带的动能和压力势能在推动涡轮旋转时对涡轮做功，又转化为涡轮输出轴上的机械能，这个原理与水轮机叶轮的作用相同，故称此轮为涡轮。涡轮的输出轴又与风机或水泵相联接，因此输出轴又把机械能传给风机或水泵，驱动风机水泵旋转。这样就实现了电动机轴功率的柔性传递。只要改变工作腔内工作油的充满度，亦即改变循环圆内的循环油量，就可以改变液力耦合器所传递的转矩和输出轴的转速，从而实现了电动机在定速旋转的情况下对风机或水泵的无级变速。工作油油量的变化是通过一根可移动的勺管（导流管）位置的改变而实现的：勺管可以把其管口以下的循环油抽走，当勺管往上推移时，在旋转外套中的油将被抽吸，使工作腔内的工作油量减少，涡轮减速，从而使风机或水泵减速；反之，当勺管往下推移时，风机或水泵将升速。2.2液力耦合器的主要特性参数表示液力耦合器性能的特性参数主要有转矩M、转速比i、转差率S、转矩系数λ、和调速效率ηv等。（1）转矩M当忽略液力耦合器的轴承及鼓风损失时，其输入转矩M1等于传递给泵轮的转矩MB，即M1=MB。其输出转矩M2与涡轮的阻力矩大小相等，方向相反，即M2=-MT。若忽略工作液体的容积损失等，则由动量矩定律及作用力与反作用力定律可以证明MB=-MT，因此有M1=M2。着就是说，液力耦合器不能改变其所传递的力矩，其输出力矩M2等于其输入力矩M1。（2）转速比i液力耦合器运行时其涡轮转速nT与泵轮转速nB之比，称为液力耦合器的3转速比i，即：i=nT/nB液力耦合器在正常工作时，其转速比i必然小于1。因为若i=1，就意味着泵轮与涡轮之间不存在转速差，两者同步转动，而当泵轮与涡轮同步转动时，工作油的旋转动能是不能对涡轮作功的，也就不能传递功率。液力耦合器在设计工况点的转速比in是表示液力耦合器性能的一个重要指标，in表示涡轮转速为最大值时的转速比，通常in＝0.97～0.98。从液力耦合器的调速效率特性可知，in表示了液力耦合器调速效率的最高值。液力耦合器在工作时，其转速比一般在0.4～0.98之内，当其小于0.4时，由于转速比小，工作腔内充油量少，工作油升温很快，工作腔内气体量大，这时工作中常会出现不稳定状况。（3）转差率S液力耦合器工作时，其泵轮与涡轮的转速差与泵轮转速之比的百分数，称为转差率，即：%100BTBnnnS（2－1）液力耦合器的转差率除表示相对转速差的大小外，还表示在液力耦合器中功率的传动损失率。由液力耦合器的输入、输出力矩相等，即M1=M2，可得：BBTBBTBBTBBTBPPPPPMMMnnnS121（2－2）即：BBTPPPPS11（2－3）（4）转矩系数λ转矩系数λ是液力耦合器得一个重要技术指标，它表示液力耦合器通流部分的完善程度。转矩系数λ越大，表示液力耦合器得动力储存也越大，亦即其传递功率和转矩的能力越大。转矩系数λ的值主要是由液力耦合器工作腔的几何尺寸及形状、以及工作腔流道表面的粗糙度等因素所决定的。对于已确定工作腔尺寸和形状的液力耦合器，转矩系数λ仅随转速比而变，即λ＝f(i)，在额定工况点的转速比in时，液力耦合器的转矩系数λ值约为（0.8～2.0）×10－6min2/m，GB5837-86规定，调速型液力耦合器的转矩系数值因满足6107.1min2/m。（5）调速效率ην（液力耦合器效率）液力耦合器的调速效率又称为传动效率。它等于液力耦合器的输出功率P2与输入功率P1之比，因为MB=-MT，故有：4innnMnMMMPPPPBTBBTTBBTTBT12即：SinnBT1（1S）（2－4）在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等时，液力耦合器的调速效率等于调速比。当液力耦合器工作时的转速比越小，其调速效率也越低，这是液力耦合器的一个重要工作特性。3．液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果3.1液力耦合器在风机水泵调速中的功率损耗由上可知，液力耦合器的调速效率等于调速比，所以液力耦合器属低效调速装置。液力耦合器在带动恒转矩负载调速工作时，转速比越小，其调速效率越低，转差功率损耗也越大；但是在带动叶片式风机水泵类平方转矩负载调速工作时，情况就不是这样了。这是因为叶片式风机水泵的轴功率与转速的三次方成正比，这时液力耦合器所传递的功率也迅速减小，转差功率损耗P也就是一个很小的量了。当风机与水泵由液力耦合器驱动调速工作时，风机或水泵的输入轴与液力耦合器的从动轴相连接，故风机水泵的转速等于液力耦合器涡轮的转速，即n=nT,而其轴功率P等于涡轮轴传递的功率，即P=PT。根据叶片式风机水泵的比例定律可知，风机水泵的轴功率P与其转速的三次方成正比，即TknP3。当液力耦合器在最大转速比nii时，max,3TTnTknPP两式相除得：3max,TTTnTnnPP（2－5）或改写成：3max,33max,TBBTTnTTTnTnnnnPnnPP（2－6）即：nTnTiiPP33………BTBnnimax,（2－7）因为BTPPi，即iPPTB代入式（2－7）得：nTnBiiPP32（2－8）5由式（2－7）和式（2－8）可求出液力耦合器得转差功率损失P与转速比的关系为：nTnTBiiiPPPP332（2－9）为求出最大转差功率损耗时的转速比，可将式（2－9）的P对i求导数，再令导数为零，求出其极值点，即可求出其极大值或极小值：03223iiiPdiPdnTn得出取得极大值得极值点为i=2/3=0.667。把极大值代入式（2－9）可求出液力耦合器的最大转差功率损耗maxP为：nTnnTnnTniPiPiPP33323max148.02743232（2－10）注意：式（2－10）中的TnP为max,TTnn时液力耦合器涡轮所传递的功率，等于风机或水泵再最高转速时的轴功率。maxP亦可用相应的液力耦合器泵轮传递的功率BnP（等于风机或水泵最高转速时电动机的输出功率）表示，由nBnTniPP/得：nBnnnBnnTniPiiPiPP233max148.0148.0148.0（2－11）通常，液力耦合器的in=0.97～0.98,代入式（2－100及式（2－11）得：maxP＝（0.157～0.162）PTn=(0.154～0.157)PBn(2-12)以上通过理论分析，导出了液力耦合器的涡轮传递功率PT、泵轮传递功率PB、以及转差功率损失P的计算公式；证明了液力耦合器的最低转差功率损失maxP发生再转速比i=2/3处。而不是转速越低，maxP越大。由以上推导的公式可以作出叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线，如图1所示。6图1.叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速时的调速效率、泵轮传递功率、涡轮传递功率、转差损失功率与转速比的关系曲线从图中可以直观地看出：随着转速比的减小，液力耦合器泵轮和涡轮所传递的功率也迅速减小，而转差损失功率P＝PB-PT，因而当液力耦合器泵轮所传递的功率PB和涡轮所传递的功率PT都变得很小时，转差损失功率P也是一个很小的量了。3.2液力耦合器在风机水泵调速中的节能效果下面通过一个具体的例子来说明叶片式风机水泵在采用液力耦合器调速，即使工作在低转速比时，尽管其调速效率很低，但与节流调节相比，也还具有显著的节能效果。图2某离心式通风机的性能曲线7图2所示为某离心式通风机的性能曲线，设此风机系统在未经节流调节和液力耦合器调节时，管路性能曲线经过最高效率点，即Q=190×103m3/h，p=280×9.81Pa；由于管路静压pst=0，管路性能曲线经过坐标原点，故此管路性能曲线与经过最高效率点的相似抛物线相重合（因为它们都是经过坐标原点和最佳工况点的二次抛物线）。下面分析比较将流量调节到风机额定流量的50％时，即95×103m3/h时，采用节流调节和液力耦合器调节时各自所需的原动机功率。先看节流调节，从图2可直接读出：当Q=190×103m3/h时，风机的轴功率为158kW，当通过节流调节使Q=95×103m3/h时，风机的轴功率为115kW。而通过液力耦合器调速时，风机的性能曲线要发生变化，但管路性能曲线不变，故变速前后的运行工况点均位于管路性能曲线上，而管路性能曲线上的各点又都是相似工况点，相互之间的参数关系遵守比例定律：''nnQQ;2'')(nnHH2'')(nnpp;3'')(nnPP故当流量下降到额定值的50％时，转速应下降到额定转速的50％，降速后风机所需的轴功率为：kWkWQQPnnPP75.1921158'''333若再考虑到液力耦合器的损耗功率，则得实际所需得原动机功率。由式（2－4）可知，液力耦合器的调速效率等于调速比，当转速比i=0.5时，调速效率也等于0.5，这就意味着从液力耦合器输入的功率只有一半为有效功率，而另一半则要损耗掉！因