高壓變頻與液力偶合器的節(jié)能原理對比

1、1 引言風(fēng)機(jī)、水泵是量大面廣的通用機(jī)械，其耗電量占發(fā)電總量的30%左右，而高壓電機(jī)拖動的大中型風(fēng)機(jī)水泵的耗電量約占風(fēng)機(jī)水泵耗電總量的50%。目前大中型風(fēng)機(jī)水泵基本上采用檔板或閥門來調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，以滿足負(fù)荷變化的要求，其電能浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重，如若采用改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，無疑對節(jié)約能源，提高設(shè)備工作效率意義非常重大。但對于客戶來說如何根據(jù)自己的客觀情況，選擇一種經(jīng)濟(jì)實用的調(diào)速方式，是擺在他們面前的實際問題。本文從理論和實際兩個方面對于應(yīng)用高壓變頻器和液力耦合器的優(yōu)缺點進(jìn)行全面的分析和比較。2 高壓變頻器的工作原理與性能特點2.1 高壓變頻器的發(fā)展過程高壓變頻器是隨著現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)

2、展而逐步發(fā)展起來的一種高壓電機(jī)調(diào)速產(chǎn)品，發(fā)展階段大致為:（1) 從功率元件上分:scr、gtr、gto、igbt、igct;（2) 從結(jié)構(gòu)方式上分:高低高、三電平、二極管鉗位多電平串聯(lián)、電容鉗位多電平串聯(lián)、多電平單元串聯(lián)疊加、直接矢量控制電流源逆變器、igbt直接串聯(lián)型高壓變頻器;（3) 從控制方式上分:晶閘管電容強(qiáng)制換相、晶閘管電感強(qiáng)制換相、gto自關(guān)斷、igbt電壓控制自關(guān)斷、igct電流控制自關(guān)斷;（4) 從控制系統(tǒng)上分:模擬控制，數(shù)字工控機(jī)控制，數(shù)字fpga控制，數(shù)字dsp控制。2.2 高壓變頻器的基本構(gòu)成以多電平單元串聯(lián)疊加型高壓變頻器為例對其說明。(1) 主回路構(gòu)成由高壓變頻器、遠(yuǎn)

3、控操作箱、機(jī)旁操作箱及旁路開關(guān)柜等部分組成。其中機(jī)旁操作箱和旁路開關(guān)柜為選配設(shè)備，旁路開關(guān)柜可以采用手動或自動旁路形式，系統(tǒng)的單線原理圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)的單線原理圖(2) 高壓變頻器的構(gòu)成內(nèi)部是由18個相同的單元模塊構(gòu)成，每6個模塊為一組，分別對應(yīng)高壓回路的三相，單元供電由移相切分變壓器進(jìn)行供電，原理圖如圖2所示。圖2 高壓變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(3) 功率單元構(gòu)成功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入切分變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由4個igbt以pwm方法進(jìn)行控制，產(chǎn)生設(shè)定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，實行模塊化的設(shè)計。其控制通過光纖發(fā)送。原理框圖如圖3所示

4、。圖3 功率單元原理框圖來自主控制器的控制光信號，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應(yīng)的指令后，發(fā)出相應(yīng)設(shè)的igbt的驅(qū)動信號，驅(qū)動電路接到相應(yīng)的驅(qū)動信號后，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動電壓到igbt控制極，操作igbt關(guān)斷和開通，輸出相應(yīng)波形。功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號電路中進(jìn)行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號向主控制器發(fā)送。2.3 高壓變頻器運(yùn)行原理高壓變頻器的每個功率單元相當(dāng)于一個三電平的二相輸出的低壓變頻器，通過疊加成為高壓三相交流電，以6kv變頻器為例論述:6kv輸出電壓的變頻器，每相有6個功率單元相串聯(lián)。單元的輸入電壓為三相600v，輸出則為單相577

5、v，單元相互串聯(lián)疊加后可輸出相電壓3464v。當(dāng)變頻器輸出頻率為50hz時，相電壓為13階梯波，如圖4所示。圖4中ua1ua6分別為a相6個功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器a相輸出電壓ua0。圖4中顯示出了生成pwm控制信號時所采用a相參考電壓uar，可以看出ua0很好地逼近uar。uaf為a相輸出電壓中的基波成分。圖4 相電壓回路疊加波形由于變頻器中點與電動機(jī)中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓，由a相和b相輸出電壓產(chǎn)生的uab輸出線電壓可達(dá)6000v，為25階梯波。如5圖所示，為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，uab不僅具有正弦波形而且臺階數(shù)也成倍增加，因而諧波成分及dv/dt均較小。

6、圖5 線電回路疊加波形2.4 多電平單元串聯(lián)疊加型變頻器的三相波形輸出質(zhì)量高壓變頻器在運(yùn)行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照v/f的設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保持電機(jī)在不同的頻率下運(yùn)行，而定子磁心中的主磁通保持在額定水準(zhǔn)，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，在圖6的波形是在現(xiàn)場運(yùn)行時，經(jīng)過pt采集的電動機(jī)三相輸入波形。圖6 電動機(jī)入電壓波形多重疊加的應(yīng)用，使高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達(dá)到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時輸出電壓的dv/dt較小，不會增加電機(jī)繞組的應(yīng)力，可以向普通標(biāo)準(zhǔn)型交流電動機(jī)供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設(shè)備的通用性。在

7、變頻器輸入側(cè)，由于變頻器多個副邊繞組的均勻位移，如6kv輸出時共有+250、+150、+50、-50、-150、-250共6種繞組，變頻器原邊電流中對應(yīng)的電流成分也相互均勻位移，構(gòu)成等效36脈動整流線路，變流轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的諧波都相互抵消。工作時的功率因數(shù)達(dá)0.95以上，不需要附加電源濾波器或功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，也不會與現(xiàn)有的補(bǔ)償電容裝置發(fā)生諧振，對同一電網(wǎng)上運(yùn)行的電氣設(shè)備沒有任何干擾。2.5 高壓變頻器的性能特點(1) 應(yīng)用范圍調(diào)速范轉(zhuǎn)寬，可以從零轉(zhuǎn)速到工頻轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié);在大電機(jī)上能實現(xiàn)小電流的軟啟動，啟動時間和啟動的方式可以根椐現(xiàn)場工況進(jìn)行調(diào)整;頻率的調(diào)整是根據(jù)電機(jī)在低頻下的壓頻比系數(shù)

8、進(jìn)行電壓和頻率的輸出，在低轉(zhuǎn)速下，電機(jī)不僅是發(fā)熱量低，而且輸入電壓低，將使電機(jī)絕緣老化速度降低。(2) 技術(shù)新穎串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了真正意義的高-高電力變換，無需升壓變換，降低了裝置的損耗，提高了可靠性，解決了高壓電力變換的困難。串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用還為實現(xiàn)純正弦波、消除電網(wǎng)諧波污染開辟了新的途徑。(3) 性能指標(biāo)高l 高功率因數(shù)，達(dá)0.95以上，無需另加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，避免了因無功帶來的罰款;l 效率高，高達(dá)96%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶閘管大功率調(diào)速裝置;l 符合ieee519-1992標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，不對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，完全無需任何濾波裝置;l 對電機(jī)不產(chǎn)生諧波污染，有效降低了

9、電機(jī)的發(fā)熱量，噪聲與采用工頻供電時相近;l 轉(zhuǎn)矩脈動很低，不會導(dǎo)致電機(jī)等機(jī)械設(shè)備的共振，同時也減少了傳動機(jī)構(gòu)的磨損;l 輸出波形完美，失真度小于1%;l 電動機(jī)的電應(yīng)力強(qiáng)度與采用工頻供電時相近，無需配備特殊電動機(jī);l 與電機(jī)的連接不受電纜長度的限制。(4) 科技含量高l 采用大規(guī)模門陣列cpld電路，實現(xiàn)了pwm控制的高度實時性、快速性和準(zhǔn)確性;l 兩光纖實時傳送技術(shù)，獲得了國家發(fā)明專利，使得控制單元與功率單元之間的通訊更加迅速、可靠;l 特別設(shè)計的h橋逆變電路，已獲得了國家專利，為系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性提供了保障;l 完善的功率單元旁通技術(shù)，已獲得了國家專利，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性;l 控制

10、部分采用高性能的dsp和fpga芯片，使得控制系統(tǒng)的性能大大提高，實現(xiàn)恒定v/f和恒轉(zhuǎn)矩控制，提升特性可任意設(shè)定，滿足各種機(jī)械啟動及運(yùn)行的要求;l 優(yōu)秀的dsp軟件數(shù)學(xué)模型，使得系統(tǒng)運(yùn)行的實時性和效率大大提高。3 液力耦合器的工作原理與性能特點3.1 液力耦器的結(jié)構(gòu)液力耦合器是一種液力傳動裝置，又稱液力聯(lián)軸器。液力耦合器其結(jié)構(gòu)主要由殼體、泵輪、渦輪三個部分組成，如圖7所示。圖7 液力耦合器的基本構(gòu)造泵輪和渦輪相對安裝，統(tǒng)稱為工作輪。在泵輪和渦輪上有徑向排列的平直葉片，泵輪和渦輪互不接觸。兩者之間有一定的間隙(約3mm4mm);泵輪與渦輪裝合成一個整體后，其軸線斷面一般為圓形，在其內(nèi)腔中充滿液壓

11、油。3.2 液力耦合器的安裝方式液力耦合器的輸入軸與電動機(jī)聯(lián)在一起，隨電動機(jī)的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，是液力耦合器的主動部分。渦輪和輸出軸連接在一起，是液力耦合器的從動部分，與負(fù)載連在一起。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。圖8 液力耦合器安裝圖在安裝時，液力耦合器安裝在電動機(jī)與負(fù)載之間，通常由于負(fù)載較大，且與其它設(shè)備有聯(lián)鎖，采用將電機(jī)后移方案，在改造方案中需重新做電機(jī)的基礎(chǔ)。3.3 液力耦合器的工作原理電動機(jī)運(yùn)行時帶動液力耦合器的殼體和泵輪一同轉(zhuǎn)動，泵輪葉片內(nèi)的液壓油在泵輪的帶動下隨之一同旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，液壓油被甩向泵輪葉片外緣處，并在外緣處沖向渦輪葉片，使渦輪在受到液壓油沖擊力而旋轉(zhuǎn);沖向渦輪葉片的液壓

12、油沿渦輪葉片向內(nèi)緣流動，返回到泵輪內(nèi)緣，然后又被泵輪再次甩向外緣。液壓油就這樣從泵輪流向渦輪，又從渦輪返回到泵輪而形成循環(huán)的液流。液力耦合器中的循環(huán)液壓油，在從泵輪葉片內(nèi)緣流向外緣的過程中，泵輪對其作功，其速度和動能逐漸增大;而在從渦輪葉片外緣流向內(nèi)緣的過程中，液壓油對渦輪作功，其速度和動能逐漸減小。液壓油循環(huán)流動的產(chǎn)生，是泵輪和渦輪之間存在著轉(zhuǎn)速差，使兩輪葉片外緣處產(chǎn)生壓力差。液力耦合器工作時，電動機(jī)的動能通過泵輪傳給液壓油，液壓油在循環(huán)流動的過程中又將動能傳給渦輪輸出。液壓油在循環(huán)流動的過程中，除受泵輪和渦輪之間的作用力之外，沒有受到其他任何附加的外力。根據(jù)作用力與反作用力相等的原理，液壓

13、油作用在渦輪上的扭矩應(yīng)等于泵輪作用在液壓油上的扭矩，這就是液力耦合器的工作原理。3.4 液力耦合器的調(diào)速方法液力耦合器在實際工作中的情形是:電動機(jī)驅(qū)動泵輪旋轉(zhuǎn)，泵輪帶動液壓油進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，渦輪即受到力矩的作用，在液壓油量較小時，當(dāng)其力矩不足于克服負(fù)載的起步阻力矩時，所以渦輪還不會隨泵輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，增加液壓油，作用在渦輪上的力矩隨之增大，作用在渦輪上的力矩足以克服負(fù)載起步阻力而起步，其液壓油傳遞的力矩與負(fù)載力矩相等時，轉(zhuǎn)速隨之穩(wěn)定。負(fù)載的的力矩和轉(zhuǎn)速平方成正比，當(dāng)隨著液壓油量的增加，輸出力矩加大，渦輪的轉(zhuǎn)速隨之加大，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。液力耦合器的工作時，其力矩與速度之間的變化，如圖9所示的速度矢

14、量圖。圖9 液力耦合器速度矢量圖油液螺旋循環(huán)流動的流速vt保持恒定，vl為泵輪和渦輪的相對線速度，ve為泵輪出口速度vr為油液的合成速度。渦輪高速轉(zhuǎn)動，即輸出和輸入的轉(zhuǎn)速接近相同時小，而合成速度vr與泵輪出口速度之的夾角很大，這使液流對渦輪很小，這將使輸出元件滑動，速度降低。當(dāng)將油液量加大，相對速度vl和合成速度vr都很這就使液流對渦輪葉片的推力變大，直到有足夠的循環(huán)油液對渦輪產(chǎn)生足夠的沖擊力，輸出轉(zhuǎn)速變高。3.6 液力耦合器的轉(zhuǎn)換效率液力耦合器調(diào)速原理表明，傳動速度的改變，實質(zhì)是機(jī)械功率調(diào)節(jié)的結(jié)果。因此液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速的降低，實際是輸出功率減小。在調(diào)速過程中，液力耦合器的原傳動轉(zhuǎn)速沒有發(fā)生

15、變化，假設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，原傳動的機(jī)械功率也不變，那么輸入與輸出功率的差值功率那里去了呢，顯然是被液力耦合器以熱能形式損耗掉了。設(shè)原傳動功率為pm1，輸出功率為pm2，損耗功率則為p=pm1-pm2由以上公式說明液力耦合器是一種耗能型的機(jī)械調(diào)速裝置，調(diào)速越深(轉(zhuǎn)速越低)損耗越大，對于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速平方率變化，原傳動輸入功率則按轉(zhuǎn)速的平方率降低，損耗功率相對小一些，但輸出功率是按轉(zhuǎn)速的立方率減小，調(diào)速效率仍然很低。同時在運(yùn)行中耦合器排油溫度高，一般勺管位置是在50%左右最高,因為這時渦輪中的油有一半,渦輪與泵輪介面摩擦產(chǎn)生熱量大,勺管位置低時渦輪中油少,泵輪與渦摩擦產(chǎn)生的熱量雖然

16、大,冷油器可以冷卻,勺管位置高時滑差率小,所以排油溫度不高，一般耦合器的工作冷油器的冷卻水門是不調(diào)節(jié)的，故而低轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生的熱量是可能通過冷油器帶走的，故而隨著轉(zhuǎn)速的升高，工作油溫是不斷增加的。但隨著轉(zhuǎn)速的提高，工作油的循環(huán)量也增加了，因此工作油有一個高溫點，在高溫點，液力耦合器的損耗最大。3.7 液力耦合器的性能特點（1） 應(yīng)用范圍l調(diào)速范圍寬，可實現(xiàn)從零調(diào)節(jié);l沒有電氣連接，可工作于危險場地，對環(huán)境要求不高。(2) 技術(shù)成熟l結(jié)構(gòu)簡單，操作方便;l多年研究，結(jié)構(gòu)合理;l全部國產(chǎn)化，維修方便。(3) 性能指標(biāo)l價格便宜，對精度要求低;l能量轉(zhuǎn)換效率低;l結(jié)構(gòu)簡單，故障率低;l運(yùn)行時需加專用的冷

17、卻系統(tǒng);l液壓油老化后定時更換。4 變頻裝置和液力耦合器的優(yōu)缺點比較4.1 節(jié)能效果(1) 變頻裝置節(jié)能效果好，功率因數(shù)高;(2) 液力耦合器節(jié)能效果低，在低速時，有近3/4的能量被浪費(fèi)。大容量的設(shè)備還應(yīng)添加水冷系統(tǒng)。4.2 安裝方式(1) 變頻裝置安裝方便，電機(jī)和負(fù)荷不動，將其加入電源側(cè)即可;(2) 液力耦合需裝在電機(jī)和負(fù)荷中間，在安裝時需將電機(jī)移位方能安裝。4.3 安全性(1) 變頻裝置在出現(xiàn)問題后，可以進(jìn)行旁路的方式運(yùn)行，不影響生產(chǎn)品;(2) 液力耦合器出現(xiàn)問題后，必需停機(jī)維修，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。4.4 運(yùn)行精度(1) 變頻運(yùn)行精度高，可以實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，速度是由輸出頻率限定，當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)

18、波動時，轉(zhuǎn)速不變;(2) 力耦合器靠油量和負(fù)荷的拉動調(diào)速，調(diào)速精度低，當(dāng)負(fù)荷變化時，轉(zhuǎn)速隨之變化。4.5 維護(hù)費(fèi)用(1) 變頻調(diào)速維護(hù)費(fèi)用低，在設(shè)備正常運(yùn)行時無消耗品;(2) 液力耦合器在運(yùn)行一定時間后，需對液壓油進(jìn)行更換;(3) 操作性l變頻調(diào)速操作復(fù)雜，需要對操作人員進(jìn)行專門的培訓(xùn);l液力耦合器操作簡單，方便。(4) 經(jīng)濟(jì)性l變頻調(diào)速裝置價格昂貴;l液力耦合器價格便宜。5 高壓變頻器和液力耦合器的實際應(yīng)用的比較在黑龍江某發(fā)電廠在10號爐的引風(fēng)機(jī)上用液力耦合器運(yùn)行，在13號爐的引風(fēng)機(jī)上采用高壓變頻裝置進(jìn)行調(diào)速。10號爐和13號爐都是同型號的100mw機(jī)組，其引風(fēng)機(jī)用容量都是630kw的異步電

19、動機(jī)進(jìn)行拖動。5.1 高壓變頻器運(yùn)行的數(shù)據(jù)13號發(fā)電機(jī)組有功負(fù)荷工況下，引風(fēng)機(jī)拖動電動機(jī)分別在旁路、調(diào)速運(yùn)行工況時，實際測量了電機(jī)的電流、電壓和功率因數(shù)，并計算消耗的電量,如表1表6所示。表1 50mw負(fù)荷表2 60mw負(fù)荷表3 70mw負(fù)荷表4 80mw負(fù)荷表5 90mw負(fù)荷表6 100mw負(fù)荷5.2 液力耦合器運(yùn)行的數(shù)據(jù)10號發(fā)電機(jī)組有功負(fù)荷工況下，引風(fēng)機(jī)拖動電機(jī)分別全轉(zhuǎn)速、調(diào)速運(yùn)行工況時，實際測量的電機(jī)的電流、電壓和功率因數(shù)，并計算消耗的電量，如表7表12所示:表7 50mw負(fù)荷表8 60mw負(fù)荷表9 70mw負(fù)荷表10 80mw負(fù)荷表11 90mw負(fù)荷表12 100mw負(fù)荷5.3 機(jī)組

20、運(yùn)行時引風(fēng)機(jī)的耗電量(1) 機(jī)組每天平均運(yùn)行工況電廠是屬于調(diào)峰電廠，每天的發(fā)電負(fù)荷統(tǒng)一由調(diào)度進(jìn)行調(diào)配，一天中的變化量極大，根據(jù)電廠全年機(jī)組運(yùn)行的工況總結(jié)，得出平均一天的機(jī)組工況如下:50mw夜晚23點到凌晨3點，時間為4h;60mw夜晚50mw的前后1.5h，時間為3h;70mw凌晨5點到上午8點,晚8點到晚10點，時間為5h;80mw白天平均時間為3h;90mw白天平均時間為3h;100mw白天平均時間為6h。(2) 高壓變頻器運(yùn)行的13號機(jī)組引風(fēng)機(jī)電機(jī)的耗電量旁路運(yùn)行時日耗電:149×4+215×3+253×5+286×3+313×3+384×6=6627kw·h調(diào)速運(yùn)行時日耗電:47.33×4+76×3+138×5+226×3+270×3+367×6=4787.32kw·h調(diào)速運(yùn)行比旁路運(yùn)行單臺電動機(jī)日節(jié)約電量:6