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电机调速方式选择与节能分析

许多不锈钢泵厂家在从事生产的过程中,几乎免不了在变频与液力耦合器之间做出选择。本文结合实际就风机、泵类设备的耦合器与变频器的选用与节能做了分析,更同行参考。

从事电厂技术管理工作多年,在生产过程中经常遇到对于电机调速控制方式的选择,本文就常用的两种调速节能进行了分析,以期达到同行交流提高的目的。

1 变频调速与液力偶合器调速的工作原理

电动机采用变频调速后,电动机转轴与负载直接相连,电动机由变频器直接供电,而不再通过电网供电,这样就减小了对电网的冲击,变频器启动是通过改变电动机的供电频率改变电机转速,可实现电流从零开始启动,然后平缓升到电机的额定电流工作,从而实现在相当宽的频率范围内对电机无级调速控制,从而减小了机械振动,减小了对电机及相关设备的损害,调速过程中变频器具有优异的功率因数特性,有利于提高电机设备使用寿命。

通过变频调速后,异步电动机转速公式为:

n=60f(l-s)/p

式中f为变频器输出频率,s为异步电动机转差率,p为电动机极对数。

液力偶合器的实质是离心泵与涡轮机的组合,主要由输入轴、输出轴、泵轮、涡轮、辅室及安全保护装置等构成。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。液力耦合器工作原理通过控制偶合器工作腔内工作油液的动量矩变化,改变电机输出转速,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。泵轮象离心泵一样使工作腔的油液获得液体能(包括动能和位能)使油液自泵轮内缘冲向外缘,液流穿过两轮间的间隙到达涡轮,而涡轮的作用就象透平机,当液流在涡轮叶片间的通道由外缘向中间流动时,就将液流的液体能转变成了涡轮的机械能。液流在返回泵轮时就开始了下一个循环,这样旋转着的液流就把电机的动力传到了所带负载上,达到控制负载转速的目的。液力偶合器也可以实现负载转速无级调节,但电动机仍是电网直接供电,且全速运行。

2 变频调速与液力偶合器调速的节能比较

2.1 功率损耗的原因

无论采用变频控制还是液力耦合控制,除电动机本身的机械性能功率损耗外,均存在着额外功率损耗,液力耦合器通过液力变送,加上电动机输出轴的机械损耗,其效率应小于1,同样通过变频器调速,逆变后送入电动机电枢,效能也会小于1。而且在全转速范围内,两种方式的效率曲线也不一样。

图1“两种调速方式效率曲线”为典型的变频器和液力偶合器的效率-转速曲线,随着输出转速的降低,液力偶合器的效率基本上正比例关系降低,而变频器在输出转速下降时效率仍然较高。

从曲线数据看,当输出转速降低时,液力偶合器的效率比变频调速的效率下降快得多,因此变频调速的低速特性比液力偶合器要好。当然,有一点我们应该看到,就是用于风机、泵类负载时,由于其轴功率与转速的三次方成正比,当转速下降时,虽然液力偶合器效率正比下降,但电动机综合轴功率还是随着转速的下降成二次方比例下降,因此也能起到节能作用。

变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和频率,自身消耗功率很少,器件损耗与输出功率成正比,因此变频调速可保持高效运行。而液力偶合器依靠泵和涡轮往复循环液流产生能量,然后传输给电机,从而带动负载,综合利用效率较低。

图1 两种调速方式效率曲线

2.2 理论计算节能比较

从理论上进行计算,举例说明如下:1000 KW风机风量从而降低到70%,由于流量与转速一次方成正比,因此转速可以降低70%,负载功率理论上降为34.3%,如果采用直接高高变频调速,其效率按0.95算,再考虑电动机效率在低功率时有所下降、和管道系统效率有所下降,电网总输入功率约34.3%/0.95/0.85/0.95=44.71%,即447.1 KW,节能55.29%,全年按300日计算,年节电398万度。如果采用液力偶合器,其效率按0.665计算,电网总输入功率约34.3%/0.665/0.85/0.95=63.87%,即638.7 KW,节能36.13%,年节电260万度。

2.3 实测节能比较

以实测一台20万千瓦机组引风机改装液力偶合器及变频调速为例:该异步电动机额定值为1250 KW,6 KV、142 A、额定效率95%、额定转速742 rpm、额定功率因数0.85。

按机组年运行300日7200小时计,应用变频调速年节电385万度,而应用液力藕合器年节电268万度。虽然电动机功率不一致,但实测的节电比例与理论计算值基本一致。

3 变频调速与液力偶合器调速的其他性能比较

变频调速与液力偶合器调速在节能方面有明显的差异之外,另外还在功率因数、起动性能、维护可靠性方面都存在着一定的差异,其主要体现在以下几个方面:

3.1 功率因数

通过变频器调速能够保持较高的功率因数,当转速达到20%以上时,功率因数一般都在0.95以上运行,而液力耦合器功率因数相对较小,在70%以下转速运行时,功率因数大约为0.7左右,如需提高功率因数,必须采取增加功率补偿装置。

3.2 起动性能

通过变频调速装置启动电机时,电动机保持额定转矩起动,电网输入电流很小,对电网冲击较小,不影响同电网下其他设备的运行,而且起动过程中电流可控,起动点和爬坡时间可设置,可很好的控制起动电流,达到平缓起动。而液力耦合器起动电流一般是负载的6倍左右,即便增加额外装置后,起动电流也较大,将会对电网冲击较大,同时会干扰其他设备运行,严重会造成设备损坏,造成严重的经济损失。

3.3 运行可靠性、运行维护

变频器装置采用的电子线路技术比较成熟,高压变频具有单元自动切换和盈余运行的特性,可连续高速运行,可靠性得到保障,维护简单易行,只需更换过滤网即可,而液力偶合器机械结构和管路系统比较复杂,维护难度较大,长期运行比较困难,一旦出现故障,将无法运行,必须停机处理,给生产造成一定的

损失。

因此,对于选择调速需要的设备,初选调速方式,宜选目前技术已经比较成熟的变频调节方式为宜。



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