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    交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有調(diào)壓調(diào)速﹑電磁調(diào)速﹑液力偶合器調(diào)速﹑變極調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，調(diào)壓調(diào)速﹑電磁調(diào)速﹑液力偶合器調(diào)速是改變轉(zhuǎn)差率S的調(diào)速方式，需要消耗轉(zhuǎn)差功率，這種消耗轉(zhuǎn)差功率的調(diào)速方式，也就是調(diào)速需要以消耗能量為代價(jià)，是低效的調(diào)速方式；變極調(diào)速和變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)極數(shù)和電源頻率，是一種改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速度的方法，轉(zhuǎn)差率S未變，沒有轉(zhuǎn)差損耗，是不耗能的調(diào)速。某30萬kW火力發(fā)電廠使用若干臺(tái)1000kW風(fēng)機(jī)和水泵，其調(diào)速方式均為液力偶合器調(diào)速。對(duì)于某一臺(tái)1000kW風(fēng)機(jī)或水泵，如果分別用液力偶合器調(diào)速或變頻調(diào)速，且假設(shè)風(fēng)機(jī)的輸出的風(fēng)量在額定風(fēng)量的65%-100%范圍內(nèi)變化，對(duì)比它們的投資和節(jié)能是很有意義的事。

    二?液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)效率

    液力偶合器的實(shí)質(zhì)是離心式油泵與渦輪機(jī)的組合。主要由輸入軸、輸出軸、泵輪、渦輪、外殼、輔助腔及安全保護(hù)裝置等組成。輸入軸一端與動(dòng)力機(jī)相連，另一端與泵輪相連；輸出軸一端與渦輪相連，另一端與工作機(jī)相連。泵輪與渦輪對(duì)稱布置，輪內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的葉片。外殼與泵輪固連成一個(gè)密封腔，腔內(nèi)充填工作液體以傳遞動(dòng)力。所配置的易熔塞、易爆塞等安全保護(hù)裝置，能保證偶合器在超載時(shí)不發(fā)生事故。當(dāng)動(dòng)力機(jī)通過輸入軸帶動(dòng)偶合器泵輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，充填在偶合器工作腔內(nèi)的工作液體受離心力和工作輪葉片的雙重作用，從半徑較小的泵輪入口被加速加壓拋向半徑較大的泵輪出口，同時(shí)，液體的動(dòng)量矩獲得增量，即泵輪將動(dòng)力機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了液體動(dòng)能。當(dāng)具有液體動(dòng)能的工作液體由泵輪出口沖向?qū)γ娴臏u輪時(shí)，液流便沖擊渦輪葉片使之與泵輪同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說液體動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成了機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)工作機(jī)做功。釋放完液體動(dòng)能的工作液體由渦輪入口流向渦輪出口并再次進(jìn)入泵輪入口，開始下一次循環(huán)流動(dòng)。就這樣，工作液體在泵輪與渦輪間周而復(fù)始不停地作螺旋環(huán)流運(yùn)動(dòng)，于是輸出與輸入在沒有任何機(jī)械連接的情況下，僅靠液體動(dòng)能便柔性地聯(lián)接在一起了。由于液力偶合器傳遞力矩的能力與其工作腔內(nèi)的充液率大致成正比，故若在運(yùn)行中設(shè)法改變工作腔的充液率，便可以調(diào)節(jié)輸出力矩和輸出轉(zhuǎn)速，這便是調(diào)速型液力偶合器調(diào)速的基本原理。

    液力偶合器有調(diào)速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動(dòng)的調(diào)速，后者用于電機(jī)的起動(dòng)。系統(tǒng)中的液力偶合器在電機(jī)起動(dòng)時(shí)起緩沖作用，液力偶合器本身的損耗是由主動(dòng)部分的磨擦損耗及從動(dòng)部分的機(jī)械磨擦損耗所產(chǎn)生的。如果考慮到這些損耗與工作腔內(nèi)對(duì)工作油進(jìn)行加壓的功率相平衡，且忽略不計(jì)的話，液力偶合器的輸入?輸出功率可由下式計(jì)算：

    電動(dòng)機(jī)軸輸出功率

    P1=T1n1（1）

    式中：T1—電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

    n1–-電動(dòng)機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速

    液力偶合器軸輸出功率

    P2=T2n2（2）

    式中：T2—液力偶合器的輸出轉(zhuǎn)矩

    n2–-液力偶合器的輸出軸轉(zhuǎn)速

    （3）

    電動(dòng)機(jī)的輸出功率，即為液力偶合器的輸入功率，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載T=T1=T2，所以，液力偶合器的效率：

    在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，液力偶合器的效率正比于輸出轉(zhuǎn)速，損耗功率與轉(zhuǎn)差損耗成正比，即：（4）

    轉(zhuǎn)差率可按下式計(jì)算：

    （5）

    則得：（6）

    對(duì)于機(jī)械特性為平方轉(zhuǎn)矩風(fēng)機(jī)?泵類負(fù)載，輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：

    （7）

    即：

    （8）

    式中：

    --

    設(shè)電機(jī)側(cè)(包含液力偶合器的輸入軸拖動(dòng)的主動(dòng)工作輪)效率為，電機(jī)的輸入功率為：

    （9）

    若在的條件下，電機(jī)的輸入功率。

    液力偶合器調(diào)速為低效的調(diào)速方式，調(diào)速過程中消耗的轉(zhuǎn)差功率為

    （10）

    由（4）式和（10）式可見，機(jī)械特性為平方轉(zhuǎn)矩風(fēng)機(jī)﹑泵類負(fù)載，液力偶合器調(diào)速過程中消耗的轉(zhuǎn)差功率損耗比恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載損耗的功率要小得多，這是因?yàn)槠椒睫D(zhuǎn)矩特性風(fēng)機(jī)?泵類負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，輸出功率按轉(zhuǎn)速下降速率的三次方關(guān)系下降。

    三﹑風(fēng)機(jī)?泵類負(fù)載變頻調(diào)速和液力偶合器調(diào)速的耗能比較

    假定風(fēng)機(jī)?泵類負(fù)載沒有節(jié)流裝置調(diào)節(jié)，根據(jù)風(fēng)機(jī)特性的相似性原理和以上假設(shè)風(fēng)機(jī)的輸出的風(fēng)量在額定風(fēng)量的65%-100%范圍內(nèi)變化，則風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也在額定轉(zhuǎn)速的65%-100%范圍內(nèi)變化，由（10）式計(jì)算液力偶合器調(diào)速的耗能量如表1括弧中所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，由公式（3）其效率等，這不符合液力偶合器效率最高為95%的特性，因此對(duì)計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。

    變頻器的效率一般為96%，所以變頻器損耗統(tǒng)一按4%計(jì)算。實(shí)際上，風(fēng)機(jī)?泵類負(fù)載轉(zhuǎn)速降低時(shí)，變頻器的效率有所提高。

    表1風(fēng)機(jī)?泵類負(fù)載變頻調(diào)速和液力偶合器調(diào)速，不同轉(zhuǎn)速時(shí)的節(jié)能量

    由表1中可見，風(fēng)機(jī)?泵類負(fù)載轉(zhuǎn)速降低，液力偶合器調(diào)速的耗能量在增加。

    四﹑變頻調(diào)速和液力偶合器調(diào)速的投資比較

    1﹑投資比較：

    一臺(tái)1000kW風(fēng)機(jī)﹑泵類負(fù)載的液力偶合器的價(jià)格為40萬元人民幣，一臺(tái)1000kW的高壓變頻器為80萬元人民幣，投資相差40萬元。

    2﹑節(jié)能比較

    變頻調(diào)速節(jié)能和節(jié)約的電費(fèi)比較如表2所示：

    表2變頻調(diào)速節(jié)能和節(jié)電費(fèi)比較表：

    用變頻器取代液力偶合器調(diào)速，且調(diào)速范圍在65%-100%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，節(jié)能量最大為19.79%-4%=15.79%，但是，由于電動(dòng)機(jī)的功率很大（1000Kw），每天按24小時(shí)，每年按300天計(jì)算，節(jié)電量仍非常可觀。電費(fèi)按每度0.5元計(jì)算，年節(jié)電費(fèi)最多為56.8萬元。即使在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，由于變頻器的效率比液力偶合器高一個(gè)百分點(diǎn)，年節(jié)電費(fèi)最少也有3.6萬元。在調(diào)速過程中，風(fēng)機(jī)不可能總是在0.65的額定速度下運(yùn)轉(zhuǎn)。由于設(shè)計(jì)﹑選型方面的因素，15%余量是常見的，那么，風(fēng)機(jī)在0.85的額定速度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所節(jié)電費(fèi)為42.6萬元，在1年的時(shí)間內(nèi)可補(bǔ)償由于選用變頻器額而多花的40萬元。

    實(shí)際上，由于液力偶合器的效率最高為95%，由（3）式可知，液力偶合器調(diào)速起碼損失5%的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速基本沒有轉(zhuǎn)速損失，因此，用變頻調(diào)速時(shí)，變頻器的輸出頻率要適當(dāng)下調(diào)，調(diào)速就節(jié)能。對(duì)于機(jī)械特性為平方轉(zhuǎn)矩風(fēng)機(jī)﹑泵類負(fù)載，轉(zhuǎn)速的降低節(jié)能率大幅度提高，節(jié)能的效益會(huì)更顯著，投資回收的時(shí)間會(huì)縮短。

    五﹑結(jié)語

    交流異步電動(dòng)機(jī)可用多種方法調(diào)速，液力偶合器調(diào)速時(shí)常用的方法之一，主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，缺點(diǎn)是耗能。對(duì)于風(fēng)機(jī)?泵類負(fù)載，液力偶合器調(diào)速要比變頻調(diào)速多耗能；對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，多耗能的比例更高。在風(fēng)機(jī)?泵類負(fù)載上選用變頻調(diào)速，有非常好的節(jié)能效果，經(jīng)濟(jì)效益極好，因此，用變頻調(diào)速取代液力偶合器初始投資大一些，投資回收期很短，從經(jīng)濟(jì)角度考慮是值得的，從節(jié)能減排社會(huì)效益考慮有很大的意義。