摘要：从上世纪80年代迄今，国内先后投入运行的液力耦合器近4000台，功率大多为300～3200kW，每年节电20亿kWh以上，为国家创造了较高的经济效益。但是，其转差损耗不可忽视。通过分析说明用大功率变频装置取代液力耦合器，则节能效果更高。

关键词：低效调速系统；液力耦合器；国产高压变频器；投资回收期

1    低效调速系统分析

    不改变异步电机同步转速n0的交流调速系统称为有转差调速系统，如调压调速，电磁滑差调速，液力耦合器调速等。存在有转差调速的系统，对于平方转矩的负载（如风机、水泵等），调速后所节约功率标幺值为

    G(s)=1－(n/n₀)²    （1）

式中：n为电机运行转速；

      n₀为电机同步转速。

    采用液力耦合器等调速装置则需增加转差损耗ΔP_s，其大小随s变化而变化，具体见图1所示。

图1    不同负载时ΔP_s和G(s)与n/n₀的关系

    在转速为n时，忽略不计电机本身损耗的情况下，输入功率P₁=（1－s）P₁₀≈(1－s)P₂₀，故转差损耗标幺值为

    ΔP_s^＊=≈=(1－s)³=s(1－s)²

求其极值dΔP_s^＊/ds=0，得(1－s)(1－3s)=0

即s=1（极小值），s=1/3（极大值）。

    将s=1/3代入ΔP_s^＊得ΔP_smax^＊=（1/3）(1－1/3)²=4/27=0.148，说明对于离心式风机，水泵、转差损耗ΔP_s在2/3额定转速时为最大。不同s时ΔP_s^＊数值，见表1。

表1    负载转矩M与n²成正比例时的ΔP_s^＊

s	n/n0	ΔPs＊
0	1	0
0.1	0.9	0.061
0.2	0.8	0.128
0.3	0.7	0.147
0.33	0.6667	0.148
0.4	0.6	0.144
0.5	0.5	0.125
0.6	0.4	0.096
0.7	0.3	0.063
0.8	0.2	0.032
0.9	0.1	0.009
1.0	0	0

    由表1可知：s自0→1/3时，ΔP_s^＊由极小值0增大至极大值0.148；s自1/3→1时，ΔP_s^＊由极大值0.148减小至极小值0。

2    用国产变频器替代大功率液力耦合器调速势在必行

    20多年前盛行采用液力耦合器对水厂供水泵 及 电 厂 引 风 机 等 进 行 调 速 节 能 。 受 当 时 条 件 所 限 ， 变 频 调 速 技 术 不 成 熟 且 无 法 提 供 高 压 大 功 率 变 频 装 置 ， 而 液 力 耦 合 器 投 资 便 宜 。 如 今 ， 若 采 用 进 口 变 频 器2 000～ 2 500元 /kW， 投 资 回 收 期 过 长 （ 达 5～ 6年 ） ， 而 近 年 来 国 产 高 压 大 功 率 变 频 技 术 趋 向 成 熟 ， 价 格 1 200～ 1 500元 /kW， 预 计 不 久 将 来 会 下 降 到 1 000元 /kW左 右 ， 比 传 统 的 液 力 耦 合 器 贵 4～ 5倍 。

    表2列 出 了 采 用 变 频 器 取 代 液 力 耦 合 器 的 投 资 回 收 期 对 比 ， 从 表 2可 以 看 出 变 频 器 的 投 资 按 企 业 所 节 约 电 费 计 算 ， 2～ 3年 就 可 收 回 。

表2    投资回收期对比^＊

功率/kW	轴功率/kW	变频器/万元	液力耦合器/万元	投资差价/万元	耗电量（kW·h/年）	多耗电费（万元/年）
					ΔPs＊=14％	电厂	企业
250	150	25	6.7	18.3	14.7	3.23	8
315	189	30	6.7	23.3	18.55	4	10
360	216	35	7.7	27.3	21.14	4.65	11.4
440	264	44	7.8	36.2	25.34	5.57	13.7
500	300	50	7.8	42.2	29.4	6.5	15.8
680	408	70	9.9	60.1	40	8.8	21.6
850	510	85	12	73	50	11	27
1050	630	100	15.5	84.5	61.7	13.6	33.3
1500	900	150	24	126	88.2	19.4	47.6
2000	1200	200	46	154	117.6	25.7	63.5
3000	1800	250	78	172	176.4	38.7	92.9

＊注：年运行时间按7000h计；电费电厂按0.22元/kW·h，企业按0.54元/kW·h计；变频器价格≤500kW按660V等级变频器计算，680kW～3000kW为国产变频器2004年后预计价格。

    华北某电厂引风机采用三种调节方式的测试数据如下：

    该异步电机额定值P_N=1250kW，U_N=6kV，cosφ_N=0.85，η_N=95％，n_N=742r/min，3种调节方式在不同发电负荷时的电动机输入电流，综合功率损耗分别如图2和图3所示，日耗电量见表3所列。

图2    电动机输入电流

图3    综合功率损耗

表3    3种调节方式的引风机日耗电量

日发电负荷/MW	挡板	液力耦合器	变频器
		/kW·h
3469(周五，1998.11.27）	17575	8920	5134
2667（周六，1998.11.28）	15743	6696	2738
2910（周日，1998.11.29）	16474	7437	3499

    由于液力耦合器设计有一定的容量裕度，机组满负荷发电时转差率s≈0.27，效率η=73％，又有转差附加损耗14％左右；而变频器在全调速范围内效率基本不变，保持在95％左右。因此，变频器调速比液力耦合器变速节能效果更显著。

    按机组年运行7200h(300d)，应用变频调速年节电350万kW·h，而使用液力耦合器年节电约100万多kW·h，两者相差250万kW·h。

    投资对比如表4所列，从表4可知投资回收期约为2年3个月。

表4    1250kW设备投资对比万元

设备	价格	年节电费
液力耦合器	0.125×400=50	100×0.22=22
变频器（进口）	0.125×1000=125	350×0.22=77
差价	－75	＋55

　

3    结语

    综合上述分析可知，从节能考虑国内大容量风机、水泵采用国产变频器调速更合理。

作者简介

    周德贤（1936－），男，高级工程师。上海电机工程学会电气传动专委会主任委员，上海电力电子学会常务理事，上海电器集团公司理事。合编《风机水泵交流调速节能技术》、《风机水泵调速节能设计手册》等，发表论文26篇。