高压变频器与液力耦合器在提高对大功率电机调速节能方面的比较

一、引 言

在工业领域中，大功率电动机是整个工业系统心脏，其耗电量占全国发电总量的30%以上，是能源消耗份额最大的系统。大功率电机拖动的大中型风机、水泵的耗电量约占风机水泵耗电总量的50%以上。由于大型系统中的各种工艺要求，其风机、水泵都是按照最恶劣的环境设计，在大部份运行时间中，都是属于大马拉小车的状态，简单的调节方式是采用档板或阀门来调节风量或流量，以满足负荷变化的要求，其能量损耗相当严重。采用改变电机转速来实现调节风量或流量，无疑对节约能源，提高设备工作效率意义非常重大。但对于客户来说如何根据自己的客观情况，选择一种经济实用的调速方式，是摆在他们面前的实际问题。本文从理论和实际两个方面对于应用高压变频器和液力耦合器的优缺点进行全面的分析和比较。

二、高压变频器的工作原理与性能特点

（一）高压变频器的发展过程

高压变频器是随着现代电力电子器件的发展而逐步发展起来的一种高压电机调速产品，发展阶段大致为：

（1） 从功率元件上分： GTR、GTO、IGBT、IGCT。

（2） 从结构方式上分：高—低—高、三电平、二极管钳位多电平串联、电容钳位多电平串联、多电平单元串联叠加、直接矢量控制电流源逆变器。

（3） 从控制方式上分：晶闸管电容强制换相、晶闸管电感强制换相、GTO自关断、IGBT电压控制自关断、IGCT电流控制自关断。

（4） 从控制系统上分：模拟控制，数字工控机控制，数字FPGA控制，数字DSP控制。

（二）多电平单元串联叠加型高压变频器的基本构成

（1）主回路构成

由高压变频器、远控操作箱、机旁操作箱及旁路开关柜等部分组成。其中机旁操作箱和旁路开关柜为选配设备，旁路开关柜可以采用手动或自动旁路形式，系统的单线原理图如图所示：

图1 系统的单线原理图

（2）高压变频器的构成

内部是由十八个相同的单元模块构成，每六个模块为一组，分别对应高压回路的三相，单元供电由移相切分变压器进行供电，原理图如下：

图2 高压变频器内部结构图

（3）功率单元构成

功率单元是一种单相桥式变换器，由输入切分变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由4个IGBT以PWM方法进行控制，产生设定的频率波形。变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，实行模块化的设计。其控制通过光纤发送。原理框图如下所示：

图3 功率单元原理框图

来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，送到控制信号处理器，由控制电路处理器接收到相应的指令后，发出相应设的IGBT的驱动信号，驱动电路接到相应的驱动信号后，发出相应的驱动电压送到IGBT控制极，操作IGBT关断和开通，输出相应波形。

功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。

（三）高压变频器运行原理

高压变频器的每个功率单元相当于一个三电平的二相输出的低压变频器，通过叠加成为高压三相交流电，以6KV变频器为例，论述：6KV输出电压的变频器，每相有6个功率单元相串联。单元的输入电压为三相600V，输出则为单相577V，单元相互串联叠加后可输出相电压3464V。当变频器输出频率为50HZ时，相电压为13阶梯波，如下图所示。图中UA1 … UA6分别为A相6个功率单元的输出电压，叠加后为变频器A相输出电压UA0。图中显示出了生成PWM控制信号时所采用A相参考电压UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF为A相输出电压中的基波成分。

图4 相电压回路叠加波形

由于变频器中点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压，由A相和B相输出电压产生的UAB输出线电压可达6000V，为25阶梯波。如下图所示，为输出的线电压和相电压的阶梯波形，UAB不仅具有正弦波形而且台阶数也成倍增加，因而谐波成分及dV/dt均较小。

图5 线电回路叠加波形

（四） 多电平单元串联叠加型变频器的三相波形输出质量

高压变频器在运行后，将输入的工频的三相高压交流电转化为可以进行频率可调节的三相交流电，其电压和频率按照V/F的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，而定子磁心中的主磁通保持在额定水准，提高电机的转换效率，在下图中是在现场运行时，经过PT采集的电动机三相输入波形：

图6 电动机入电压波形

多重叠加应用，高压变频器输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时输出电压的dV/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以向普通标准型交流电动机供电，不需要降容或加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。

在变频器输入侧，由于变频器多个副边绕组的均匀位移，如6KV输出时共有+250、+150、+50、-50、-150、-250共6种绕组，变频器原边电流中对应的电流成分也相互均匀位移，构成等效36脉动整流线路，变流转换产生的谐波都相互抵消，湮灭。工作时的功率因数达0.95以上，不需要附加电源滤波器或功率因数补偿装置，也不会与现有的补偿电容装置发生谐振，对同一电网上运行的电气设备没有任何干扰。

（五） 高压变频器的性能特点

（1）应用范围

·调速范转宽，可以从零转速到工频转速的范围内进行平滑调节。

·在大电机上能实现小电流的软启动，启动时间和启动的方式可以根椐现场工况进行调整。

·频率的调整是根据电机在低频下的压频比系数进行电压和频率的输出，在低转速下，电机不仅是发热量低，而且输入电压低，将使电机绝缘老化速度降低。

（2）技术新颖

串联多重化叠加技术的应用实现了真正意义的高-高电力变换，无需降压升压变换，降低了装置的损耗，提高了可靠性，解决了高压电力变换的困难。串联多重化叠加技术的应用还为实现纯正弦波、消除电网谐波污染开辟了崭新的途径。

（3）性能指标高

·高功率因数，达0.95以上，无需另加功率因数补偿装置，避免了因无功带来的罚款。

·效率高，高达96%以上，远远高于可控硅大功率调速装置。

·符合IEEE519-1992标准的严格要求，不对电网产生谐波污染，完全无需任何滤波装置。

·对电机不产生谐波污染，有效降低了电机的发热量，噪声与采用工频供电时相近。

·转矩脉冲很低，不会导致电机等机械设备的共振，同时也减少了传动机构的磨损。

·输出波形完美，失真度小于1% 。

·电动机的电应力强度与采用工频供电时相近，无需配备特殊电动机。

·与电机的连接不受电缆长度的限制。

（4）科技含量高

·采用大规模门阵列CPLD电路，实现了PWM控制的高度实时性、快速性和准确性。

·两光纤实时传送技术，获得了国家发明专利，使得控制单元与功率单元之间的通讯更加迅速、可靠。

·特别设计的H桥逆变电路，已获得了国家专利，为系统运行的可靠性提供了保障。

·完善的功率单元旁通技术，已获得了国家专利，进一步提高了系统运行的可靠性。

·控制部分采用高性能的DSP和FPGA芯片，使得控制系统的性能大大提高，实现恒定V/F和恒转矩控制，提升特性可任意设定，满足各种机械启动及运行的要求。

·优秀的DSP软件数学模型，使得系统运行的实时性和效率大大提高。

三、液力耦合器的工作原理与性能特点

（一）液力耦器的结构

液力耦合器是一种液力传动装置，又称液力联轴器。液力耦合器其结构主要由壳体、泵轮、涡轮三个部分组成，如图所示。

图7 液力耦合器的基本构造

泵轮和涡轮相对安装，统称为工作轮。在泵轮和涡轮上有径向排列的平直叶片，泵轮和涡轮互不接触。两者之间有一定的间隙（约3mm -4mm）；泵轮与涡轮装合成一个整体后，其轴线断面一般为圆形，在其内腔中充满液压油。

（二）液力耦合器的安装方式

液力耦合器的输入轴与电动机联在一起，随电动机的转动而转动，是液力耦合器的主动部分。涡轮和输出轴连接在一起，是液力耦合器的从动部分，与负载连在一起。其结构示意图如下：

图8 液力耦合器安装图

在安装时，液力耦合器安装在电动机与负载之间，通常由于负载较大，且与其它设备有联锁，采用将电机后移方案，在改造方案中需重新做电机的基础。

（三）液力耦合器的工作原理

电动机运行时带动液力耦合器的壳体和泵轮一同转动，泵轮叶片内的液压油在泵轮的带动下随之一同旋转，在离心力的作用下，液压油被甩向泵轮叶片外缘处，并在外缘处冲向涡轮叶片，使涡轮在受到液压油冲击力而旋转;冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动，返回到泵轮内缘，然后又被泵轮再次甩向外缘。液压油就这样从泵轮流向涡轮，又从涡轮返回到泵轮而形成循环的液流。液力耦合器中的循环液压油，在从泵轮叶片内缘流向外缘的过程中，泵轮对其作功，其速度和动能逐渐增大;而在从涡轮叶片外缘流向内缘的过程中，液压油对涡轮作功，其速度和动能逐渐减小。液压油循环流动的产生，是泵轮和涡轮之间存在着转速差，使两轮叶片外缘处产生压力差。液力耦合器工作时，电动机的动能通过泵轮传给液压油，液压油在循环流动的过程中又将动能传给涡轮输出。液压油在循环流动的过程中，除受泵轮和涡轮之间的作用力之外，没有受到其他任何附加的外力。根据作用力与反作用力相等的原理，液压油作用在涡轮上的扭矩应等于泵轮作用在液压油上的扭矩，这就是液力耦合器的工作原理。

（四）液力耦合器的调速方法

液力耦合器在实际工作中的情形是：电动机驱动泵轮旋转，泵轮带动液压油进行旋转，涡轮即受到力矩的作用，在液压油量较小时，当其力矩不足于克服载的起步阻力矩，所以涡轮还不会随泵轮的转动而转动，增加液压油，作用在涡轮上的力矩随之增大，作用在涡轮上的力矩足以克服负载起步阻力而起步，其液压油传递的力矩与负载力矩相等时，转速随之稳定。负载的的力矩和转速成平方比，当随着液压油量的增加，输出力矩加大，涡轮的转速随之加大，达到调节转速的目的。

液力耦合器的工作时，其力矩与速度之间的变化，如图所示的速度矢量图。

图9 液力耦合器速度矢量图

油液螺旋循环流动的流速 VT 保持恒定， V?为泵轮和涡轮的相对线速度， VE 为泵轮出口速度， VR 为油液的合成速度。涡轮高速转动，即输出和输入的转速接近相同时小，而合成速度 VR 与泵轮出口速度之的夹角很大，这使液流对涡轮很小，这将使输出元件滑动，速度降低。当将油液量加大，相对速度 V?和合成速度 VR 都很这就使液流对涡轮叶片的推力变得直到有足够的循环油液对涡轮产生足够的冲击力，输出转速变高。

（六） 液力耦合器的转换效率

液力耦合器调速原理表明，传动速度的改变，实质是机械功率调节的结果。因此液力耦合器输出转速的降低，实际是输出功率减小。在调速过程中，液力耦合器的原传动转速没有发生变化，假设负载转矩不变，原传动的机械功率也不变，那么输入与输出功率的差值功率那里去了呢，显然是被液力耦合器以热能形式损耗掉了。设原传动功率为PM1，输出功率为PM2，损耗功率则为

由以上公式说明液力偶合器是一种耗能型的机械调速装置，调速越深（转速越低）损耗越大，对于平方转矩负载，由于负载转矩按转速平方率变化，原传动输入功率则按转速的平方率降低，损耗功率相对小一些，但输出功率是按转速的立方率减小，调速效率仍然很低。同时在运行中耦合器排油温度高一般勺管位置是在50%左右最高,因为这时涡轮中的油有一半,涡轮与泵轮介面摩擦产生热量大,勺管位置低时涡轮中油少,泵轮与涡摩擦产生的热量虽然大,冷油器可以冷却,勺管位置高时滑差率小,所以排油温度不高一般偶合器的工作冷油器的冷却水门是不调节的，故而低转速时产生的热量是可能通过冷油器带走的，故而随着转速的升高，工作油温是不断增加的。但随着转速的提高，工作油的循环量也增加了，因此工作油有一个高温点，在高温点，液力耦合器的损耗最大。

（七） 液力耦合器的性能特点

（1） 应用范围

·调速范围宽，可实现从零调节。

·没有电气连接，可工作于危险场地，对环境要求不高。

（2）技术成熟

·结构简单，操作方便。

·多年研究，结构合理。

·全部国产化，维修方便。

（3）性能指标

·价格便宜，对精度要求低

·能量转换效率低。

·结构简单，故障率低。

·运行时需加专用的冷却系统。

·液压油老化后定时更换。

四、变频装置和液力耦合器的优缺点比较

（一）节能效果

1、变频装置节能效果好，功率因数高

2、液力耦合器节能效果低，在低速时，有近3/4的能量被浪费。大容量的设备还应添加水冷系统。

（二）安装方式

1、 变频装置安装方便，电机和负荷不动，将其加入电源侧即可。

2、 液力耦合需装在电机和负荷中间，在安装时需将电机移位方能安装。

（三）安全性

1、 变频装置在出现问题后，可以进行旁路的方式运行。

2、 液力耦合器出现间题后，必需停机维修。

（四）运行精度

1、 变频运行精度高，可以实现精确调节，速度是由输出频率限定，当负荷出现波动时，转速不变。

2、 液力耦合器靠油量和负荷的拉动调速，调速精度低，当负荷变化时，转速随之变化。

（五）维护费用

1、 变频调速维护费用低，在设备正常运行时无消耗品。

2、 液力耦合器在运行一定时间后，对液压油进行更换。

（六）操作性

1、 变频调速操作复杂，需要对操作人员进行专门的培训。

2、 液力耦合器操作简单，方便。

（七）经济性

1、 变频调速装置价格昂贵。

2、 液力耦合器价格便宜。

五、高压变频器和液力耦合器的实际应用

在黑龙江某发电厂在10号炉的引风机上用液力耦合器运行，在13号炉的引风机上采用是高压变频装置进行调速。10号炉和13号炉都是同型号的100MW机组，其引风机用容量是630KW的异步电动机进行拖动。

（一）高压变频器运行的数据

13号发电机组有功负荷工况下，引风机拖动电动机分别在旁路、调速运行工况时，实际测量了电机的电流、电压和功率因数，并计算消耗的电量：

1、50MW负荷

2、60MW负荷

3、70MW负荷

4、80MW负荷

5、90MW负荷

6、100MW负荷

（二）液力耦合器运行的数据

10号发电机组有功负荷工况下，引风机拖动电机分别全转速、调速运行工况时，实际测量的电机的电流、电压和功率因数，并计算消耗的电量：

1、50MW负荷

2、60MW负荷

3、70MW负荷

4、80MW负荷

5、90MW负荷

6、100MW负荷

（三）机组运行时引风机的耗电量

（1）机组每天平均运行工况

电厂是属于调峰电厂，每天的发电负何统一由调度进行调配，一天中的变化量极大，根据电厂全年机组运行的工况总结，得出平均一天的机组工况如下：

50MW夜晚23点到凌晨3点，时间为4小时

60MW夜晚50MW的前后1.5小时，时间为3小时

70MW凌晨5点到上午8点,晚8点到晚10点，时间为5小时

80MW白天平均时间为3小时

90MW白天平均时间为3小时

100MW白天平均时间为6小时

（2）高压变频器运行的13号机组引风机电机的耗电量

旁路运行时日耗电：

149 ＊ 4 + 215 ＊ 3 + 253 ＊ 5 + 286 ＊ 3 + 313 ＊ 3 + 384 ＊ 6 = 6627

调速运行时日耗电:

47.33 ＊ 4 + 76 ＊ 3 + 138 ＊ 5 + 226 ＊ 3 + 270 ＊ 3 + 367 ＊ 6 = 4787.32

调速运行比旁路运行单台电动机日节约电量：

6627 - 4787.32 = 1839.68（KW）

（3）液力耦合器运行的10号机组引风机电机的耗电量:

液力耦合器全转速运行时日耗电：

146.6 ＊ 4 + 271 ＊ 3 + 316 ＊ 5 + 371 ＊ 3 + 419 ＊ 3 + 480 ＊ 6 = 8227.6

液力耦合器全调调速运行时日耗电：

95.6 ＊ 4 + 128 ＊ 3 + 194 ＊ 5 + 274 ＊ 3 + 321 ＊ 3 + 393 ＊ 6 = 5879.4

（4） 采用两种调速方式的节能对比

变频器旁路运行属于用电动机直接拖动引风机,作为引风机定速运的参考基准：

·高压变频器调速运行时比直接拖动运行单台电动机日节约电量：

6627 - 4787.32 = 1839.68（KW）

·液力耦合器调速运行时比直接拖动运行单台电动机日节约电量：

6627 – 5879.4 = 747.6 （KW）

·高压变频器调速运行时比液力耦合器调速运行单台电动机日节约电量：

1839.6 – 747.6 = 1092 （KW）

·高压变频器调速运行时比液力耦合器调速运行单台电动机年节约电量：

1092 ＊ 365 = 398580 （KW）

六、结束语

通过对高压变频器与液力耦合器两种调速设备的对比，高压变频器在节能和精度调节上具有无可比拟的优势。但高压变频器的价格还比较昂贵，结构和操作还很复杂，阻碍其推广及应用的速度，但随着现代电子器件日新月异的快速发展，矢量驱动回路的成熟，高压变频的价格和结构将不断的下降和简化，最终取代液力耦合器。