大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（

摘要：指出了发电厂风机水泵调速运行的必要性和巨大的节能潜力；讨论了各种调速方式的优缺点，并作出了详细的技术经济分析。

关键词：风机；水泵；液力耦合器；变频调速；串级调速；无刷双馈电机

Techno- economics Analysis of Energy Saving for

Adjusting Speed of Blower and Water Pump in Power Plant

XU Fu- rong

Abstract:This paper introduces the necessity of adjusting speed saving energy of blower and water pump in the power plant and the large latent capacity of saving energy; It also introduces the advantages and disadvantages of various methods for adjusting speed and make a detail techno? economics analysis.

Keywords:Blower; Water pump;Fluid coupler;Variable frequeney adjusting speed;Cascade adjusting speed;Brushless double-fed machine

3 风机水泵的低效调速节能方案

3．1 液力耦合器

液力耦合器是一种利用液体（多数为油）的动能来传递能量的叶片式传动机械。安装在定速电动机与风机水泵之间，达到平滑调节转速的目的。

液力耦合器的调速效率η等于输出功率P2与输入功率P1之比。在忽略各种阻力扭矩时可以近似认为：

MB=－MT

式中：MB——稳定流动时，泵轮叶片作用于液体的扭矩；

MT——稳定流动时，液体作用于涡轮的扭矩。

则有：

η=P2/P1≈PT/PB=－MTωT/MBωB=－MTnT/MBnB=nT/nB=i （7）

式中：PB——稳定流动时，泵轮叶片作用于液体的功率；

PT——稳定流动时，液体作用于涡轮的功率；

ωB——对应于MB的转动角速度；

ωT——对应于MT的转动角速度；

nB——对应于ωB的转速；

nT——对应于ωT的转速。

即在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等损失时，液力耦合器的调速效率等于转速比。转速比越小，其调速效率也越低，这是液力耦合器的一个重要工作特性。

当液力耦合器带泵或风机进行调速传动时，泵或风机的转速n等于液力耦合器涡轮的转速nT，即n=nT，而其轴功率P等于涡轮传递的轴功率PT，即P=PT。根据叶片式泵与风机的比例定律，泵与风机的轴功率与其转速n的三次方成正比：

PT/PTn=(nT/nTmax)3

或改写成：

PT=PTn(nT/nTmax)3=PTn(nT/nB)3·(nB/nTmax)3=PTni3/in3 (8)

因为i=PT/PB，即PB=PT/i=PTn(i2/in3)，则液力耦合器的转差损失功率：

ΔP=PB－PT=PTn(i2－i3)/in3 (9)

为了求出最大转差功率损失处的转速比i，将式（9）对i求导数，再令导数为零，可求出其极值点，即：

d(ΔP)/di=PTn(2i－3i2)/in3=0

得i=2/3=0.667时

ΔPmax=PTn[(2/3)2－(2/3)3]/in3=（4/27）PTn/in3=0.148PTn/in3=0.148PBn/in2（10）

通常，液力耦合器的in=0.97～0.98，则：

ΔPmax=(0.157～0.162)PTn=(0.154～0.157)PBn （11）

由此证明，液力耦合器带泵或风机进行调速传动时，其最大转差功率损耗ΔPmax发生在转速比i=2/3处，并不是转速越低，耗损越大。

虽然液力耦合器工作在低速时其调速效率很低（等于转速比），但在带泵与风机调速时，与节流调节相比较，仍具有显著的节能效果。例如某离心风机，当流量Q=190×103m3/h时，风机的轴功率为158kW，当通过节流调节使流量Q=95×103m3/h时，风机的轴功率为115kW。当用液力耦合器调速时，由于流量为原流量的一半，则风机的轴功率应为其1／8。

158kW×(1/2)3=19.75kW

再考虑到i=1/2时的液力耦合器的效率η=i=0．5。原动机的输出功率应为19．75kW×2=39.5kW，较之节流调节仍有75.5kW（=115kW－39.5kW)的节电效果，仍是相当可观的。

液力耦合器的优点是：

——无级调速，调速范围大，较之节流调节有显著节能效果；

——可空载起动电动机和逐步起动大惯量负荷，降低了起动电流，使起动更为安全可靠；

——隔离振动，能减轻负荷冲击，再加之起动电流小，延长了电动机及泵与风机的寿命；

——过载保护，保护电动机及风机水泵；

——除轴承外无其他摩损部件，因滑差损耗产生的热量均匀地分散到油中，不会引起局部过热，故工作可靠，能长期无检修工作，寿命长；

——工作平稳，可以平缓地起动、加速、减速和停车；

——便于控制，液力耦合器是无级调速，便于实现自动控制，适合于各种伺服控制系统；

——能用于大容量泵与风机的变速调节，目前单台液力耦合器传递的功率已达20MW以上。

其缺点是：

——和节流调节相比，增加了初投资，增加了安装空间，大功率的液力耦合器除本体设备外，还要一套附加的冷油器等辅助设备与管路系统；

——由于液力耦合器的最大转速比in=0.97～0.98，因此液力耦合器的输出最大转速要比输入转速低；

——调节延迟时间较长，不适应紧急事故的处理，适合于较高转速的泵与风机调速的场合；

——调速精度不高，不适宜要求精确转速的场合使用；

——因为无直联机构，故液力耦合器一旦发生故障，泵与风机也只能停止工作；

——调速效率低（η=i），等于转速比，产生的损耗大，在各种变速装置中属低效调速装置。

3．2 液力调速离合器

液力调速离合器是一种以油为工作介质，依靠摩擦力传递功率的变速传动装置。它是一种新型的液力无级调速传动装置，既能实现无级调速，又能象普通离合器一样，既可将主动部分与从动部分分离，又可将主动部分与从动部分无相对运动地合在一起，所以称其为液力调速离合器，也称奥米伽离合器。

其调速特性与液力耦合器基本相似，也属于低效调速装置，但其最大调速比in=1，调速效率η=P2/P1=M2ω2/M1ω1=n2/n1=i，当泵与风机相联、i=2/3时，ΔPmax=0.148PN，体积比液力耦合器较小，投资差不多，但功率较小。

3．3 电磁转差离合器

电磁转差离合器的功用和液力耦合器及液力调速离合器相同，都是安装在定速电动机与泵或风机之间的一种变速传动装置，使泵与风机可以实现无级调速。

电磁转差离合器的基本部件为电枢与磁极，这两者之间没有机械联系，各自可以自由旋转。电枢是主动部分，直接与电动机的输出轴连接，并由电动机带动其旋转。电枢通常为圆筒形整块铸钢，在外表面常铸或焊有风扇叶，以提高散热效果。磁极为从动部分，它通过联轴器与泵或风机的输入轴相连。磁极由铁芯和励磁绕组组成，励磁绕组有装设在转子上的，也有固定在机壳上的，前者的励磁电流需通过集电环和电刷引到转子。图5所示为电磁转差离合器的示意图。从图5可见，主动部分（电枢）与从动部分（磁极）之间在机械上是分开的，当中有气隙。当励磁绕组无励磁电 流 通 过 时 ， 则 这 两 部 分 互 不 相 干 ； 只 有 在 通 以 励 磁 电 流 时 ， 才 能 靠 电 磁 效 应 相 互 联 系 起 来 。

图5 电磁转差离合器示意图

电磁转差离合器的调速原理是基于电磁感应定律。当励磁绕组通以直流电时，沿气隙圆周面将形成若干对极性交替的磁极，其磁通穿过气隙与电枢相链。当电动机带动电枢旋转时，电枢与磁极之间有相对运动，因感应而产生电势，这一感应电势将在电枢中形成涡流，其方向可由右手定则确定。此涡流又与磁场的磁通相互作用，产生电磁力，其方向可按左手定则确定，这个力作用于电枢一个转矩，其方向与电枢的旋转方向相反，是与带动电枢旋转的拖动转矩相平衡的制动力矩。这个力及力矩也同样作用在磁极上，其方向与电枢旋转方向相同，它使磁极沿电枢旋转方向旋转，并拖动泵或风机旋转。

电磁转差离合器与硬性联接的普通联轴器传动的不同之处是：电磁转差离合器的磁极转速n2是可以连续调整的，且n2一定小于电枢转速n1。这是因为若n2=n1，则磁极与电枢之间不存在相对运动，即电枢没有切割磁力线，也就不可能在电枢中感应出电势，更谈不上产生力和转矩了。因此，电磁转差离合器的磁极与电枢之间必存