一、引 言

在工業(yè)領(lǐng)域中，大功率電動機是整個工業(yè)系統(tǒng)心臟，其耗電量占全國發(fā)電總量的30%以上，是能源消耗份額最大的系統(tǒng)。大功率電機拖動的大中型風(fēng)機、水泵的耗電量約占風(fēng)機水泵耗電總量的50%以上。由于大型系統(tǒng)中的各種工藝要求，其風(fēng)機、水泵都是按照最惡劣的環(huán)境設(shè)計，在大部份運行時間中，都是屬于大馬拉小車的狀態(tài)，簡單的調(diào)節(jié)方式是采用檔板或閥門來調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，以滿足負(fù)荷變化的要求，其能量損耗相當(dāng)嚴(yán)重。采用改變電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，無疑對節(jié)約能源，提高設(shè)備工作效率意義非常重大。但對于客戶來說如何根據(jù)自己的客觀情況，選擇一種經(jīng)濟實用的調(diào)速方式，是擺在他們面前的實際問題。本文從理論和實際兩個方面對于應(yīng)用高壓變頻器和液力耦合器的優(yōu)缺點進行全面的分析和比較。

二、高壓變頻器的工作原理與性能特點

（一）高壓變頻器的發(fā)展過程

高壓變頻器是隨著現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的一種高壓電機調(diào)速產(chǎn)品，發(fā)展階段大致為：

（1） 從功率元件上分： GTR、GTO、IGBT、IGCT。

（2） 從結(jié)構(gòu)方式上分：高—低—高、三電平、二極管鉗位多電平串聯(lián)、電容鉗位多電平串聯(lián)、多電平單元串聯(lián)疊加、直接矢量控制電流源逆變器。

（3） 從控制方式上分：晶閘管電容強制換相、晶閘管電感強制換相、GTO自關(guān)斷、IGBT電壓控制自關(guān)斷、IGCT電流控制自關(guān)斷。

（4） 從控制系統(tǒng)上分：模擬控制，數(shù)字工控機控制，數(shù)字FPGA控制，數(shù)字DSP控制。

（二）多電平單元串聯(lián)疊加型高壓變頻器的基本構(gòu)成

（1）主回路構(gòu)成

由高壓變頻器、遠(yuǎn)控操作箱、機旁操作箱及旁路開關(guān)柜等部分組成。其中機旁操作箱和旁路開關(guān)柜為選配設(shè)備，旁路開關(guān)柜可以采用手動或自動旁路形式，系統(tǒng)的單線原理圖如圖所示：

圖1 系統(tǒng)的單線原理圖

（2）高壓變頻器的構(gòu)成

內(nèi)部是由十八個相同的單元模塊構(gòu)成，每六個模塊為一組，分別對應(yīng)高壓回路的三相，單元供電由移相切分變壓器進行供電，原理圖如下：

圖2 高壓變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

（3）功率單元構(gòu)成

功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入切分變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由4個IGBT以PWM方法進行控制，產(chǎn)生設(shè)定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，實行模塊化的設(shè)計。其控制通過光纖發(fā)送。原理框圖如下所示：

圖3 功率單元原理框圖

來自主控制器的控制光信號，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應(yīng)的指令后，發(fā)出相應(yīng)設(shè)的IGBT的驅(qū)動信號，驅(qū)動電路接到相應(yīng)的驅(qū)動信號后，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動電壓送到IGBT控制極，操作IGBT關(guān)斷和開通，輸出相應(yīng)波形。

功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號電路中進行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號向主控制器發(fā)送。

（三）高壓變頻器運行原理

高壓變頻器的每個功率單元相當(dāng)于一個三電平的二相輸出的低壓變頻器，通過疊加成為高壓三相交流電，以6KV變頻器為例，論述：6KV輸出電壓的變頻器，每相有6個功率單元相串聯(lián)。單元的輸入電壓為三相600V，輸出則為單相577V，單元相互串聯(lián)疊加后可輸出相電壓3464V。當(dāng)變頻器輸出頻率為50HZ時，相電壓為13階梯波，如下圖所示。圖中UA1 … UA6分別為A相6個功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖中顯示出了生成PWM控制信號時所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。

圖4 相電壓回路疊加波形

由于變頻器中點與電動機中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產(chǎn)生的UAB輸出線電壓可達6000V，為25階梯波。如下圖所示，為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，UAB不僅具有正弦波形而且臺階數(shù)也成倍增加，因而諧波成分及dV/dt均較小。

圖5 線電回路疊加波形

（四） 多電平單元串聯(lián)疊加型變頻器的三相波形輸出質(zhì)量

高壓變頻器在運行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設(shè)定進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保持電機在不同的頻率下運行，而定子磁心中的主磁通保持在額定水準(zhǔn)，提高電機的轉(zhuǎn)換效率，在下圖中是在現(xiàn)場運行時，經(jīng)過PT采集的電動機三相輸入波形：

圖6 電動機入電壓波形

多重疊加應(yīng)用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時輸出電壓的dV/dt較小，不會增加電機繞組的應(yīng)力，可以向普通標(biāo)準(zhǔn)型交流電動機供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設(shè)備的通用性。

在變頻器輸入側(cè)，由于變頻器多個副邊繞組的均勻位移，如6KV輸出時共有+250、+150、+50、-50、-150、-250共6種繞組，變頻器原邊電流中對應(yīng)的電流成分也相互均勻位移，構(gòu)成等效36脈動整流線路，變流轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的諧波都相互抵消，湮滅。工作時的功率因數(shù)達0.95以上，不需要附加電源濾波器或功率因數(shù)補償裝置，也不會與現(xiàn)有的補償電容裝置發(fā)生諧振，對同一電網(wǎng)上運行的電氣設(shè)備沒有任何干擾。

（五） 高壓變頻器的性能特點

（1）應(yīng)用范圍

·調(diào)速范轉(zhuǎn)寬，可以從零轉(zhuǎn)速到工頻轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)進行平滑調(diào)節(jié)。

·在大電機上能實現(xiàn)小電流的軟啟動，啟動時間和啟動的方式可以根椐現(xiàn)場工況進行調(diào)整。

·頻率的調(diào)整是根據(jù)電機在低頻下的壓頻比系數(shù)進行電壓和頻率的輸出，在低轉(zhuǎn)速下，電機不僅是發(fā)熱量低，而且輸入電壓低，將使電機絕緣老化速度降低。

（2）技術(shù)新穎

串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了真正意義的高-高電力變換，無需降壓升壓變換，降低了裝置的損耗，提高了可靠性，解決了高壓電力變換的困難。串聯(lián)多重化疊加技術(shù)的應(yīng)用還為實現(xiàn)純正弦波、消除電網(wǎng)諧波污染開辟了嶄新的途徑。

（3）性能指標(biāo)高

·高功率因數(shù)，達0.95以上，無需另加功率因數(shù)補償裝置，避免了因無功帶來的罰款。

·效率高，高達96%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可控硅大功率調(diào)速裝置。

·符合IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，不對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，完全無需任何濾波裝置。

·對電機不產(chǎn)生諧波污染，有效降低了電機的發(fā)熱量，噪聲與采用工頻供電時相近。

·轉(zhuǎn)矩脈沖很低，不會導(dǎo)致電機等機械設(shè)備的共振，同時也減少了傳動機構(gòu)的磨損。

·輸出波形完美，失真度小于1% 。

·電動機的電應(yīng)力強度與采用工頻供電時相近，無需配備特殊電動機。

·與電機的連接不受電纜長度的限制。

（4）科技含量高

·采用大規(guī)模門陣列CPLD電路，實現(xiàn)了PWM控制的高度實時性、快速性和準(zhǔn)確性。

·兩光纖實時傳送技術(shù)，獲得了國家發(fā)明專利，使得控制單元與功率單元之間的通訊更加迅速、可靠。

·特別設(shè)計的H橋逆變電路，已獲得了國家專利，為系統(tǒng)運行的可靠性提供了保障。

·完善的功率單元旁通技術(shù)，已獲得了國家專利，進一步提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

·控制部分采用高性能的DSP和FPGA芯片，使得控制系統(tǒng)的性能大大提高，實現(xiàn)恒定V/F和恒轉(zhuǎn)矩控制，提升特性可任意設(shè)定，滿足各種機械啟動及運行的要求。

·優(yōu)秀的DSP軟件數(shù)學(xué)模型，使得系統(tǒng)運行的實時性和效率大大提高。

三、液力耦合器的工作原理與性能特點

（一）液力耦器的結(jié)構(gòu)

液力耦合器是一種液力傳動裝置，又稱液力聯(lián)軸器。液力耦合器其結(jié)構(gòu)主要由殼體、泵輪、渦輪三個部分組成，如圖所示。

圖7 液力耦合器的基本構(gòu)造

泵輪和渦輪相對安裝，統(tǒng)稱為工作輪。在泵輪和渦輪上有徑向排列的平直葉片，泵輪和渦輪互不接觸。兩者之間有一定的間隙（約3mm -4mm）；泵輪與渦輪裝合成一個整體后，其軸線斷面一般為圓形，在其內(nèi)腔中充滿液壓油。

（二）液力耦合器的安裝方式

液力耦合器的輸入軸與電動機聯(lián)在一起，隨電動機的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，是液力耦合器的主動部分。渦輪和輸出軸連接在一起，是液力耦合器的從動部分，與負(fù)載連在一起。其結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖8 液力耦合器安裝圖

在安裝時，液力耦合器安裝在電動機與負(fù)載之間，通常由于負(fù)載較大，且與其它設(shè)備有聯(lián)鎖，采用將電機后移方案，在改造方案中需重新做電機的基礎(chǔ)。

（三）液力耦合器的工作原理

電動機運行時帶動液力耦合器的殼體和泵輪一同轉(zhuǎn)動，泵輪葉片內(nèi)的液壓油在泵輪的帶動下隨之一同旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，液壓油被甩向泵輪葉片外緣處，并在外緣處沖向渦輪葉片，使渦輪在受到液壓油沖擊力而旋轉(zhuǎn);沖向渦輪葉片的液壓油沿渦輪葉片向內(nèi)緣流動，返回到泵輪內(nèi)緣，然后又被泵輪再次甩向外緣。液壓油就這樣從泵輪流向渦輪，又從渦輪返回到泵輪而形成循環(huán)的液流。液力耦合器中的循環(huán)液壓油，在從泵輪葉片內(nèi)緣流向外緣的過程中，泵輪對其作功，其速度和動能逐漸增大;而在從渦輪葉片外緣流向內(nèi)緣的過程中，液壓油對渦輪作功，其速度和動能逐漸減小。液壓油循環(huán)流動的產(chǎn)生，是泵輪和渦輪之間存在著轉(zhuǎn)速差，使兩輪葉片外緣處產(chǎn)生壓力差。液力耦合器工作時，電動機的動能通過泵輪傳給液壓油，液壓油在循環(huán)流動的過程中又將動能傳給渦輪輸出。液壓油在循環(huán)流動的過程中，除受泵輪和渦輪之間的作用力之外，沒有受到其他任何附加的外力。根據(jù)作用力與反作用力相等的原理，液壓油作用在渦輪上的扭矩應(yīng)等于泵輪作用在液壓油上的扭矩，這就是液力耦合器的工作原理。

（四）液力耦合器的調(diào)速方法

液力耦合器在實際工作中的情形是：電動機驅(qū)動泵輪旋轉(zhuǎn)，泵輪帶動液壓油進行旋轉(zhuǎn)，渦輪即受到力矩的作用，在液壓油量較小時，當(dāng)其力矩不足于克服載的起步阻力矩，所以渦輪還不會隨泵輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，增加液壓油，作用在渦輪上的力矩隨之增大，作用在渦輪上的力矩足以克服負(fù)載起步阻力而起步，其液壓油傳遞的力矩與負(fù)載力矩相等時，轉(zhuǎn)速隨之穩(wěn)定。負(fù)載的的力矩和轉(zhuǎn)速成平方比，當(dāng)隨著液壓油量的增加，輸出力矩加大，渦輪的轉(zhuǎn)速隨之加大，達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

液力耦合器的工作時，其力矩與速度之間的變化，如圖所示的速度矢量圖。

圖9 液力耦合器速度矢量圖

油液螺旋循環(huán)流動的流速 VT 保持恒定， V?為泵輪和渦輪的相對線速度， VE 為泵輪出口速度， VR 為油液的合成速度。渦輪高速轉(zhuǎn)動，即輸出和輸入的轉(zhuǎn)速接近相同時小，而合成速度 VR 與泵輪出口速度之的夾角很大，這使液流對渦輪很小，這將使輸出元件滑動，速度降低。當(dāng)將油液量加大，相對速度 V?和合成速度 VR 都很這就使液流對渦輪葉片的推力變得直到有足夠的循環(huán)油液對渦輪產(chǎn)生足夠的沖擊力，輸出轉(zhuǎn)速變高。

（六） 液力耦合器的轉(zhuǎn)換效率

液力耦合器調(diào)速原理表明，傳動速度的改變，實質(zhì)是機械功率調(diào)節(jié)的結(jié)果。因此液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速的降低，實際是輸出功率減小。在調(diào)速過程中，液力耦合器的原傳動轉(zhuǎn)速沒有發(fā)生變化，假設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，原傳動的機械功率也不變，那么輸入與輸出功率的差值功率那里去了呢，顯然是被液力耦合器以熱能形式損耗掉了。設(shè)原傳動功率為PM1，輸出功率為PM2，損耗功率則為

由以上公式說明液力偶合器是一種耗能型的機械調(diào)速裝置，調(diào)速越深（轉(zhuǎn)速越低）損耗越大，對于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速平方率變化，原傳動輸入功率則按轉(zhuǎn)速的平方率降低，損耗功率相對小一些，但輸出功率是按轉(zhuǎn)速的立方率減小，調(diào)速效率仍然很低。同時在運行中耦合器排油溫度高一般勺管位置是在50%左右最高,因為這時渦輪中的油有一半,渦輪與泵輪介面摩擦產(chǎn)生熱量大,勺管位置低時渦輪中油少,泵輪與渦摩擦產(chǎn)生的熱量雖然大,冷油器可以冷卻,勺管位置高時滑差率小,所以排油溫度不高一般偶合器的工作冷油器的冷卻水門是不調(diào)節(jié)的，故而低轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生的熱量是可能通過冷油器帶走的，故而隨著轉(zhuǎn)速的升高，工作油溫是不斷增加的。但隨著轉(zhuǎn)速的提高，工作油的循環(huán)量也增加了，因此工作油有一個高溫點，在高溫點，液力耦合器的損耗最大。

（七） 液力耦合器的性能特點

（1） 應(yīng)用范圍

·調(diào)速范圍寬，可實現(xiàn)從零調(diào)節(jié)。

·沒有電氣連接，可工作于危險場地，對環(huán)境要求不高。

（2）技術(shù)成熟

·結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

·多年研究，結(jié)構(gòu)合理。

·全部國產(chǎn)化，維修方便。

（3）性能指標(biāo)

·價格便宜，對精度要求低

·能量轉(zhuǎn)換效率低。

·結(jié)構(gòu)簡單，故障率低。

·運行時需加專用的冷卻系統(tǒng)。

·液壓油老化后定時更換。

四、變頻裝置和液力耦合器的優(yōu)缺點比較

（一）節(jié)能效果

1、變頻裝置節(jié)能效果好，功率因數(shù)高

2、液力耦合器節(jié)能效果低，在低速時，有近3/4的能量被浪費。大容量的設(shè)備還應(yīng)添加水冷系統(tǒng)。

（二）安裝方式

1、 變頻裝置安裝方便，電機和負(fù)荷不動，將其加入電源側(cè)即可。

2、 液力耦合需裝在電機和負(fù)荷中間，在安裝時需將電機移位方能安裝。

（三）安全性

1、 變頻裝置在出現(xiàn)問題后，可以進行旁路的方式運行。

2、 液力耦合器出現(xiàn)間題后，必需停機維修。

（四）運行精度

1、 變頻運行精度高，可以實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，速度是由輸出頻率限定，當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)波動時，轉(zhuǎn)速不變。

2、 液力耦合器靠油量和負(fù)荷的拉動調(diào)速，調(diào)速精度低，當(dāng)負(fù)荷變化時，轉(zhuǎn)速隨之變化。

（五）維護費用

1、 變頻調(diào)速維護費用低，在設(shè)備正常運行時無消耗品。

2、 液力耦合器在運行一定時間后，對液壓油進行更換。

（六）操作性

1、 變頻調(diào)速操作復(fù)雜，需要對操作人員進行專門的培訓(xùn)。

2、 液力耦合器操作簡單，方便。

（七）經(jīng)濟性

1、 變頻調(diào)速裝置價格昂貴。

2、 液力耦合器價格便宜。

五、高壓變頻器和液力耦合器的實際應(yīng)用

在黑龍江某發(fā)電廠在10號爐的引風(fēng)機上用液力耦合器運行，在13號爐的引風(fēng)機上采用是高壓變頻裝置進行調(diào)速。10號爐和13號爐都是同型號的100MW機組，其引風(fēng)機用容量是630KW的異步電動機進行拖動。

（一）高壓變頻器運行的數(shù)據(jù)

13號發(fā)電機組有功負(fù)荷工況下，引風(fēng)機拖動電動機分別在旁路、調(diào)速運行工況時，實際測量了電機的電流、電壓和功率因數(shù)，并計算消耗的電量：

1、50MW負(fù)荷

2、60MW負(fù)荷

3、70MW負(fù)荷

4、80MW負(fù)荷

5、90MW負(fù)荷

6、100MW負(fù)荷

（二）液力耦合器運行的數(shù)據(jù)

10號發(fā)電機組有功負(fù)荷工況下，引風(fēng)機拖動電機分別全轉(zhuǎn)速、調(diào)速運行工況時，實際測量的電機的電流、電壓和功率因數(shù)，并計算消耗的電量：

1、50MW負(fù)荷

2、60MW負(fù)荷

3、70MW負(fù)荷

4、80MW負(fù)荷

5、90MW負(fù)荷

6、100MW負(fù)荷

（三）機組運行時引風(fēng)機的耗電量

（1）機組每天平均運行工況

電廠是屬于調(diào)峰電廠，每天的發(fā)電負(fù)何統(tǒng)一由調(diào)度進行調(diào)配，一天中的變化量極大，根據(jù)電廠全年機組運行的工況總結(jié)，得出平均一天的機組工況如下：

50MW夜晚23點到凌晨3點，時間為4小時

60MW夜晚50MW的前后1.5小時，時間為3小時

70MW凌晨5點到上午8點,晚8點到晚10點，時間為5小時

80MW白天平均時間為3小時

90MW白天平均時間為3小時

100MW白天平均時間為6小時

（2）高壓變頻器運行的13號機組引風(fēng)機電機的耗電量

旁路運行時日耗電：

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

調(diào)速運行時日耗電:

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

調(diào)速運行比旁路運行單臺電動機日節(jié)約電量：

6627 - 4787.32 = 1839.68（KW）

（3）液力耦合器運行的10號機組引風(fēng)機電機的耗電量:

液力耦合器全轉(zhuǎn)速運行時日耗電：

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

液力耦合器全調(diào)調(diào)速運行時日耗電：

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

（4） 采用兩種調(diào)速方式的節(jié)能對比

變頻器旁路運行屬于用電動機直接拖動引風(fēng)機,作為引風(fēng)機定速運的參考基準(zhǔn)：

·高壓變頻器調(diào)速運行時比直接拖動運行單臺電動機日節(jié)約電量：

6627 - 4787.32 = 1839.68（KW）

·液力耦合器調(diào)速運行時比直接拖動運行單臺電動機日節(jié)約電量：

6627 – 5879.4 = 747.6 （KW）

·高壓變頻器調(diào)速運行時比液力耦合器調(diào)速運行單臺電動機日節(jié)約電量：

1839.6 – 747.6 = 1092 （KW）

·高壓變頻器調(diào)速運行時比液力耦合器調(diào)速運行單臺電動機年節(jié)約電量：

1092 ＊ 365 = 398580 （KW）

六、結(jié)束語

通過對高壓變頻器與液力耦合器兩種調(diào)速設(shè)備的對比，高壓變頻器在節(jié)能和精度調(diào)節(jié)上具有無可比擬的優(yōu)勢。但高壓變頻器的價格還比較昂貴，結(jié)構(gòu)和操作還很復(fù)雜，阻礙其推廣及應(yīng)用的速度，但隨著現(xiàn)代電子器件日新月異的快速發(fā)展，矢量驅(qū)動回路的成熟，高壓變頻的價格和結(jié)構(gòu)將不斷的下降和簡化，最終取代液力耦合器。