液力耦合器与变频器调速比较

电气传动

２００９年第３９卷第１２期

ＥＩ．ＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥ２００９Ｖ０１．３９Ｎｏ．１２

液力耦合器与变频器调速比较

张忠银，林宏杰

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州５１０２３０）

摘要：介绍了液力耦合器调速和变频器凋速的工作原理，并对二者调速效率、功率因数、启动性能、运行可靠性及维护、调节及控制特性等方面作了详细分析比较；以带式输送机为例，比较液力耦合器和变频器调速年耗电量及前期投资，结果表明采用变频器调速节能效果比液力耦合器好，投资回收快。

关键词：液力耦合器；变频器；带式输送机；调速；节能

中图分类号：ＴＭ９２１

文献标识码：Ａ

ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＣｏｕｐｌｅｒａｎｄＣｏｎｖｅｒｔｅｒ

ＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇ—ｙｉｎ．ＬＩＮ

Ｈｏｎｇ—ｊｉｅ

（０Ｃ０ｃ－ＦＨＤｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０２３０，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｕｐｌｅｒａｎｄ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

ｗａｓ

ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ

ａｎａ—

ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ，ｓｔａｒｔｉｎｇａｂｉｌｉｔｙ，ｓａｆｅｔｙｉｎｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｗｅｒｅｌｙｚｅｄ．Ａｓｐｉｅｒａｎｄ

ａｎ

ｅｘａｍｐｌｅｏｆｂｅｌｔｃｏｎｖｅｙｏｒ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｐｅｒ

ａｒｅ

ｙｅａｒ

ａｎｄｉｎｉｔｉａｌｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｕｌｄ

ｓａｖｅ

ＣＯＵ—

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｍｏｒｅ

ｅｎｅｒｇｙ

ｔｈａｎｈｙｄｒａｕｌｉｃ

ｃｏｕｐｌｅｒａｎｄｐａｙｂａｃｋｑｕｉｃｋｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｕｐｌｅｒ；ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｂｅｌｔｃｏｎｖｅｙｏｒ；ｖｅｌｏｃｉｔｙ

ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ；ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ

引言

交流异步电动机的调速方式主要有调压调速、电磁调速、变极调速、液力耦合器调速和变频调速等。其中，调压调速是指调节电动机端电压使电动机在某一转速范围内实现无级调速。优点是不需另加换流装置，线路简单；缺点是调速范围小，效率低，低速时转差损耗增大，电动机发热严重。

电磁调速异步电动机又称滑差电机，它是一种恒转矩交流无级变速电动机，有速度负反馈的自动调节系统机械特性硬度高。但在空载或轻载（小于１０％额定转矩）时，由于反馈不足，会造成失控现象，低速时电机效率低。

变极调速是通过外部的切换开关改变电机绕组的串并联关系实现的。只能实现有级调节（一般有２个速度），如电机由２极切换到４极，速度就会下降一半。

调速型液力耦合器主要包括泵轮、涡轮、工作腔、勺管等部分，泵轮与涡轮都在工作腔内且之间有一定间隙，电动机通过液力耦合器输入轴拖动

其主动工作泵轮，对工作油加速，被加速的工作油再带动液力耦合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载，这样，可以通过控制工作腔内参与能量传递的工作油多少来控制输出轴的力矩和转速，工作油量减少时涡轮力矩和转速降低，反之增加。因此液力耦合器也可以实现负载转速无级调节。

异步电动机转速为

咒一！Ｑ』！！二立

Ｐ

式中：厂为变频器输出频率；ｓ为异步电动机转差率；Ｐ为电动机极对数。

电动机采用变频调速，其转轴与负载直接相连，通过改变电动机的供电频率改变电机转速，可以实现相当宽的频率范围内无级调速，且在全范围内具有优异的效率和功率因数特性。

风机、水泵、带式输送机等耗电量占发电总量的３０％左右，由于电机功率大，调压调速、电磁调速、变极调速等存在上述缺点，在变频器未问世前主要采用液力耦合器调速。但液力耦合器仍是消耗转差功率的低效调速方式，本文主要对液力耦

作者简介：张忠银（１９８１一），男．硕士，电气工程师，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚｙｉｎ＠１６３．ｃｏｒｎ７４

万方数据

张忠银，等：液力耦合器与变频器调速比较合器与变频器调速效率、节能及其它性能进行比较，有利于变频调速节能技术的推广。２

液力耦合器与变频器调速效率

比较

２．１

液力耦合器调速效率

当忽略液力耦合器的轴承、鼓风损失时，其输

入转矩Ｍ。等于传递给泵轮的转矩Ｍ。，输出转矩Ｍ２等于涡轮所受力矩ＭＴ。

忽略工作液体的容积损失及摩擦力矩损失等，当液力耦合器稳定运行时工作液体动量矩Ｌ—ｒ×Ｐ＝ｒ×ｍ口为恒定值。由动量矩定理Ｍ—ｒ×厂一ｄＬ／ｄｔ可得工作液体受转矩为０，又因旋转半径ｒ和作用力，相互垂直，故工作液体受合外力厂为０，亦即泵轮驱动力和涡轮的阻力大小相等，方向相反。因为泵轮和涡轮半径一般都相等，可推得转矩为

ＭＢ＝ＭＴＭ１一Ｊ％

（１）

液力耦合器的调速效率也称为传动效率，

叩一鲁≈鲁＝箍一麓

叩一式≈式。巍云一巍盖

㈣心）

式中：叩为调速效率；Ｐ。为输出功率；Ｐ：为输入功率；ＰＴ为涡轮功率；Ｐｅ为泵轮功率；山Ｔ为涡轮角速度；∞。为泵轮角速度；咒Ｔ，挖。分别为涡轮和泵轮

在单位时间内转动的圈数。

将式（１）代人式（２）可得

刁≈塑：ｉ

叩≈２ｎＢ２

２

（３）

式中：ｉ为液力耦合器转速比。

由式（３）可得，液力耦合器调速效率近似等于转速比，转速比越小，调速效率就越低。液力耦合器在工况时，转速比一般在０．４～Ｏ．９８之间。当其小于０．４时，由于转速比小，工作腔内充油量少，气体量较大，工作油升温很快，这时常会出现不稳定状况［１］。

２．２变频器调速效率

变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和频率，控制电路本身需很少一部分能量消耗，选择驱动功率小、饱和压降低、开关速度快的电力电子器件其损耗如开通损耗、关断损耗、通态损耗、断态损耗等也很小‘引，因此变频器可以在全转速范围内保持较高效率运行［３“ｊ。

图１为典型的液力耦合器和变频器的效率一

万方数据

电气传动２００９年第３９卷第１２期

转速曲线，从曲线数据可以看出随着输出转速的降低，液力耦合器的效率基本上正比降低，而变频器在输出转速下降时效率仍能保持较高值；当输出转速降低时，液力耦合器的效率比变频调速的效率下降快得多，因此变频调速的低速特性也比液力耦合器好。

静

凝倒鹰

图１

液力耦合器调速和变频器调速效率曲线

Ｆｉｇ．１

Ｖｅｌｏｃｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｕｒｖｅｓ

ｏｆ

ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｕｐｌｅｒａｎｄ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

３

液力耦合器与变频器调速其它性能比较

变频器调速与液力耦合器调速相比，除了具

有效率高、节约能源、低速性能好等优点，还在功率因数、启动性能、运行可靠性及维护、调节及控制特性、投资回报等方面具有较大优势。３．１功率因数

液力耦合器低速运行时功率因数低于电动机额定功率因数，在７０％以下转速时，功率因数将低于０．７；如果需要提高功率因数，则需另加

功率因数补偿装置。而变频器内部已设置滤波电容，可以在很宽的转速范围保持高功率因数运行。

３．２启动性能

液力耦合器不能直接改善启动性能，启动电流达到额定电流的５～７倍，即使是绕线型转子，采取转子串电阻方法改善启动性能，需增加启动装置，但启动电流仍是额定电流的２倍以上。

采用变频调速时，如电动机保持额定转矩启动，电网输入启动电流为电动机额定电流的５０％左右，对于风机、泵类负载，启动电流更小。而且启动的全过程可控，启动点和爬坡时间可

设置。

启动电流过高对电动机和电网的冲击很大，易造成转子鼠笼断条和定子绕组开焊，据统计，约１５％的电动机故障是由直接启动引起的；直接启动造成供电线路损耗增加，电网电压短时下降，干

７５

电气传动２００９年第３９卷第１２期扰其它设备运行；同时必须增大供电电缆截面积，增加变压器、开关柜断路器容量，电动机低压

３８０／２２０Ｖ供电时增加投资更明显。

３．３运行可靠性及维护

液力耦合器机械结构和管路系统复杂，要长期可靠运行，系统维护工作量增大，如果出现故障，无法直接定速运行，必须停机检修。变频装置电子线路比较复杂，但目前技术已趋成熟，尤其是多电平单元串联叠加型高低压变频装置具有单元自动切换和冗余运行特性，在单元故障时可不停机连续运行，可靠性得以保证，而且检修维护相当容易，只需定期更换进风滤网。３．４调节及控制特性

液力耦合器依靠调节工作腔油量大小改变输出转速，因此响应慢，可能跟不上控制要求，而变频调速器的频率改变速度很快，可以在系统允许的最短时间内进行调节。

液力耦合器的速度调节精度较低，而变频调速属于数字式控制，其稳频精度达到０．１％以上，因此可以实现精确控制。

带式输送机等需多机驱动时，各电机间功率分配不平衡会发生偏载现象，严重时会损坏电机。液力耦合器调速功率不平衡精度可以控制在土５％内，带转速和电流负反馈的变频调速功率不平衡精度可以控制在±１％内［５］。３．５投资及回报

目前，液力耦合器初期投资比变频调速低，但变频调速节能效果显著，投资回报高。

湛江某电厂煤码头第１组６条带式输送机每条额定功率为３５５ｋＷ，采用６ｋＶ交流变频器调速异步电动机拖动，第２组６条带式输送机每条额定功率亦为３５５ｋＷ，采用液力耦合器调速异步

电动机拖动，第１组、第２组带式输送机其它工作条件都相同；异步电动机额定值Ｐ。＝３５５ｋＷ，

ＵＮ＝６

ｋＶ，ＣＯＳ讯＝０．８６，珊一９５％，咒Ｎ一１

４８５

ｒ／ｍｉｎ带式输送机传动滚筒轴功率与带速成正比，拖动电机与传动滚筒采用联轴器联接，故传动滚筒负载功率与拖动电机转速成正比关系。每天按２４ｈ，每年按３００ｄ计算，电费价格按每度０．５元计算；第１组、第２组带式输送机年消耗电量及电费测试数据如表１所示。

在选择带式输送机时一般要考虑转速调节量１５％左右的裕量，从表１可以看出第１组６条带式输送机采用交流变频器调速比第２组６条带

７６

万方数据

张忠银，等：液力耦合器与变频器调速比较

表１两组带式输送机年耗电量及电费比较表

Ｔａｂ．１

Ｐｏｗｅｒ

ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｒａｔｅ

ｃｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎ

ｔｈｅｔｗｏ

ｂｅｌｔ

ｃｏｎｖｅｙｏｒｇｒｏｕｐｓ

调节量电量７。ｗ出ｍｄａ

，．要曼微年耗…年耗袅戮茎：詈鬈ｍ９－，／…Ｉ．１ｌｒ’１．ｋ１；／ｋｗ。．：三费／元

０．６５

１０

０６９

１７３

１４

５４４

３６１

４４７５

１８８

２

２３７５９４

０．７

１０７２５

８５８

１４

５１１

４５５

３７８５

５９７

１

８９２７９８

０．７５１１１２９０８６１４４８３０５７３３５３９７１１

６７６９８６

０．８１１８７１０２５１４４５８２９９２５８７２７４１２９３６３７

Ｏ．８５１２６１２９６４１４４３６５２６１８２３５６２９１１７８１

０．９１３２１５７８９１４４１７２２５１２０１

４３５

６００７１８

０．９５１３９４９９９７１４５５６５２１６０６５２３３０３２６２

１１４６８４２０８１４９９６６４０３１２４３２１５６２１６

式输送机采用液力耦合器调速在０．８５倍额定转速下运行１ａ节省电费约９１万元。而一台６

ｋＶ

交流变频器价格约为３５万元，一台液力耦合器约为１１万元，６台交流变频器比液力耦合器多花费１４４万元。故仅需１ａ

５个月就可以收回交流变

频器增加的投资。４

结论

通过对交流异步电动机液力耦合器和变频器

调速的比较，变频器调速在效率、节能、启动性能、运行维护及精度调节方面具有突出优点。虽然变频器初期投资较液力耦合器高，但其综合经济效益优于液力耦合器。随着电力电子功率器件和变频技术的快速发展，变频器的价格将越来越便宜，结构将越来越简化，变频器必将成为交流调速的主导产品。

参考文献

［１］杨乃乔，姜丽英．液力调速与节能［Ｍ］．北京：国防工业出版

社，２０００．

［２］黄俊．王兆安．电力电子变流技术［Ｍ］．第４版．北京：机械

工业出版社，２０００．

Ｅ３］汤蕴缪，史乃．电机学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００１．［４］

曾岳南．变频器对电机性能的影响及其对策［Ｊ］．电气传动自动化，２０００，２２（５）：９—１２．

［５］张承慧。石庆升，程金．一种基于相邻耦合误差的多电机同

步控制策略ｒＪ］．中国电机工程学报，２００７，２７（１５）：５９—６３．

坟丽雨鼾丽两而

修改稿日期：２００９－０６－０３

液力耦合器与变频器调速比较

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张忠银， 林宏杰， ZHANG Zhong-yin， LIN Hong-jie中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东,广州,510230电气传动

ELECTRIC DRIVE2009，39(12)0次

参考文献(5条)

1. 杨乃乔. 姜丽英 液力调速与节能[期刊论文]-北京:国防工业出版社 20002. 黄俊. 王兆安 电力电子变流技术[期刊论文]-北京:机械工业出版社 20003. 汤蕴缪. 史乃 电机学[期刊论文]-北京:机械工业出版社 2001

4. 曾岳南 变频器对电机性能的影响及其对策[期刊论文]-电气传动自动化 2000(05)

5. 张承慧. 石庆升. 程金 一种基于相邻耦合误差的多电机同步控制策略[期刊论文]-中国电机工程学报 2007(15)

相似文献(10条)

1.会议论文 刘昱轩. 李凯 变频器调速与液力耦合器调速的优缺点比较 2006

在风机、水泵类负载进行调速节能,先期应用的液力耦合器较多,高压变频器技术成熟后,也越来越多地得到了应用.通过对于这两种调速节能的装置进行其优缺点的比较,提高对调速节能领域的了解.

2.会议论文 张军. 钱鸣. 韩智玲. 李善强. 朱春毅 高压变频器调速与液力耦合器调速性能分析 2006

介绍了级联式多电平变频器的工作原理,论述了液力耦合器的调速原理.在此基础上,通过在效率及节能、功率因数、起动性能、运行可靠性及维护、控制特性和投资及回报等方面,将高压变频器和液力耦合器进行比较,总结出级联式多电平变频器的优点。

3.期刊论文 党黎军. 姚惠珍. 刘剑光. 杨淑梅. 高洪培. DANG Li-jun. YAO Hui-Zhen. LIU Jian-guang. YANG Shu-mei. GAO Hong-pei 循环流化床锅炉烟风系统的设计优化 -电力设备2006,7(4)

分析循环流化床锅炉电厂烟风系统设计原则和设计实例,指出其设计优化趋势.为了降低厂用电率,应对工艺过程参数进行分析和量化,确定风源和设备,通过调研,合理设计参数,避免过大的余量.采用液力耦合器和变频器的变速调节代替节流调节,是降低烟风阻力损失的有效方法.现阶段推荐采用液力耦合器调节.从源头上采取措施非常重要.尽量减少、取消不必要的风机.在锅炉设计时,应合理选取部件结构,从根本上降低送风阻力损失.

4.会议论文 张文海. 崔杨. 王树和 双速电机、液力耦合器、变频器调速方式技术经济比较 2006

本文对双速电机、液力耦合器、变频器的优点、缺点进行了分析,对它们的调速装置进行了综合技术经济分析,得出了变频器从技术和经济方面进行比较,是经济的可取的结论.

5.期刊论文 宁德正 CFB锅炉风系统节能优化设计探讨 -云南电力技术2007,35(6)

分析了循环流化床锅炉电厂风机运行经济性差的主要原因,提出了采用液力耦合器和变频器的变速调节代替节流调节,降低烟风阻力损失的方法.在锅炉设计时,合理选取部件结构,从根本上降低送风阻力损失.

6.期刊论文 王本清 皮带输送机的软起动 -中国设备工程2003,""(7)

简述皮带输送机安装软起动装置的必要性;从液力耦合器、液体电阻调速器、晶闸管调压和变频调速四种软起动方式,分析比较其在水泥矿山皮带输送机上的应用原理和特性,得出各起动方式的技术性能对该机及其相应设备的影响和要求.

7.期刊论文 王坤. 李鑫 煤矿企业胶带机驱动方式探讨 -中小企业管理与科技2009,""(28)

随着煤矿建设不断大犁化,长距离、大运量胶带机被广泛使用,胶带机的启动问题也逐渐突出,本文就胶带机常用的几种驱动方式进行探讨.

8.期刊论文 王洪平 碱炉引风机节能方法比较与改造实践 -中国造纸2008,27(10)

分析了风机调速节能运行的原理及相对于节流节能运行的优点.介绍了液力耦合器调速和变频器调速的原理、特点及在风机节能方面的应用,通过比较说明了液力耦合器调速在风机节能运行上存在的不足及与变频调速在风机节能运行上具有的优点.以武汉新华造纸厂碱炉引风机液力耦合器调速改造为变频器调速的实践,验证了变频调速技术在风机凋速节能运行上的良好效果,实际节电比液力耦合器调速提高了53.8%

9.期刊论文 王洪平. WANG Hongping 油厂风机节能运行方法与改造实践 -中国油脂2008,33(8)

分析了风机调速节能运行的原理及相对于节流节能运行的优点.介绍了液力耦合器调速和变频器调速的原理、特点及其在风机节能方面的应用.通过比较说明了液力耦合器调速在风机节能运行上存在的不足和变频调速在风机节能运行上具有的优点.以武汉海鸥油脂有限公司风机液力耦合器调速改造为变频器调速的实践,验证了变频调速技术在风机调速节能运行上的良好效果,实际节电比液力耦合器调速提高了50%.

10.期刊论文 卞国成 高压变频器与液力耦合器调速性能分析 -现代冶金2009,37(2)

介绍了液力耦合嚣和高压变频器的工作原理和性能特点,对高压变频器和液力耦合器的调速特点进行了比较.

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dqcd200912020.aspx

下载时间：2010年6月26日