水泵调速装置的选配

水泵调速装置的选配

    据有关部门统计，全国水泵耗电量约占全国发电量的30%。目前，水泵以变流量调速运行（即电动机调速）替代原有的闸阀节流而获得显著的节能效益，引起人们的极大关注。因此，水泵必然成为全国调速节能的重点对象。下面我们简单地介绍一下几种水泵的调速装置。

    一、液力偶合器调速

    液力偶合器调速是将调速型液力偶合器或液力偶合器传动装置装于恒速运转的电机与负载（如水泵）之间，靠手动、电动遥控或自动控制操作导管，调节工作腔中油的充满度来实现调速。主要特点为：
    （1）能使电动机空载启动和软启动，以其尖峰力矩启动空的载荷，因此提高电动机启动能力。
    （2）缓和冲击、衰减扭振，延长设备使用寿命。
    （3）五级调速，易于实现远程控制和自动控制，无低压控制电源时亦可手动操作。
    （4）对水泵类离心机械，调速范围约为5:1。
    （5）适用于不同等级的高低电压、中大容量电机使用，使电机始终以恒定转速运行，电机效率高，功率因素高，无谐波影响。
    （6）液力偶合器本身存在转差，负载不能达到电机额定转速，高转速为电机额定转速的97%~98%，调速过程中转差消耗以发热形式散掉，或加热于水反馈利用。属于附加转差调速装置。
    目前国产调速型偶合器输入转速为3000r/min，大功率达6500KW。液力偶合器传动装置高输出转速为7000r/min，大功率达6300KW。

    二、液粘调速离合器调速

    液体黏性传动是一种新技术。液粘调速离合器以粘性液体为工作介质，靠主动、从动摩擦片间隙中粘性液体的黏滞剪切力传递动力。通过控制系统的指令电流（mA）由油缸加压使摩擦片间隙（即油膜厚度）发生变化，从而改变主动、从动摩擦片转差和力矩实施无级调速。主要特点为：
    （1）能使电动机空载启动，可实现脱开（i=0）、同步（i=1.0）和调速（0＜i＜1.0）三种工况，有极好的软启动特性。
    （2）振动低噪声小、机构紧凑尺寸小。
    （3）是机电液一体化调速装置，由于可以同步传动而比其他调速装置有更高的节能效果。
    （4）出现故障时可调紧螺钉实现直接传动，不影响主机运转。
    （5）适用于不同等级的高低电压、中大容量电机配用，是电机始终以额定转速运转，电机效率高，功率因素高，无谐波影响，是水泵较好的调速装置。
    （6）液粘调速离合器的调速约在90%~100%之间为不稳定区，品质好的液粘调速离合器配合好的适合于该液粘调速离合器摩擦副的工作油，则其不稳定区要小一点，在不稳定区运行容易产生振荡。
    目前，我国已研制出大规格液粘调速离合器转速为3000r/min，功率可达3200KW。

    三、变频调速

    改变异步电动机定子端输入电源的频率，从而改变电动机转速的称为变频调速。用于水泵的变频装置主要有交一直一交式电压型、电流型和脉宽调制型（PWM）三种。
    变频调速无附加转差损耗为其优点，但在电源变换装置中的损耗不容忽视。尤其用在高电压电机时，高电压电源经降压、整流、储能、逆变和升压五次能量变换，增多了许多设备，不但生产成本（投资）高，而且使电能损耗增加了10%~20%，再加上调速时电机低速运转使总效率和功率因素均降低，会使变频调速总损耗不小于20%。即使是开发出高压直接变频，电源变换损耗也不容忽视。通常用于380V电压下变频有较高效率，调速范围宽，能无级调速，特别适合低流量运行较多或起、停频繁的水泵。品种较多，用户选择的余地大。但技术复杂，维护困难，价格高。目前，我国的电力电子元器件和装置的技术还尚在发展，质量低、可靠性差，暂时尚难大面积推广使用；多数元器件还依靠进口，但变频技术是有发展前途的技术。
    变频调速产生的高次谐波对电网有严重污染，在应用中必须施以对策。

    四、无换向器电机调速

    无换向器电机调速是同步电机的自同步控制变频技术。它的主要特点是：
    （1）利用电子技术，综合了交、直流电机的优点，具有交流同步电机机构简单、直流电机良好的调速性能和永不失步的特点。
    （2）低速用电源电压，高速用电机反电势自然换流，运行可靠。
    （3）特别适用于高速、大容量同步电机的启动调速运行，无附加转差损耗，效率较高。
    （4）现有同步电机只要轴端加装位置检测器，就能方便地改造为无换向器电机方式的调速运行，只是过载能力较低，原有电动机的容量不能充分发挥。
 

图1 不同调节方式的耗电特性曲线
Ⅰ-入口轴向导流器调节；Ⅱ-轴向导流器+双速电机调节；
Ⅲ-液力偶合器或电磁滑差离合器调速；Ⅳ-变频变压调速

    上述几种调节方式各有特点，为了给调节方式提供参考，图1绘制了四种不同调节方式的特性曲线比较。
    由图可见，不同的调节方式，其经济性差别比较大，变速调节比非变速调节经济性好。

    调速装置的选配要点

    首先要确定选用何种调速方式。目前常用的调速装置有液力偶合器，液粘调速离合器和变频调速电机。我们就以下几个方面作分析：
    （1）从节能的效果来看：液力偶合器是附加转差调速装置，其效率是输出转速与输入转速之比，而且高转速只能达到输入转速的97%~98%。节能的效果较差，特别是在低速的时候；液粘调速离合器也是附加较差调速装置，其效率也是输出转速与输入转速之比，但液粘调速离合器能完全结合，可100%地传递，这点比液力偶合器好，前者至少有3%的转速差；变频调速电机是无附加转差调速装置，效率比较高，特别是在低转速时效果显著，但变频调速电机在变频变压过程中也有能量损失，转速在85%以上时其效果显著，但变频调速电机在变频变压过程中也有能量损失，转速在85%以上时其效率就不如前两种调速装置了。
    （2）从运行的可靠性来看：叶轮偶合器是一种成熟、可靠的调速装置，在25%~97%的转速范围内变速非常可靠平稳；液粘调速离合器在90%~100%区间是不稳定区域，如果采用转速闭环控制的话，则会产生振荡，这是不允许的；变频调速电机在20%~100%的范围内页能可靠地调速，但不如液力偶合器成熟。
    （3）从初投资成本来看：液力偶合器是一种经济的调速装置；大功率变频调速电机及调速装置价格昂贵。
    （4）从维护保养的角度来看：液力偶合器是一种易于维护保养的调速装置，也是维修人员熟悉的；其次是液粘调速离合器；变频调速电机对维修人员的要求比较高。
    （5）从国内生产的现状来看：液力偶合器是一种国内生产多，成熟的调速装置；变频调速电机是一种国内生产发展快的调速装置；液粘调速离合器在水泵的应用比较少。
    （6）从技术发展的角度来看：变频调速有着广阔的发展前景，发展速度也比较快，有替代前两种调速装置的趋势。