一、引 言

在工業領域中，大功率電動機是整個工業系統心臟，其耗電量占全國發電總量的30%以上，是能源消耗份額最大的系統。大功率電機拖動的大中型風機、水泵的耗電量約占風機水泵耗電總量的50%以上。由于大型系統中的各種工藝要求，其風機、水泵都是按照最惡劣的環境設計，在大部份運行時間中，都是屬于大馬拉小車的狀態，簡單的調節方式是采用檔板或閥門來調節風量或流量，以滿足負荷變化的要求，其能量損耗相當嚴重。采用改變電機轉速來實現調節風量或流量，無疑對節約能源，提高設備工作效率意義非常重大。但對于客戶來說如何根據自己的客觀情況，選擇一種經濟實用的調速方式，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用高壓變頻器和液力耦合器的優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）高壓變頻器的發展過程

高壓變頻器是隨著現代電力電子器件的發展而逐步發展起來的一種高壓電機調速產品，發展階段大致為：

（1） 從功率元件上分： GTR、GTO、IGBT、IGCT。

（2） 從結構方式上分：高—低—高、三電平、二極管鉗位多電平串聯、電容鉗位多電平串聯、多電平單元串聯疊加、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自關斷、IGBT電壓控制自關斷、IGCT電流控制自關斷。

（4） 從控制系統上分：模擬控制，數字工控機控制，數字FPGA控制，數字DSP控制。

（二）多電平單元串聯疊加型高壓變頻器的基本構成

（1）主回路構成

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

圖1 系統的單線原理圖

（2）高壓變頻器的構成

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

圖2 高壓變頻器內部結構圖

（3）功率單元構成

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。經整流、濾波后由4個IGBT以PWM方法進行控制，產生設定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓撲結構相同，實行模塊化的設計。其控制通過光纖發送。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，經光/電轉換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應的指令后，發出相應設的IGBT的驅動信號，驅動電路接到相應的驅動信號后，發出相應的驅動電壓送到IGBT控制極，操作IGBT關斷和開通，輸出相應波形。

功率單元中的狀態信息將被收集到應答信號電路中進行處理，集中后經電/光轉換器變換，以光信號向主控制器發送。

（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。單元的輸入電壓為三相600V，輸出則為單相577V，單元相互串聯疊加后可輸出相電壓3464V。當變頻器輸出頻率為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） 多電平單元串聯疊加型變頻器的三相波形輸出質量

高壓變頻器在運行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉化為可以進行頻率可調節的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設定進行相應的調節，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，提高電機的轉換效率，在下圖中是在現場運行時，經過PT采集的電動機三相輸入波形：

圖6 電動機入電壓波形

多重疊加應用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達到常規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力，可以向普通標準型交流電動機供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設備的通用性。

在變頻器輸入側，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的電流成分也相互均勻位移，構成等效36脈動整流線路，變流轉換產生的諧波都相互抵消，湮滅。工作時的功率因數達0.95以上，不需要附加電源濾波器或功率因數補償裝置，也不會與現有的補償電容裝置發生諧振，對同一電網上運行的電氣設備沒有任何干擾。

（五） 高壓變頻器的性能特點

（1）應用范圍

·調速范轉寬，可以從零轉速到工頻轉速的范圍內進行平滑調節。

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

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

（2）技術新穎

串聯多重化疊加技術的應用實現了真正意義的高-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。串聯多重化疊加技術的應用還為實現純正弦波、消除電網諧波污染開辟了嶄新的途徑。

（3）性能指標高

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

·效率高，高達96%以上，遠遠高于可控硅大功率調速裝置。

·符合IEEE519-1992標準的嚴格要求，不對電網產生諧波污染，完全無需任何濾波裝置。

·對電機不產生諧波污染，有效降低了電機的發熱量，噪聲與采用工頻供電時相近。

·轉矩脈沖很低，不會導致電機等機械設備的共振，同時也減少了傳動機構的磨損。

·輸出波形完美，失真度小于1% 。

·電動機的電應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

·采用大規模門陣列CPLD電路，實現了PWM控制的高度實時性、快速性和準確性。

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

·特別設計的H橋逆變電路，已獲得了國家專利，為系統運行的可靠性提供了保障。

·完善的功率單元旁通技術，已獲得了國家專利，進一步提高了系統運行的可靠性。

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

·優秀的DSP軟件數學模型，使得系統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）液力耦器的結構

液力耦合器是一種液力傳動裝置，又稱液力聯軸器。液力耦合器其結構主要由殼體、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造

泵輪和渦輪相對安裝，統稱為工作輪。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在一起，隨電動機的轉動而轉動，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，與負載連在一起。其結構示意圖如下：

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載之間，通常由于負載較大，且與其它設備有聯鎖，采用將電機后移方案，在改造方案中需重新做電機的基礎。

（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動，泵輪葉片內的液壓油在泵輪的帶動下隨之一同旋轉，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;沖向渦輪葉片的液壓油沿渦輪葉片向內緣流動，返回到泵輪內緣，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的液流。液力耦合器中的循環液壓油，在從泵輪葉片內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。液壓油循環流動的產生，是泵輪和渦輪之間存在著轉速差，使兩輪葉片外緣處產生壓力差。液力耦合器工作時，電動機的動能通過泵輪傳給液壓油，液壓油在循環流動的過程中又將動能傳給渦輪輸出。液壓油在循環流動的過程中，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）液力耦合器的調速方法

液力耦合器在實際工作中的情形是：電動機驅動泵輪旋轉，泵輪帶動液壓油進行旋轉，渦輪即受到力矩的作用，在液壓油量較小時，當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動而轉動，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載起步阻力而起步，其液壓油傳遞的力矩與負載力矩相等時，轉速隨之穩定。負載的的力矩和轉速成平方比，當隨著液壓油量的增加，輸出力矩加大，渦輪的轉速隨之加大，達到調節轉速的目的。

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。渦輪高速轉動，即輸出和輸入的轉速接近相同時小，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油液對渦輪產生足夠的沖擊力，輸出轉速變高。

（六） 液力耦合器的轉換效率

液力耦合器調速原理表明，傳動速度的改變，實質是機械功率調節的結果。因此液力耦合器輸出轉速的降低，實際是輸出功率減小。在調速過程中，液力耦合器的原傳動轉速沒有發生變化，假設負載轉矩不變，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速裝置，調速越深（轉速越低）損耗越大，對于平方轉矩負載，由于負載轉矩按轉速平方率變化，原傳動輸入功率則按轉速的平方率降低，損耗功率相對小一些，但輸出功率是按轉速的立方率減小，調速效率仍然很低。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生熱量大,勺管位置低時渦輪中油少,泵輪與渦摩擦產生的熱量雖然大,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節的，故而低轉速時產生的熱量是可能通過冷油器帶走的，故而隨著轉速的升高，工作油溫是不斷增加的。但隨著轉速的提高，工作油的循環量也增加了，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） 應用范圍

·調速范圍寬，可實現從零調節。

·沒有電氣連接，可工作于危險場地，對環境要求不高。

（2）技術成熟

·結構簡單，操作方便。

·多年研究，結構合理。

·全部國產化，維修方便。

（3）性能指標

·價格便宜，對精度要求低

·能量轉換效率低。

·結構簡單，故障率低。

·運行時需加專用的冷卻系統。

·液壓油老化后定時更換。

四、變頻裝置和液力耦合器的優缺點比較

（一）節能效果

1、變頻裝置節能效果好，功率因數高

2、液力耦合器節能效果低，在低速時，有近3/4的能量被浪費。大容量的設備還應添加水冷系統。

（二）安裝方式

1、 變頻裝置安裝方便，電機和負荷不動，將其加入電源側即可。

2、 液力耦合需裝在電機和負荷中間，在安裝時需將電機移位方能安裝。

（三）安全性

1、 變頻裝置在出現問題后，可以進行旁路的方式運行。

2、 液力耦合器出現間題后，必需停機維修。

（四）運行精度

1、 變頻運行精度高，可以實現精確調節，速度是由輸出頻率限定，當負荷出現波動時，轉速不變。

2、 液力耦合器靠油量和負荷的拉動調速，調速精度低，當負荷變化時，轉速隨之變化。

（五）維護費用

1、 變頻調速維護費用低，在設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、 變頻調速操作復雜，需要對操作人員進行專門的培訓。

2、 液力耦合器操作簡單，方便。

（七）經濟性

1、 變頻調速裝置價格昂貴。

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用

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

（一）高壓變頻器運行的數據

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

1、50MW負荷

2、60MW負荷

3、70MW負荷

4、80MW負荷

5、90MW負荷

6、100MW負荷

（二）液力耦合器運行的數據

10號發電機組有功負荷工況下，引風機拖動電機分別全轉速、調速運行工況時，實際測量的電機的電流、電壓和功率因數，并計算消耗的電量：

1、50MW負荷

2、60MW負荷

3、70MW負荷

4、80MW負荷

5、90MW負荷

6、100MW負荷

（三）機組運行時引風機的耗電量

（1）機組每天平均運行工況

電廠是屬于調峰電廠，每天的發電負何統一由調度進行調配，一天中的變化量極大，根據電廠全年機組運行的工況總結，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

調速運行時日耗電:

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

調速運行比旁路運行單臺電動機日節約電量：

6627 - 4787.32 = 1839.68（KW）

（3）液力耦合器運行的10號機組引風機電機的耗電量:

液力耦合器全轉速運行時日耗電：

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

液力耦合器全調調速運行時日耗電：

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

（4） 采用兩種調速方式的節能對比

變頻器旁路運行屬于用電動機直接拖動引風機,作為引風機定速運的參考基準：

·高壓變頻器調速運行時比直接拖動運行單臺電動機日節約電量：

6627 - 4787.32 = 1839.68（KW）

·液力耦合器調速運行時比直接拖動運行單臺電動機日節約電量：

6627 – 5879.4 = 747.6 （KW）

·高壓變頻器調速運行時比液力耦合器調速運行單臺電動機日節約電量：

1839.6 – 747.6 = 1092 （KW）

·高壓變頻器調速運行時比液力耦合器調速運行單臺電動機年節約電量：

1092 ＊ 365 = 398580 （KW）

六、結束語

通過對高壓變頻器與液力耦合器兩種調速設備的對比，高壓變頻器在節能和精度調節上具有無可比擬的優勢。但高壓變頻器的價格還比較昂貴，結構和操作還很復雜，阻礙其推廣及應用的速度，但隨著現代電子器件日新月異的快速發展，矢量驅動回路的成熟，高壓變頻的價格和結構將不斷的下降和簡化，最終取代液力耦合器。