電機目前使用幾種主要節能方案與比較第一頁，共24頁。目錄1.風機水泵的調節2.液力耦合器調速3.串級和雙饋調速（轉子側）4.變頻調速（定子側）2第二頁，共24頁。風機、水泵的調節工作原理

風機和泵類負載一般稱二次型負載，轉矩與轉速二次方成比例，功率與轉速三次方成比例。當ω<0.6nN時，轉矩和功率已很小，再往下調已無意義，因此調速范圍一般限制在40％。在調速性能方面，對靜態精度和動態響應無嚴格要求。3第三頁，共24頁。1.液力耦合器調速的工作原理工作原理

如采用液力耦合器調速，則電動機轉軸連接到液力耦合器，而負載連接到液力耦合器，電動機由電網供電，電動機仍全速運行。液力耦合器是通過控制工作腔內工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉速的。電動機通過液力耦合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力耦合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載，這樣，可以通過控制工作腔內參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩，達到控制負載的轉速的目的。液力耦合器也可以實現負載轉速無級調節。4第四頁，共24頁。1.變頻器調速的工作原理工作原理

電動機采用變頻調速后，電動機轉軸與負載直接相連，但電動機不再由電網直接供電，而是由變頻器供電，變頻器通過改變電動機的供電頻率改變電機轉速，因此可以實現相當寬的頻率范圍內無級調速，而且在全范圍內具有優異的效率和功率因數特性。采用變頻調速后，異步電動機轉速n=60f(1-s)/p，其中f為變頻器輸出頻率，s為異步電動機轉差率，p為電動機極對數。5第五頁，共24頁。變頻調速與液力耦合器調速的節能比較功率損耗的原因

電動機本身功率損耗除外，無論是變頻調速還是液力耦合器調速，均存在額外的功率損耗。液力耦合器從電動機輸出軸取得機械能，通過液力變速后送入負載，其效率不可能為1；變頻器從電網取的電能，通過逆變后送入電動機電樞，其效率也不可能是1。而且在全轉速范圍內，兩種方式的效率曲線也不一樣。6第六頁，共24頁。變頻調速與液力耦合器調速的節能比較圖1“兩種調速方式效率曲線”為典型的液力耦合器和變頻器（高高變頻器）的效率－轉速曲線，隨著輸出轉速的降低，液力耦合器的效率基本上正比降低（例如：額定轉速時效率0.95，75%轉速時效率約0.72，20%轉速時效率約0.19）；而變頻器在輸出轉速下降時效率仍然較高（例如：額定轉速時效率0.97，75%以上轉速時效率大于0.95，20%以上轉速時效率大于0.9）。7第七頁，共24頁。變頻調速與液力耦合器調速的節能比較曲線分析：從曲線數據看，當輸出轉速降低時，液力耦合器的效率比變頻調速的效率下降快得多，因此變頻調速的低速特性比液力耦合器要好。當用于風機、泵類負載時，由于其軸功率與轉速的三次方成正比，當轉速下降時，雖然液力耦合器效率正比下降，但電動機綜合軸功率還是隨著轉速的下降成二次方比例下降，因此也能起到節能作用。變頻調速通過電力電子整流和PWM逆變技術改變電動機定子的電壓和頻率，除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不變外，電力電子器件的損耗基本上與輸出功率成正比，因此變頻調速可以在全轉速范圍內保持較高效率運行。液力耦合器依靠泵和渦輪傳遞能量，在低速輸出時，泵和渦輪的效率均下降，因此綜合效率隨轉速下降而下降。

8第八頁，共24頁。變頻調速與液力耦合器調速的節能比較理論計算節能比較1000kW風機風量從100%降低到70%，由于流量與轉速一次方成正比，因此轉速可以降低70%，負載功率理論上降為34.3%，如果采用直接高高變頻調速，其效率按0.95算，再考慮電動機效率在低功率時有所下降、和管道系統效率有所下降，電網總輸入功率約34.3%/0.95/0.85/0.95=44.71%，即447.1kW，節能55.29%，全年按300日計算，年節電398萬度。如果采用液力耦合器，其效率按0.665計算，電網總輸入功率約34.3%/0.665/0.85/0.95=63.87%，即638.7KW，節能36.13%，年節電260萬度。列表如下。9第九頁，共24頁。變頻調速與液力耦合器調速的其它性能比較功率因數變頻調速可以在很寬的轉速范圍內保持高功率因數運行（例如20%以上轉速時功率因數大于0.95%），液力耦合器低速運行時功率因數低于電動機額定功率因數，如果在70%以下轉速時，功率因數將低于0.7。采用液力耦合器如果需要提高功率因數，則需另加功率因數補償裝置。起動性能采用變頻調速時，對于風機泵類負載，其起動電流小，對電網無沖擊。液力耦合器不能直接改善起動性能，起動電流達到額定電流的5-7倍。起動對電動機和電網的沖擊相當大，影響電網的穩定性。10第十頁，共24頁。變頻調速與液力耦合器調速的其它性能比較運行可靠性、運行維護液力耦合器工作時是通過一導管調整工作腔的充液量，從而改變傳遞扭矩和輸出轉速來滿足工況要求；因此，對工作腔及供油系統需經常維護及檢修。耦合器運行時間稍長，會漏油嚴重，對環境污染大，地面被油污蝕嚴重。

如果液力耦合器出現故障，無法直接定速運行，必須停機檢修。電機和風機運行噪音大，會影響運行人員的身體健康。運行振動大，電機和軸承溫升高，會降低風機和電機的使用壽命。

后期使用、維護、維修費用大。高壓變頻裝置目前技術已趨成熟，尤其是單元串聯多電平方式的高壓變頻裝置具有單元自動切換和冗余運行特性，在單元故障時可不停機連續運行，可靠性得以保證，而且檢修維護相當容易，只需定期更換進風濾網即可。在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承或者對液力耦合器進行維修，避免了機油對環境的污染，使風機房的現場環境有了極大改善。由于電機降低速度運行以及工作在高效率區，因此電機和軸承的溫升都明顯低于采用液力耦合器的系統，這樣可以延長風機系統的使用壽命。

11第十一頁，共24頁。變頻調速與液力耦合器調速的其它性能比較調節及控制特性液力耦合器依靠調節工作腔油量大小改變輸出轉速，因此延遲性較明顯，不能快速響應，可能跟不上控制的需要，同時這時候的電流較大，如整定不好會引起跳閘，影響系統穩定性。液力耦合器本身控制精度差，調速范圍窄，通常在40％～90％之間；在高速運行時，液力耦合器有丟轉現象，嚴重時會影響工作的正常進行。變頻調速的頻率改變速度相當快，完全可以以系統允許的最高速度進行調節變頻調速屬于數字式控制，其穩頻精度達到0.1%以上。12第十二頁，共24頁。變頻調速與液力耦合器調速的其它性能比較投資及回報

液力耦合器初期投資比變頻調速低；變頻調速節能效果及其它方面均明顯優于液力耦合器，總體投資回報效果更佳。13第十三頁，共24頁。2.串級調速與雙饋調速

14第十四頁，共24頁。串級和雙饋調速轉子側調速適用于繞線異步機，定子接中壓電網，轉子接調速裝置。有2種調速方法:只從同步速下調的系統通常稱串調;在同步速兩側都調節的系統稱雙饋。絕大多數風機和泵只需要下調。15第十五頁，共24頁。串級和雙饋調速的特點用低壓設備控制高壓電機；

UR＝SUR0(1)式中:S＝(n0-n)/n0—滑差，UR0—轉子不轉時(S＝1)的轉子電壓，通常UR0<1000V。風機和泵要求40％調速范圍，S≤0.4，UR≈400V，可以用低壓400V調速裝置控制6kV或10kV電機轉速。調速裝置容量小；轉子輸出功率Pr/PN≈(URIR)/(UR0IRN)式中:IR和IRN—轉子電流和它的額定值，IR/IRN≈m—轉矩相對值。考慮到二次型負載的特點，Pr/PN=S(1-S)2高速時，負載轉矩m大，滑差S小，Pr不大;低速時S大，m小，Pr也不大;最大值出現在S=1/3時，Pr.max≈0.15PN(2)調速裝置的功率按Pr.max選取，可以用15％PN調速裝置控制100％PN的電機。由于風機和泵的負載特性不嚴格遵循二次方關系，通常按Pr.max=(0.2～0.3)PN計算。16第十六頁，共24頁。串級和雙饋調速的特點旁路和起動容易；串調系統在旁路時不必操作高壓斷路器，只需將電機轉子輸出端短路就行。起動時可通過轉子回路中串頻敏變阻器限制起動電流，起動平穩。缺點：串調系統的不足是只能用于繞線異步機，有滑環和電刷，調速性能和功率因數不如高壓變頻，但大多數現場可接受。17第十七頁，共24頁。串級和雙饋調速的幾種拓撲形式內反饋電機＋斬波式串調內反饋電機就是在電機定子繞組中加一套輔助電源繞組，由它向逆變器提供電源，接受由轉子返回來的能量，把電機和變壓器合為一體，從而去掉龐大的變壓器，簡化串調主電路。所謂斬波式串調就是在傳統串調基礎上，在直流回路中加入升壓式(Boost)斬波器。18第十八頁，共24頁。串級和雙饋調速的幾種拓撲形式內反饋電機＋斬波式串調的優缺點加入斬波后的好處(與傳統串調相比)1)無論轉速高低，TI都工作在逆變角β＝30°，UD維持最大逆變電壓不變，逆變器的容量STI和電機輔助繞組容量Saw都按轉子最大輸出功率Pr.max來算，STI=(0.2-0.3)Pn，Saw=(0.24-0.36)Pn大大小于傳統串調。2)由于TI容量減小及工作時逆變角β角小，它產生的無功遠小于傳統串調，高速時，串調總無功略低于電機本身產生的無功，功率因數在0.8左右；3)由于STI比傳統串調小，逆變器產生的諧波也相應減小；4)由于STI小，相應電抗器L的體積，重量和價格也減小，但增加了一臺斬波電抗Ls。斬波串調的不足1)有2臺電抗器，體積、重量和損耗仍較大；2)功率因數仍偏低，特別是在S=0.2～0.3范圍內(調速風機和泵經常工作的區域)功率因數下降很快，僅0.6左右；3)在定子電流中仍存在TI產生的5、7次諧波及DR產生的低頻諧波。19第十九頁，共24頁。串級和雙饋調速的幾種拓撲形式轉子變頻調速把成熟的低壓IGBT變頻技術和內反饋斬波技術結合起來，產生了一種新調速方法—轉子變頻調速。轉子變頻調速主電路示于圖2。從原理上說屬斬波串調，只是逆變器為IGBT電壓型PWM逆變器BI。20第二十頁，共24頁。串級和雙饋調速的幾種拓撲形式轉子變頻調速原理與圖1類似，電機定子有2套繞組，一套定子繞組直接接6kV或10kV電網，另一套輔助繞組為變頻器VF中的逆變器BI提供電源，把來自轉子的滑差能量回饋至定子。風機和泵只要求向下調速，能量流的方向是從轉子，經VF和輔助繞組返回至電網，所以變頻器VF的接法與通常變頻調速相反，二極管整流橋接轉子繞組，PWM逆變器BI輸出接50Hz電源，把直流母線電壓VD變為固定頻率和電壓的交流電。電機轉速變化(S變化)時，轉子電壓變化，整流電壓UDR隨之變化，但BI要求直流母線電壓固定，故加設升壓斬波器BC。設計BI的控制系統使其維持UD恒定，UDR=(1-D)UD(3)式中:D—斬波器占空比。通過改變D就可改變UDR，從而實現調速，D減小，UDR加大，電機轉速降低。21第二十一頁，共24頁。串級和雙饋調速的幾種拓撲形式轉子變頻調速的優缺點轉子變頻調速的優點(和晶閘管斬波串調相比)1)同樣可以用(20～30％)PN功率的400V低壓變頻器調節100％PN功率的6kV或10kV中壓電機轉速，且起動和旁路方便;2)主電路設備簡單。全部調速裝置就是一個帶斬波的IGBT電壓型變頻器，無其他大設備。無晶閘管斬波串調的大電流電抗器3)運行功率因數高。總的功率因數在高速時達0.9以上，在n=0.7nN時仍有0.8。4)諧波問題:IGBT逆變器產生的諧波,由于采用PWM調制，開關頻率高，可被輔助繞組的漏感濾掉；轉子側二極管整流產生的諧波,須采用有源濾波技術消除。轉子變頻調速的不足1)需使用繞線電機，有滑環。對已有籠型電機的改造項目有些不便，這問題可通過收購舊電機，隨調速裝置成套供應同樣安裝尺寸的新電機來解決。22第二十二頁，共24頁。串級和雙饋調速與高壓變頻調速的比較高壓變頻的優缺點高壓變頻調速的優點1)調速范圍寬，能在0～100％nN范圍內平滑調節，調速性能好;可適用于各種交流電機(同步機、永磁機、鼠籠和繞線異步機等);2)網側輸入功率因數高,效率高(>0.95含變頻器和變壓器)。3)對電網和電機的諧波小。高壓變頻調速的不足1)電壓高