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[摘 要]机械-液粘调速装置是一种适用于大中型风机及泵类的高效节能传动装置，他能有效调节风机及泵的流量及使其运行于高效工作区内。本文以该装置调速为基础又介绍了一种新的调速-节流复合控制方式，并且对控制中节流点的确定进行了理论的分析与计算，证明通过这种控制方式可以进一步提高风机及泵类调速的节能效果。
[关键词]泵和风机；双回路功率；调速；节能
中图分类号：TK424 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）34-0198-01
1. 引言
根据相关资料，国内所有泵站用电量占全国总电量的15%～20%。但是由于绝大多数的泵站容量偏大，运行效率低，能源浪费十分严重，装置的效率普遍低于水利部颁发的规定55%，无用功率达泵站装机容量的30%～50%。与泵工作特点相同的风机，其能源浪费的程度与泵相同。随着全球能源的日益紧张，节能问题已经被人们摆上了重要的议事日程。为达到节约能源的目的，提高泵和风机的的运行效率，现在应用比较广泛的是调速调节。它取代了以前使用的节流调节。根据工艺要求，泵（或风机）的流量（或风量）下降到80%，则风机的转速也下降到80%，其输入功率则下降到额定功率的51%；若泵（或风机）的流量（或风量）下降到50%，则风机的转速也下降到50%，其输入功率则下降到额定功率的13%，节电87%。以节能的角度看以泵（或风机）调速最为有利，调速范围越大，其经济性能最佳。
当前风机和泵的调速方式主要有机械调速和电气调速。机械调速最常见的是在电机和泵或风机之间加装调速型液力偶合器或液粘调速离合器，液力偶合器本身存在转差，负载不能达到电机额定转速，调速过程中转差损耗以发热形式散掉。电气调速装置应用广泛的是变频调速，其效率和性能都比较理想，但是在电机低速运转时总效率和功率因素均比较低，而且投资高，技术复杂，维护困难，使可靠性降低。变频调速产生的高次谐波对电网有严重污染。通过机械-液粘分功率调速装置，介绍了一种调速-节流复合控制的调节方式。针对这种调节方式在泵调速领域中的节能应用进行研究。
2. 调速装置的组成和原理
2.1 调速装置组成
泵的变速通过机液分功率调速装置调节，三相异步电动机传动。转速变化范围在50%～100%。调速装置如图1所示。
2.2 调速原理
该系统主要由恒速电机、液体粘性调速离合器和行星轮系三部分组成，在各个主要部分相互连接处还包括定速比的带传动和减速器。电机的输出功率将分两路进入行星轮系，一路经液粘离合器传递给行星架，另一路经减速直接传递给齿圈，最终两路功率汇合于太阳轮输出。行星轮系采用NGW 型行星差动轮系，以齿圈和行星架为输入，太阳轮为输出，齿圈和和电机相连所以转速恒定，行星架与液粘离合器相连可连续改变转速，因此太阳轮的输出转速可连续改变，实现了分功率调速。
2.3 调速试验方法
采用机液分功率调速系统调节泵的转速。泵转速在额定转速时，待其稳定后进行该流量下各数据的采集，得到该流量下第一个试验测试点。然后调节管路闸阀，改变泵试验流量，待其稳定后进行第二个试验测试点的测量。重复前述方法进行泵转速在95%，90%，85%，80%，75%，70%，65%，60%，55%，50%时的数据采集。
2.4 试验装置的性能参数
泵型号：HZA250-315R ；额定转速：1450r/min；额定流量：528m3/h ；额定扬程：25m；效率：86.5%
电机转速：1480r/min
行星齿轮：
3. 调速-节流调节的原理
根据泵和电机的功率方程：；。
从左图横坐标为转速比，为系统的功率损失。从图中可以看出，在转速为额定转速为67%时，即流量为额定流量的67%，系统的功率损失最大。
根据节流调节的特点，泵的输入功率等于电机的输出功率。因此当泵流量在降低到D时，采用节流调节，通过调节流量调节阀使流量降低到额定流量的50%（C点）。从图中可以看出调速损失的功率为区域ABCD，节流调节损失的功率为区域CDE。当>，在D点采用节流调节可以比调速调节少损失一部分功率。并且当泵长期運行在DF区间时，在D点节流后电机的功率要低于不节流的电机功率，经过长期运转，节能效果明显。
4. 节能效果分析
4.1 调速调节的功率损失
根据水泵的输入功率和电机功率的公式，绘出功率图，如上图。计算出泵从额定转速降低到额定转速的50%的功率损失为1370.72kW。
4.2 调速-节流调节的功率损失
1. 当节流点确定在额定流量的60%
不采用节流时，泵的流量降到60%时，液粘离合器的转速接为0。当流量继续降低到50%的过程中，液粘离合器将反转。假设在额度流量的50%～60%这个范围内泵的平均工作时间为T，则系统损失的功率是输入功率P减去轴功率N再乘以T。
则转速从60%降低到50%不采用节流损失的功率为309.72T W。
在额定流量的60%采用节流调节时，当转速降低到60%时把行星轮系中的行星架抱死，液粘离合器的主副摩擦片分开距离最大，液粘离合器的输入功率为0。这样就相当于泵与电机通过齿轮传动直连。节流调节时，泵的轴功率基本保持不变，电机的功率等于轴功率（传动装置的效率约等于1）。因此系统的功率损失为104.12T kW。
从下图中可以看出当采用节流调节时比不采用节省了功率为205.6T kW。
2. 当节流点确定在额定流量的75%
假设泵在额定流量的50%～60%和60%～75%的平均工作时间分别为T和T'。当流量达到额定流量的75%时，行星轮系的行星架抱死，液粘离合器的主副摩擦片分开距离最大，液粘离合器的输入功率为0。此时采用节流和不采用节流的功率损失为
不采用节流和采用节流所损失的功率为309.72T+508.22T’ kW。
转速从75%降低到50%采用节流调节时损失的功率为554.51T+356.42 T’ kW。
同上，从75%调节到50%时节流比调速节省的功率为-224.79T+152.20 T’ kW。
当，即时，调速损失大于节流损失。当在额定流量60%～75%运行的时间越长节能效果越显著。
由此可以知道不是流量越高时节流系统的功率损失就越小，因为系统在转速为67%时损失的功率最大，而流量较高时，系统的效率是比较高的。同时还要考虑到负载在各个转速范围内的工作时间，综合分析出最佳的节流点才能使系统的损失功率达到最低。
5 结论
通过对泵试验性能的分析得知，对于单台泵运转而言，当流量降低到额定流量的67%时，分功率调速装置的功率损失为最大。为了降低这一部分的功率损失，采用节流调节。因为当采用节流调节时，行星架抱死，液粘离合器的输入为0，此时电机与泵通过齿轮传动直连，调速装置的效率比节流前提高。
当泵在某一流量范围内长期工作时，在这范围内采用节流，可以使调速装置效率提高，因而降低调速时的功率损失。
行星轮系实现了功率分流，而液粘调速离合器实现了调速器的无级变速。与变频调速和液力偶合器相比，通用性高；且设备可靠性高，在出现故障时也可使负载工作在低运行状态。并且通过调速-节流的控制方式可以进一步降低系统的功耗。
参考文献
[1] 林启华.泵与风机的变速节能.北京：水利电力出版社，1987.
[2] 赫尔姆特.舒尔茨.泵、原理、计算与结构.北京：机械工业出版社，1991.
[3] 张国瑞，张展编.行星传动技术.上海：上海交通大学出版社，1989.
[4] 杨乃乔，姜丽英.液力调速与节能.北京：国防工业出版社，2000.
[5] 张文涛，轩秋月.水泵调速运行技术及节能分析.水泵技术，2000.（5）：38-41.
[关键词]泵和风机；双回路功率；调速；节能
中图分类号：TK424 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）34-0198-01
1. 引言
根据相关资料，国内所有泵站用电量占全国总电量的15%～20%。但是由于绝大多数的泵站容量偏大，运行效率低，能源浪费十分严重，装置的效率普遍低于水利部颁发的规定55%，无用功率达泵站装机容量的30%～50%。与泵工作特点相同的风机，其能源浪费的程度与泵相同。随着全球能源的日益紧张，节能问题已经被人们摆上了重要的议事日程。为达到节约能源的目的，提高泵和风机的的运行效率，现在应用比较广泛的是调速调节。它取代了以前使用的节流调节。根据工艺要求，泵（或风机）的流量（或风量）下降到80%，则风机的转速也下降到80%，其输入功率则下降到额定功率的51%；若泵（或风机）的流量（或风量）下降到50%，则风机的转速也下降到50%，其输入功率则下降到额定功率的13%，节电87%。以节能的角度看以泵（或风机）调速最为有利，调速范围越大，其经济性能最佳。
当前风机和泵的调速方式主要有机械调速和电气调速。机械调速最常见的是在电机和泵或风机之间加装调速型液力偶合器或液粘调速离合器，液力偶合器本身存在转差，负载不能达到电机额定转速，调速过程中转差损耗以发热形式散掉。电气调速装置应用广泛的是变频调速，其效率和性能都比较理想，但是在电机低速运转时总效率和功率因素均比较低，而且投资高，技术复杂，维护困难，使可靠性降低。变频调速产生的高次谐波对电网有严重污染。通过机械-液粘分功率调速装置，介绍了一种调速-节流复合控制的调节方式。针对这种调节方式在泵调速领域中的节能应用进行研究。
2. 调速装置的组成和原理
2.1 调速装置组成
泵的变速通过机液分功率调速装置调节，三相异步电动机传动。转速变化范围在50%～100%。调速装置如图1所示。
2.2 调速原理
该系统主要由恒速电机、液体粘性调速离合器和行星轮系三部分组成，在各个主要部分相互连接处还包括定速比的带传动和减速器。电机的输出功率将分两路进入行星轮系，一路经液粘离合器传递给行星架，另一路经减速直接传递给齿圈，最终两路功率汇合于太阳轮输出。行星轮系采用NGW 型行星差动轮系，以齿圈和行星架为输入，太阳轮为输出，齿圈和和电机相连所以转速恒定，行星架与液粘离合器相连可连续改变转速，因此太阳轮的输出转速可连续改变，实现了分功率调速。
2.3 调速试验方法
采用机液分功率调速系统调节泵的转速。泵转速在额定转速时，待其稳定后进行该流量下各数据的采集，得到该流量下第一个试验测试点。然后调节管路闸阀，改变泵试验流量，待其稳定后进行第二个试验测试点的测量。重复前述方法进行泵转速在95%，90%，85%，80%，75%，70%，65%，60%，55%，50%时的数据采集。
2.4 试验装置的性能参数
泵型号：HZA250-315R ；额定转速：1450r/min；额定流量：528m3/h ；额定扬程：25m；效率：86.5%
电机转速：1480r/min
行星齿轮：
3. 调速-节流调节的原理
根据泵和电机的功率方程：；。
从左图横坐标为转速比，为系统的功率损失。从图中可以看出，在转速为额定转速为67%时，即流量为额定流量的67%，系统的功率损失最大。
根据节流调节的特点，泵的输入功率等于电机的输出功率。因此当泵流量在降低到D时，采用节流调节，通过调节流量调节阀使流量降低到额定流量的50%（C点）。从图中可以看出调速损失的功率为区域ABCD，节流调节损失的功率为区域CDE。当>，在D点采用节流调节可以比调速调节少损失一部分功率。并且当泵长期運行在DF区间时，在D点节流后电机的功率要低于不节流的电机功率，经过长期运转，节能效果明显。
4. 节能效果分析
4.1 调速调节的功率损失
根据水泵的输入功率和电机功率的公式，绘出功率图，如上图。计算出泵从额定转速降低到额定转速的50%的功率损失为1370.72kW。
4.2 调速-节流调节的功率损失
1. 当节流点确定在额定流量的60%
不采用节流时，泵的流量降到60%时，液粘离合器的转速接为0。当流量继续降低到50%的过程中，液粘离合器将反转。假设在额度流量的50%～60%这个范围内泵的平均工作时间为T，则系统损失的功率是输入功率P减去轴功率N再乘以T。
则转速从60%降低到50%不采用节流损失的功率为309.72T W。
在额定流量的60%采用节流调节时，当转速降低到60%时把行星轮系中的行星架抱死，液粘离合器的主副摩擦片分开距离最大，液粘离合器的输入功率为0。这样就相当于泵与电机通过齿轮传动直连。节流调节时，泵的轴功率基本保持不变，电机的功率等于轴功率（传动装置的效率约等于1）。因此系统的功率损失为104.12T kW。
从下图中可以看出当采用节流调节时比不采用节省了功率为205.6T kW。
2. 当节流点确定在额定流量的75%
假设泵在额定流量的50%～60%和60%～75%的平均工作时间分别为T和T'。当流量达到额定流量的75%时，行星轮系的行星架抱死，液粘离合器的主副摩擦片分开距离最大，液粘离合器的输入功率为0。此时采用节流和不采用节流的功率损失为
不采用节流和采用节流所损失的功率为309.72T+508.22T’ kW。
转速从75%降低到50%采用节流调节时损失的功率为554.51T+356.42 T’ kW。
同上，从75%调节到50%时节流比调速节省的功率为-224.79T+152.20 T’ kW。
当，即时，调速损失大于节流损失。当在额定流量60%～75%运行的时间越长节能效果越显著。
由此可以知道不是流量越高时节流系统的功率损失就越小，因为系统在转速为67%时损失的功率最大，而流量较高时，系统的效率是比较高的。同时还要考虑到负载在各个转速范围内的工作时间，综合分析出最佳的节流点才能使系统的损失功率达到最低。
5 结论
通过对泵试验性能的分析得知，对于单台泵运转而言，当流量降低到额定流量的67%时，分功率调速装置的功率损失为最大。为了降低这一部分的功率损失，采用节流调节。因为当采用节流调节时，行星架抱死，液粘离合器的输入为0，此时电机与泵通过齿轮传动直连，调速装置的效率比节流前提高。
当泵在某一流量范围内长期工作时，在这范围内采用节流，可以使调速装置效率提高，因而降低调速时的功率损失。
行星轮系实现了功率分流，而液粘调速离合器实现了调速器的无级变速。与变频调速和液力偶合器相比，通用性高；且设备可靠性高，在出现故障时也可使负载工作在低运行状态。并且通过调速-节流的控制方式可以进一步降低系统的功耗。
参考文献
[1] 林启华.泵与风机的变速节能.北京：水利电力出版社，1987.
[2] 赫尔姆特.舒尔茨.泵、原理、计算与结构.北京：机械工业出版社，1991.
[3] 张国瑞，张展编.行星传动技术.上海：上海交通大学出版社，1989.
[4] 杨乃乔，姜丽英.液力调速与节能.北京：国防工业出版社，2000.
[5] 张文涛，轩秋月.水泵调速运行技术及节能分析.水泵技术，2000.（5）：38-41.