传动系统采用偶合器的节能计算
传动系统采用偶合器的节能计算
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传动系统采用偶合器的节能计算 |
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异步电动机带动的离心泵和风机，如在两者之间安装液力偶合器进行无级调速，与目前普遍采用的节流调节或风机进口导叶调节相比，可以大量节能。另外，牵引型和限矩型偶合器在启动过程中也可节能。其计算方法如下 |
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(1)无静压管路系统 对于泵或风机停止运转时，输送流量的管路系统的压力即行消失的即为静压管路系统。离心通风机和大部分鼓风机属于这种类型，其管路阻力特性可用R＝KQ2表示，为一条通过原点0的二次抛物线。设它与n1为定值的风机压头流量特性交于点e(见图1)，对应的流量为额定流量Qe，效率为最高效率η*，风机(或泵)的轴功率为额定功率Pe。如采用偶合器调速，试求任一流量QA时各特性参数(见表1) |
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图(1) 无静压时风机的调速特性 |
图(2) 无静压时风机各功率随流量Q的变化关系 P2，P1，PS，P和P*——见表1 |
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(2)有静压管路系统 在泵和风机停止运转时，输送流量的管路系统仍具有恒定的静压头H0(例如锅炉给水泵，自来水供水系统，煤气鼓风机供气系统)。绝大部分水泵属于这种类型，其管路阻力特性可用R＝H0+KQ2表示。设它与n1为定值的水泵压头流量特性交于点P(图3)，对应的Qmax和η*为泵的最大流量和最高效率。现求阻力特性上任一点A(对应流量和压头为QA和HA)的各特性参数(见表2及图4) 从图(2)和图(4)可以看出：异步电动机带动的离心泵和风机采用偶合器调速，可以大量节能，例如，当流量调节到0.4Pe时，所能节约的功率约为电动机额定功率的60%和20%。自然，这一数值与泵或风机特性曲线形状以及管路系统静压头H0大小有关，但是，总的趋势不变；流量调节的幅度愈大，泵和风机在小流量时使用时间愈长，节能效果也愈明显；偶合器在调速过程中虽然也有功率损失Ps，但与所能节约的功率ΔP相比相对不大，易为人们所接受 当多台泵或风机并联运行时，可以对其中一台或几台进行调速，而其他几台仍定速运行。这种调速和定速的组合，可以达到流量的连续调节和明显的节能效果。有关并联运行中某些问题，读者可参考有关文献，这里不再讨论 |
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图(3) 给水泵的调速特性 |
图(4) 管路有静压时，给水泵用偶合器调速， 各参数随流量Q的变化关系 P2，P1，P，PS——见表2； Q——流量，m3/s |
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(3)牵引型和限矩型偶合器启动时节能计算 与电动机直接带动工作机的直接启动相比，牵引型和限矩型偶合器在启动过程中可以节能图(5)。由于偶合器输入部分(泵轮)的惯量比工作机要小得多，加速过程中偶合器转矩M1又小于电动机转矩MD，因此，采用偶合器后，甚至在工作机保持不转(S＝0)的情况下，也可使电动机迅速启动并越过其最大转矩值，在b点稳定运转。而涡轮就以电动机的最大转矩M2去推动工作机，克服其阻力转矩MA并进行加速，到滑差S＝0.15(i≈0.85)时M2才逐步下降，最后与工作机阻力特性在S＝0.04额定转矩值处相交，涡轮与工作机的启动加速过程才算完成，如图(5)b。由于M2—MA要比MD—MA大，因此，与电动机直接带动工作机相比，能更迅速地启动工作机。图(5)a中还表示启动电流I随电动机转速n1的变化关系。在电动机通电而转子尚未转动一刹那出现峰值电流之后，I自a点的最大值经c点向等于额定值Ie的d点逐步下降。两种启动方式因电动机升速时间不同，启动电流随启动时间t的变化关系也各不相同，见图(6)。图中两曲线之间的面积，就是采用偶合器在一次启动过程中所能节约的电能 如果所选用的异步电动机负荷特性内还具有启动电流I随转速n1的变化关系曲线，如图(5)a，则根据表“带偶合器传动系统启动特性计算”所列的起动特性的计算方法，也可求出两种传动方式在启动过程中I随启动时间t的变化关系曲线，由此算出一次启动过程中所节约的电能值 工作机的惯量愈大，启动过程的时间愈长，启动的次数愈频繁，使用偶合器后的节电效果也愈明显
图(5) 异步电动机用偶合器或直接带动工作机的启动特性
图(6) 异步电动机用偶合器在一次启动过程中的节电值 |
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表1 任一流量QA时各特性参数 |
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序 列 |
名 称 |
计 算 公 式 或 来 源 |
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1 |
n1为定值时风机的压头流量特性 |
由风机制造厂提供H＝f(Q)曲线图 |
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2 |
通风管路的阻力特性 |
由供风管路的沿程和局部阻力计算求得，R＝KQ2 选用风机时一般使阻力特性曲线通过对应于风机最高效率点的额定工况点e |
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3 |
任意流量QA时的风机转速n2A/r·min-1 |
n1——电动机的额定转速，r/min Qe——风机的额定流量，m3/s |
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4 |
偶合器在A点的转速比iA |
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5 |
偶合器在A点的液力效率ηyA |
ηyA＝iA |
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6 |
偶合器在A点的滑差SA |
SA＝1-iA |
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7 |
在A点运转的风机轴功率P2A/kW |
Pe——风机在转速为n1时额定轴功率，kW |
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8 |
偶合器输入功率或电动机轴功率P1A/kW |
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9 |
偶合器功率损失PSAkW |
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10 |
风机由电动机直接带动，并以n1恒速运转，用节流调节得到流量QA时风机(或电动机)轴功率PA/kW |
H'A——对应于QA的压头，kPa ρ'——流体密度，kg/m3 ηA——对应于QA的风机效率 |
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11 |
与节流调节对比，风机用偶合器调速后所节约的功率△P/kW |
△P＝PA-P1A |
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12 |
在QA工况运转h小时后所节约的电能A/kW·h |
A＝△Ph |
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注：1.取若干个不同流量的点进行上表同样顺序的计算，即可得上述各参数随流量Q的变化关系曲线，如图(2)。图中还表示了风机采用进口导叶调节时电动机功率P*，以资比较。 2.偶合器功率损失最大值PSmax发生在 3.偶合器在传递额定功率时有约0.03的滑差，故风机最大转速n2max≈0.97n1，最大流量也将比电动机直接带动时略为减小(约3%)。 |
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表2 阻力特性上任一点A的各特性参数 |
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序 列 |
名 称 |
计算公式或来源 |
说 明 |
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1 |
n1为定值时泵的压头(扬程)流量特性 |
由所选泵的制造厂提供H＝f(Q)曲线图 |
两者交点流量Qmax一般大于额定流量Qe，以备长期运行后管路阻力增加时，也能保证系统流量不低于Qe，不影响系统正常使用。过A点作通过原点O的相似工况抛物线，与n1＝const的H-Q曲线交于点B，得对应于B点的QB和ηB |
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2 |
供水管路的阻力特性 |
由供水管路静压头，管路沿程和局部阻力计算求得，R＝H0+KQ2 |
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3 |
任意流量QA时的水泵转速n2A/r/min |
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4 |
偶合器在A点的转速比iA |
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5 |
偶合器在A点的液力效率ηyA |
ηyA＝iA |
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6 |
偶合器在A点滑差SA |
SA＝1-iA |
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7 |
在A点运转的水泵轴功率P2A/kW |
ρ——水的密度，kg/m3 HA——A点压头，kPa QA——A点流量，m3/s ηB——对应B点水泵效率 |
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8 |
偶合器输入功率或电动机轴功率P1A/kW |
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9 |
偶合器的功率损失PSA/kW |
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10 |
水泵由电动机直接带动，并以n1恒速运转，用节流阀调节得到流量QA时泵(或电动机)的轴功率PA/kW |
H'A——对应A点的在n1＝const的H-Q曲线上的压头，kPa ηA——对应A点的水泵效率 |
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11 |
与节流调节相比，水泵用偶合器调速后所节约功率△P/kW |
△P＝PA-P1A |
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12 |
在QA工况运转h小时后所节约的电能A/kW·h |
A＝△P·h |
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注：1.取若干个不同流量的点进行上表同样顺序的计算，即可得上述各参数随流量Q的变化关系曲线，见图(4)。 2.偶合器在传递额定功率时有约0.03的滑差，故泵最大转速n2max≈0.97n1，最大流量也将比电动机直接带动时小约3%。 3.当管路输送额定流量Qe时，泵的压头一般选用比管路阻力高约10%作为储备，以备管路长期使用后阻力增加时，也能保证系统的额定流量。平时这种压力储备阀为节流阀所消耗，使用偶合器调速后可取消这一消耗，使泵在额定流量运转时也能达到节能目的。 |
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