新型DY電液力調(diào)速軟啟動

用于工業(yè)大功率機械設(shè)備傳動&驅(qū)動的新型技術(shù)

 
•      【摘要】本文對調(diào)速型液力傳動及電-液力驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)與應(yīng)用實例作了介紹。并與主流傳統(tǒng)變頻軟啟動進行了比較。電-液力傳動&驅(qū)動技術(shù)是2010年后從德國引進技術(shù)吸收轉(zhuǎn)化的新型驅(qū)動技術(shù)，市場推廣時間較短，設(shè)計、運行經(jīng)驗偏少。
       【關(guān)鍵詞】軟啟動、無級調(diào)速、柔性聯(lián)軸、離合、扭矩限制、過載保護、阻尼
  
    前言
         自從20世紀80年代開始，節(jié)能、降耗、減排的要求進入議事日程，為了達到這個目的，有用改變電機的頻率、電壓和轉(zhuǎn)速的，也有用液力傳動改變工作機轉(zhuǎn)速的，以求達到節(jié)能減排。用電氣控制方式的有：串級可控硅，繞線電機，如直流電機、變頻電機，用變頻器來改變電機的轉(zhuǎn)速。用機械式傳動方式的有：YOTC系列調(diào)速型液力偶合器、液粘調(diào)速器、CST軟啟動，還有磁力偶合器。

   

     一、YOTC系列調(diào)速型液力偶合器

         經(jīng)過長時間的使用對比，人們認可了YOTC系列調(diào)速型液力偶合器，作為解決設(shè)備軟起動、功率平衡和節(jié)電要求的配套產(chǎn)品。調(diào)速型液力偶合器自上世紀80年代就登上了這個節(jié)能舞臺，在這30多年中平均每年約有3000臺調(diào)速型液力偶合器投放市場用于電力、鋼鐵、煤炭、化工、建材、港口、運輸?shù)刃袠I(yè)的機械設(shè)備上，為提高這些設(shè)備的運行工藝，為節(jié)能作出了很大的貢獻。

   

     YOTC系列調(diào)速型液力偶合器工作原理：

     ● YOTC偶合器的動力傳遞方式
         動力機帶動供油泵轉(zhuǎn)動，工作液體被泵入偶合器工作腔，泵輪象離心泵一樣使工作腔的油液獲得液體能(包括動能和位能)，使油液自泵輪內(nèi)緣沖向外緣，液流穿過兩輪間的間隙到達渦輪。而渦輪的作用就象透平機械，當液流在渦輪葉片間的通道由外緣向中心流動時，就將液流的液體能轉(zhuǎn)變成了渦輪的機械能。液流在返回泵輪時就開始了下一個循環(huán)。這樣旋轉(zhuǎn)著的液流就把電機的動力傳到了工作機。
     ● YOTC液力偶合器的調(diào)速方式
         設(shè)備啟動時，由輸入軸上的齒輪驅(qū)動油泵把偶合器箱體底部的油打出。油液經(jīng)過水冷式油冷卻器到達進油口后注入工作腔。
         當偶合器運轉(zhuǎn)時，油液從工作腔通過渦輪外緣的通道溢出，進入導(dǎo)管腔。在導(dǎo)管殼體里，有一個水平放置并可徑向伸縮的導(dǎo)管（附圖見后）。導(dǎo)管口伸入到導(dǎo)管腔內(nèi)，導(dǎo)管的伸縮由外面電動執(zhí)行器控制，而導(dǎo)管口的徑向位置決定了導(dǎo)管腔里油環(huán)的厚度，也就決定了工作腔里的充液量，從而決定了輸出轉(zhuǎn)速。當導(dǎo)管伸入旋轉(zhuǎn)著的油環(huán)時，就把油從導(dǎo)管腔內(nèi)引出，減少了油環(huán)的厚度，亦即引出了工作腔內(nèi)的油液，并把油液排入箱體底部以供循環(huán)使用。相反地，導(dǎo)管縮回時，使油環(huán)厚度增加，工作腔內(nèi)就保持較多油液。這樣，利用外部控制裝置使導(dǎo)管腔在“充滿”和“抽空”兩種極限位置之間進行調(diào)節(jié)，從而得到了輸出軸的無級變速。要注意的是：導(dǎo)管口要迎著工作油的旋轉(zhuǎn)方向。

   

  

  YOTC結(jié)構(gòu)原理圖(附圖)

     YOTC系列調(diào)速型液力偶合器的優(yōu)點：
         1、提高鼠籠式電機的起動能力，能利用電機的尖峰力矩作為起動力矩；能與高壓電機匹配使用。
         2、防止動力過載，保護電機、工作機不會不因過載而損壞。
         3、降低啟動過程中的振動和沖擊，實現(xiàn)工作機的軟起動。
         4、驅(qū)動中能進行功率均衡和依次起動，減少對電網(wǎng)的沖擊電流。
         5、對工作機的起動時間，安全可以按運行要求進行設(shè)置。 
         6、對工作機可以作無級調(diào)速，調(diào)速精度高（1%），有十分顯著的節(jié)電效果，節(jié)電率達20%~40%。
         7、對工作機可實現(xiàn)手動控制和遙控及自動化控制，操作十分方便。
         8、對環(huán)境溫度不敏感，散熱簡易。
         9、結(jié)構(gòu)簡單、可靠，比變頻調(diào)速、CST調(diào)速器價格低廉，運行費少，無機械磨損，能在惡劣的環(huán)境下工作，無需特殊維護，使用壽命長。

   

  

  

   

     二、電腦控制+調(diào)速型液力偶合器的升級版（DYC、DY）機電一體化驅(qū)動技術(shù)
         在大功率的調(diào)速場合以及重負荷要求軟起動的設(shè)備上，采用調(diào)速型液力偶合器作為傳動裝置是個很好的選擇。首先，因其可靠耐用、成本低而受到歡迎，但是由于液偶本身固有的非線性特性，難以滿足對調(diào)速性能要求越來越高的場合；其次，液偶面對的很多都是自動化成度較高的大型工礦企業(yè)，這些企業(yè)除了對于產(chǎn)品質(zhì)量和性能要求越來越高，還對產(chǎn)品電氣化、自動化程控的要求也很高。液力偶合器自身只是一個機械終端產(chǎn)品，滿足不了這些要求，影響了液偶的推廣。
         目前，市場上使用的液偶電控柜，主要是利用一些常規(guī)通用儀表，實現(xiàn)對液偶的操作、監(jiān)控。這種電控柜過于簡單，電氣部分只是被動服務(wù)于液偶的運行，沒有與液偶有機的結(jié)合起來，對調(diào)速性能的發(fā)揮起不到關(guān)鍵作用。
         為此，采用電-液力（即D&Y）機電一體化的理念，利用當今微電腦技術(shù)開發(fā)出的智能控制系統(tǒng),與調(diào)速型液偶有機的結(jié)合，形成一個更有效的傳動調(diào)速機構(gòu)，即電-液力傳動設(shè)備：它是調(diào)速型液偶+智能控制設(shè)備的有機組合，既保留了液偶良好的傳動特性，又使得設(shè)備具備智能特性，更易操控。
         電-液力傳動設(shè)備輸出轉(zhuǎn)速與給定的關(guān)系能基本保持線性，可實現(xiàn)無級調(diào)速。它既克服了液偶控制非線性的不足，又發(fā)揮其傳動功率大、成本低、維護操作簡單的優(yōu)點；同時，實現(xiàn)了對電-液力傳動設(shè)備的所有輔助系統(tǒng)，都能按工藝要求自動起/停，并實行就地、遠程集控。
  
         （1）秉承機電結(jié)合的理念。將現(xiàn)代計算機技術(shù)和傳統(tǒng)的液偶有機的結(jié)合起來，推出了電液傳動設(shè)備的概念，從而滿足大功率設(shè)備軟啟動、無級調(diào)速的需求。如:用于大功率風機、水泵、提升機、碎煤機、礦山機械、帶式輸送機等調(diào)速軟啟動。在一些大功率、重負荷的多驅(qū)動工況，還可以很方便的組合成多機同步驅(qū)動控制系統(tǒng)，如:帶式運輸機多機驅(qū)動裝置（DYC）。
         （2）電液傳動設(shè)備控制裝置的核心，是智能控制器采用C語言編程，專門針對液偶的特性，將人工智能和PID算法結(jié)合起來的模糊控制算法，實現(xiàn)了對液偶的有效控制。將所有的控制功能整合在通用箱里，操作一目了然、簡潔實用；在一些自動化要求較高的場合，還可以很方便的實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、遠程監(jiān)控。
   

  就地通用箱觸摸屏顯示界面		遠程計算機組態(tài)軟件界面

  
         • 新型DYC電-液力柔性傳動&驅(qū)動技術(shù)，是上世紀末從德國引進、經(jīng)過近20年的吸收轉(zhuǎn)化，可以作為新一代機械傳動&驅(qū)動系統(tǒng)的共性技術(shù)；
         • 具備五大功能：離合、柔性聯(lián)軸、軟啟動、無級調(diào)速、過載保護 ；
         • 能一站式解決機械傳動&驅(qū)動的關(guān)鍵問題：重載軟啟動、動載荷危害、扭矩限制、無級調(diào)速；
         • 相比傳統(tǒng)的機械傳動&驅(qū)動技術(shù)增效30%以上（節(jié)能、降耗、減排） ；
         • 是更簡單、更便宜、使用更方便的機電一體化集成技術(shù)。

  

  
     曾成功用于：
         • 鏈斗式挖沙船的柴油機電液力驅(qū)動裝置（軟啟動、無級調(diào)速）
         • 驅(qū)動采用柴油機+DY電液力驅(qū)動+減速機（與運煤的帶式輸送機驅(qū)動相仿） 
         • 從柴油機經(jīng)過1#減速箱+皮帶輪組+2#減速箱+鏈式挖斗，轉(zhuǎn)速由1200rpm降至4rpm。這是一個典型的皮帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動的混合式機械驅(qū)動組合，挖斗以8~10″的頻率采砂，動載荷波動密度高、沖擊大，交變扭振所產(chǎn)生的問題十分。采用新型電-液力驅(qū)動技術(shù)后，成功解決皮帶打滑、齒輪磨損、主軸斷裂、柴油機冒黑煙的問題，節(jié)能*。

  

         • 多點驅(qū)動控制的應(yīng)用（貴州六盤水紅果煤礦轉(zhuǎn)運裝車站） 
         • 800kw*2帶式輸送機DY電液力雙驅(qū)動智能動態(tài)控制系統(tǒng) 
         • 具有：軟啟動、多驅(qū)功率平衡、無級調(diào)速、柔性聯(lián)軸、離合、過載保護

  

         • 配套大功率水泵(立式泵、臥式泵) 
         • 調(diào)速節(jié)能系統(tǒng) 
         • 萊鋼寬厚板廠 
         • 750kw泵浦 

  

         • 臺塑河靜鋼廠2800kw除塵風機（750rpm） 
         • 軟啟動、調(diào)速節(jié)能系統(tǒng) 

  

         • 能用于管磨機、立磨機、回轉(zhuǎn)窯
         • 具備離合、軟啟動、柔性聯(lián)軸、無級調(diào)速、過載保護、阻尼的功能

  

         • 廣泛的應(yīng)用在各種各樣的機械設(shè)備上……

  

   

     三、電腦控制+調(diào)速型液力偶合器的升級版（DYC、DY）機電一體化驅(qū)動技術(shù)

   

   

  項目/產(chǎn)品	液力調(diào)速軟啟動	變頻調(diào)速軟啟動
  1、性能	1、調(diào)節(jié)充液量對工作機作無級調(diào)速。    2、對系統(tǒng)進行軟起動，起動時間可以很長，無啟動次數(shù)限制。    3、過載能力高，能利用電機的尖峰力矩，重載啟動能力強。    4、多機驅(qū)動可進行功率平衡，可自動控制轉(zhuǎn)速和電流。	1、改變電動機頻率，對電動機轉(zhuǎn)速無級調(diào)速。    2、對系統(tǒng)進行軟起動，起動時間可以很長。    3、過載能力差，要提高過載系數(shù)，就必須把變頻器提高級別，費用每提高一級高幾十萬元。    4、調(diào)節(jié)電機頻率可進行功率平衡。
  2、價格	投資低	整體投資高（還要配置專門的空調(diào)、通風、無塵的電氣室）
  3、可靠性	可靠性高    1、即使控制系統(tǒng)失效，裝置仍可手動控制運行    2、結(jié)構(gòu)簡單，無需旁路系統(tǒng)	可靠性低    1、變頻器復(fù)雜的控制系統(tǒng)中任何一個環(huán)節(jié)失效,系統(tǒng)將無法操作    2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高海拔地區(qū)使用可靠性更低。盡管目前變頻器采用的電氣元件可靠性比以前有所提高，但大型變頻器中數(shù)量眾多的電氣元件（幾千個）使其總體可靠性降低很多。    因此，對于重要的應(yīng)用場合必須有調(diào)速或固定轉(zhuǎn)速旁路控制備用系統(tǒng)。
  4、電源波動	電壓波動不影響偶合器運行	各種原因?qū)е鹿╇婋妷航抵令~定電壓的80%以下時，電子變頻器的自身保護會切斷電機電源。即使電壓下降時間只有100微秒，保護也會動作，電子變頻器可以配帶有自動再起動設(shè)施（需額外增加投資）。即使如此，電機重新啟動也至少需要5-10秒。在這段時間里，電機無電停轉(zhuǎn)，可能造成對工藝系統(tǒng)的重大沖擊，并可能導(dǎo)致工廠的安全停車。在較小的供電系統(tǒng)中，電壓下降是很容易發(fā)生的。
  5、諧波影響	無諧波影響	電子變頻器在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生電流和電壓高次諧波，產(chǎn)生的高次諧波量取決于變頻器的大小，使用變頻器的型式和供電系統(tǒng)短路容量，對于供電能力低即電力容量較小的系統(tǒng)，諧波的干擾是非常明顯的。這些干擾包括：    ● 在電機和供電變壓器中產(chǎn)生額外的損失（因此，電機必須選擇大一些，一般要大約12%）。    ● 電機和變壓器產(chǎn)生額外的噪音（2-5db[A]）。    ● 在產(chǎn)生正常驅(qū)動扭矩之外，電機將產(chǎn)生脈沖扭矩（這些扭振也將傳到工作機，增大機械沖擊、損耗）。    ● 受諧波影響，在整個供電系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的能耗損失。    ● 對其它電氣設(shè)備、人，如：計算機、控制器等，產(chǎn)生不良影響。    ● 在供電系統(tǒng)的電容器組、電壓變壓器、鎮(zhèn)流器或電容器可能產(chǎn)生諧波問題，增加能耗。    ● 可能導(dǎo)致必須安裝諧波濾波器以減小諧波產(chǎn)生的影響（會增加額外的投資和維護）。
  6、功率因數(shù)、效率	功率因數(shù)高，效率為97~98%	功率因數(shù)低，效率低，只有90~94%，變頻器給出的效率數(shù)據(jù)經(jīng)常給人們一個誤導(dǎo)，首先， 通過進行負載試驗很難（并且費用非常高）測定其效率，其次，有諧波引起的電機、變壓器和整個系統(tǒng)中的額外損失沒有考慮過去，第三，空調(diào)冷卻系統(tǒng)和諧波濾波器的能耗也沒有考慮進去。不同轉(zhuǎn)速下的變頻器效率：（西門子生產(chǎn)的羅賓康*無諧波系列變頻器）
  7、配套電機	普通鼠籠式電機	必須用變頻電動機,額定下相較于普通異步電機電流大8~10%,升溫增加20%
  8、變壓要求	可用高壓和低壓電動機	如果采用低壓電子變頻器（因為中、高壓變頻器價格很高，且可靠性低），必須采用一個特殊的將壓變壓器（導(dǎo)致額外增加投資占地面積和維修量）。如果采用高壓電機，通常與低壓變頻器相聯(lián)，需在變頻器的輸出與調(diào)速電機之間加入一個特設(shè)的升壓變壓器，該變壓器的容量必須很大，因為它必須在低于50HZ頻率以下運行并為了防止在低頻起動時出現(xiàn)磁飽和。
  9、占地面積	較小	大功率變頻器的電氣開關(guān)室需占很大的空間，導(dǎo)致增加投資。
  10、電柜冷卻系統(tǒng)	無需額外冷卻	變頻器箱內(nèi)產(chǎn)生的熱損失必須排出，該熱損失約為額定功率的5%，與實際電機負載和轉(zhuǎn)速無關(guān)，對于大功率的變頻器，這種損失是非常顯著的，冷卻空氣必須用冷卻風機過濾，吹入機箱中進行冷區(qū)，允許冷卻風溫度為40℃，這意味著必須有大量的循環(huán)空氣，空調(diào)和冷卻風的耗能比頻率變換器自身的損失還要大。
  		另外，也可采用空氣-水換熱器，但此方案投資高，維修費用高。
  11、電柜噪聲	無	變頻器噪音很大。大型變頻器，其噪音水平超過85D db（A）。
  12、設(shè)備維護	一般機械維護	故障處理和維修是非常耗時和昂貴的，為了解決問題，必須請教供貨商的專家。
  13、備件	廉價的機械備件	需要大量備件，只有制造廠能供這些備件，由于電子技術(shù)的發(fā)展變化非常快，幾年后有些元件已經(jīng)過時，難以采購到。
  14、包裝運輸	普通設(shè)備包裝	工廠的實驗、包裝、運輸、安裝及開機的費用非常高，這些費用在比較設(shè)備價格時一般都沒有考慮維修人員的培訓(xùn)和產(chǎn)品資料的整理費用也是如此。
  15、額外電纜	無需	如果采用低壓電機和低壓變頻器配用，那么降壓變壓器與變頻器輸入端之間以及變頻器輸出端與調(diào)速電機之間的連接電纜必須并接數(shù)根（額定電流為1000A需4根電纜），這些電纜在電機上的接線需有一個特別的接線盒，電機維修時，所有這些接線都必須拆除，這項工作有一定難度。因為電纜直徑很大，電纜中的熱損失是相當大的，影響總體效率。
  16、潤滑系統(tǒng)	液力偶合器帶潤滑系統(tǒng)，可為電機和工作機軸承提供潤滑油	大型高速電機通常采用滑動軸承而不用滾動軸承，電機滑動軸承以及泵軸承必須進行經(jīng)常性的維護，這些滑動軸承需要供油潤滑，須安裝一個單獨的潤滑系統(tǒng)（額外增加費用和維護）。
  17、變頻方式	無此要求	基本上有兩種變頻器：電壓源變頻器和電流源變頻器。電壓源變頻器的效率低并且比電流源變頻器產(chǎn)生更多的高次諧波。如果在電流源變頻器輸出端上不聯(lián)接電機，變頻器空載，它既不能運行和試運行，也不能試驗或查找故障，因為這些無法在空載狀態(tài)下進行，如果當時沒有電機或電機尚未準備好或者由于工廠的原因不能運行，則上述限制將帶來明顯的不便。
  18、控制系統(tǒng)	采用簡單的就地控制系統(tǒng)。具備就地/遠程/自動/手動	變頻器需要在放置變頻器的開關(guān)柜室安排另外的控制和監(jiān)測器位置，這意味著必須增加額外的電纜、繼電器、內(nèi)部聯(lián)鎖和起動程序裝置，以滿足控制的要求從而增加費用、故障率和維修量。
  19、防爆要求	調(diào)速型液力偶合器都有井下安全標志證書	要達到防爆要求要較大的費用開支，而且較難達到。

   

          從上述比較中可見，液力調(diào)速軟啟動與變頻調(diào)速軟啟動一樣，都可實現(xiàn)軟起動、多驅(qū)功率平衡，不過從第2點~19點的對比可見，使用變頻調(diào)速裝置更復(fù)雜、有更多不利因素，使用壽命更短、管理運行費用更高。

  
     四、變頻調(diào)速軟啟動與液力調(diào)速軟啟動的能效對比 
         DY電-液力節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)，額定傳動效率97~98.5%，無電磁干擾、靜電干擾；采用工頻電源供電，與異步節(jié)能電機配套，組成超高效節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)，節(jié)能效率更高。變頻調(diào)速采用變頻電機，額定時較普通異步電機，電流增大8~10%，溫升增高20%； 變頻器容量每1KVA發(fā)熱量50w~60w，比采用工頻電源額外增加能耗 。另外，為了提高變頻器使用的可靠性、穩(wěn)定性，還需要配置大量的外圍輔助電器：變壓器、電源斷路器、交流接觸器、濾波器、電抗器、制動電阻等。這些電氣配置的功耗＞5%。可見，相比于DY電-液力節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)，在額定工況下變頻驅(qū)動系統(tǒng)的綜合能耗更大、效率更低。

   

   

     五、DY電-液力驅(qū)動裝置還具備優(yōu)秀的柔性傳動特性
         DY電液柔性傳動&驅(qū)動技術(shù)，不僅具備優(yōu)良的驅(qū)動控制性能，還能夠發(fā)揮液力柔性傳動的特點，通過改變工作機的啟動和運行特性，可以解決動載荷的危害（扭振、共振、過載）,減少運行維護成本；可以降低傳動&驅(qū)動系統(tǒng)的配置冗余，降低投資成本。
         1、改變軸系的共振轉(zhuǎn)速，以扭矩為基準的扭轉(zhuǎn)角越大(即剛度小)，沖擊扭矩越小，共振轉(zhuǎn)速越低。液力聯(lián)軸裝置的扭轉(zhuǎn)剛度是可以調(diào)節(jié)的，能夠根據(jù)負載的交變轉(zhuǎn)矩，在合適的扭轉(zhuǎn)角（滑差）運行，減少共振的產(chǎn)生。
         2、減輕軸系的扭轉(zhuǎn)振動,特別適合負載變化頻密的工況。液力聯(lián)軸裝置采用30~40#透平油作為傳動介質(zhì)，具有較大粘性阻尼(增大摩擦阻尼)，能夠迅速衰減振動,將扭轉(zhuǎn)振動的能量沖擊轉(zhuǎn)換成熱量，通過散熱消耗掉，這樣就能減少傳動軸系的機械沖擊磨損，增強可靠性、延長使用壽命。
         3、設(shè)備運行受到意外的過載時，往往會造成傳動裝置或其他機件的損壞。假如在傳動軸系中采用液力聯(lián)軸裝置，利用其離合（半離合）作用，使傳動的扭矩中斷或限制扭矩的傳遞，就能起到安全保護作用。
         4、DY電液力驅(qū)動可以離合，能使電機與工作機分開啟動。離合的特性，無論是空載還是重載，都可以讓電機空載啟動（允許電機全壓啟動），縮短啟動時間，降低啟動電流（無須特意考慮重載啟動的“大馬拉小車”問題）。電動機先啟動，到達額定轉(zhuǎn)速后，再通過調(diào)節(jié)液力偶合器緩慢加載對工作機進行軟啟動：0~*無級調(diào)速運行。 而傳統(tǒng)變頻是常規(guī)的V/f控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導(dǎo)致由于勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。當重負載時，就需要配1.5倍以上電機裕度，否則啟動時就可能不夠力。 
  
         通過上述的綜合對比，新型DYC電-液力調(diào)速軟啟動裝置技術(shù)，可以替代目前傳統(tǒng)的變頻驅(qū)動、CST驅(qū)動，性能更*、設(shè)備投資費用更小，而且運行效率更高、運行維護費用更低，是更合適用于工業(yè)機械設(shè)備傳動&驅(qū)動的新型技術(shù)。