新型DY电液力调速软启动

用于工业大功率机械设备传动&驱动的新型技术

•      【摘要】本文对调速型液力传动及电-液力驱动系统的技术与应用实例作了介绍。并与主流传统变频软启动进行了比较。电-液力传动&驱动技术是2010年后从德国引进技术吸收转化的新型驱动技术，市场推广时间较短，设计、运行经验偏少。
       【关键词】软启动、无级调速、柔性联轴、离合、扭矩限制、过载保护、阻尼
  
    前言
         自从20世纪80年代开始，节能、降耗、减排的要求进入议事日程，为了达到这个目的，有用改变电机的频率、电压和转速的，也有用液力传动改变工作机转速的，以求达到节能减排。用电气控制方式的有：串级可控硅，绕线电机，如直流电机、变频电机，用变频器来改变电机的转速。用机械式传动方式的有：YOTC系列调速型液力偶合器、液粘调速器、CST软启动，还有磁力偶合器。

   

     一、YOTC系列调速型液力偶合器

         经过长时间的使用对比，人们认可了YOTC系列调速型液力偶合器，作为解决设备软起动、功率平衡和节电要求的配套产品。调速型液力偶合器自上世纪80年代就登上了这个节能舞台，在这30多年中平均每年约有3000台调速型液力偶合器投放市场用于电力、钢铁、煤炭、化工、建材、港口、运输等行业的机械设备上，为提高这些设备的运行工艺，为节能作出了很大的贡献。

   

     YOTC系列调速型液力偶合器工作原理：

     ● YOTC偶合器的动力传递方式
         动力机带动供油泵转动，工作液体被泵入偶合器工作腔，泵轮象离心泵一样使工作腔的油液获得液体能(包括动能和位能)，使油液自泵轮内缘冲向外缘，液流穿过两轮间的间隙到达涡轮。而涡轮的作用就象透平机械，当液流在涡轮叶片间的通道由外缘向中心流动时，就将液流的液体能转变成了涡轮的机械能。液流在返回泵轮时就开始了下一个循环。这样旋转着的液流就把电机的动力传到了工作机。
     ● YOTC液力偶合器的调速方式
         设备启动时，由输入轴上的齿轮驱动油泵把偶合器箱体底部的油打出。油液经过水冷式油冷却器到达进油口后注入工作腔。
         当偶合器运转时，油液从工作腔通过涡轮外缘的通道溢出，进入导管腔。在导管壳体里，有一个水平放置并可径向伸缩的导管（附图见后）。导管口伸入到导管腔内，导管的伸缩由外面电动执行器控制，而导管口的径向位置决定了导管腔里油环的厚度，也就决定了工作腔里的充液量，从而决定了输出转速。当导管伸入旋转着的油环时，就把油从导管腔内引出，减少了油环的厚度，亦即引出了工作腔内的油液，并把油液排入箱体底部以供循环使用。相反地，导管缩回时，使油环厚度增加，工作腔内就保持较多油液。这样，利用外部控制装置使导管腔在“充满”和“抽空”两种极限位置之间进行调节，从而得到了输出轴的无级变速。要注意的是：导管口要迎着工作油的旋转方向。

   

  

  YOTC结构原理图(附图)

     YOTC系列调速型液力偶合器的优点：
         1、提高鼠笼式电机的起动能力，能利用电机的尖峰力矩作为起动力矩；能与高压电机匹配使用。
         2、防止动力过载，保护电机、工作机不会不因过载而损坏。
         3、降低启动过程中的振动和冲击，实现工作机的软起动。
         4、驱动中能进行功率均衡和依次起动，减少对电网的冲击电流。
         5、对工作机的起动时间，安全可以按运行要求进行设置。 
         6、对工作机可以作无级调速，调速精度高（1%），有十分显著的节电效果，节电率达20%~40%。
         7、对工作机可实现手动控制和遥控及自动化控制，操作十分方便。
         8、对环境温度不敏感，散热简易。
         9、结构简单、可靠，比变频调速、CST调速器价格低廉，运行费少，无机械磨损，能在恶劣的环境下工作，无需特殊维护，使用寿命长。

   

  

  

   

     二、电脑控制+调速型液力偶合器的升级版（DYC、DY）机电一体化驱动技术
         在大功率的调速场合以及重负荷要求软起动的设备上，采用调速型液力偶合器作为传动装置是个很好的选择。首先，因其可靠耐用、成本低而受到欢迎，但是由于液偶本身固有的非线性特性，难以满足对调速性能要求越来越高的场合；其次，液偶面对的很多都是自动化成度较高的大型工矿企业，这些企业除了对于产品质量和性能要求越来越高，还对产品电气化、自动化程控的要求也很高。液力偶合器自身只是一个机械终端产品，满足不了这些要求，影响了液偶的推广。
         目前，市场上使用的液偶电控柜，主要是利用一些常规通用仪表，实现对液偶的操作、监控。这种电控柜过于简单，电气部分只是被动服务于液偶的运行，没有与液偶有机的结合起来，对调速性能的发挥起不到关键作用。
         为此，采用电-液力（即D&Y）机电一体化的理念，利用当今微电脑技术开发出的智能控制系统,与调速型液偶有机的结合，形成一个更有效的传动调速机构，即电-液力传动设备：它是调速型液偶+智能控制设备的有机组合，既保留了液偶良好的传动特性，又使得设备具备智能特性，更易操控。
         电-液力传动设备输出转速与给定的关系能基本保持线性，可实现无级调速。它既克服了液偶控制非线性的不足，又发挥其传动功率大、成本低、维护操作简单的优点；同时，实现了对电-液力传动设备的所有辅助系统，都能按工艺要求自动起/停，并实行就地、远程集控。
  
         （1）秉承机电结合的理念。将现代计算机技术和传统的液偶有机的结合起来，推出了电液传动设备的概念，从而满足大功率设备软启动、无级调速的需求。如:用于大功率风机、水泵、提升机、碎煤机、矿山机械、带式输送机等调速软启动。在一些大功率、重负荷的多驱动工况，还可以很方便的组合成多机同步驱动控制系统，如:带式运输机多机驱动装置（DYC）。
         （2）电液传动设备控制装置的核心，是智能控制器采用C语言编程，专门针对液偶的特性，将人工智能和PID算法结合起来的模糊控制算法，实现了对液偶的有效控制。将所有的控制功能整合在通用箱里，操作一目了然、简洁实用；在一些自动化要求较高的场合，还可以很方便的实现联网、远程监控。
   

  就地通用箱触摸屏显示界面		远程计算机组态软件界面

  
         • 新型DYC电-液力柔性传动&驱动技术，是上世纪末从德国引进、经过近20年的吸收转化，可以作为新一代机械传动&驱动系统的共性技术；
         • 具备五大功能：离合、柔性联轴、软启动、无级调速、过载保护 ；
         • 能一站式解决机械传动&驱动的关键问题：重载软启动、动载荷危害、扭矩限制、无级调速；
         • 相比传统的机械传动&驱动技术增效30%以上（节能、降耗、减排） ；
         • 是更简单、更便宜、使用更方便的机电一体化集成技术。

  

  
     曾成功用于：
         • 链斗式挖沙船的柴油机电液力驱动装置（软启动、无级调速）
         • 驱动采用柴油机+DY电液力驱动+减速机（与运煤的带式输送机驱动相仿） 
         • 从柴油机经过1#减速箱+皮带轮组+2#减速箱+链式挖斗，转速由1200rpm降至4rpm。这是一个典型的皮带传动、链传动、齿轮传动的混合式机械驱动组合，挖斗以8~10″的频率采砂，动载荷波动密度高、冲击大，交变扭振所产生的问题十分。采用新型电-液力驱动技术后，成功解决皮带打滑、齿轮磨损、主轴断裂、柴油机冒黑烟的问题，节能*。

  

         • 多点驱动控制的应用（贵州六盘水红果煤矿转运装车站） 
         • 800kw*2带式输送机DY电液力双驱动智能动态控制系统 
         • 具有：软启动、多驱功率平衡、无级调速、柔性联轴、离合、过载保护

  

         • 配套大功率水泵(立式泵、卧式泵) 
         • 调速节能系统 
         • 莱钢宽厚板厂 
         • 750kw泵浦 

  

         • 台塑河静钢厂2800kw除尘风机（750rpm） 
         • 软启动、调速节能系统 

  

         • 能用于管磨机、立磨机、回转窑
         • 具备离合、软启动、柔性联轴、无级调速、过载保护、阻尼的功能

  

         • 广泛的应用在各种各样的机械设备上……

  

   

     三、电脑控制+调速型液力偶合器的升级版（DYC、DY）机电一体化驱动技术

   

   

  项目/产品	液力调速软启动	变频调速软启动
  1、性能	1、调节充液量对工作机作无级调速。   2、对系统进行软起动，起动时间可以很长，无启动次数限制。   3、过载能力高，能利用电机的尖峰力矩，重载启动能力强。   4、多机驱动可进行功率平衡，可自动控制转速和电流。	1、改变电动机频率，对电动机转速无级调速。   2、对系统进行软起动，起动时间可以很长。   3、过载能力差，要提高过载系数，就必须把变频器提高级别，费用每提高一级高几十万元。   4、调节电机频率可进行功率平衡。
  2、价格	投资低	整体投资高（还要配置专门的空调、通风、无尘的电气室）
  3、可靠性	可靠性高   1、即使控制系统失效，装置仍可手动控制运行   2、结构简单，无需旁路系统	可靠性低   1、变频器复杂的控制系统中任何一个环节失效,系统将无法操作   2、结构复杂，高海拔地区使用可靠性更低。尽管目前变频器采用的电气元件可靠性比以前有所提高，但大型变频器中数量众多的电气元件（几千个）使其总体可靠性降低很多。因此，对于重要的应用场合必须有调速或固定转速旁路控制备用系统。
  4、电源波动	电压波动不影响偶合器运行	各种原因导致供电电压降至额定电压的80%以下时，电子变频器的自身保护会切断电机电源。即使电压下降时间只有100微秒，保护也会动作，电子变频器可以配带有自动再起动设施（需额外增加投资）。    即使如此，电机重新启动也至少需要5-10秒。在这段时间里，电机无电停转，可能造成对工艺系统的重大冲击，并可能导致工厂的安全停车。在较小的供电系统中，电压下降是很容易发生的。
  5、谐波影响	无谐波影响	电子变频器在供电系统中产生电流和电压高次谐波，产生的高次谐波量取决于变频器的大小，使用变频器的型式和供电系统短路容量，对于供电能力低即电力容量较小的系统，谐波的干扰是非常明显的。这些干扰包括：   ● 在电机和供电变压器中产生额外的损失（因此，电机必须选择大一些，一般要大约12%）。   ● 电机和变压器产生额外的噪音（2-5db[A]）。   ●在产生正常驱动扭矩之外，电机将产生脉冲扭矩（这些扭振也将传到工作机，增大机械冲击、损耗）。   ● 受谐波影响，在整个供电系统中产生额外的能耗损失。   ● 对其它电气设备、人，如：计算机、控制器等，产生不良影响。   ● 在供电系统的电容器组、电压变压器、镇流器或电容器可能产生谐波问题，增加能耗。   ● 可能导致必须安装谐波滤波器以减小谐波产生的影响（会增加额外的投资和维护）

  6、功率因数、 效率	功率因数高，效率为97~98%	功率因数低，效率低，只有90~94%，变频器给出的效率数据经常给人们一个误导，首先， 通过进行负载试验很难（并且费用非常高）测定其效率，其次，有谐波引起的电机、变压器和整个系统中的额外损失没有考虑过去，第三，空调冷却系统和谐波滤波器的能耗也没有考虑进去。    不同转速下的变频器效率：（西门子生产的罗宾康*无谐波系列变频器） 变频器效率% 转速% 20 40 60 80 100 转矩 % 20 74.6～85.9 84.9～94.8 89.2～94.2 91.5～95.3 92.8～96 40 84.5～91.0 91～95.5 93.2～96.1 94.8～96.6 95.6～96.9 60 88.3～92.5 93.2～95.7 95～96.4 95.9～96.8 96.3～97 80 93～90.3 94.3～95.7 95.7～96.4 96.2～96.9 96.6～96.8 100 91.4～93.2 94.8～96.7 95.9～95.7 96.4～96.5 96.5～96.6
  7、配套电机	普通鼠笼式电机	必须用变频电动机,额定下相较于普通异步电机电流大8~10%,升温增加20%
  8、变压要求	可用高压和低压电动机	如果采用低压电子变频器（因为中、高压变频器价格很高，且可靠性低），必须采用一个特殊的将压变压器（导致额外增加投资占地面积和维修量）。如果采用高压电机，通常与低压变频器相联，需在变频器的输出与调速电机之间加入一个特设的升压变压器，该变压器的容量必须很大，因为它必须在低于50HZ频率以下运行并为了防止在低频起动时出现磁饱和。
  9、占地面积	较小	大功率变频器的电气开关室需占很大的空间，导致增加投资。
  10、电柜冷却系统	无需额外冷却	变频器箱内产生的热损失必须排出，该热损失约为额定功率的5%，与实际电机负载和转速无关，对于大功率的变频器，这种损失是非常显著的，冷却空气必须用冷却风机过滤，吹入机箱中进行冷区，允许冷却风温度为40℃，这意味着必须有大量的循环空气，空调和冷却风的耗能比频率变换器自身的损失还要大。    另外，也可采用空气-水换热器，但此方案投资高，维修费用高。
  11、电柜噪声	无	变频器噪音很大。大型变频器，其噪音水平超过85D db（A）。
  12、设备维护	一般机械维护	故障处理和维修是非常耗时和昂贵的，为了解决问题，必须请教供货商的专家。
  13、备件	廉价的机械备件	需要大量备件，只有制造厂能供这些备件，由于电子技术的发展变化非常快，几年后有些元件已经过时，难以采购到。
  14、包装运输	普通设备包装	工厂的实验、包装、运输、安装及开机的费用非常高，这些费用在比较设备价格时一般都没有考虑维修人员的培训和产品资料的整理费用也是如此。
  15、额外电缆	无需	如果采用低压电机和低压变频器配用，那么降压变压器与变频器输入端之间以及变频器输出端与调速电机之间的连接电缆必须并接数根（额定电流为1000A需4根电缆），这些电缆在电机上的接线需有一个特别的接线盒，电机维修时，所有这些接线都必须拆除，这项工作有一定难度。因为电缆直径很大，电缆中的热损失是相当大的，影响总体效率。
  16、润滑系统	液力偶合器带润滑系统，可为电机和工作机轴承提供润滑油	大型高速电机通常采用滑动轴承而不用滚动轴承，电机滑动轴承以及泵轴承必须进行经常性的维护，这些滑动轴承需要供油润滑，须安装一个单独的润滑系统（额外增加费用和维护）。
  17、变频方式	无此要求	基本上有两种变频器：电压源变频器和电流源变频器。电压源变频器的效率低并且比电流源变频器产生更多的高次谐波。如果在电流源变频器输出端上不联接电机，变频器空载，它既不能运行和试运行，也不能试验或查找故障，因为这些无法在空载状态下进行，如果当时没有电机或电机尚未准备好或者由于工厂的原因不能运行，则上述限制将带来明显的不便。
  18、控制系统	采用简单的就地控制系统。具备就地/远程/自动/手动	变频器需要在放置变频器的开关柜室安排另外的控制和监测器位置，这意味着必须增加额外的电缆、继电器、内部联锁和起动程序装置，以满足控制的要求从而增加费用、故障率和维修量。
  19、防爆要求	调速型液力偶合器都有井下安全标志证书	要达到防爆要求要较大的费用开支，而且较难达到。

   

          从上述比较中可见，液力调速软启动与变频调速软启动一样，都可实现软起动、多驱功率平衡，不过从第2点~19点的对比可见，使用变频调速装置更复杂、有更多不利因素，使用寿命更短、管理运行费用更高。

  
     四、变频调速软启动与液力调速软启动的能效对比 
         DY电-液力节能驱动系统，额定传动效率97~98.5%，无电磁干扰、静电干扰；采用工频电源供电，与异步节能电机配套，组成超高效节能驱动系统，节能效率更高。变频调速采用变频电机，额定时较普通异步电机，电流增大8~10%，温升增高20%； 变频器容量每1KVA发热量50w~60w，比采用工频电源额外增加能耗 。另外，为了提高变频器使用的可靠性、稳定性，还需要配置大量的外围辅助电器：变压器、电源断路器、交流接触器、滤波器、电抗器、制动电阻等。这些电气配置的功耗＞5%。可见，相比于DY电-液力节能驱动系统，在额定工况下变频驱动系统的综合能耗更大、效率更低。

   

   

     五、DY电-液力驱动装置还具备优秀的柔性传动特性
         DY电液柔性传动&驱动技术，不仅具备优良的驱动控制性能，还能够发挥液力柔性传动的特点，通过改变工作机的启动和运行特性，可以解决动载荷的危害（扭振、共振、过载）,减少运行维护成本；可以降低传动&驱动系统的配置冗余，降低投资成本。
         1、改变轴系的共振转速，以扭矩为基准的扭转角越大(即刚度小)，冲击扭矩越小，共振转速越低。液力联轴装置的扭转刚度是可以调节的，能够根据负载的交变转矩，在合适的扭转角（滑差）运行，减少共振的产生。
         2、减轻轴系的扭转振动,特别适合负载变化频密的工况。液力联轴装置采用30~40#透平油作为传动介质，具有较大粘性阻尼(增大摩擦阻尼)，能够迅速衰减振动,将扭转振动的能量冲击转换成热量，通过散热消耗掉，这样就能减少传动轴系的机械冲击磨损，增强可靠性、延长使用寿命。
         3、设备运行受到意外的过载时，往往会造成传动装置或其他机件的损坏。假如在传动轴系中采用液力联轴装置，利用其离合（半离合）作用，使传动的扭矩中断或限制扭矩的传递，就能起到安全保护作用。
         4、DY电液力驱动可以离合，能使电机与工作机分开启动。离合的特性，无论是空载还是重载，都可以让电机空载启动（允许电机全压启动），缩短启动时间，降低启动电流（无须特意考虑重载启动的“大马拉小车”问题）。电动机先启动，到达额定转速后，再通过调节液力偶合器缓慢加载对工作机进行软启动：0~*无级调速运行。 而传统变频是常规的V/f控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。当重负载时，就需要配1.5倍以上电机裕度，否则启动时就可能不够力。 
  
         通过上述的综合对比，新型DYC电-液力调速软启动装置技术，可以替代目前传统的变频驱动、CST驱动，性能更优越、设备投资费用更小，而且运行效率更高、运行维护费用更低，是更合适用于工业机械设备传动&驱动的新型技术。