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類型:新型的DY電液力驅動

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簡介:在大功率的調速場合以及重負荷要求軟起動的設備上,采用調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,但是由於液偶本身固有的非線性特性……

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  • 詳細內容
    新型DY電液力調速軟啟動
    用於工業大功率機械設備傳動&驅動的新型技術


         【摘要】本文對調速型液力傳動及電-液力驅動係統的技術與應用實例作了介紹。並與主流傳統變頻軟啟動進行了比較。電-液力傳動&驅動技術是2010年後從德國引進技術吸收轉化的新型驅動技術,市場推廣時間較短,設計、運行經驗偏少。
         關鍵詞軟啟動、無級調速、柔性聯軸、離合、扭矩限製、過載保護、阻尼

      前言
           自從20世紀80年代開始,節能、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、電壓和轉速的,也有用液力傳動改變工作機轉速的,以求達到節能減排。用電氣控製方式的有:串級可控矽,繞線電機,如直流電機、變頻電機,用變頻器來改變電機的轉速。用機械式傳動方式的有:YOTC係列調速型液力偶合器、液粘調速器、CST軟啟動,還有磁力偶合器。


       一、YOTC係列調速型液力偶合器

           經過長時間的使用對比,人們認可了YOTC係列調速型液力偶合器,作為解決設備軟起動、功率平衡和節電要求的配套產品。調速型液力偶合器自上世紀80年代就登上了這個節能舞台,在這30多年中平均每年約有3000台調速型液力偶合器投放市場用於電力、鋼鐵、煤炭、化工、建材、港口、運輸等行業的機械設備上,為提高這些設備的運行工藝,為節能作出了很大的貢獻。


       YOTC係列調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),使油液自泵輪內緣衝向外緣,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。這樣旋轉著的液流就把電機的動力傳到了工作機。
       ● YOTC液力偶合器的調速方式
           設備啟動時,由輸入軸上的齒輪驅動油泵把偶合器箱體底部的油打出。油液經過水冷式油冷卻器到達進油口後注入工作腔。
           當偶合器運轉時,油液從工作腔通過渦輪外緣的通道溢出,進入導管腔。在導管殼體裏,有一個水平放置並可徑向伸縮的導管(附圖見後)。導管口伸入到導管腔內,導管的伸縮由外麵電動執行器控製,而導管口的徑向位置決定了導管腔裏油環的厚度,也就決定了工作腔裏的充液量,從而決定了輸出轉速。當導管伸入旋轉著的油環時,就把油從導管腔內引出,減少了油環的厚度,亦即引出了工作腔內的油液,並把油液排入箱體底部以供循環使用。相反地,導管縮回時,使油環厚度增加,工作腔內就保持較多油液。這樣,利用外部控製裝置使導管腔在“充滿”和“抽空”兩種極限位置之間進行調節,從而得到了輸出軸的無級變速。要注意的是:導管口要迎著工作油的旋轉方向。


    YOTC結構原理圖(附圖)
       YOTC係列調速型液力偶合器的優點:
           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衝擊,實現工作機的軟起動。
           4、驅動中能進行功率均衡和依次起動,減少對電網的衝擊電流。
           5、對工作機的起動時間,安全可以按運行要求進行設置。 
           6、對工作機可以作無級調速,調速精度高(1%),有十分顯著的節電效果,節電率達20%~40%。
           7、對工作機可實現手動控製和遙控及自動化控製,操作十分方便。
           8、對環境溫度不敏感,散熱簡易。
           9、結構簡單、可靠,比變頻調速、CST調速器價格低廉,運行費少,無機械磨損,能在惡劣的環境下工作,無需特殊維護,使用壽命長。



       二、電腦控製+調速型液力偶合器的升級版(DYC、DY)機電一體化驅動技術
           在大功率的調速場合以及重負荷要求軟起動的設備上,采用調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,但是由於液偶本身固有的非線性特性,難以滿足對調速性能要求越來越高的場合;其次,液偶麵對的很多都是自動化成度較高的大型工礦企業,這些企業除了對於產品質量和性能要求越來越高,還對產品電氣化、自動化程控的要求也很高。液力偶合器自身隻是一個機械終端產品,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櫃,主要是利用一些常規通用儀表,實現對液偶的操作、監控。這種電控櫃過於簡單,電氣部分隻是被動服務於液偶的運行,沒有與液偶有機的結合起來,對調速性能的發揮起不到關鍵作用。
           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開發出的專用智能控製係統,與調速型液偶有機的結合,形成一個更有效的傳動調速機構,即電-液力傳動設備:它是專用調速型液偶+專用智能控製設備的有機組合,既保留了液偶良好的傳動特性,又使得設備具備智能特性,更易操控。
           電-液力傳動設備輸出轉速與給定的關係能基本保持線性,可實現無級調速。它既克服了液偶控製非線性的不足,又發揮其傳動功率大、成本低、維護操作簡單的優點;同時,實現了對電-液力傳動設備的所有輔助係統,都能按工藝要求自動起/停,並實行就地、遠程集控。

           (1)秉承機電結合的理念。將現代計算機技術和傳統的液偶有機的結合起來,推出了電液傳動設備的概念,從而滿足大功率設備軟啟動、無級調速的需求。如:用於大功率風機、水泵、提升機、碎煤機、礦山機械、帶式輸送機等調速軟啟動。在一些大功率、重負荷的多驅動工況,還可以很方便的組合成多機同步驅動控製係統,如:帶式運輸機多機驅動裝置(DYC)。
           (2)電液傳動設備控製裝置的核心,是智能控製器采用C語言編程,專門針對液偶的特性,將人工智能和PID算法結合起來的模糊控製算法,實現了對液偶的有效控製。將所有的控製功能整合在通用箱裏,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聯網、遠程監控。




    就地通用箱觸摸屏顯示界麵

    遠程計算機組態軟件界麵

           • 新型DYC電-液力柔性傳動&驅動技術,是上世紀末從德國引進、經過近20年的吸收轉化,可以作為新一代機械傳動&驅動係統的共性技術;
           • 具備五大功能:離合、柔性聯軸、軟啟動、無級調速、過載保護 ;
           • 能一站式解決機械傳動&驅動的關鍵問題:重載軟啟動、動載荷危害、扭矩限製、無級調速
           • 相比傳統的機械傳動&驅動技術增效30%以上(節能、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。

       曾成功用於:
           鏈鬥式挖沙船的柴油機電液力驅動裝置(軟啟動、無級調速)
           • 驅動采用柴油機+DY電液力驅動+減速機(與運煤的帶式輸送機驅動相仿) 
           • 從柴油機經過1#減速箱+皮帶輪組+2#減速箱+鏈式挖鬥,轉速由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動組合,挖鬥以8~10″的頻率采砂,動載荷波動密度高、衝擊大,交變扭振所產生的問題十分極端。采用新型電-液力驅動技術後,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,節能效果顯著。
           多點驅動控製的應用(貴州六盤水紅果煤礦轉運裝車站) 
           800kw*2帶式輸送機DY電液力雙驅動智能動態控製係統 
           • 具有:軟啟動、多驅功率平衡、無級調速、柔性聯軸、離合、過載保護
           配套大功率水泵(立式泵、臥式泵) 
           調速節能係統 
           • 萊鋼寬厚板廠 
           • 750kw泵浦 
           台塑河靜鋼廠2800kw除塵風機(750rpm) 
           軟啟動、調速節能係 
           能用於管磨機、立磨機、回轉窯
           • 具備離合、軟啟動、柔性聯軸、無級調速、過載保護、阻尼的功能
           • 廣泛的應用在各種各樣的機械設備上……


       三、電腦控製+調速型液力偶合器的升級版(DYC、DY)機電一體化驅動技術


    項目/產品 液力調速軟啟動 變頻調速軟啟動
    1、性能    1、調節充液量對工作機作無級調速。
       2、對係統進行軟起動,起動時間可以很長,無啟動次數限製。
       3、過載能力高,能利用電機的尖峰力矩,重載啟動能力強。
       4、多機驅動可進行功率平衡,可自動控製轉速和電流。
       1、改變電動機頻率,對電動機轉速無級調速。
       2、對係統進行軟起動,起動時間可以很長。
       3、過載能力差,要提高過載係數,就必須把變頻器提高級別,費用每提高一級高幾十萬元。
       4、調節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、通風、無塵的電氣室) 
    3、可靠性    可靠性高
       1、即使控製係統失效,裝置仍可手動控製運行
       2、結構簡單,無需旁路係統
       可靠性低
       1、變頻器複雜的控製係統中任何一個環節失效,係統將無法操作
       2、結構複雜,高海拔地區使用可靠性更低。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,對於重要的應用場合必須有調速或固定轉速旁路控製備用係統。
    4、電源波動    電壓波動不影響偶合器運行    各種原因導致供電電壓降至額定電壓的80%以下時,電子變頻器的自身保護會切斷電機電源。即使電壓下降時間隻有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。在這段時間裏,電機無電停轉,可能造成對工藝係統的重大衝擊,並可能導致工廠的安全停車。在較小的供電係統中,電壓下降是很容易發生的。
    5、諧波影響    無諧波影響    電子變頻器在供電係統中產生電流和電壓高次諧波,產生的高次諧波量取決於變頻器的大小,使用變頻器的型式和供電係統短路容量,對於供電能力低即電力容量較小的係統,諧波的幹擾是非常明顯的。這些幹擾包括:
       ● 在電機和供電變壓器中產生額外的損失(因此,電機必須選擇大一些,一般要大約12%)。
       ● 電機和變壓器產生額外的噪音(2-5db[A])。
       ● 在產生正常驅動扭矩之外,電機將產生脈衝扭矩(這些扭振也將傳到工作機,增大機械衝擊、損耗)。
       ● 受諧波影響,在整個供電係統中產生額外的能耗損失。
       ● 對其它電氣設備、人,如:計算機、控製器等,產生不良影響。
       ● 在供電係統的電容器組、電壓變壓器、鎮流器或電容器可能產生諧波問題,增加能耗。
       ● 可能導致必須安裝諧波濾波器以減小諧波產生的影響(會增加額外的投資和維護)。
    6、功率因數、效率 功率因數高,效率為97~98%    功率因數低,效率低,隻有90~94%,變頻器給出的效率數據經常給人們一個誤導,首先, 通過進行負載試驗很難(並且費用非常高)測定其效率,其次,有諧波引起的電機、變壓器和整個係統中的額外損失沒有考慮過去,第三,空調冷卻係統和諧波濾波器的能耗也沒有考慮進去。不同轉速下的變頻器效率:(西門子生產的羅賓康完美無諧波係列變頻器)
    7、配套電機 普通鼠籠式電機    必須用專用變頻電動機,額定下相較於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(導致額外增加投資占地麵積和維修量)。如果采用高壓電機,通常與低壓變頻器相聯,需在變頻器的輸出與調速電機之間加入一個特設的升壓變壓器,該變壓器的容量必須很大,因為它必須在低於50HZ頻率以下運行並為了防止在低頻起動時出現磁飽和。
    9、占地麵積 較小    大功率變頻器的電氣開關室需占很大的空間,導致增加投資。
    10、電櫃冷卻係統 無需額外冷卻    變頻器箱內產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速無關,對於大功率的變頻器,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,最高允許冷卻風溫度為40℃,這意味著必須有大量的循環空氣,空調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、電櫃噪聲    變頻器噪音很大。大型變頻器,其噪音水平超過85D db(A)。
    12、設備維護 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,隻有製造廠能供這些備件,由於電子技術的發展變化非常快,幾年後有些元件已經過時,難以采購到。
    14、包裝運輸 普通設備包裝    工廠的實驗、包裝、運輸、安裝及開機的費用非常高,這些費用在比較設備價格時一般都沒有考慮維修人員的培訓和產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,那麽降壓變壓器與變頻器輸入端之間以及變頻器輸出端與調速電機之間的連接電纜必須並接數根(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、潤滑係統 液力偶合器帶潤滑係統,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係統(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並且比電流源變頻器產生更多的高次諧波。如果在電流源變頻器輸出端上不聯接電機,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下進行,如果當時沒有電機或電機尚未準備好或者由於工廠的原因不能運行,則上述限製將帶來明顯的不便。
    18、控製係統 采用簡單的就地控製係統。具備就地/遠程/自動/手動     變頻器需要在放置變頻器的開關櫃室安排另外的控製和監測器位置,這意味著必須增加額外的電纜、繼電器、內部聯鎖和起動程序裝置,以滿足控製的要求從而增加費用、故障率和維修量。
    19、防爆要求 調速型液力偶合器都有井下安全標誌證書    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,液力調速軟啟動與變頻調速軟啟動一樣,都可實現軟起動、多驅功率平衡,不過從第2點~19點的對比可見,使用變頻調速裝置更複雜、有更多不利因素,使用壽命更短、管理運行費用更高。


       四、變頻調速軟啟動與液力調速軟啟動的能效對比 
           DY電-液力節能驅動係統,額定傳動效率97~98.5%,無電磁幹擾、靜電幹擾;采用工頻電源供電,與異步節能電機配套,組成超高效節能驅動係統,節能效率更高。變頻調速采用變頻電機,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、製動電阻等。這些電氣配置的功耗>5%。可見,相比於DY電-液力節能驅動係統,在額定工況下變頻驅動係統的綜合能耗更大、效率更低。



       五、DY電-液力驅動裝置還具備優秀的柔性傳動特性
           DY電液柔性傳動&驅動技術,不僅具備優良的驅動控製性能,還能夠發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&驅動係統的配置冗餘,降低投資成本。
           1、改變軸係的共振轉速,以扭矩為基準的扭轉角越大(即剛度小),衝擊扭矩越小,共振轉速越低。液力聯軸裝置的扭轉剛度是可以調節的,能夠根據負載的交變轉矩,在合適的扭轉角(滑差)運行,減少共振的產生。
           2、減輕軸係的扭轉振動,特別適合負載變化頻密的工況。液力聯軸裝置采用30~40#透平油作為傳動介質,具有較大粘性阻尼(增大摩擦阻尼),能夠迅速衰減振動,將扭轉振動的能量衝擊轉換成熱量,通過散熱消耗掉,這樣就能減少傳動軸係的機械衝擊磨損,增強可靠性、延長使用壽命。
           3、設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。假如在傳動軸係中采用液力聯軸裝置,利用其離合(半離合)作用,使傳動的扭矩中斷或限製扭矩的傳遞,就能起到安全保護作用。
           4、DY電液力驅動可以離合,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,到達額定轉速後,再通過調節液力偶合器緩慢加載對工作機進行軟啟動:0~100%無級調速運行。 而傳統變頻是常規的V/f控製,電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加,這就導致由於勵磁不足,而使電機不能獲得足夠的旋轉力。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-液力調速軟啟動裝置技術,可以替代目前傳統的變頻驅動、CST驅動,性能更優越、設備投資費用更小,而且運行效率更高、運行維護費用更低,是更合適用於工業機械設備傳動&驅動的新型技術。

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