1 引言
风机、水泵是量大面广的通用机械，其耗电量占发电总量的30%左右，而高压电机拖动的大中型风机水泵的耗电量约占风机水泵耗电总量的50%。目前大中型风机水泵基本上采用档板或阀门来调节风量或流量，以满足负荷变化的要求，其电能浪费相当严重，如若采用改变电机转速来实现调节风量或流量，无疑对节约能源，提高设备工作效率意义非常重大。但对于客户来说如何根据自己的客观情况，选择一种经济实用的调速方式，是摆在他们面前的实际问题。本文从理论和实际两个方面对于应用高压变频器和液力耦合器的优缺点进行全面的分析和比较。
2 高压变频器的工作原理与性能特点
2.1 高压变频器的发展过程
高压变频器是随着现代电力电子器件的发展而逐步发展起来的一种高压电机调速产品，发展阶段大致为:
（1) 从功率元件上分:scr、gtr、gto、igbt、igct;
（2) 从结构方式上分:高—低—高、三电平、二极管钳位多电平串联、电容钳位多电平串联、多电平单元串联叠加、直接矢量控制电流源逆变器、igbt直接串联型高压变频器;
（3) 从控制方式上分:晶闸管电容强制换相、晶闸管电感强制换相、gto自关断、igbt电压控制自关断、igct电流控制自关断;
（4) 从控制系统上分:模拟控制，数字工控机控制，数字fpga控制，数字dsp控制。
2.2 高压变频器的基本构成
以多电平单元串联叠加型高压变频器为例对其说明。
(1) 主回路构成
由高压变频器、远控操作箱、机旁操作箱及旁路开关柜等部分组成。其中机旁操作箱和旁路开关柜为选配设备，旁路开关柜可以采用手动或自动旁路形式，系统的单线原理图如图1所示。
图1 系统的单线原理图
(2) 高压变频器的构成
内部是由18个相同的单元模块构成，每6个模块为一组，分别对应高压回路的三相，单元供电由移相切分变压器进行供电，原理图如图2所示。
图2 高压变频器内部结构图
(3) 功率单元构成
功率单元是一种单相桥式变换器，由输入切分变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由4个igbt以pwm方法进行控制，产生设定的频率波形。变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，实行模块化的设计。其控制通过光纤发送。原理框图如图3所示。
图3 功率单元原理框图
来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，送到控制信号处理器，由控制电路处理器接收到相应的指令后，发出相应设的igbt的驱动信号，驱动电路接到相应的驱动信号后，发出相应的驱动电压到igbt控制极，操作igbt关断和开通，输出相应波形。
功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。
2.3 高压变频器运行原理
高压变频器的每个功率单元相当于一个三电平的二相输出的低压变频器，通过叠加成为高压三相交流电，以6kv变频器为例论述:6kv输出电压的变频器，每相有6个功率单元相串联。单元的输入电压为三相600v，输出则为单相577v，单元相互串联叠加后可输出相电压3464v。当变频器输出频率为50hz时，相电压为13阶梯波，如图4所示。图4中ua1…ua6分别为a相6个功率单元的输出电压，叠加后为变频器a相输出电压ua0。图4中显示出了生成pwm控制信号时所采用a相参考电压uar，可以看出ua0很好地逼近uar。uaf为a相输出电压中的基波成分。
图4 相电压回路叠加波形
由于变频器中点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压，由a相和b相输出电压产生的uab输出线电压可达6000v，为25阶梯波。如5图所示，为输出的线电压和相电压的阶梯波形，uab不仅具有正弦波形而且台阶数也成倍增加，因而谐波成分及dv/dt均较小。
图5 线电回路叠加波形
2.4 多电平单元串联叠加型变频器的三相波形输出质量
高压变频器在运行后，将输入的工频的三相高压交流电转化为可以进行频率可调节的三相交流电，其电压和频率按照v/f的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，而定子磁心中的主磁通保持在额定水准，提高电机的转换效率，在图6的波形是在现场运行时，经过pt采集的电动机三相输入波形。
图6 电动机入电压波形
多重叠加的应用，使高压变频器输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时输出电压的dv/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以向普通标准型交流电动机供电，不需要降容或加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。
在变频器输入侧，由于变频器多个副边绕组的均匀位移，如6kv输出时共有+250、+150、+50、-50、-150、-250共6种绕组，变频器原边电流中对应的电流成分也相互均匀位移，构成等效36脉动整流线路，变流转换产生的谐波都相互抵消。工作时的功率因数达0.95以上，不需要附加电源滤波器或功率因数补偿装置，也不会与现有的补偿电容装置发生谐振，对同一电网上运行的电气设备没有任何干扰。
2.5 高压变频器的性能特点
(1) 应用范围
调速范转宽，可以从零转速到工频转速的范围内进行平滑调节;
在大电机上能实现小电流的软启动，启动时间和启动的方式可以根椐现场工况进行调整;
频率的调整是根据电机在低频下的压频比系数进行电压和频率的输出，在低转速下，电机不仅是发热量低，而且输入电压低，将使电机绝缘老化速度降低。
(2) 技术新颖
串联多重化叠加技术的应用实现了真正意义的高-高电力变换，无需升压变换，降低了装置的损耗，提高了可靠性，解决了高压电力变换的困难。串联多重化叠加技术的应用还为实现纯正弦波、消除电网谐波污染开辟了新的途径。
(3) 性能指标高
l 高功率因数，达0.95以上，无需另加功率因数补偿装置，避免了因无功带来的罚款;
l 效率高，高达96%以上，远远高于晶闸管大功率调速装置;
l 符合ieee519-1992标准的严格要求，不对电网产生谐波污染，完全无需任何滤波装置;
l 对电机不产生谐波污染，有效降低了电机的发热量，噪声与采用工频供电时相近;
l 转矩脉动很低，不会导致电机等机械设备的共振，同时也减少了传动机构的磨损;
l 输出波形完美，失真度小于1%;
l 电动机的电应力强度与采用工频供电时相近，无需配备特殊电动机;
l 与电机的连接不受电缆长度的限制。
(4) 科技含量高
l 采用大规模门阵列cpld电路，实现了pwm控制的高度实时性、快速性和准确性;
l 两光纤实时传送技术，获得了国家发明专利，使得控制单元与功率单元之间的通讯更加迅速、可靠;
l 特别设计的h桥逆变电路，已获得了国家专利，为系统运行的可靠性提供了保障;
l 完善的功率单元旁通技术，已获得了国家专利，进一步提高了系统运行的可靠性;
l 控制部分采用高性能的dsp和fpga芯片，使得控制系统的性能大大提高，实现恒定v/f和恒转矩控制，提升特性可任意设定，满足各种机械启动及运行的要求;
l 优秀的dsp软件数学模型，使得系统运行的实时性和效率大大提高。
3 液力耦合器的工作原理与性能特点
3.1 液力耦器的结构
液力耦合器是一种液力传动装置，又称液力联轴器。液力耦合器其结构主要由壳体、泵轮、涡轮三个部分组成，如图7所示。
图7 液力耦合器的基本构造
泵轮和涡轮相对安装，统称为工作轮。在泵轮和涡轮上有径向排列的平直叶片，泵轮和涡轮互不接触。两者之间有一定的间隙(约3mm～4mm);泵轮与涡轮装合成一个整体后，其轴线断面一般为圆形，在其内腔中充满液压油。
3.2 液力耦合器的安装方式
液力耦合器的输入轴与电动机联在一起，随电动机的转动而转动，是液力耦合器的主动部分。涡轮和输出轴连接在一起，是液力耦合器的从动部分，与负载连在一起。其结构示意图如图8所示。
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