高壓異步電機輕載節(jié)能裝置的研究

王歡,孫向瑞

(1.黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150027;2.哈爾濱帕特爾科技有限公司,黑龍江 哈爾濱 150090)

1 引言

異步電動機因其可靠耐用、維修方便、價格便宜而被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制及各種電氣傳動領(lǐng)域中。近些年隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加深,單機容量也在不斷的加大,這使得高壓異步電動機被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。從電動機的使用數(shù)量看,三相異步電機約占電機總使用量的72%。我國電動機總耗電量約占國內(nèi)總裝機量的65%以上,而運行效率卻大大低于發(fā)達(dá)國家的30%,因此我國異步電動機的節(jié)能研究具有十分重要的意義。目前高壓異步電動機的節(jié)能還主要依賴于擋板、液力耦合器、高壓變頻等,前兩種方式還停留在機械控制方式,暫且不提,高壓變頻器是目前電氣方式較為廣泛采用的形式,但對于電機本身節(jié)能調(diào)速范圍不是很寬的設(shè)備,使用高壓變頻器不僅污染了電網(wǎng),而且還帶來高昂的投資與沉重的維護(hù)工作,如果能夠設(shè)計一種實時監(jiān)測電機負(fù)載率并根據(jù)負(fù)載情況隨時調(diào)節(jié)電機端電壓的設(shè)備即可實現(xiàn)電機的輕載節(jié)能,而開關(guān)變壓器式高壓電機軟啟動裝置就可通過調(diào)整本身工藝控制方式而實現(xiàn)該功能。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成及基本原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1給出了開關(guān)變壓器組成的異步電機節(jié)能控制器系統(tǒng)的一般構(gòu)成。

系統(tǒng)在原有軟啟動裝置的基礎(chǔ)上增加了電機功率因數(shù)角的檢測裝置,即增加了電流電壓過零信號的檢測。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Construction of system

2.2 調(diào)壓原理

當(dāng)加上電壓時(SCR未通),TK原邊和電機D上得到電壓,由于TK的空載電流遠(yuǎn)小于D的空載電流,故電壓絕大部分加在 TK原邊,這時TK副邊也得到電壓,波形為正弦波。

當(dāng)SCR控制極加上觸發(fā)電壓時,SCR導(dǎo)通,比如從α角處導(dǎo)通,則u2立即降低,u2電壓如圖2a中實線所示,u1的波形也相同。D上的電壓為外加電壓減去u1,則D上的電壓波形如圖2b所示。當(dāng)改變控制角α?xí)r(比如前移),則u2變小,u1變小,ud加大。這樣,連續(xù)調(diào)節(jié)α由大到小,則ud連續(xù)由小到大,完成調(diào)壓過程。

圖2 調(diào)壓原理Fig.2 Principle of voltage regulator

3 控制策略

由電機學(xué)可知實時檢測電機的轉(zhuǎn)速信號作為系統(tǒng)閉環(huán)控制的反饋量,對于大多數(shù)高壓大型異步電動機而言不具備安裝測速裝置的條件,需要找到一個能夠反映電機運行情況的參數(shù),同時在原有電路上不做大的硬件改動,而異步電動機的功率因數(shù)角恰恰反映了電機的運行情況,即反映了電機負(fù)載的大小變化情況,所以利用異步電動機的這一特性進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速節(jié)能控制。

根據(jù)晶閘管調(diào)壓電路的工作原理,真正影響晶閘管輸出電壓的因素是電機的續(xù)流作用,而電機續(xù)流角的變化規(guī)律決定于它的功率因數(shù)角,且該續(xù)流角便于實際測量,我們可以利用系統(tǒng)現(xiàn)有的電機電流及電壓反饋信號,計算出電機的功率因數(shù)角?？刂撇呗钥刹捎米钚」β室驍?shù)角或恒功率因數(shù)角等,圖3給出了電機調(diào)壓軟啟動時電流和電壓的曲線。

圖3 電流電壓曲線Fig.3 Current and voltage curves

圖3中,α為功率器件的觸發(fā)延遲角,φ為可測功率因數(shù)角,θ為電流斷續(xù)角,有φ=α-θ。可以利用計算得到的功率因數(shù)角調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角,這樣可以維持電機電壓電流相位在需要的水平上。無論電機是在何種運行狀態(tài)下,其所消耗功率的無功分量是沒有太大變化的(各種情況下所需磁場能量基本相同),我們可以通過調(diào)整電機來調(diào)整電機的有功分量,達(dá)到減小電機輸入功率的目的。

4 主要硬件電路設(shè)計

4.1 電流電壓過零檢測

圖4為電壓電流過零檢測電路兩路信號輸入到控制器內(nèi)計算可得功率因數(shù)角,用以實現(xiàn)功率控制。

圖4 過零檢測Fig.4 Zero-crossing detection

4.2 核心控制器設(shè)計

基于高壓系統(tǒng)安全可靠運行的原則,本系統(tǒng)選用西門子S7-200型可編程控制器作為主控單元,采用 EM235/EM231作為模數(shù)轉(zhuǎn)換單元,具體測控圖如圖5所示。

通過電機功率因數(shù)角的計算,我們還可以消除電機在啟動時,由于移相角α的變化沒有及時跟上φ的變化而造成電機轉(zhuǎn)矩震蕩的弊端。

圖5 核心控制器Fig.5 Core controller

5 結(jié)論

使用該裝置對7.5 kW/15 A的通風(fēng)風(fēng)機進(jìn)行了輕載調(diào)壓節(jié)能實驗,在電動機輕載運行時(將風(fēng)機風(fēng)門關(guān)半),通過晶閘管的移相控制降低電機機端電壓,提高電機運行功率因數(shù)。當(dāng)電機重載運行時(將風(fēng)門完全打開),負(fù)載發(fā)生變化,控制系統(tǒng)自動調(diào)整升高機端電壓,節(jié)能效果較明顯。

對某企業(yè)250kW/10 kV通風(fēng)機進(jìn)行了高壓電機調(diào)壓節(jié)能控制,該通風(fēng)機在全壓運行時有功功率為49.063 kW,無功功率為144.525 kvar,功率因數(shù)為0.35,使用該節(jié)能裝置后有功功率消耗為48.8 kW,無功功率消耗為75.2625 kvar,達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果,具有一定的推廣價值。

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