電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)方法研究

白連平，張 利，祁 鯤，張 芳

(北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京100192)

為了培養(yǎng)電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)方面的人才，我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)了“電機(jī)節(jié)能技術(shù)”課程。為了配合理論教學(xué)還開設(shè)了“電機(jī)節(jié)能技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程。在實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)置了電動(dòng)機(jī)靜態(tài)無功補(bǔ)償和電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)內(nèi)容。為此，本文根據(jù)教學(xué)大綱的要求及現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)節(jié)能實(shí)驗(yàn)室的情況，設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)裝置并編寫了電動(dòng)機(jī)無功功率的靜態(tài)階梯補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)講義。這些工作為學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償節(jié)能方法創(chuàng)造了良好的條件。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

電動(dòng)機(jī)節(jié)能實(shí)驗(yàn)主體裝置如圖1所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)節(jié)能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

裝置主要由三相異步電動(dòng)機(jī)、扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩/轉(zhuǎn)速顯示儀、永磁同步發(fā)電機(jī)、能量回饋器、電能綜合測(cè)試儀、裝置底座和三相調(diào)壓電源等組成。其中永磁同步發(fā)電機(jī)和電能回饋器用于電動(dòng)機(jī)的加載，在加載過程中只有少部分能量消耗在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)上，大部分能量又回饋到電網(wǎng)，避免電動(dòng)機(jī)節(jié)能測(cè)試過程中消耗大量的電能。因此這種加載裝置比電磁渦流制動(dòng)器和磁粉制動(dòng)器優(yōu)越得多，而且加載平滑性好。扭矩傳感器是非接觸式電阻應(yīng)變傳感器，測(cè)量精度高、可靠性高，其精度能達(dá)到0.5%。轉(zhuǎn)速傳感器通常采用光電編碼形式，測(cè)量精度能達(dá)到0.1%。電能綜合測(cè)試儀能夠直接測(cè)量三相異步電動(dòng)機(jī)的輸入電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)和電源頻率等。

電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容有:①實(shí)驗(yàn)裝置和電能綜合測(cè)試儀使用方法;②電動(dòng)機(jī)綜合效率測(cè)試和計(jì)算方法;③雙功率電動(dòng)機(jī)節(jié)能方法研究;④變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率測(cè)試及研究;⑤電動(dòng)機(jī)靜態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难芯?⑥電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难芯?⑦變頻通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能測(cè)試及研究。前3個(gè)實(shí)驗(yàn)是必做實(shí)驗(yàn)，共4個(gè)學(xué)時(shí)。其它為任選內(nèi)容，共4個(gè)學(xué)時(shí)。

2 電動(dòng)機(jī)靜態(tài)無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

眾所周知，三相異步電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載，在運(yùn)行中除了消耗有功功率外，還要從電網(wǎng)吸收無功功率，而傳輸無功功率就會(huì)使線路產(chǎn)生附加損耗。在電動(dòng)機(jī)進(jìn)線端并聯(lián)電容使傳輸線路中電流減小，傳輸線路電阻損耗就會(huì)減少，這就是電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償節(jié)能原理［1，2]。

三相異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償電容器為固定值，不隨負(fù)載變化而調(diào)節(jié)，這就是靜態(tài)無功補(bǔ)償。三相異步電動(dòng)機(jī)從空載到滿載無功功率變化比較大。相對(duì)于某一穩(wěn)定的負(fù)載，選擇一個(gè)合適的電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償是可以的［3]。如果負(fù)載變化范圍比較大，但相對(duì)穩(wěn)定，可以采用靜態(tài)階梯補(bǔ)償方式。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的階梯補(bǔ)償電路如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)階梯補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)電路

靜態(tài)補(bǔ)償電容器安裝在電動(dòng)機(jī)控制柜內(nèi)，電動(dòng)機(jī)接線端子接到控制柜電源輸出端。圖中電源、電動(dòng)機(jī)和電容器的三相線都用一根線表示，虛線表示控制柜。電動(dòng)機(jī)加載裝置如圖1所示，電動(dòng)機(jī)為4極3kW。圖2是靜態(tài)補(bǔ)償裝置，其中C1標(biāo)稱值為2kvar，實(shí)測(cè)值為1.906kvar;C2標(biāo)稱值為0.5kvar，實(shí)測(cè)值為0.535kvar。電動(dòng)機(jī)空載無功功率約為2kvar;滿載無功功率為2.5kvar。電動(dòng)機(jī)節(jié)能實(shí)驗(yàn)裝置最小負(fù)載為0.25kW，因此負(fù)載功率P2從0.3kW開始。輕載時(shí)將C1投入，接近滿載時(shí)再將C2投入。具體測(cè)試方法是在圖2中A點(diǎn)和B點(diǎn)各接一臺(tái)電能綜合測(cè)試儀(3169-20)，同時(shí)測(cè)量電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償前后的有功功率P1、無功功率Q、功率因數(shù)cosφ、平均電壓Varc和平均電流Iave，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)(3kW/4極)靜態(tài)階梯無功補(bǔ)償測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出:①補(bǔ)償后有功功率比補(bǔ)償前略小幾瓦，原因是補(bǔ)償點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)之間的線路損耗減小;②補(bǔ)償后無功功率比補(bǔ)償前明顯減小，隨著負(fù)載增大無功功率逐漸增大。負(fù)載為2.7kW時(shí)，再將C2投入，此時(shí)有一點(diǎn)過補(bǔ);③補(bǔ)償前，功率因數(shù)從0.258逐漸增加到0.824，輕載時(shí)功率因數(shù)很低。補(bǔ)償后功率因數(shù)很高，從0.934逐漸增加到0.999，可見無功補(bǔ)償效果很好;④補(bǔ)償前后電壓基本不變;⑤補(bǔ)償前后電流變化明顯，輕載時(shí)電流減小很多，接近滿載時(shí)電流減小1A左右。

3 電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

對(duì)于在一個(gè)周期內(nèi)波動(dòng)較大的特殊負(fù)載，利用階梯補(bǔ)償方法無法取得滿意的效果。比如，油田采油用的抽油機(jī)和鋼廠的軋鋼機(jī)等，平均功率因數(shù)很低。對(duì)于這種特殊負(fù)載，必須采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式主要有兩種:一種是基于晶閘管(TCR)相位控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，簡(jiǎn)稱為SVC補(bǔ)償方式;另一種是基于可關(guān)斷器件(比如IGBT)控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，簡(jiǎn)稱為SVG補(bǔ)償方式。本文采用晶閘管相位控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償電路。

3.1 晶閘管相控動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路原理［1]

晶閘管相控動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路原理如圖3所示。圖中每組反并聯(lián)晶閘管分別與電容器串聯(lián)，再接成星形，構(gòu)成動(dòng)態(tài)補(bǔ)償主電路。在補(bǔ)償容性無功功率時(shí)，為抑制沖擊電流需在主電路中串入電抗器。晶閘管相控動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路還包括:同步相位檢測(cè)電路、電壓電流檢測(cè)電路、單片機(jī)檢測(cè)控制電路和同步脈沖觸發(fā)電路。下面分別介紹各部分電路的工作原理。

圖3 晶閘管相控動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路原理框圖

(1)電壓電流檢測(cè)電路

圖3中的檢測(cè)電路包括兩部分，一部分是同步相位檢測(cè)電路，如圖4所示。另一部分是電壓電流檢測(cè)電路。相位檢測(cè)電路分別檢測(cè)A、B、C三個(gè)相電壓的過零點(diǎn)，圖中只畫出A相，其它兩相與之相同。檢測(cè)到三個(gè)相電壓過零點(diǎn)信號(hào)經(jīng)過光耦隔離送給單片機(jī)。電壓電流檢測(cè)電路可采用電壓互感器和電流互感器檢測(cè)，將采集的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過處理送至單片機(jī)。

圖4 同步相位檢測(cè)電路原理圖

(2)單片機(jī)檢測(cè)控制電路

為了計(jì)算相位方便，可采用具有交流信號(hào)A/D采集功能的單片機(jī)。如果是單向A/D采集的單片機(jī)，則還需有電壓與電流相位比較電路。單片機(jī)根據(jù)電壓、電流以及檢測(cè)到相電壓和相電流之間的相位差，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)在△t時(shí)間內(nèi)每一相的無功功率△Q。即

式中，Up和Ip分別為相電壓和相電流。

(3)同步脈沖觸發(fā)電路

同步脈沖觸發(fā)電路如圖5所示。圖中的同步脈沖觸發(fā)電路主要包括兩部分:一部分是單片機(jī)發(fā)出的同步脈沖信號(hào)，另一部分是脈沖變壓器。脈沖信號(hào)經(jīng)放大送給脈沖變壓器輸入端。脈沖信號(hào)經(jīng)脈沖變壓器增強(qiáng)，形成強(qiáng)觸發(fā)信號(hào)輸出到晶閘管的門極，從而可靠地觸發(fā)晶閘管。晶閘管同步脈沖觸發(fā)電路共有六路，每?jī)陕夫?qū)動(dòng)一組晶閘管。

圖5 晶閘管同步脈沖觸發(fā)電路

3.2 晶閘管相控?zé)o功調(diào)節(jié)方法

晶閘管相控?zé)o功調(diào)節(jié)方法:設(shè)每個(gè)采集時(shí)間為△t，即步長(zhǎng)。在第一個(gè)△t檢測(cè)每一相的無功功率為△Q，在下一個(gè)△t時(shí)間內(nèi)補(bǔ)償無功功率為△Q。晶閘管相控?zé)o功調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)電容上電壓，電容電壓是與觸發(fā)角相關(guān)的斬波電壓，即非正弦電壓。此時(shí)電容無功功率為

式中，Uα是觸發(fā)角為α?xí)r對(duì)應(yīng)的非正弦電壓有效值。取△t時(shí)間內(nèi)補(bǔ)償無功功率△Q等于斬波電壓在電容上產(chǎn)生的無功功率Qc，即

利用上式和有效值定義可以推得觸發(fā)角α與無功功率的關(guān)系為

式中，ω為電源角頻率，C為電容值，Um為正弦電壓的幅值。

這是一個(gè)關(guān)于觸發(fā)角α的超越方程，直接求得α角很困難。可以先求出各觸發(fā)角所對(duì)應(yīng)的無功功率，比如分別取α=0°，2.5°，5°，……，180°，其對(duì)應(yīng)的無功功率為ΔQ=ΔQ1，ΔQ2，……，ΔQ72，然后根據(jù)測(cè)得的無功功率在對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)之間進(jìn)行插值求得觸發(fā)角α。

無功調(diào)節(jié)步長(zhǎng)△t可以根據(jù)負(fù)載變化的周期來確定。負(fù)載變化快，步長(zhǎng)△t可以小一些;負(fù)載變化較慢，步長(zhǎng)△t可以大一些。

由圖3和上面的分析和計(jì)算可以看出，這種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是滯后跟蹤控制，是開環(huán)控制。在一個(gè)步長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)(比如△t=200ms)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的無功功率是多少，在下一個(gè)△t開始時(shí)就補(bǔ)償多少，同時(shí)檢測(cè)下一個(gè)△t的無功功率。根據(jù)瞬時(shí)無功功率計(jì)算出觸發(fā)角α，再計(jì)算出六路觸發(fā)脈沖的相位，由單片機(jī)定時(shí)發(fā)出六路觸發(fā)脈沖，控制六個(gè)晶閘管，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

3.3 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果

晶閘管相控動(dòng)態(tài)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。測(cè)試方法與靜態(tài)無功補(bǔ)償測(cè)試方法相同，在電動(dòng)機(jī)加載的過程中，利用電能綜合測(cè)試儀測(cè)試電源端和電動(dòng)機(jī)的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、平均電壓和平均電流，測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電動(dòng)機(jī)(3kW/4極)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出:①補(bǔ)償后有功功率比補(bǔ)償前略小幾瓦，這一點(diǎn)與表1中的數(shù)據(jù)相似;②動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后無功功率大大減小;③補(bǔ)償后功率因數(shù)很高，都在0.9以上，可見無功補(bǔ)償效果很好;④補(bǔ)償前后電壓基本不變;⑤補(bǔ)償前后電流明顯減小。

4 無功補(bǔ)償節(jié)能效果的計(jì)算

電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)能效果可以采用兩種方法計(jì)算。如果傳輸線路的電阻已知，可以利用下面的公式計(jì)算

式中，△Pq為電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)電功率，I1q為補(bǔ)償前的電流有效值，I1h為補(bǔ)償后的電流有效值，R為每根線路電阻。

另一種方法是利用無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量計(jì)算

式中，Q1q為補(bǔ)償前的無功功率，Q1h為補(bǔ)償后的無功功率，k為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量系數(shù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)直連發(fā)電機(jī)母線或直連已進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪妇€時(shí)，k的取值為0.02～0.04;二次變壓取值為0.05～0.07;三次變壓k取值為0.08～0.1。

在上面的無功補(bǔ)償測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)室到三次變壓器的傳輸線路電阻未知，因此可以利用無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量的方法計(jì)算無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)能效果。無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量系數(shù)k可取0.08。由于負(fù)載不是某一確定的負(fù)載，不妨計(jì)算上述各點(diǎn)的平均值。對(duì)于靜態(tài)階梯補(bǔ)償，無功補(bǔ)償平均節(jié)能為

將表1中無功功率數(shù)據(jù)代入可得

對(duì)于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，利用表2中無功功率數(shù)據(jù)，可得

由上述計(jì)算可見，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償節(jié)能效果比靜態(tài)補(bǔ)償效果略好一些。對(duì)于某些負(fù)載波動(dòng)頻率比較高，無功功率變化復(fù)雜的情況，靜態(tài)補(bǔ)償無法取得滿意的效果，只能利用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

5 結(jié)語(yǔ)

在電動(dòng)機(jī)節(jié)能實(shí)驗(yàn)中，無功補(bǔ)償是一項(xiàng)重要內(nèi)容。學(xué)生通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以掌握對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施無功補(bǔ)償方法、測(cè)試方法和節(jié)能效果計(jì)算方法。本文在將電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償節(jié)能方法引入教學(xué)方面做了一些探討，設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)裝置，為開設(shè)電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)，在教學(xué)中也收到了比較好效果。

異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償是非常重要的節(jié)能措施。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:中小型三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)施無功功率補(bǔ)償后，功率因數(shù)應(yīng)不低于0.9。此外，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償，企業(yè)將獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益，提高變壓器利用率，提高設(shè)備的可靠性，改善電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能等。

［1] 白連平，馬文忠.異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能原理與技術(shù)［M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012。

［2] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004。

［3] T.J.E Miller.(胡國(guó)政譯).電力系統(tǒng)無功功率控制［M] .北京:水利電力出版社，1990。