基于可控電抗器的電動(dòng)機(jī)節(jié)能裝置設(shè)計(jì)

周維 鄭詩(shī)琦 蔣妍 田睿智 朱軻

摘? ?要：裝置針對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)能耗大的問(wèn)題進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)新型抽油機(jī)節(jié)能裝置，針對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流巨大，運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)低且數(shù)值變化大的運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)一種基于PLC控制的自動(dòng)裝置，采用ADE7753電力計(jì)量芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，利用磁閥式可控電抗器改變晶閘管導(dǎo)通角來(lái)限制抽油機(jī)的起動(dòng)電流，降壓起動(dòng);利用電抗器的連續(xù)可調(diào)性，通過(guò)與電容器并聯(lián)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無(wú)功功率補(bǔ)償，從而達(dá)到節(jié)約原油開(kāi)采成本，提高油企經(jīng)濟(jì)效益的目的。通過(guò)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)和相關(guān)的理論計(jì)算研究，在對(duì)可控電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)降低起動(dòng)電流和功率因數(shù)的提高，從而減少電能的損耗。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)? 節(jié)能? 可控電抗器? 起動(dòng)電流? 無(wú)功補(bǔ)償? PLC

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（a）-0121-05

1? 磁控電抗器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 磁控電抗器的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)采用可控電抗器中的磁控電抗器作為軟啟動(dòng)和無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的主要組成部分，它由控制部分和飽和電抗器兩部分組成。該電抗器主鐵心部分分為兩個(gè)鐵芯柱，每個(gè)柱的上下兩個(gè)繞組由截面積較小的磁閥相連，各繞組分別繞有匝數(shù)為N/2的線(xiàn)圈及一個(gè)抽頭。兩個(gè)鐵芯柱上下兩抽頭并聯(lián)極性相反的晶閘管K1和K2，不同鐵芯柱上下兩個(gè)繞組相互連接后并聯(lián)于電網(wǎng)中，同時(shí)接一續(xù)流二極管串聯(lián)在兩連接點(diǎn)上[1]。

1.2 磁控電抗器工作原理

在磁控電抗器主鐵芯柱上外加一電源，在一個(gè)周期內(nèi)，電源觸發(fā)晶閘管輪流導(dǎo)通，與續(xù)流二極管一起形成一個(gè)全波整流電路，并在其形成的回路中產(chǎn)生直流偏磁電流。磁控電抗器是利用鐵磁材料的磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性關(guān)系，根據(jù)直流激磁現(xiàn)象，控制直流電流變化進(jìn)而改變鐵芯的磁飽和程度。鐵心飽和度受直流電流控制，直流偏磁現(xiàn)象使磁控電抗器的鐵心飽和程度發(fā)生變化，其電抗值也會(huì)發(fā)生改變[2]。

式中α為晶閘管導(dǎo)通角，β為鐵心的飽和程度。由上述可知，改變晶閘管的導(dǎo)通角就能改變磁飽和度的大小，使電抗值隨著晶閘管的觸發(fā)角的增大而增大，從而達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電抗器的容量的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

1.3 電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)原理

當(dāng)電動(dòng)機(jī)接入電網(wǎng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)即將起動(dòng)但尚未起動(dòng)時(shí)的瞬間電流為起動(dòng)電流，起動(dòng)電流Ist的公式如下：

式中為定子側(cè)的漏抗;為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏抗。由上式可知，在定子側(cè)每一項(xiàng)串聯(lián)電抗后，起動(dòng)電流將變小，若X的值可變，則起動(dòng)電流也可以隨電抗值的改變而改變。電網(wǎng)電壓、電抗器電壓、電動(dòng)機(jī)端電壓三者關(guān)系為。當(dāng)UL減小時(shí)，U1增大[3]。通過(guò)對(duì)電抗器電抗值的調(diào)節(jié)，改變端電壓的大小，這就是磁控電抗器降壓起動(dòng)的工作原理。

2? 利用可控電抗器的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償

2.1 功率因數(shù)補(bǔ)償

電動(dòng)機(jī)在吸收有功功率時(shí)，從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，造成供電系統(tǒng)功率因數(shù)的降低，從而增加輸電線(xiàn)路的功率損耗，使發(fā)電設(shè)備的容量不能充分利用。因此，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以提高功率因數(shù)。本設(shè)計(jì)采用在電網(wǎng)電源端掛上電容器作為無(wú)功電源，抵消電感產(chǎn)生的無(wú)功功率。在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中，大多采用投切電容器的方式，使用多組不同的電容值的電容器，根據(jù)需要進(jìn)行投切。但投切電容器的方式有兩個(gè)問(wèn)題，一是投切開(kāi)關(guān)的損耗較大，二是不能準(zhǔn)確地進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，而使用可控電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)，則是另辟蹊徑[4]。

由于電容器是不能無(wú)極調(diào)節(jié)的，在通常情況下是以投切的方式來(lái)改變補(bǔ)償電容的大小。但是，將電容器兩端并聯(lián)該可控電抗器后，由于兩者的補(bǔ)償作用，且始終使系統(tǒng)處于容性狀態(tài)，則可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功電源的無(wú)極調(diào)節(jié)。

2.2 無(wú)功電源電容器的選取

通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償裝置調(diào)整其功率因數(shù)，本設(shè)計(jì)中先由采樣裝置檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率因數(shù)并反饋給PLC系統(tǒng)，再由下式計(jì)算出所需要無(wú)功功率補(bǔ)償容量[4]，通過(guò)改變可控電抗器的電抗值使無(wú)功補(bǔ)償裝置提供所需的補(bǔ)償容量，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償容量雙向連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)。

式中：Qc-無(wú)功功率補(bǔ)償容量? P1-電源端收入功率? -額定功率因數(shù)角。

選取電容器容量時(shí)，為達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)合理的補(bǔ)償目的，可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)選擇所需電容的容量，常用的公式如下：。

K的其取值如表1，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的極數(shù)選取相應(yīng)的K值[3]。

將可控電抗器與電容器并聯(lián)，等效于一個(gè)電容值在一定范圍內(nèi)可連續(xù)改變的電容器，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

裝置等效阻抗將其等效為一個(gè)電容器則

即前式分母上

式中C'—等效電容值。

三相無(wú)功補(bǔ)償容量根據(jù)公式可以看出補(bǔ)償容量隨電抗XL增大而增大。

3? 節(jié)能裝置設(shè)計(jì)方案

首先在電動(dòng)機(jī)與電源之間串上一個(gè)可控電抗器，此電抗器的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)程度可以根據(jù)如上公式進(jìn)行調(diào)節(jié)，觸發(fā)角α與基波電流I1的關(guān)系圖如圖2所示[2]。

本設(shè)計(jì)中電容器作為無(wú)功電源，選擇可控電抗器的類(lèi)型為磁閥式可控電抗器。通過(guò)電抗器來(lái)限制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流（通常為5～7倍）。PLC檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流平穩(wěn)運(yùn)行之后，將此電抗器從電動(dòng)機(jī)與電源之間旁路，接到和電動(dòng)機(jī)匹配的電容器上，可控電抗器可以實(shí)現(xiàn)容性感抗的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)[4]。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)功率因數(shù)變化極大的情況，本設(shè)計(jì)采用理想方案，即在電動(dòng)機(jī)進(jìn)線(xiàn)端進(jìn)行功率因數(shù)檢測(cè)，利用ADE7753電力計(jì)量芯片，完成各項(xiàng)電力數(shù)據(jù)的采集[5]。采集樣本為10個(gè)周期的電壓與電流的波形，取功率因數(shù)的平均值作為調(diào)節(jié)電抗器的參考標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)整系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定在0.9～1.0之間。

該裝置既可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，又可以完成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)電網(wǎng)，減少企業(yè)支出，節(jié)能環(huán)保的目的。

4? MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 Simulink仿真抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)串聯(lián)可控電控器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，利用Simulink搭建電機(jī)的起動(dòng)模型[5]。仿真中電源電壓取380V，頻率為50Hz。圖6為電機(jī)直接起動(dòng)與串電抗器起動(dòng)模型，電抗器兩端各并聯(lián)一個(gè)電阻進(jìn)行封裝，起到緩沖作用。

電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)取實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)Y100L-4實(shí)際參數(shù)，額定功率為2.2kW，額定電流5A，額定電壓380V。經(jīng)仿真驗(yàn)證得到當(dāng)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)和串電抗器起動(dòng)時(shí)，電機(jī)電流的變化情況如圖4。

圖4上下兩張圖分別為電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)和串聯(lián)電抗器啟動(dòng)時(shí)的電流變化情況。由圖4可知，不串電抗器時(shí)，起動(dòng)電流為100A左右，電流平穩(wěn)時(shí)大約在0.7s時(shí);串聯(lián)電抗器時(shí)，起動(dòng)電流為60A左右，電流平穩(wěn)時(shí)在0.4s左右。由此證明，串聯(lián)電抗器使得電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流減小，同時(shí)縮短了電流平穩(wěn)所需時(shí)間。

4.2 Simulink仿真抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率補(bǔ)償

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償裝置原理圖的Simulink的仿真圖如圖5所示。

在電路的母線(xiàn)部分靠近三相電源處掛上電容和電抗并聯(lián)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，作無(wú)功電源。可控電抗器作為無(wú)功電源調(diào)節(jié)裝置受PLC所控制的變化的直流電流控制。通過(guò)Simulink仿真結(jié)果可得圖6。

上圖為未補(bǔ)償時(shí)，電壓波形和電流波形之間的相位關(guān)系;下圖為補(bǔ)償后，電壓和電流之間的相位關(guān)系。兩圖對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償后電壓和電流之間的相位差縮小，故功率因數(shù)明顯增大。從該仿真結(jié)果可以直觀的看出，選擇合適的補(bǔ)償電容值，即可合理改變功率因數(shù)的數(shù)值。

5? PLC控制理論研究

左圖電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制過(guò)程流程圖，右圖為電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償過(guò)程流程圖[6]。

6? 預(yù)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償效果

實(shí)際實(shí)驗(yàn)使用型號(hào)為Y100L-4三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，額定功率2.2kW，額定電壓380V，額定電流5A，額定功率因數(shù)0.82進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)。測(cè)定電動(dòng)機(jī)在負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中輸入功率與實(shí)時(shí)功率因數(shù)，記錄后根據(jù)無(wú)功功率補(bǔ)償計(jì)算式，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，從而得到功率補(bǔ)償表。

表2為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.9時(shí)所需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率Q。根據(jù)上表可知在功率因數(shù)極低的情況下的電動(dòng)機(jī)所需要補(bǔ)償?shù)娜萘?，進(jìn)而選擇合適的電容器與電抗器參數(shù)型號(hào)進(jìn)行匹配。

7? 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了新型抽油機(jī)節(jié)能裝置，在原有的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行直接改造，節(jié)約生產(chǎn)成本;在進(jìn)一步的技術(shù)方案中，可控電抗器既可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，又可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，二者的控制均通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

節(jié)能系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)裝置，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起到限流作用;電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率補(bǔ)償系統(tǒng)，作無(wú)功電源進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償;使用ADE7753電力計(jì)量芯片，用于檢測(cè)電壓波形和電流波形之間的相位差，計(jì)算系統(tǒng)功率因數(shù);控制系統(tǒng)則以PLC為核心將軟啟動(dòng)裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置、采樣系統(tǒng)和各開(kāi)關(guān)相串連形成一套系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)多次仿真試驗(yàn)與實(shí)際負(fù)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果理想值計(jì)算，表明此設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償，解決采油環(huán)境下電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化大引起的功率因數(shù)變化大的問(wèn)題，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)電費(fèi)的節(jié)約也可以減少電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，對(duì)于個(gè)人用戶(hù)和電網(wǎng)都有著重大意義。

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