電氣工程自動(dòng)化及其節(jié)能設(shè)計(jì)的運(yùn)用分析

翟石磊

摘 要：本文簡(jiǎn)述電氣工程自動(dòng)化節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程遵循的安全性、技術(shù)性、持續(xù)性三點(diǎn)原則，分別從節(jié)能照明設(shè)計(jì)、變壓器節(jié)能、補(bǔ)償裝置使用、有源濾波器設(shè)置等方面對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)運(yùn)用加以分析研究。

關(guān)鍵詞：電氣工程;節(jié)能設(shè)計(jì);自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）02-0007-02

0 引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，面臨的能源問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，提高能源的利用效率為各行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。電氣自動(dòng)化在建筑、電力、工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用節(jié)能技術(shù)不但可以降低運(yùn)行過(guò)程對(duì)能源的消耗，而且還能提高能源的利用效率，為行業(yè)效益的提升奠定基礎(chǔ)。

1 電氣自動(dòng)化節(jié)能設(shè)計(jì)原則

（1）需要遵循安全性原則，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要兼顧節(jié)能和安全兩個(gè)要點(diǎn)，保證電氣設(shè)備能夠安全運(yùn)行，確保相關(guān)領(lǐng)域生活和生產(chǎn)的要求。（2）需要遵循技術(shù)性原則，優(yōu)選節(jié)能設(shè)備、技術(shù)等，保證系統(tǒng)技術(shù)性能優(yōu)越，提升節(jié)能效果。（3）秉承持續(xù)性原則。電氣自動(dòng)化的節(jié)能設(shè)計(jì)，致力于能源合理利用以及環(huán)境保護(hù)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程，需要優(yōu)選環(huán)保材料，使用節(jié)能減排措施，保證能源的高效利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)的持續(xù)發(fā)展[1]。

2 電氣自動(dòng)化節(jié)能設(shè)計(jì)運(yùn)用

2.1設(shè)計(jì)節(jié)能照明

2.1.1節(jié)能照明系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

根據(jù)此公式可以看出，對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)節(jié)能設(shè)計(jì)主要可通過(guò)縮短照明時(shí)間、提高照明效率、使用高效燈具等方式。總體而言，建筑智能照明的節(jié)能設(shè)計(jì)，既要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能，又應(yīng)該能滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｐ枨?，?shí)現(xiàn)節(jié)約、低費(fèi)用運(yùn)行。

2.1.2系統(tǒng)節(jié)能措施運(yùn)用

通常，建筑內(nèi)的光照由自然光、人工光組成，當(dāng)自然光難以達(dá)到照明需求時(shí)，此時(shí)人工照明發(fā)揮輔助作用，二者成反比關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的自動(dòng)化，需要明確自然、人工兩種照明方式區(qū)別。若自然光超過(guò)設(shè)定值，此時(shí)為防止兩種光之間產(chǎn)生交替“空缺”，可設(shè)置光照度閾值為25%，當(dāng)室內(nèi)光照強(qiáng)度超出此值時(shí)，同時(shí)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)>15s時(shí)，人工照明即可自動(dòng)降低光照亮度或者關(guān)閉，反之，則會(huì)自動(dòng)打開(kāi)系統(tǒng)，達(dá)到照明需求。假設(shè)照明系統(tǒng)單日照明使用時(shí)間在8：00～16：00，需要消耗電能4600kW/h時(shí)，浪費(fèi)能源較多，使用自動(dòng)化系統(tǒng)之后，能夠節(jié)約1380kW/h電能，占據(jù)總體耗能30%，因此節(jié)能效果良好[3]。

2.2 變壓器節(jié)能

電力自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中，變壓器為主要設(shè)備之一，肩負(fù)著轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電壓和電流以及功率等重任，因此，在變壓器的運(yùn)行過(guò)程，需要消耗較高的能量，當(dāng)其空載運(yùn)行時(shí)，也可產(chǎn)生較高的能量消耗，所以在自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，落實(shí)變壓器節(jié)能方面的設(shè)計(jì)，對(duì)電力自動(dòng)化的持續(xù)發(fā)展具有重要影響。具體設(shè)計(jì)過(guò)程可按照以下方法進(jìn)行：

（1）優(yōu)選型材。合理選擇型材，在變壓器型材選擇過(guò)程中，需要優(yōu)化組合，保證節(jié)能效果。合理設(shè)計(jì)硅鋼、銅片、絕緣料等，防止變壓器運(yùn)行環(huán)節(jié)產(chǎn)生非必要的能耗。設(shè)計(jì)過(guò)程，優(yōu)選銅質(zhì)材料，由于其導(dǎo)電性能優(yōu)良，因此可用作變壓器電線和電柜材料，適當(dāng)降低其磁密，配合薄質(zhì)冷軋硅鋼，以降低變壓器在空載環(huán)節(jié)產(chǎn)生的能量消耗。保證變壓器穩(wěn)定工作的前提下，遴選優(yōu)良材料作為運(yùn)行介質(zhì)，力爭(zhēng)在降低自動(dòng)化設(shè)計(jì)成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。（2）使用節(jié)能變壓器。在設(shè)計(jì)電力自動(dòng)化的系統(tǒng)過(guò)程，可結(jié)合節(jié)能要求，選擇節(jié)能型變壓器。當(dāng)前，在市場(chǎng)上S11型號(hào)和S10型號(hào)的變壓器都具有良好的節(jié)能效果，并且兼具傳統(tǒng)變壓器的各種優(yōu)勢(shì)。在使用此類(lèi)型變壓器過(guò)程，需要控制其持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，不可長(zhǎng)期運(yùn)行，防止影響其使用年限，產(chǎn)生電力能源浪費(fèi)問(wèn)題。（3）按需選擇變壓器設(shè)置方式。通常在寫(xiě)字樓建筑、工業(yè)廠房等電力系統(tǒng)中，可將變壓器設(shè)置于電力消耗中心位置，和不同輔助設(shè)備同區(qū)設(shè)置，以便減少電纜的敷設(shè)長(zhǎng)度，在節(jié)約建設(shè)成本的同時(shí)，便于展開(kāi)相關(guān)管理和運(yùn)維工作，提高供電質(zhì)量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了保證自動(dòng)化系統(tǒng)中變壓器的節(jié)能效果，需要合理選擇變壓器容量、配置臺(tái)數(shù)等。對(duì)其額定容量確認(rèn)的過(guò)程，需要結(jié)合變壓器需電量綜合進(jìn)行。當(dāng)變壓器容量過(guò)小時(shí)，可能在長(zhǎng)期使用過(guò)程加速老化，縮短使用年限;反之，當(dāng)選擇變壓器容量過(guò)大時(shí)，會(huì)造成其大部分時(shí)間為“輕載”狀態(tài)，不但浪費(fèi)電力能源，也浪費(fèi)其使用效率。因此，選擇變壓器容量環(huán)節(jié)，需提前預(yù)留20%左右冗余空間，保證對(duì)電力能源、變壓器效率合理利用的前提下，使其大部分時(shí)間處于最佳的狀態(tài)下運(yùn)行，其最佳值可以利用相關(guān)公式推導(dǎo)出來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變壓器最節(jié)能狀態(tài)的運(yùn)行。在數(shù)量的選擇方面，需要考慮電力過(guò)度消耗以及擴(kuò)容等問(wèn)題，當(dāng)變壓器數(shù)量過(guò)多，無(wú)疑會(huì)增加成本，浪費(fèi)資源。當(dāng)自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)使用≥2臺(tái)變壓器時(shí)，需將其并聯(lián)設(shè)置，保證其運(yùn)行安全的同時(shí)，提高系統(tǒng)運(yùn)行功率因數(shù)，節(jié)約能源消耗[4]。

2.3 使用補(bǔ)償裝置

（1）TCR，其工作原理為對(duì)和相控電容器相連的晶閘管進(jìn)行控制，從而轉(zhuǎn)變電抗器的等效電納，將持續(xù)變化無(wú)功功率輸出。（2）TSC，其工作原理為按照負(fù)載產(chǎn)生的感性無(wú)功功率產(chǎn)生的變化，借助晶閘管“投入”、“切除”電容器，此時(shí)晶閘管僅作為投切開(kāi)關(guān)。應(yīng)用過(guò)程，將各個(gè)電容器上串聯(lián)1個(gè)阻尼電抗器，實(shí)現(xiàn)減小系統(tǒng)處于非常態(tài)下運(yùn)行時(shí)對(duì)晶閘管產(chǎn)生的沖擊，防止產(chǎn)生諧振。（3）TCR和TSC組合，其工作原理為，若系統(tǒng)內(nèi)電壓比運(yùn)行設(shè)定電壓值低時(shí)，此時(shí)可按照需求補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量，適當(dāng)投入對(duì)應(yīng)組數(shù)電容器，稍有“過(guò)補(bǔ)償”時(shí)，可借助TCR實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功率的輸出，將過(guò)補(bǔ)償無(wú)功消除。反之，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的電壓比設(shè)定運(yùn)行電壓高時(shí)，此時(shí)可將各個(gè)電容器進(jìn)行切除，保留TCR運(yùn)行。TCR和TSC組合系統(tǒng)框圖1所示。

電氣自動(dòng)化當(dāng)中，系統(tǒng)中配電設(shè)備大部分容量被無(wú)功功率占據(jù)，不但導(dǎo)致線路損耗增加，而且還能導(dǎo)致電網(wǎng)中電壓降低，影響系統(tǒng)良性運(yùn)行。對(duì)此，在節(jié)能設(shè)計(jì)方面，可使用補(bǔ)償裝置，在裝置使用過(guò)程需要注意幾點(diǎn)：（1）使用電容補(bǔ)償時(shí)，需要按照裝置使用負(fù)荷、電壓容量、功率因數(shù)等參數(shù)綜合確定電容器的容量;（2）適當(dāng)使用“模糊投切”開(kāi)關(guān)方式，保證裝置能夠靈活調(diào)節(jié)、適應(yīng)性良好、追蹤精準(zhǔn)等，提升補(bǔ)償效果。因?yàn)閭鹘y(tǒng)補(bǔ)償電容內(nèi)主要使用“分擔(dān)投切”的形式，需要按照內(nèi)部編碼配置、比例分配等方式進(jìn)行，難以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前自動(dòng)化要求的補(bǔ)償效果;（3）使用無(wú)功功率為開(kāi)關(guān)投切過(guò)程物理量參考標(biāo)準(zhǔn)，防止系統(tǒng)使用過(guò)程產(chǎn)生“無(wú)功倒送”以及“振蕩投切”等問(wèn)題;（4）就地安裝補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)即時(shí)補(bǔ)償，降低線路上的無(wú)功傳輸量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.4 設(shè)置有源濾波器

無(wú)源濾波裝置主要由電抗器、電阻器和電容器等組成，使用過(guò)程能夠?qū)χC波產(chǎn)生低阻抗通路，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的抑制。因?yàn)槭褂肧VC可實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)范圍為從感性區(qū)至容性區(qū)，因此將濾波器和動(dòng)態(tài)控制電抗器之間并聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償效果，能夠?qū)⒐β室驍?shù)加以改善，進(jìn)而將高次諧波消除，實(shí)現(xiàn)電氣節(jié)能效果。并且無(wú)源濾波器使用過(guò)程投資小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)。但是在當(dāng)前配電網(wǎng)當(dāng)中，因?yàn)闉V波器性質(zhì)和特點(diǎn)，易受到系統(tǒng)中參數(shù)的影響，僅能對(duì)特定幾次諧波進(jìn)行消除，同時(shí)，還會(huì)將某種諧波放大，導(dǎo)致“諧振”的現(xiàn)象。在電力和電子技術(shù)的不斷發(fā)展下，人們?cè)陔姎夤?jié)能方面的研究力度逐漸加大，將關(guān)注點(diǎn)放在有源濾波器（也稱(chēng)“APF”）方向。

有源濾波器是由集成運(yùn)放以及R、C等元件組成，其應(yīng)用過(guò)程具有質(zhì)量輕、無(wú)需電感、體積小等優(yōu)勢(shì)。其中集成運(yùn)放的輸入阻抗、開(kāi)環(huán)電壓等都相對(duì)較高，并且輸出的電阻小，組成有源濾波的電路之后，能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行緩沖、放大等。有源濾波器的工作原理為通過(guò)功率可控的半導(dǎo)體向電網(wǎng)內(nèi)注入和諧波源的電流值大小相等，但是相位相反的電流，將電源位置的諧波電流進(jìn)行抵消，保證線路整體諧波電流值為零，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。對(duì)比于無(wú)源濾波器，其具有幾點(diǎn)特點(diǎn)：（1）能夠?qū)Ω鞔沃C波進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)“閃變”有良好的抑制作用，補(bǔ)償無(wú)功，不但“一機(jī)多能”，而且性?xún)r(jià)比高;（2）諧波的特點(diǎn)不會(huì)受到系統(tǒng)阻抗影響，因此能夠?qū)⑾到y(tǒng)阻抗產(chǎn)生的“諧振”危害消除;（3）具有良好的自適應(yīng)能力，可對(duì)諧波變化進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，響應(yīng)速度快，且高度可控。有源濾波器安裝電路圖2所示。

應(yīng)用有源濾波器，可減小線路的損耗，同時(shí)，有源濾波器的使用可消除諧波，防止設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)，變壓器、電機(jī)等產(chǎn)生的發(fā)熱現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。電氣設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)的主要原因?yàn)椋姎庠O(shè)備用量逐漸增加，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)諧波量也越來(lái)越多，諧波電流可與阻抗電壓、基波電壓等產(chǎn)生重疊，引發(fā)電壓發(fā)生“畸變”，最終影響電氣設(shè)備正常使用，產(chǎn)生誤動(dòng)情況。此時(shí)設(shè)置有源濾波器，可利用其動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)異性，能夠針對(duì)系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波快速反應(yīng)，擴(kuò)大功率范圍，達(dá)到良好的無(wú)功補(bǔ)償效果。通常而言，有源濾波器的使用可及時(shí)過(guò)濾諧波，保證電氣設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)操作之前，及時(shí)阻止此動(dòng)作，確保設(shè)備高效運(yùn)行，提高自動(dòng)化系統(tǒng)節(jié)能效果。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，電氣自動(dòng)化對(duì)于人們生活多個(gè)領(lǐng)域可產(chǎn)生重要影響，在其節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程需要結(jié)合不同領(lǐng)域系統(tǒng)特點(diǎn)，合理選擇技術(shù)應(yīng)用措施，保證自動(dòng)化系統(tǒng)使用過(guò)程，節(jié)能性良好，安全系數(shù)高，且能夠?qū)δ茉锤咝Ю?，進(jìn)而促使節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳清山.關(guān)于電氣工程自動(dòng)化信息技術(shù)及其節(jié)能設(shè)計(jì)探討[J].科技風(fēng)，2020（02）：94.

[2] 林良智.電氣工程自動(dòng)化信息技術(shù)及其節(jié)能設(shè)計(jì)研究[J].科技風(fēng)，2020（01）：18+26.

[3] 羅英濤.關(guān)于電氣工程自動(dòng)化信息技術(shù)及其節(jié)能設(shè)計(jì)探討[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（23）：88-89.

[4] 蓋鵬飛.電氣工程自動(dòng)化信息技術(shù)及其節(jié)能設(shè)計(jì)探討[J].南方農(nóng)機(jī)，2019（02）：165.