定速與快速響應電機節(jié)能裝置研究及應用

向偉華 廖志強

（河鋼集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦）

能源是人類社會活動的重要物質基礎，隨著環(huán)境、資源狀況的日益緊張和惡化，節(jié)約能源成為中國可持續(xù)發(fā)展的一項長期發(fā)展戰(zhàn)略，“節(jié)能減排，綠色環(huán)?！背蔀榱水斀裆鷳B(tài)文明社會的主題［1-2］。我國是世界能源消耗大國，在電力方面更為突出，工業(yè)用電約占全社會用電總量的71%，其中低壓三相交流異步電機年耗電量約為1.98萬億kW·h。目前，電機系統(tǒng)節(jié)能改造是指應用變頻調速、變極調速、相控調壓、伺服技術、電機與拖動設備優(yōu)化、運行工況匹配，對電力、冶金、機械、化工等行業(yè)的泵、風機、壓縮機、注塑機等設備進行的改造［3-5］。其中，變頻技術通過對供電頻率的轉換來實現(xiàn)電動機運轉速率的自動調節(jié)，把50 Hz的固定電網(wǎng)頻改為30～130 Hz的可調頻率，從而達到節(jié)電的目的［6-7］。但是變頻技術因變頻器輸出的電流或電壓的波形為非正弦波而產(chǎn)生的高次諧波，對電動機及電源會產(chǎn)生種種不良影響而污染電網(wǎng)。尤其在大電流沖擊負載和恒定中高負載工況下（如礦山破碎機、油田抽油機、皮帶機、無調速需求的中高負載水泵和風機等），變頻技術無法發(fā)揮其調頻節(jié)能效果，節(jié)能需求空間巨大。

為此，本文基于定速與快速響應技術，提出了一種新的節(jié)電裝置，能確保設備運行的穩(wěn)定性，同時不對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，并在金屬礦山進行了應用，節(jié)能效果顯著。

1 定速與快速響應技術節(jié)電裝置結構

節(jié)電裝置是在傳統(tǒng)啟動柜或電氣控制柜的基礎上增加了節(jié)電功能，適用于各類工頻運行的高、低壓電機。例如：旋回破碎機、顎式破碎機、圓錐破碎機、電動鏟運機、電機車等變化性負載。節(jié)電單元充分利用三相可調電阻網(wǎng)絡采樣技術、高頻脈沖列觸發(fā)晶閘管技術及感應電壓監(jiān)測技術制作而成，通過實時監(jiān)測電機負載情況來調節(jié)電機的電壓電流，使輸出轉矩剛好滿足負載的需求，有效降低大電流沖擊負載和恒定中高負載工況下電機的能耗，具有操作簡單、便于安裝、可靠性高、節(jié)電效果明顯等特點。

定速與快速響應技術節(jié)電裝置內部由真空接觸器KM1、串可控硅SCR組件、旁路真空接觸器KM2、電壓檢測轉換板、相位信號采樣板、觸發(fā)及回饋用光纖接口板、控制主板和顯示器組成（圖1）。高壓電機節(jié)電裝置由高壓節(jié)電和高壓軟啟動兩部分組成。

1.1 高壓節(jié)電功能

（1）串聯(lián)接入供電啟動電路。串聯(lián)在電機的動力線主回路啟動柜的下側。

（2）當電機通過軟啟動或高壓變頻方式啟動以后，節(jié)電柜通過檢測電壓自動跳轉至節(jié)電狀態(tài)，檢測裝置隨時跟蹤電動機的負載變化，監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋至處理器，處理器將處理后的數(shù)據(jù)通過輸出裝置輸出變化的電流或電壓給電機。通過電流和電壓的變化達到節(jié)電效果。

（3）該裝置是通過串聯(lián)可控硅高壓功率部件，以節(jié)電控制面板為主要核心部件的新型高壓固態(tài)電動機節(jié)電設備。在節(jié)電柜出現(xiàn)故障時，處理器能及時斷開節(jié)電模式，快速轉換到非節(jié)電狀態(tài)，使電動機正常運轉，達到不影響生產(chǎn)的目的。

1.2 高壓軟啟動功能

（1）高壓軟啟動主要在高壓電機的啟動過程中起保護作用，效果和低壓軟啟動相似，都是電機啟動的保護裝置。高壓軟啟動系統(tǒng)主要組成部分包含可控硅模塊及保護系統(tǒng)、光纖接口觸發(fā)系統(tǒng)、真空開關系統(tǒng)、信號檢測采集與保護系統(tǒng)、控制與顯示系統(tǒng)。

（2）可控硅模塊系統(tǒng)主要是通過同一種規(guī)格型號的可控硅串并聯(lián)在一起使用。結合用戶當?shù)氐碾娋W(wǎng)電壓要求，有針對地調整接入可控硅數(shù)量，達到最佳的工況要求。

（3）可控硅保護系統(tǒng)的主要原理是通過RC網(wǎng)絡的負反饋調節(jié)，有效保護因電壓過高導致的系統(tǒng)故障，通過均壓電阻有效平衡三相電壓，形成有效的均壓保護系統(tǒng)。

（4）光纖接口觸發(fā)系統(tǒng)的主要原理是通過應用較強的脈沖觸發(fā)電路，保證在觸發(fā)時刻的統(tǒng)一、快速反應，利用這一特性實現(xiàn)高低壓的隔離。

（5）真空開關系統(tǒng)的主要原理是當用戶進行啟動操作后，真空斷路器開關系統(tǒng)會立刻動作，保證電機三相加載電壓，得電運轉。

（6）信號檢測采集與保護系統(tǒng)的主要原理是對電壓、電流互感器等的應用，通過選用合適比例的互感器實現(xiàn)對電機主回路的電壓、電流值的測量，并將對應值采集到CPU內，到達設定的報警值后停機，進而實現(xiàn)保護功能。

（7）主控單元以及寬屏顯示器主要應用ARM公司的工控機進行微處理運算，實現(xiàn)處理器集中控制，同時配套工業(yè)平板電腦顯示屏，可切換顯示電機的三相電壓、系統(tǒng)電流等運行狀態(tài)，同時提供故障報警查詢的功能。

1.3 節(jié)電裝置技術參數(shù)

定速與快速響應技術節(jié)電裝置主要用于三相交流感應異步電動機，根據(jù)電機使用情況不同，節(jié)電率可達10%～45%，常用工作電壓等級為AC 6 kV和AC 10 kV 2種，工作頻率為50 Hz，具有2倍標稱電流5 s的過載能力，最大負載狀態(tài)啟動次數(shù)每小時4次。

2 定速與快速響應技術節(jié)電裝置工作原理

2.1 技術原理

基于電機調整電壓、電流節(jié)能原理，通過電流閉環(huán)反饋到處理器對用電運轉設備電壓進行調節(jié)，可精準控制電動機的電壓和電流，使工作電動機在最優(yōu)狀態(tài)和功率下工作；采用觸發(fā)可控硅、可調整電阻網(wǎng)絡三相電流采樣和輸入、輸出電壓檢測等核心技術，可精準提高功率因數(shù)和檢測電路的檢測精準度與響應速度，確?？煽毓柙诳刂品秶鷥染_、快速、穩(wěn)定地觸發(fā)，保證運轉電機啟動和運轉更加穩(wěn)定，實現(xiàn)電動機節(jié)能降耗。

2.2 關鍵技術

（1）可調電阻網(wǎng)絡三相采樣技術。三相電源的每一相提供一個獨立的相位檢測電路，即每個相線端和前端運放之間、每個電動機輸入端和前端運放之間分別設置獨立可調節(jié)的電阻網(wǎng)絡。

（2）高頻脈沖列觸發(fā)可控硅技術。高頻脈沖列后沿固定、前沿可調，并設定每個脈沖間隔為40 us，最大寬度等于180°，確保感性負載可靠地觸發(fā)。

（3）感應電壓檢測技術。該關鍵技術通過檢測可控硅關斷期間電動機產(chǎn)生的感應電壓，能快速檢測到電動機負載突然變化的情況，可提高電動機運行過程中負載突然變化時的響應速度。

2.3 工藝流程

閉環(huán)反饋系統(tǒng)工作原理見圖2?？刂葡到y(tǒng)采樣測量功率因數(shù)角，并通過誤差放大電路放大后與三角波進行對比，來確定各相可控硅導通時序，最后通過脈沖列觸發(fā)可控硅，從而實現(xiàn)電機端電壓的調節(jié)?？刂葡到y(tǒng)通過調節(jié)輸入電機功率值，使其與實際負載相適應，最終保證電機處于最佳工作狀態(tài)。

2.4 主要特點

（1）使用光纖通信技術，強弱電完全隔離，提高抗干擾能力，安全可靠。

（2）節(jié)能功率組件模塊化，便于前期安裝和后期維護，每串可控硅組件可耐受最高1.5萬V極限額定電壓。

（3）具備監(jiān)測串可控硅組件故障功能，可檢測出電壓失壓、光纖掉落、低電壓、觸發(fā)線松動、觸發(fā)電路故障、可控硅失效、高溫等故障。

（4）具備起動前系統(tǒng)組件自檢功能。

（5）具備電動機電壓缺相、欠壓、過壓、過載、電流失衡和短路速斷保護功能，并精準觸動故障保護功能，驅動安全執(zhí)行機構，確保系統(tǒng)安全可靠。

（6）可實現(xiàn)自由停車和軟停車。

2.5 技術指標

（1）沖擊負載運行情況。在電動機負載變化較大的機械設備上，如顎式破碎機有功功率節(jié)電率為14%～40%。

（2）漸變負載運行情況。在電動機負載變化不大的機械設備上，如圓錐破碎機有功功率節(jié)電率為11%～20%。

（3）恒定中高負載運行情況。在電動機負載較穩(wěn)定的機械設備上，如皮帶機有功功率節(jié)電率為4%～7%。

2.6 技術優(yōu)勢

（1）與變頻器比較，電機恒轉速，不改變運轉電機速度。

（2）與繞線電動機移相柜比較，不但節(jié)約無用功功率，而且真正地節(jié)約有用功功率。

（3）與電容器類比較，串聯(lián)連接在負載啟動電路中，實現(xiàn)控制電動機的運行能量供應。

3 礦山應用實例

3.1 礦山概況

應用礦山為地下開采，原礦為鐵礦石，礦石工業(yè)類型為鞍山式貧磁鐵礦，屬于中硬度、中等可碎性礦石，年生產(chǎn)能力220萬t。礦石礦物組成簡單，金屬礦物主要是磁鐵礦、赤鐵礦和假象赤鐵礦等；主要脈石礦物為石英，其次是角閃石、輝石、磷灰石、綠簾石和黑云母等。礦石中的有害成分含量很低，硫含量為0.001%～0.004%，最高達0.34%，主要是黃鐵礦。磷含量為0.05%～0.1%，最高達0.186%，主要是磷灰石。金屬礦物可選性較好，破碎系統(tǒng)為三段一閉路破碎干選流程。粗碎位于井下，粗碎產(chǎn)品粒度280～0 mm，在地表建設中細碎篩分系統(tǒng)，最終破碎粒度12～0 mm，另設二段干選，在中碎前設大塊干選磁選機，干選尾礦產(chǎn)率12%。在入磨前設粉礦干選，干選尾礦產(chǎn)率6%，干選拋尾量共36萬t/a。破碎流程見圖3［8-9］。

3.2 應用情況

2018年和2020年分別對破碎機進行了節(jié)能改造，在節(jié)電柜上安裝獨立的電表，圖4中左側為普通電柜，右側為節(jié)能電柜。

（1）2018年應用情況。2018年經(jīng)過1個月的礦石處理量、耗電量、運轉臺時數(shù)對比分析（表1），節(jié)電率達到15.5%，節(jié)能效果明顯。

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（2）2020年應用情況。2020年6月4日，定速與快速響應節(jié)電柜在某鐵礦400 kW HP500型圓錐破碎機試驗安裝，根據(jù)現(xiàn)場情況按不投入節(jié)電柜和投入節(jié)電柜2個步驟進行試驗，由專業(yè)人員分別記錄24 h的設備運轉時間和電表讀數(shù)。其中未投入節(jié)電柜運行19 d，投入節(jié)電柜運行34 d（表2）。

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由表2可知，根據(jù)現(xiàn)場實際統(tǒng)計，1號破碎機未投入節(jié)電柜運轉時長194.5 h，投入節(jié)電柜運轉時長329.2 h，節(jié)電柜節(jié)電率為10.09%，年可節(jié)約用電26.3萬kW·h。

4 結論

針對目前變頻技術的缺點，研發(fā)了定速與快速響應技術節(jié)電裝置，并在金屬礦山進行了應用，節(jié)能率可達10%，證明通過降壓節(jié)能原理可有效降低大電流沖擊負載和恒定中高負載工況下電機的能耗，對類似礦山具有很好的借鑒意義和推廣價值，對我國電機節(jié)能具有重要的促進作用。