高壓異步電機輕載節能裝置的研究

王歡,孫向瑞

(1.黑龍江科技學院 電氣與信息工程學院,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用到工業控制及各種電氣傳動領域中。近些年隨著我國工業化進程的不斷加深,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用到工業領域。從電動機的使用數量看,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總裝機量的65%以上,而運行效率卻大大低于發達國家的30%,因此我國異步電動機的節能研究具有十分重要的意義。目前高壓異步電動機的節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,但對于電機本身節能調速范圍不是很寬的設備,使用高壓變頻器不僅污染了電網,而且還帶來高昂的投資與沉重的維護工作,如果能夠設計一種實時監測電機負載率并根據負載情況隨時調節電機端電壓的設備即可實現電機的輕載節能,而開關變壓器式高壓電機軟啟動裝置就可通過調整本身工藝控制方式而實現該功能。

2 系統的構成及基本原理

2.1 系統構成

圖1給出了開關變壓器組成的異步電機節能控制器系統的一般構成。

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

圖1 系統構成Fig.1 Construction of system

2.2 調壓原理

當加上電壓時(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SCR控制極加上觸發電壓時,SCR導通,比如從α角處導通,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。當改變控制角α時(比如前移),則u2變小,u1變小,ud加大。這樣,連續調節α由大到小,則ud連續由小到大,完成調壓過程。

圖2 調壓原理Fig.2 Principle of voltage regulator

3 控制策略

由電機學可知實時檢測電機的轉速信號作為系統閉環控制的反饋量,對于大多數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,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角恰恰反映了電機的運行情況,即反映了電機負載的大小變化情況,所以利用異步電動機的這一特性進行調壓調速節能控制。

根據晶閘管調壓電路的工作原理,真正影響晶閘管輸出電壓的因素是電機的續流作用,而電機續流角的變化規律決定于它的功率因數角,且該續流角便于實際測量,我們可以利用系統現有的電機電流及電壓反饋信號,計算出電機的功率因數角。控制策略可采用最小功率因數角或恒功率因數角等,圖3給出了電機調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為功率器件的觸發延遲角,φ為可測功率因數角,θ為電流斷續角,有φ=α-θ。可以利用計算得到的功率因數角調整晶閘管的觸發角,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),我們可以通過調整電機來調整電機的有功分量,達到減小電機輸入功率的目的。

4 主要硬件電路設計

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計算可得功率因數角,用以實現功率控制。

圖4 過零檢測Fig.4 Zero-crossing detection

4.2 核心控制器設計

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

通過電機功率因數角的計算,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矩震蕩的弊端。

圖5 核心控制器Fig.5 Core controller

5 結論

使用該裝置對7.5 kW/15 A的通風風機進行了輕載調壓節能實驗,在電動機輕載運行時(將風機風門關半),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。當電機重載運行時(將風門完全打開),負載發生變化,控制系統自動調整升高機端電壓,節能效果較明顯。

對某企業250kW/10 kV通風機進行了高壓電機調壓節能控制,該通風機在全壓運行時有功功率為49.063 kW,無功功率為144.525 kvar,功率因數為0.35,使用該節能裝置后有功功率消耗為48.8 kW,無功功率消耗為75.2625 kvar,達到了預期的節能效果,具有一定的推廣價值。

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