當(dāng)前位置:首頁(yè) > 工業(yè)控制 > 工業(yè)控制
[導(dǎo)讀]1前言目前在工礦企業(yè)中使用著大量的交流異步電動(dòng)機(jī)(包括380V/660V低壓電動(dòng)機(jī)和3kV/6kV中壓電動(dòng)機(jī)),有相當(dāng)多的異步電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài),白白地浪費(fèi)掉大量的電能。究其原因,大致是由以下幾種

1前言

目前在工礦企業(yè)中使用著大量的交流異步電動(dòng)機(jī)(包括380V/660V低壓電動(dòng)機(jī)和3kV/6kV中壓電動(dòng)機(jī)),有相當(dāng)多的異步電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài),白白地浪費(fèi)掉大量的電能。究其原因,大致是由以下幾種情況造成的:

(1)由于大部分電機(jī)采用直接起動(dòng)方式,除了造成對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)系統(tǒng)的沖擊和事故之外,8~10倍的起動(dòng)電流也造成巨大的能量損耗;

(2)在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容量選配時(shí),往往片面追求大的安全余量,且層層加碼,結(jié)果使電動(dòng)機(jī)容量過(guò)大,造成“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)偏離最佳工況點(diǎn),運(yùn)行效率和功率因數(shù)降低;

(3)從電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械自身的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考慮,往往要求電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有變壓、變速調(diào)節(jié)能力,若用定速定壓拖動(dòng),勢(shì)必造成大量的額外電能損失。

電動(dòng)機(jī)的非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況,早已引起國(guó)家有關(guān)部門(mén)的重視,并分別于1990年和1995年制定和修定了一個(gè)強(qiáng)制性的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):(GB12497?1995)三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。希望依此來(lái)規(guī)范三相異步電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,國(guó)標(biāo)的發(fā)布對(duì)低壓電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起了很大的促進(jìn)作用,但對(duì)中壓電動(dòng)機(jī)則收效甚微。其原因是:

(1)中壓電動(dòng)機(jī)一般容量較大,一旦發(fā)生故障,其影響也大,因此對(duì)節(jié)電措施的可靠性的要求就更高;

(2)中壓電動(dòng)機(jī)節(jié)電措施受電力電子功率器件耐壓水平的限制,節(jié)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)在技術(shù)上難度更大一些。到目前為上,國(guó)內(nèi)尚無(wú)定型的中壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)和節(jié)電運(yùn)行的產(chǎn)品面市。

2異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)

由于工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的不斷更新和發(fā)展,對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能提出了越來(lái)越高的要求,歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面:

(1)要求電動(dòng)機(jī)有足夠大的,并且能平穩(wěn)提升的

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和符合要求的機(jī)械特性曲線;

(2)盡可能小的起動(dòng)電流;

(3)起動(dòng)設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠,起動(dòng)操作

方便;

(4)起動(dòng)過(guò)程中的功率損耗應(yīng)盡可能的少。

根據(jù)以上相互矛盾的要求和電網(wǎng)的實(shí)際情況,通常采用的起動(dòng)方式有兩種:一種是在額定電壓下的直接起動(dòng)方式,另一種是降壓起動(dòng)方式。

2.1直接起動(dòng)的危害

直接起動(dòng)是最簡(jiǎn)單的起動(dòng)方式,起動(dòng)時(shí)通過(guò)閘刀或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)上。直接起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單,起動(dòng)速度快,但是直接起動(dòng)的危害很大:

(1)電網(wǎng)沖擊:過(guò)大的起動(dòng)電流(空載起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的4~7倍,帶載起動(dòng)時(shí)可達(dá)8~10倍或更大),會(huì)造成電網(wǎng)電壓下降,影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行,還可能使欠壓保護(hù)動(dòng)作,造成設(shè)備的有害跳閘。同時(shí)過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)繞組發(fā)熱,從而加速絕緣老化,影響電機(jī)壽命;

(2)機(jī)械沖擊:過(guò)大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損,導(dǎo)致?lián)舸龣C(jī),轉(zhuǎn)軸扭曲,聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等;

(3)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械造成沖擊:起動(dòng)過(guò)程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道、閥門(mén)的損傷,縮短使用壽命;影響傳動(dòng)精度,甚至影響正常的過(guò)程控制。

所有這些都給設(shè)備的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)威脅,同時(shí)也造成過(guò)大的起動(dòng)能量損耗,尤其當(dāng)頻繁起停時(shí)更是如此。因此對(duì)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)有以下限制條件:(1)生產(chǎn)機(jī)械是否允許拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng),這

是先決條件;

(2)電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)不大于供電變壓器容量的

10%~15%;

(3)起動(dòng)過(guò)程中的電壓降△U應(yīng)不大于額定電壓

的15%。對(duì)于中、大功率的電動(dòng)機(jī)一般都不允許直接起動(dòng),而要求采用一定的起動(dòng)設(shè)備,方可完成正常的起動(dòng)工作。

2.2老式降壓起動(dòng)方式的適用場(chǎng)合及性能比較

降壓起動(dòng)的目的是減小起動(dòng)電流,但它同時(shí)也使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降了。對(duì)于重載起動(dòng),帶有大的峰值負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械,就不能用這種方式起動(dòng)。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)有以下幾種方法:(1)星形/三角形轉(zhuǎn)換器:這種方法適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用△接法的電動(dòng)機(jī)。定子有六個(gè)接頭引出,接到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上,起動(dòng)時(shí)采用星形接法,起動(dòng)完畢后再切換成△接法。起動(dòng)電壓為220V,運(yùn)行電壓為380V。這種起動(dòng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單,起動(dòng)過(guò)程中消耗能量少。缺點(diǎn)是有二次電流沖擊,設(shè)備故障率高,需要經(jīng)常維護(hù),所以不宜使用在頻繁起動(dòng)的設(shè)備上。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中,由于瞬變電勢(shì)和電動(dòng)機(jī)剩磁產(chǎn)生的電勢(shì)往往與電源電壓有相位差,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓相加,引起過(guò)大的沖擊電流和電磁轉(zhuǎn)矩,因此大大地限制了它的使用。由于起動(dòng)電壓為運(yùn)行電壓的1/,故其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3,只能用在空載或輕載(負(fù)載率小于1/3)起動(dòng)的設(shè)備。在電動(dòng)機(jī)輕載或空載運(yùn)行時(shí),也可利用該起動(dòng)設(shè)備作降壓運(yùn)行,以提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率。

(2)自耦變壓器降壓起動(dòng):三相自耦變壓器(也稱補(bǔ)償器)高壓邊接電網(wǎng),低壓邊接電動(dòng)機(jī),一般有幾個(gè)分接頭,可選擇不同的電壓比,相對(duì)于不同起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后再將其切除。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電壓可以選擇,如0.65、0.8或0.9UN,以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。缺點(diǎn)是體積大,重量重,且要消耗較多有色金屬,故障率高,維修費(fèi)用高。

(3)磁控軟起動(dòng)器:磁控軟起動(dòng)器是利用控磁限幅調(diào)壓的原理,在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電壓可由一個(gè)較低的值平滑地上升到全壓,使電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加,起動(dòng)特性變軟,并可實(shí)現(xiàn)軟停車(chē)。但其起控電壓在200V左右,用戶不可調(diào)整,會(huì)有較大的電流沖擊,且體積較大。

(4)串聯(lián)電抗器或水電阻:對(duì)于高壓電機(jī),可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng),待起動(dòng)完成后再將其切除。但電抗器成本高,水電阻損耗又大。

(5)串接頻敏變阻器或水電阻:對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī),可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實(shí)現(xiàn)起動(dòng),待起動(dòng)完成后再將其切除。但頻敏變阻器成本高,而水電阻損耗又大。其他還有延邊三角形起動(dòng),定子串電阻起動(dòng)等方法。

值得指出的是:盡管各種老式降壓起動(dòng)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),但它們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn):就是沒(méi)有諧波污染。

2.3新型的電子式軟起動(dòng)器

隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)出一系列電子式起動(dòng)控制設(shè)備,用于異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制,以取代傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)設(shè)備。新型的電子式軟起動(dòng)器的主電路一般都采用晶閘管調(diào)壓電路,調(diào)壓電路由六只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成,串接于電動(dòng)機(jī)的三相供電線路上。當(dāng)起動(dòng)器的微機(jī)控制系統(tǒng)接到起動(dòng)指令后,便進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算,輸出晶閘管的觸發(fā)信號(hào),通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角α,使起動(dòng)器按所設(shè)計(jì)的模式調(diào)節(jié)輸出電壓,以控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程。當(dāng)起動(dòng)過(guò)程完成后,一般起動(dòng)器將旁路接觸器吸合,短路掉所有的晶閘管主電路,使電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行,以避免不必要的電能損耗,軟起動(dòng)器的控制框圖如圖1所示。

所謂“軟起動(dòng)”,實(shí)際上就是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的降壓起動(dòng)過(guò)程。目前的軟起動(dòng)器一般有以下幾種起動(dòng)方式:

(1)限流軟起動(dòng):限流起動(dòng)顧名思義就是在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值(Im)的軟起動(dòng)方式。主要用在輕載起動(dòng)的負(fù)載的降壓起動(dòng),其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(zhǎng),直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值Im,然后在保持輸出電流I這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小,且可按需要調(diào)整,(起動(dòng)電流的限值Im必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)設(shè)定,Im設(shè)置過(guò)小,將會(huì)使起動(dòng)失敗或燒毀電機(jī)。)對(duì)電網(wǎng)電壓影響小。其缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降,不能充分利用壓降空間,損失起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

圖1軟起動(dòng)器的控制框圖

圖2各種軟起動(dòng)波形圖

(a)限流起動(dòng)(b)電壓斜坡起動(dòng)(c)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)

(d)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)(e)電壓控制起動(dòng)

(2)電壓斜坡起動(dòng):輸出電壓由小到大斜坡線性上升,將傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)變有級(jí)為無(wú)級(jí),主要用在重載起動(dòng)。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升對(duì)起動(dòng)不利,且起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)電機(jī)不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡起動(dòng):輸出電壓先迅速升至U1,U1為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的最小轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電壓值,然后按設(shè)定的速率逐漸升壓,直至達(dá)到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)電流相對(duì)較大,但起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短,適用于重載起動(dòng)的電機(jī)。

(3)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng):主要用在重載起動(dòng),它是按電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓,它的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平滑、柔性好,對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利,同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊,是最優(yōu)的重載起動(dòng)方式。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

(4)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng):轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)一樣也是用在重載起動(dòng)的場(chǎng)合。所不同的是在起動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩,克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩,然后轉(zhuǎn)矩平滑上升,可縮短起動(dòng)時(shí)間。但是,突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖,干擾其它負(fù)荷,使用時(shí)應(yīng)特別注意。

(5)電壓控制起動(dòng):電壓控制起動(dòng)是用在輕載起動(dòng)的場(chǎng)合,在保證起動(dòng)壓降的前提下使電動(dòng)機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,盡可能地縮短起動(dòng)時(shí)間,是最優(yōu)的輕載軟起動(dòng)方式。各種軟起動(dòng)方式的相應(yīng)起動(dòng)曲線見(jiàn)圖2。

停車(chē)方式有三種:一是自由停車(chē),二是軟停車(chē),三是制動(dòng)停車(chē)。軟起動(dòng)器帶來(lái)的最大好處是軟停車(chē)和制動(dòng)停車(chē),軟停車(chē)消除了拖動(dòng)系統(tǒng)的反慣性沖擊,對(duì)于水泵就是“水錘”效應(yīng);制動(dòng)停車(chē)則在一定場(chǎng)合代替了反接制動(dòng)停車(chē)功能。

2.4軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的比較

軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的性能比較見(jiàn)表1。

2.5軟起動(dòng)器的適用場(chǎng)合

(1)生產(chǎn)設(shè)備精密,不允許起動(dòng)沖擊,否則會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品不良后果的場(chǎng)合;

(2)電動(dòng)機(jī)功率較大,若直接起動(dòng),要求主變壓器

產(chǎn)品主要性能 數(shù)字式軟起動(dòng)器 磁控降壓起動(dòng)器 自耦降壓起動(dòng)器
起動(dòng)特性 軟特性:用戶可以調(diào)整 特性較硬:不能調(diào)整 硬特性:不能調(diào)整
起動(dòng)電流特性曲線
起始電壓 0~380V任意可調(diào) 200V左右:用戶不能調(diào)整 250V左右:用戶不能調(diào)整
起動(dòng)沖擊電流 無(wú) 1次,約為電機(jī)額定電流IN的6倍 2次,約為電機(jī)額定電流IN的7倍
起動(dòng)電流 (0.5~4)IN,用戶可視負(fù)載輕重調(diào)整 (2~3)IN以上,不能調(diào)整 (3~5)IN以上,不能調(diào)整
電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性 沒(méi)有沖擊轉(zhuǎn)矩,力矩勻速平滑上升 1次沖擊轉(zhuǎn)矩后,力矩勻速平滑上升 力矩跳躍上升,有2次沖擊轉(zhuǎn)矩
負(fù)載適應(yīng)能力 強(qiáng) 一般 較差
能否頻繁起動(dòng) 可以 一般不能 一般不能
起動(dòng)方式 限流軟起動(dòng)或電壓斜坡起動(dòng)任選 區(qū)域恒流軟起動(dòng) 分段式恒壓起動(dòng)
執(zhí)行元件 電力電子器件 磁飽和電抗器(磁放大器) 自耦變壓器
控制元件和控制方式 16位高性能單片計(jì)算機(jī)模糊控制 繼電器及普通電子元件繼電電子控制 繼電器繼電控制
整機(jī)重量/體積 輕/小 較重/較大 重/大
外接電纜數(shù)量 6根(3進(jìn)、3出) 6根或9根(130kW以上為:3進(jìn)、6出) 6根(3進(jìn)、3出)

表1軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的比較

容量加大的場(chǎng)合;

(3)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求嚴(yán)格,對(duì)壓降要求≤

10%UN的供電系統(tǒng);

(4)對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高,可進(jìn)行空載或輕載起

動(dòng)的設(shè)備。

嚴(yán)格地講,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)小于額定轉(zhuǎn)矩50%的拖動(dòng)系統(tǒng),才適合使用軟起動(dòng)器解決起動(dòng)沖擊問(wèn)題。對(duì)于需重載或滿載起動(dòng)的設(shè)備,若采用軟起動(dòng)器起動(dòng),不但達(dá)不到減小起動(dòng)電流的目的,反而會(huì)要求增加軟起動(dòng)器晶閘管的容量,增加成本;若操作不當(dāng),還有可能燒毀晶閘管。此時(shí)只能采用變頻軟起動(dòng)。因?yàn)檐浧饎?dòng)器調(diào)壓不調(diào)頻,轉(zhuǎn)差功率始終存在,難免產(chǎn)生過(guò)大的起動(dòng)電流;而變頻器采用調(diào)頻調(diào)壓方式,可實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)流軟起動(dòng),且可提供1.2~2倍額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,特別適用于重載起動(dòng)的設(shè)備。但是變頻器的價(jià)格要比軟起動(dòng)器的價(jià)格高得多了。

3異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和優(yōu)化節(jié)電控制技術(shù)

3.1異步電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)電技術(shù)概述

對(duì)于滿載或重載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī),降低其端電壓將會(huì)造成嚴(yán)重后果,隨著端電壓的降低,電動(dòng)機(jī)的磁通和電動(dòng)勢(shì)隨之減小,鐵耗無(wú)疑將下降。但與此同時(shí),隨電壓平方變化的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也迅速下降而小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)只能依靠增大轉(zhuǎn)差率,提高電磁轉(zhuǎn)矩以達(dá)到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率的增大,引起轉(zhuǎn)子電流增大,同時(shí)引起定子和轉(zhuǎn)子電壓間的相角增大,導(dǎo)致定子電流增大,從而使定子和轉(zhuǎn)子銅耗增加值大大超過(guò)鐵耗的下降值,這時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組溫升將會(huì)增高,效率將會(huì)下降,甚至發(fā)生電動(dòng)機(jī)燒毀事故。因而,一般規(guī)程都規(guī)定了電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)電壓變化范圍不得超過(guò)額定電壓的95%~110%。

然而對(duì)于輕載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī),情況就截然不同,使供電電壓適當(dāng)降低,在經(jīng)濟(jì)上是有利的。這是因?yàn)樵谳p載運(yùn)行時(shí),電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)差率大大小于額定值,轉(zhuǎn)子電流并不大,在降壓運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子電流增加的數(shù)值有限。而另一方面,卻由于電壓的降低,使空載電流和鐵損大幅減少。在這種情況下,電動(dòng)機(jī)的總損耗就可降低,定子溫升,運(yùn)行效率和功率因數(shù)同時(shí)得到改善。由此可見(jiàn),電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與電動(dòng)機(jī)負(fù)載率同運(yùn)行電壓是否合理匹配關(guān)系極大。理論分析表明電動(dòng)機(jī)的力能指標(biāo)(運(yùn)行效率與功率因數(shù))與其端電壓之間存在如下的數(shù)量關(guān)系[2]:cosφ=(1)η=(2)

式中:SN和S為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率;cosφN和cosφ為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行的功率因數(shù);

ηN和η為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行的效率;

KU為電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓系數(shù),KU=U/UN(UN和U為電動(dòng)機(jī)額定電壓和降壓運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電壓);

KI為電動(dòng)機(jī)的空載電流系數(shù),KI=IO/IN(IN和

IO為電動(dòng)機(jī)的額定電流和空載電流)。

從式(2)不難看出:并不是所有的降壓行為都能達(dá)到節(jié)電的目的,只有當(dāng)電壓降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)上升程度時(shí),才能使運(yùn)行效率提高。實(shí)際上,電動(dòng)機(jī)效率隨電壓降低而變化的關(guān)系呈馬鞍形曲線,對(duì)應(yīng)于每一個(gè)輸出功率(或負(fù)載系數(shù)),必然存在一個(gè)最佳調(diào)壓系數(shù)KUm,當(dāng)KU=KUm時(shí),電動(dòng)機(jī)的損耗最低,效率最高。KUm稱為電動(dòng)機(jī)的最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。不同負(fù)載下最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)KUm可按電動(dòng)機(jī)的負(fù)載系數(shù)β由下式確定[1]:KUm=(3)

式中:ΣPN為電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的有功損耗(kW);

PO為電動(dòng)機(jī)的空載損耗(kW);

K為計(jì)算系數(shù),K=(PO-Pfw)/ΣPN〔Pfw為電

動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗(kW)〕;

β為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載系數(shù),β=(P2/PN)·100%

(P2為電動(dòng)機(jī)的輸出功率,PN為電動(dòng)機(jī)的

額定功率)。

文獻(xiàn)[1]給出了輕載電動(dòng)機(jī)采用降壓節(jié)電措施后,節(jié)約電能的計(jì)算公式為:

節(jié)約的有功功率ΔP為:

ΔP=(ΣPN-PO)β2(1-1/KU2)+ΣPN(1-KU2)(4)

節(jié)約的無(wú)功功率ΔQ為:ΔQ=(QN-QO)β2(1-)+QO(1-KU2)(5)

式中:QN為電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)的無(wú)功功率(kvar);

QO為電動(dòng)機(jī)的空載無(wú)功功率(kvar)。

節(jié)約的電能ΔAC為:

ΔAC=Tec(ΔP+KQΔQ)(6)

式中:KQ為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量,當(dāng)電動(dòng)機(jī)直連電機(jī)母線

KQ=0.02~0.04,二次變壓取KQ=0.05~

0.07,三次變壓取KQ=0.08~0.10;

Tec為電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間(h)。

3.2優(yōu)化節(jié)電的控制依據(jù)

(1)功率因數(shù)(cosφ)控制法

最早出現(xiàn)的異步電機(jī)優(yōu)化節(jié)電器為Nolacosφ功率因數(shù)控制器,其原理是通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的cosφ值,與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值比較,當(dāng)實(shí)際值低于設(shè)定值時(shí),說(shuō)明電動(dòng)機(jī)為輕載,通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)的端電壓來(lái)提高cosφ,直到實(shí)際的cosφ測(cè)量值達(dá)到設(shè)定值為止,實(shí)現(xiàn)了節(jié)電;cosφ數(shù)值高表明是重載,則升高電機(jī)端電壓,以保證軸上的輸出功率。這是一種間接節(jié)電法:控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù),而目的是節(jié)電。由于交流異步電機(jī)的最佳功率因數(shù)在全工作范圍內(nèi)呈曲線變化;不同制造廠生產(chǎn)的同一規(guī)格的異步電機(jī)的功率因數(shù)呈一定的離散性;同一臺(tái)電機(jī)在其壽命期不同階段,在同一工況下的功率因數(shù)也呈現(xiàn)一定的離散性,這就給設(shè)計(jì)和調(diào)整帶來(lái)一定的困難。故這種方法不能達(dá)到最佳節(jié)電效果,并且理論與實(shí)踐都已證明,過(guò)高的功率因數(shù)值對(duì)于異步電機(jī)來(lái)說(shuō),并不節(jié)電。

(2)最小輸入功率法

交流異步電機(jī)工作時(shí),從電網(wǎng)輸入的電功率P1,一部分轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的機(jī)械功率P2輸出,另一部分則是自身的損耗PS,包括鐵耗與銅耗兩部分。其中鐵耗與輸入電壓的平方成正比,而銅耗則與其電流的平方成正比,只有在銅耗等于鐵耗時(shí),電機(jī)的效率最高,損耗PS最小。最小輸入功率法的原理就是在電機(jī)工作的任一負(fù)載點(diǎn)上,在保證軸上機(jī)械功率輸出的前提下,通過(guò)降低電機(jī)的端電壓而減小電機(jī)自身的損耗,從而達(dá)到節(jié)能的目的。雖然降壓可以降低鐵耗,而當(dāng)電壓降到一定程度之后,若繼續(xù)下降,則電流又要增加,因而又增加了銅耗。通過(guò)微機(jī)自動(dòng)尋優(yōu),讓鐵耗和銅耗都維持在最低的水平,也即電壓與電流的乘積——輸入的電功率達(dá)到最小值,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)節(jié)電目的。

(3)突加負(fù)載控制

當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載急劇上升時(shí),又要能在極短的時(shí)間內(nèi)(<100ms)將電壓提升到額定值,保證軸上有足夠的功率輸出,否則電機(jī)就會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所以微處理器在進(jìn)行輸入功率優(yōu)化控制的同時(shí),又監(jiān)視負(fù)載功率的變化率,一旦負(fù)載功率的變化率超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí),即判定為突加負(fù)載,立即提升電機(jī)端電壓,保證電機(jī)對(duì)負(fù)載變化的快速響應(yīng)能力。

表2按最佳調(diào)壓系數(shù)進(jìn)行降壓后節(jié)省的電量計(jì)算值

電動(dòng)機(jī)負(fù)載系數(shù)β 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)KUm 0.374 0.53 0.647 0.747 0.836 0.916
節(jié)省的有功功率ΔP(kW) 24.2 17.0 11.0 6.4 3.0 0.86
節(jié)省的無(wú)功功率ΔQ(kvar) 386.5 300.8 224.8 157.0 97.6 47.2
節(jié)省的綜合有功功率ΔP+KqΔQ(kvar) 47.4 35.05 24.5 15.8 8.86 3.7
U=UN時(shí)電機(jī)綜合功率損耗?PC(kW) 59.34 62.04 66.53 72.83 80.93 90.82
節(jié)電率(%) 79% 56.4% 36.8% 21.7% 11% 4%

3.3優(yōu)化節(jié)電的適用對(duì)象

對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)嚴(yán)格要求,及不需要調(diào)速運(yùn)行的場(chǎng)合,特別是對(duì)于經(jīng)常大幅度變動(dòng)的負(fù)載,或者長(zhǎng)時(shí)間處于輕載或空載的電動(dòng)機(jī),例如軋鋼機(jī)、鍛壓機(jī)、抽油機(jī)等負(fù)載,使用優(yōu)化節(jié)電技術(shù),可以收到明顯的節(jié)電效果。其節(jié)電量視電動(dòng)機(jī)的負(fù)載系數(shù)及輕載運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)短而定。

3.4降壓起動(dòng)優(yōu)化節(jié)電計(jì)算實(shí)例

為一臺(tái)輕載運(yùn)行的Y1600—10/1730型6000V電動(dòng)機(jī)配置一套優(yōu)化控制系統(tǒng),著重計(jì)算其起動(dòng)性能參數(shù)和節(jié)電效果。

Y1600—10/1730型電動(dòng)機(jī)的原始數(shù)據(jù):額定功率PN=1600kW,額定電壓UN=6.0kV,額定電流IN=185A,額定轉(zhuǎn)速nN=595r/min;最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)=最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩=2.22,起動(dòng)電流倍數(shù)=堵轉(zhuǎn)電流/額定電流=5.53,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)=堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩=0.824,額定效率ηN=94.49%,額定功率因數(shù)cosφN=0.879。電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的有功損耗ΣPN=93.3kW,電動(dòng)機(jī)的空載損耗PO=29.6kW,電動(dòng)機(jī)的空載電流IO=46.25A,電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)的無(wú)功功率QN=918kvar,電動(dòng)機(jī)的空載無(wú)功功率QO=480.6kvar。

(1)輕載運(yùn)行降壓節(jié)電效果計(jì)算

①不同負(fù)載系數(shù)下,電動(dòng)機(jī)的最佳調(diào)壓系數(shù)KUm的計(jì)算按式(3)進(jìn)行,計(jì)算結(jié)果示于表2:

②當(dāng)U=UN時(shí),不同負(fù)載系數(shù)下,電動(dòng)機(jī)的綜合功率損耗ΣPC的計(jì)算按式(7)進(jìn)行[1],計(jì)算結(jié)果示于表2。ΣPC=PO+β2(ΣPN-PO)+KQ[QO+β2(QN-QO)](7)

③按最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)進(jìn)行調(diào)壓后節(jié)省的電量計(jì)算按式(4)、式(5)和式(6)進(jìn)行,計(jì)算結(jié)果示于表2。

(2)降壓起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性估算

由電動(dòng)機(jī)的原始數(shù)據(jù)得知,電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí),起動(dòng)參數(shù)如下:起動(dòng)電流IK=5.53IN,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩MK=0.824MN。

①采用降壓起動(dòng)時(shí),調(diào)壓系數(shù)KU的確定:KU=(8)

式中:Un為電動(dòng)機(jī)電壓,V;

UN為電動(dòng)機(jī)額定電壓,UN=6.0kV

Mn為生產(chǎn)機(jī)械要求的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,當(dāng)采用輕載起動(dòng)方式時(shí),Mn≥0.2MN。代入有關(guān)數(shù)據(jù),得KU==0.493。

②采用降壓起動(dòng)時(shí),起動(dòng)參數(shù)計(jì)算

起動(dòng)電流In=KU·IK=2.72IN

起動(dòng)電壓Un=KU·UN=0.493UN=2960V

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mn=KU2·MK=0.2MN

③降壓起動(dòng)的節(jié)電效果計(jì)算

直接起動(dòng)時(shí)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率QK為[1]QK=(9)

代入相關(guān)數(shù)據(jù),得QK=

=10631.6kvar

降壓起動(dòng)時(shí)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率Qn為[1]Qn=(10)

代入相關(guān)數(shù)據(jù),得Qn=

=2579.7kvar

節(jié)約的無(wú)功功率△Qn為:

△Qn=QK-Qn=8052.1kvar

電網(wǎng)傳輸△Qn所消耗的有功功率△Pn為:

△Pn=KQ·△Qn=0.06×8052.1=483.1kW

降壓起動(dòng)的無(wú)功節(jié)電率λ為:λ=×100%=×100%=75.7%

4異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速

異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速屬低效調(diào)速方式,因?yàn)樵谡{(diào)速過(guò)程中始終存在轉(zhuǎn)差損耗,因此調(diào)壓調(diào)速有很大的限制,不是任何一臺(tái)普通的籠型電機(jī)加上一套晶閘管調(diào)壓裝置,就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的。

首先必須改變電動(dòng)機(jī)的外特性,新的外特性必須使電動(dòng)機(jī)有一個(gè)寬廣的穩(wěn)定的調(diào)速范圍。一般要采用高轉(zhuǎn)差率電機(jī),交流力矩電機(jī)或在繞線式電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻的方法,并且要加上轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,才能進(jìn)行穩(wěn)定的調(diào)速。

其次是要將調(diào)速過(guò)程中由于轉(zhuǎn)差功率引起的轉(zhuǎn)子的溫升很好地導(dǎo)出機(jī)外,才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。這里可采取旋轉(zhuǎn)熱管結(jié)構(gòu),也可采取特殊風(fēng)道冷卻結(jié)構(gòu),都是行之有效的方法。

在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的今天,變頻調(diào)速裝置的價(jià)格已不再昂貴的情況下,再考慮調(diào)壓調(diào)速,似乎已無(wú)多大的現(xiàn)實(shí)意義了。

5智能馬達(dá)優(yōu)化控制器(IMOC系列)

在對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)和優(yōu)化節(jié)電技術(shù)長(zhǎng)期深入研究的基礎(chǔ)上,研制成功了智能馬達(dá)優(yōu)化控制器(IMOC系列),適配電機(jī)功率從5.5kW~110kW。

該控制器采用了16位馬達(dá)控制專(zhuān)用單片微處理器Intel80C196MC,具有完善的檢測(cè)控制功能;主功率器件則采用具有世界高技術(shù)水平的專(zhuān)利產(chǎn)品——集成移相調(diào)控晶閘管模塊,該模塊突破以往晶閘管模塊的概念,將復(fù)雜的移相控制電路與晶閘管管芯創(chuàng)造性地集成為一體,組成一個(gè)完整的電力移相調(diào)控的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。用它組成的控制器,不但使體積大大縮小,而且增加了設(shè)備的可靠性和抗干擾的能力。

在技術(shù)上更是集眾家之長(zhǎng),并大大突破國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的功能,除了起動(dòng)保護(hù),優(yōu)化節(jié)電外,還增加了風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載的調(diào)速功能,抽油機(jī)間歇工作節(jié)電功能,無(wú)功功率就地補(bǔ)償功能。尤其是完善的保護(hù)功能:過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)負(fù)載、短路、接地、缺相、相間不平衡及功率模塊超溫和電機(jī)超溫保護(hù)等功能,是電機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保護(hù)神。該控制器具有以下功能特點(diǎn):

(1)16位微電腦智能化控制,鍵盤(pán)設(shè)定,數(shù)碼顯

示,操作簡(jiǎn)單直觀;

(2)軟起動(dòng),軟停車(chē)功能,有效減小起動(dòng)沖擊;

(3)優(yōu)化馬達(dá)運(yùn)行方式,節(jié)電、改善功率因數(shù);

(4)風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載的調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)控制功能;

(5)具有泵控制功能,可避免或減小液流喘振和

“水錘”效應(yīng);

(6)具有相平衡和電源電壓自動(dòng)補(bǔ)償功能;

(7)具有完善的保護(hù)、報(bào)警功能;

(8)起動(dòng)方式、起動(dòng)電壓、起動(dòng)電流、額定電流及

負(fù)載類(lèi)型等參數(shù)均可設(shè)定;

(9)具有遠(yuǎn)方控制及聯(lián)網(wǎng)通訊功能;

(10)自診斷功能。

經(jīng)過(guò)在不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期使用,取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

6結(jié)論

(1)電子式軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,較之傳統(tǒng)的△/Y起動(dòng)器,自耦變壓器起動(dòng)器具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)噪音、重量輕、體積小,起動(dòng)電流及起動(dòng)時(shí)間可控制,起動(dòng)過(guò)程平滑等優(yōu)點(diǎn),并且維護(hù)工作量小。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí),節(jié)能效果顯著,特別適用于短時(shí)滿載,長(zhǎng)時(shí)間空載的負(fù)載。

(2)對(duì)于高轉(zhuǎn)差電機(jī),實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī),力矩電機(jī)等,尤其是在帶風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載時(shí),有較好的調(diào)速性能,但不適用于普通的籠型電機(jī)調(diào)速。

(3)采用智能控制器,具有完善的電機(jī)保護(hù)功能,保護(hù)整定值設(shè)置方便,保護(hù)性能可靠。

(4)其最大缺點(diǎn)是由于采用晶閘管移相控制,故對(duì)電網(wǎng)及電機(jī)均存在諧波干擾。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專(zhuān)欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車(chē)的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車(chē)技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車(chē)工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車(chē)。 SODA V工具的開(kāi)發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車(chē) 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開(kāi)幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉