王歡,孫向瑞

(1.黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)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(jī)因其可靠耐用、維修方便、價格便宜而被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制及各種電氣傳動領(lǐng)域中。近些年隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加深,單機(jī)容量也在不斷的加大,這使得高壓異步電動機(jī)被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。從電動機(jī)的使用數(shù)量看,三相異步電機(jī)約占電機(jī)總使用量的72%。我國電動機(jī)總耗電量約占國內(nèi)總裝機(jī)量的65%以上,而運(yùn)行效率卻大大低于發(fā)達(dá)國家的30%,因此我國異步電動機(jī)的節(jié)能研究具有十分重要的意義。目前高壓異步電動機(jī)的節(jié)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(jī)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(jī)本身節(jié)能調(diào)速范圍不是很寬的設(shè)備,使用高壓變頻器不僅污染了電網(wǎng),而且還帶來高昂的投資與沉重的維護(hù)工作,如果能夠設(shè)計一種實時監(jiān)測電機(jī)負(fù)載率并根據(jù)負(fù)載情況隨時調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓的設(shè)備即可實現(xiàn)電機(jī)的輕載節(jié)能,而開關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟啟動裝置就可通過調(diào)整本身工藝控制方式而實現(xiàn)該功能。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成及基本原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1給出了開關(guān)變壓器組成的異步電機(jī)節(jié)能控制器系統(tǒng)的一般構(gòu)成。

系統(tǒng)在原有軟啟動裝置的基礎(chǔ)上增加了電機(jī)功率因數(shù)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(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Construction of system

2.2 調(diào)壓原理

當(dāng)加上電壓時(SCR未通),TK原邊和電機(jī)D上得到電壓,由于TK的空載電流遠(yuǎn)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(dāng)SCR控制極加上觸發(fā)電壓時,SCR導(dǎo)通,比如從α角處導(dǎo)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(dāng)改變控制角α?xí)r(比如前移),則u2變小,u1變小,ud加大。這樣,連續(xù)調(diào)節(jié)α由大到小,則ud連續(xù)由小到大,完成調(diào)壓過程。

圖2 調(diào)壓原理Fig.2 Principle of voltage regulator

3 控制策略

由電機(jī)學(xué)可知實時檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號作為系統(tǒng)閉環(huán)控制的反饋量,對于大多數(shù)高壓大型異步電動機(jī)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(jī)運(yùn)行情況的參數(shù),同時在原有電路上不做大的硬件改動,而異步電動機(jī)的功率因數(shù)角恰恰反映了電機(jī)的運(yùn)行情況,即反映了電機(jī)負(fù)載的大小變化情況,所以利用異步電動機(jī)的這一特性進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速節(jié)能控制。

根據(jù)晶閘管調(diào)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(jī)的續(xù)流作用,而電機(jī)續(xù)流角的變化規(guī)律決定于它的功率因數(shù)角,且該續(xù)流角便于實際測量,我們可以利用系統(tǒng)現(xiàn)有的電機(jī)電流及電壓反饋信號,計算出電機(jī)的功率因數(shù)角?？刂撇呗钥刹捎米钚」β室驍?shù)角或恒功率因數(shù)角等,圖3給出了電機(jī)調(diào)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(fā)延遲角,φ為可測功率因數(shù)角,θ為電流斷續(xù)角,有φ=α-θ?？梢岳糜嬎愕玫降墓β室驍?shù)角調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角,這樣可以維持電機(jī)電壓電流相位在需要的水平上。無論電機(jī)是在何種運(yùn)行狀態(tài)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(diào)整電機(jī)來調(diào)整電機(jī)的有功分量,達(dá)到減小電機(jī)輸入功率的目的。

4 主要硬件電路設(shè)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(nèi)計算可得功率因數(shù)角,用以實現(xiàn)功率控制。

圖4 過零檢測Fig.4 Zero-crossing detection

4.2 核心控制器設(shè)計

基于高壓系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的原則,本系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)換單元,具體測控圖如圖5所示。

通過電機(jī)功率因數(shù)角的計算,我們還可以消除電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩震蕩的弊端。

圖5 核心控制器Fig.5 Core controller

5 結(jié)論

使用該裝置對7.5 kW/15 A的通風(fēng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了輕載調(diào)壓節(jié)能實驗,在電動機(jī)輕載運(yùn)行時(將風(fēng)機(jī)風(fēng)門關(guān)半),通過晶閘管的移相控制降低電機(jī)機(jī)端電壓,提高電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)。當(dāng)電機(jī)重載運(yùn)行時(將風(fēng)門完全打開),負(fù)載發(fā)生變化,控制系統(tǒng)自動調(diào)整升高機(jī)端電壓,節(jié)能效果較明顯。

對某企業(yè)250kW/10 kV通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了高壓電機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制,該通風(fēng)機(jī)在全壓運(yùn)行時有功功率為49.063 kW,無功功率為144.525 kvar,功率因數(shù)為0.35,使用該節(jié)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(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果,具有一定的推廣價值。

[1]李忠臣,安繼民,陳民,等,基于開關(guān)變壓器技術(shù)的中壓(3～10 kV)電機(jī)軟啟動裝置[J].電氣傳動,2003,33(1):19-21.

[2]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3]M.G.SAY.交流電機(jī)[M].錢慶鑣,譯.北京:中國計量出版社,2000.

[4]張浩.異步電機(jī)軟啟動器軟件的面向?qū)ο笤O(shè)計[J].電氣傳動,2003,33(1):30-33.

[5]王葆華,陳密,高強(qiáng),等.一種晶閘管閥組高壓側(cè)觸發(fā)能量耦合獲取單元[J].電力電子技術(shù),2009(1):46-48.

[6]甘世紅,田展飛,吳燕翔,等.交流異步電動機(jī)輕載運(yùn)行節(jié)能的研究[J].電力電子技術(shù),2009(11):41-42.