馬海峰，梁 翀，陳小貴，姚建凱，馮可良

（1.廣西電網(wǎng)公司，南寧 550023；2.廣西云涌科技有限公司，南寧 550023）

當(dāng)前電機(jī)節(jié)電技術(shù)種類(lèi)繁多，主要可分為三大類(lèi)[1]：一類(lèi)是以減少無(wú)功損耗為主的利用電力電容進(jìn)行集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償、就地補(bǔ)償降低無(wú)功損耗的節(jié)能方式；第二類(lèi)是以消除電網(wǎng)諧波、瞬變，降低線路和設(shè)備損耗的節(jié)能方式；三是根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作狀況，利用變頻器改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)變頻調(diào)速代替閥門(mén)或檔板調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能，變頻器在風(fēng)機(jī)、水泵上的節(jié)電效果較為突出，可達(dá)10%～60%，但變頻器[3][4]大量使用影響電網(wǎng)質(zhì)量，可能因而受到限制。而“智能負(fù)載跟蹤節(jié)電裝置”是優(yōu)于上述3類(lèi)節(jié)電技術(shù)，并集智能負(fù)載跟蹤調(diào)節(jié)、改善電能質(zhì)量和恒速變速自由設(shè)置于一體的多功能綠色節(jié)電裝置。

智能負(fù)載跟蹤電動(dòng)機(jī)節(jié)電裝置是基于雙脈寬調(diào)節(jié)（PWM）變流調(diào)節(jié)的一種新產(chǎn)品[5]，由電流監(jiān)測(cè)單元、微型處理器（CPU）、整流和逆變等相關(guān)控制模塊所組成，是先進(jìn)的微電子技術(shù)和半導(dǎo)體材料技術(shù)的應(yīng)用，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能跟蹤、電機(jī)保護(hù)及節(jié)電等多重功能。

通過(guò)實(shí)踐證明，該技術(shù)在變載式電機(jī)綜合節(jié)電改造方面效果突出，如：粉碎機(jī)、擠壓機(jī)、砂光機(jī)、削片機(jī)、沖壓機(jī)、注塑機(jī)等有輕重載特性的、沖擊性負(fù)荷的電機(jī)。在傳統(tǒng)變頻調(diào)速無(wú)法適用的場(chǎng)合，應(yīng)用該技術(shù)有顯著的節(jié)能效果，填補(bǔ)了恒速下電動(dòng)機(jī)節(jié)能的應(yīng)用空白。

1 智能負(fù)載跟蹤技術(shù)節(jié)電原理

1.1 原理概述

智能負(fù)載跟蹤節(jié)電技術(shù)采用雙PWM變流技術(shù)[2]，以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，分為PWM整流器和PWM逆變器2部分，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)智能化負(fù)載跟蹤調(diào)節(jié)、改善電能質(zhì)量、恒速或調(diào)速自由設(shè)置等功能的融合，真正實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的綠色高效運(yùn)行。圖1為智能負(fù)載跟蹤技術(shù)系統(tǒng)圖。

圖1 智能負(fù)載跟蹤技術(shù)系統(tǒng)圖

1.2 雙PWM變換器原理

雙PWM結(jié)構(gòu)中整流橋和逆變橋都采用全控的IGBT管[3]，由于IGBT管的全控性，可任意控制其關(guān)斷，這樣當(dāng)出現(xiàn)能量回饋時(shí)，能進(jìn)行快速關(guān)斷，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)快速四象限運(yùn)行。通過(guò)PWM整流控制，可以實(shí)現(xiàn)整流環(huán)節(jié)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，運(yùn)行于單位功率因數(shù)，且能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。電壓型PWM可逆整流器采用全控器件，器件工作在高頻狀態(tài)，用高速度、高運(yùn)算能力的DSP產(chǎn)生PWM控制脈沖，由于開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷均是可控的，所以PWM整流器的電流波形也是可控的，其理想狀態(tài)是交流輸入電壓和電流可保持同相位或反相位，即整流時(shí)為同相位，逆變時(shí)為反相位。此時(shí)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)近似為1，輸入電流的諧波含量接近零，消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。由于PWM整流器采樣直流輸出電，因此還能對(duì)直流電壓進(jìn)行調(diào)整，在負(fù)載變化時(shí)，具有較快的響應(yīng)速度，使直流輸出電壓穩(wěn)定在一定的設(shè)定值。

因此，采用雙PWM整流器取代傳統(tǒng)交—直—交變頻器中不可控整流部分[5][6]，不僅克服了傳統(tǒng)變頻器的缺點(diǎn)，還具有網(wǎng)側(cè)電流為正弦波、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)近似為1、較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、易于模塊化、易于冗余設(shè)計(jì)和電能雙向傳輸?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)。

1.3 雙PWM整流和逆變

PWM整流器是一個(gè)交、直流側(cè)可控的四象限運(yùn)行的變流器。PWM整流器模型電路如圖2所示，它由交流回路、功率開(kāi)關(guān)管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動(dòng)勢(shì)e以及網(wǎng)側(cè)電感L等；直流回路包括負(fù)載電阻R及負(fù)載電動(dòng)勢(shì)等；功率開(kāi)關(guān)管橋路可由電壓型或電流型橋路組成。

圖2 PWM整流器模型電路

由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得IV=Idc×Vdc，因此，通過(guò)模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之亦然。

1.4 節(jié)電的實(shí)現(xiàn)

智能負(fù)載跟蹤節(jié)電器系統(tǒng)采用交—直—交間接PWM轉(zhuǎn)換方式[3]。三相幅值為80 V的交流電經(jīng)電感進(jìn)入PWM整流器，轉(zhuǎn)換為300 V左右直流電，然后進(jìn)入PWM逆變器，通過(guò)逆變器把直流電轉(zhuǎn)換為要求的一定頻率、電壓幅值的三相正弦交流電，實(shí)現(xiàn)雙PWM的既定功能。

整流器主電路采用三相橋式PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7][8]，逆變器主電路采用三相橋式PWM逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交流側(cè)輸入和交流側(cè)輸出的主電路完全對(duì)稱(chēng)。整流電路主要實(shí)現(xiàn)整流的功能，也兼具向電網(wǎng)逆變饋能的功能。逆變電路主要實(shí)現(xiàn)逆變輸出，也兼具把負(fù)載所產(chǎn)生的電能整流往直流電路中輸送的功能。

在節(jié)電器運(yùn)行過(guò)程中，PWM全控器件[2,4]在高頻狀態(tài)，產(chǎn)生高速度PWM控制脈沖，利用開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷的全控性，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在交流輸入電壓和電流保持同相位或反相位的理想狀態(tài)，此時(shí)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)近似1，大大提高電能利用率，從而降低有功功率。同時(shí)，輸入電流的諧波含量接近零，從而消除了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。另外，雙PWM具有可對(duì)直流電壓進(jìn)行調(diào)整的特性，在負(fù)載變化時(shí)，具有較快的響應(yīng)速度，使直流輸出電壓穩(wěn)定在一定的設(shè)定值，從而保證設(shè)備穩(wěn)定安全的工作。同樣，以上功能模塊也可根據(jù)面板設(shè)置，實(shí)現(xiàn)智能負(fù)載跟蹤節(jié)電器的變頻調(diào)速運(yùn)行及節(jié)電功能。

2 智能負(fù)載跟蹤節(jié)電裝置的性能特點(diǎn)

2.1 節(jié)電方式

（1）減速調(diào)節(jié)+智能負(fù)載跟蹤調(diào)節(jié)

電動(dòng)機(jī)負(fù)載減輕時(shí)，普通變頻器通過(guò)降速的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能。智能負(fù)載跟蹤節(jié)電技術(shù)則在變頻減速的同時(shí)，還能夠根據(jù)負(fù)載的變化反饋，實(shí)時(shí)在線調(diào)整電機(jī)的輸入電壓、電流，自動(dòng)調(diào)節(jié)為最佳輸入功率，提高功率因數(shù)，在減速節(jié)電的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步跟蹤負(fù)載節(jié)省電能。

（2）恒速+智能負(fù)載跟蹤調(diào)節(jié)

電動(dòng)機(jī)在不允許調(diào)速的工作條件下，智能負(fù)載跟蹤節(jié)電技術(shù)能通過(guò)自動(dòng)跟蹤負(fù)載，全范圍內(nèi)實(shí)時(shí)在線調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸入電壓、電流，保持電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)間，從而降低輸入功率，提高功率因數(shù)，在保證滿(mǎn)足工況要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)電降耗。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

實(shí)現(xiàn)了負(fù)載跟蹤節(jié)電、改善電能質(zhì)量的綜合效果。節(jié)電效果顯著，節(jié)電率達(dá)10%～60%，比傳統(tǒng)技術(shù)節(jié)電率高。0.01 s快速跟蹤負(fù)載的變化，有效實(shí)現(xiàn)沖擊性負(fù)載的高效節(jié)能。適用范圍廣，滿(mǎn)足調(diào)速和不調(diào)速的電動(dòng)機(jī)節(jié)能需求。

3 實(shí)施及應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)22 kW粉碎機(jī)上的應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出節(jié)電率為32.8%，平均每小時(shí)節(jié)電量4.92 kWh，按照設(shè)備全年運(yùn)行7 200 h計(jì)算，年節(jié)電量約3.54萬(wàn) kWh，電價(jià)以0.7元/kWh計(jì)，年節(jié)約電費(fèi)2.48萬(wàn)元。同時(shí)電動(dòng)機(jī)電能質(zhì)量也得到了很好的改善。運(yùn)行測(cè)試分析數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 22 kW粉碎機(jī)改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了智能負(fù)載跟蹤技術(shù)的節(jié)電原理及特點(diǎn)，并對(duì)該技術(shù)在飼料行業(yè)粉碎機(jī)上的應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比分析，體現(xiàn)了良好的節(jié)電效果。應(yīng)用證明，采用雙PWM變流調(diào)節(jié)方式，以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的智能負(fù)載跟蹤技術(shù)，在變載式電動(dòng)機(jī)綜合節(jié)能改造上具有良好的節(jié)電效果。結(jié)合“十二五”期間節(jié)能減排形勢(shì)的要求，變載式電動(dòng)機(jī)設(shè)備的節(jié)能需求將更為突出，智能負(fù)載跟蹤技術(shù)在變載式電動(dòng)機(jī)綜合節(jié)能改造上也將發(fā)揮重要作用。

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