濟南第一機床廠 劉 森 陳冰雪

微計算機控制三相電動機節(jié)電器在機床行業(yè)的應(yīng)用

濟南第一機床廠 劉 森 陳冰雪

三相電動機是工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的能源動力設(shè)備。2013年我國電動機保有量達到17億kW，80%以上是低效電動機，與國外對比電動機效率低3%～5%、系統(tǒng)運行效率低10%～20%。2014年我國電動機耗電約為3萬億kW·h，占全國用電總量的64%和工業(yè)用電量的75%。故專家指出：“我國節(jié)能的重點是工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能，而工業(yè)領(lǐng)域中，三相電動機的節(jié)能又是重中之重?！?/p>

目前，采用的稀土永磁節(jié)能電動機、變頻調(diào)速電動機和可控硅觸發(fā)角電動機節(jié)電效果達20%，但價格是普通電動機的3～6倍，不易普及；高效節(jié)能電動機略貴，節(jié)電效果不理想。

北京優(yōu)爾特科技股份有限公司于2011年研究開發(fā)了節(jié)電效能高（普通車床節(jié)電40%～50%，數(shù)控機床節(jié)電20%～25%），價格具有競爭力，同時具備電子剎車功能和柔性啟動功能的“微計算機控制三相電動機節(jié)電器”。該節(jié)電器適用于三相異步電動機為動力的機床、電梯、抽油機、注塑機、輸送機、粉碎機、鉆探機、面粉機、制磚機、風機、水泵以及空氣壓縮機等機械設(shè)備。

該節(jié)電器已使用在寶雞機床集團公司、寶雞鑫旺機械廠、寶雞蔡家坡唯立機械公司、咸陽市周陵機械廠、咸陽市機械廠、陜西漢中機械修造廠、甘肅天水機械制造廠、杭州愛科機械公司、江蘇儀征技師學院、江蘇真州建筑公司和北京古達儀表有限公司等十幾家企業(yè)的數(shù)百臺普通機床、CJK經(jīng)濟型數(shù)控機床、銑床和立式鉆床上，為批量生產(chǎn)的新型節(jié)能機床配套，并為舊機床進行節(jié)能改造，最長使用時間超過四年。

技術(shù)原理

星三轉(zhuǎn)換是一種傳統(tǒng)的電動機起動技術(shù)，即電動機起動階段為星形接法，運轉(zhuǎn)階段改為三角形接法。

我們自主研發(fā)的電動機瞬態(tài)有功負載自動測控星三轉(zhuǎn)換節(jié)電技術(shù)，在國內(nèi)外首次成功地將星三轉(zhuǎn)換應(yīng)用于電動機運轉(zhuǎn)階段。即電動機啟動階段連接“星形”，運轉(zhuǎn)階段并不轉(zhuǎn)為“三角形”，而是轉(zhuǎn)入實時監(jiān)控、自動調(diào)整狀態(tài)。當監(jiān)控到實時負載小于電動機額定功率1/3以下，自動適配為星形接法，即“小馬拉小車”；當監(jiān)控到實時負載大于電動機額定功率1/2以上，自動轉(zhuǎn)入三角形接法，即“大馬拉大車”。如此不斷自動監(jiān)控跟蹤的結(jié)果，令電動機的星形或三角形接法總是隨著設(shè)備的負載輕重自動適配。

機床在設(shè)計電動機容量時，是以將來能夠遇到的最大可能性負載為依據(jù)。從概率論的角度出發(fā)，在實際生產(chǎn)中機床的多數(shù)時段處于輕載狀態(tài)，少數(shù)工況處于重載狀態(tài)。于是機床電動機運行中原設(shè)計的穩(wěn)定三角形接法，多數(shù)時段便形成“大馬拉小車”的能源浪費。節(jié)電技術(shù)令機床電動機多數(shù)輕載時段自動連接星形，少數(shù)重載時段自動連接三角形。由于星形狀態(tài)下電動機電流僅有三角形狀態(tài)的1/3，因而產(chǎn)生的無效熱損耗也僅有三角形狀態(tài)下的1/3，節(jié)省了近2/3的無效熱損耗用電，減少了機床按照最大可能性能耗設(shè)計電動機動功率所造成的能源浪費。

該技術(shù)與變頻器相比，變頻器適用于電動機轉(zhuǎn)速可調(diào)的設(shè)備范圍，節(jié)電器適用于無須電動機變速的設(shè)備范圍，各有不同的適用領(lǐng)域。

關(guān)鍵技術(shù)

1. 瞬態(tài)有功功率測量模塊

該節(jié)電器在星三轉(zhuǎn)換原理基礎(chǔ)上，自主研發(fā)出國內(nèi)獨創(chuàng)的取樣信號——瞬態(tài)有功功率測量模塊，用于精確測量電動機瞬態(tài)負載功率，測量周期快達15ms（毫秒），測量精度高達千分之一，以控制星形與三角形準確地自動切換。

該關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了節(jié)電器的第一節(jié)電途徑：電動機瞬態(tài)有功負載自動測控星三轉(zhuǎn)換節(jié)電。

2. 電動機起動識別模塊

該模塊自動檢測電動機啟動完成時間點，啟動完成后迅速進入“節(jié)電運行監(jiān)控狀態(tài)”，以對隨時發(fā)生的負載變化工況做出快速反應(yīng)。以此技術(shù)，實現(xiàn)了普通機床只在有效切削時段電動機運轉(zhuǎn)，非切削的輔助時段電動機停轉(zhuǎn)，從而又節(jié)省了部分電能。

該關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了電動機柔性啟動功能及節(jié)電器的第二節(jié)電途徑：設(shè)備輔助時段電動機停轉(zhuǎn)節(jié)電。

3. 剎車電流、時間和轉(zhuǎn)速三重自動反饋模塊

一是穩(wěn)定剎車力量；二是通過該模塊自動識別剎車結(jié)束時間同步停止剎車使能；三是實時監(jiān)控主軸轉(zhuǎn)速，向軟件模塊提供自動控制的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

該關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了節(jié)電器的電子剎車功能。

圖1　計算機控制三相電動機通用節(jié)電器基本結(jié)構(gòu)圖

輔助技術(shù)

1. 電動機規(guī)格識別軟件模塊

使用本機操作面板上的顯示屏與按鍵，只要輸入該設(shè)備電動機銘牌上標定的額定功率與額定電流二項數(shù)據(jù)，計算機所有軟件程序就自動按此數(shù)據(jù)運行。以此技術(shù)，本節(jié)電器可自動適配4~315kW范圍內(nèi)的任一款三相異步電動機。

2. 電動機保護功能軟件模塊

具有電流過大報警、電子熱繼電器報警、電路斷線報警、電壓過高報警、電壓過低報警、缺相報警、相序正反報警、溫度監(jiān)控報警等電動機保護功能軟件模塊。一旦發(fā)生任一種危險，計算機立即切斷強電，同時給出報警代號指示問題所在。

3. 電動機起動與運行靜音軟件模塊

清除了電動機起動或運行中瞬時有功負載處于臨界狀態(tài)的頻繁跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象，幾乎全部處于靜音運行。

4. 故障一鍵恢復按鈕功能

節(jié)電器一旦損壞，只要按下故障一鍵恢復按鈕，機床便與節(jié)電器分離，改為不節(jié)電的原先強電電路運行，不耽誤生產(chǎn)企業(yè)機床使用。

實體結(jié)構(gòu)、電路

節(jié)電器長0.10m、寬0.24m、高0.13m，質(zhì)量是1.2kg。

主要技術(shù)指標

電源范圍： 380V +10% ～–15% （320～420V）。

電動機范圍：4～315kW三相異步電動機。

負載特性：適配于平均負載率小于40%的設(shè)備。

節(jié)省有功電能：應(yīng)用于普通車床節(jié)省有功電能40%～50%；應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控機床，節(jié)省有功電能20%～25%。

節(jié)省無功電能：應(yīng)用于普通機床和經(jīng)濟型數(shù)控機床，節(jié)省無功電能60%以上。

信號精度：有功功率瞬態(tài)測量模塊取樣電動機信號精度0.1%，沒有其他附加誤差，可精確控制電動機星三轉(zhuǎn)換節(jié)電的穩(wěn)定運行。

圖2　計算機控制三相電動機通用節(jié)電器總成結(jié)構(gòu)圖

技術(shù)鑒定、獲獎情況

（1）獲得六個實用新型專利和兩個軟件著作權(quán)，兩個發(fā)明專利已通過初審。

（2）入選北京市發(fā)改委《北京市2014年節(jié)能低碳技術(shù)產(chǎn)品推薦目錄》（京發(fā)改（2014）1231號）。

（3）入選國家發(fā)改委2015年《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》。

（4）2015年獲得國家質(zhì)檢總局中國質(zhì)量認證中心的“節(jié)能技術(shù)認定證書”（CQC認證）。

（5）獲得北京市科委、北京市發(fā)改委等六家單位核發(fā)的2015年“新技術(shù)新產(chǎn)品（服務(wù)）認定”證書。

圖3　電路流程圖

（6）分別獲得北京節(jié)能環(huán)保中心的《節(jié)能測試報告》和陜西西安節(jié)能監(jiān)察監(jiān)測中心為寶雞機床廠等兩家使用節(jié)電器單位出具的《節(jié)能測試報告》。

（7）公司獲得ISO9001認證和高新技術(shù)企業(yè)認證。

產(chǎn)品特點及優(yōu)勢

1. 回轉(zhuǎn)直徑≥400mm的普通車床有兩種節(jié)電途徑，節(jié)電率高

安裝該節(jié)電器前，原機床電動機額定功率7.5kW，運轉(zhuǎn)時一直處于三角形連接；安裝節(jié)電器后，電動機運轉(zhuǎn)時多數(shù)工況下自動處于星形連接。通過電動機瞬態(tài)有功負載自動測控星三轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)20%左右的節(jié)電率，為第一節(jié)電途徑。

西安節(jié)能監(jiān)察監(jiān)測中心為使用節(jié)電器的兩家單位進行節(jié)能測試，出具的《測試報告》顯示第一節(jié)電途徑的節(jié)電情況如下：

寶雞機床集團公司，一臺機床單位時間節(jié)電0.46kW·h，負載工況下，節(jié)電率達到39.32%。咸陽周陵機械修造廠，一臺機床單位時間節(jié)電0.5kW·h，負載工況下，節(jié)電率達到31.45%。

國產(chǎn)C6140~C61100等規(guī)格普通車床，上班開機主電動機連續(xù)運轉(zhuǎn)8h，即上活、下活、測量、換刀等輔助工序電動機仍舊處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)。這些輔助工序，約占20%的工作時間。安裝節(jié)電器后，電動機輔助工時持續(xù)運轉(zhuǎn)改為電動機停轉(zhuǎn)，又節(jié)省20%左右的用電，形成第二節(jié)電途徑。

該《測試報告》顯示第二節(jié)電途徑的節(jié)電情況如下：

寶雞機床集團公司，一臺機床單位時間節(jié)電0.81kW·h，空載工況下，節(jié)電率達到64.29%。咸陽周陵機械修造廠，一臺機床單位時間節(jié)電0.98kW·h，空載工況下，節(jié)電率達到66.22%。

《測試報告》結(jié)論：“寶雞機床集團公司，每小時節(jié)電0.56kW·h，綜合節(jié)電率達到46.67%。咸陽周陵機械修造廠，每小時節(jié)電0.65kW·h，綜合節(jié)電率達到41.67%?！?/p>

兩家公司平均綜合節(jié)電率達到44.17%。兩種節(jié)電途徑的疊加結(jié)果令其綜合節(jié)電率達到很高的數(shù)值。

通常情況下，電動機額定功率越大節(jié)能效果越顯著。

2. 三位一體的多功能節(jié)電器屬國內(nèi)首創(chuàng)

該節(jié)電器除了節(jié)電功能外，還兼具電子柔性啟動與電子剎車制動這二項功能，是具有三位一體功能的節(jié)電器，為北京優(yōu)爾特公司自主創(chuàng)新的技術(shù)產(chǎn)品，目前國內(nèi)獨一無二，為國內(nèi)同行業(yè)的技術(shù)領(lǐng)先性產(chǎn)品。

3. 具有高度穩(wěn)定性的通用節(jié)電器

優(yōu)爾特公司研發(fā)的整套計算機邏輯控制體系，通過集成信號采集、人機界面、軟件模塊、控制電路等智能化控制技術(shù)，使之適配機床主軸的柔性啟動、節(jié)電運行、電子剎車等實用操控功能。具有高度的穩(wěn)定性，無須現(xiàn)場派人調(diào)試參數(shù)，特別適合機床制造廠形成新型節(jié)能機床的大批量生產(chǎn)。

該節(jié)電器也適用于只有單一轉(zhuǎn)速或者幾個相近轉(zhuǎn)速，或傳動系統(tǒng)簡潔，或負載大小變化甚少，諸如電梯、抽油機、皮帶輸送機、粉碎機、注塑機、鉆探機、空氣壓縮機等簡單機械的節(jié)電配套。

4. 將回轉(zhuǎn)直徑≥400mm普通機床剎車和柔性摩擦離合機構(gòu)變?yōu)橛嬎銠C控制的運轉(zhuǎn)系統(tǒng)

普通機床原有剎車和柔性啟動均為摩擦離合機械機構(gòu)，由于機械磨損功能逐漸劣化，需要經(jīng)常人工保養(yǎng)、維修和調(diào)整。安裝該節(jié)電器后，替換掉構(gòu)成原剎車制動和摩擦離合啟動的38種機械零配件，原機械結(jié)構(gòu)變?yōu)橛嬎銠C控制的智能化技術(shù)結(jié)構(gòu)，免除了日常保養(yǎng)、維修和調(diào)整工作量，極大地提高了機床的穩(wěn)定性，也不改變工人以往操作機床的習慣。

5. 性價比高

該節(jié)電器應(yīng)用于中功率電動機每千瓦售價100元，應(yīng)用小功率電動機每千瓦售價200~300元。

配套機械式柔性啟動與剎車系統(tǒng)的C6140~C61100普通車床和CJK6140~6266經(jīng)濟型數(shù)控機床，采用該節(jié)電器替換原機械系統(tǒng)后，增加了節(jié)電功能，不新增生產(chǎn)企業(yè)成本，還節(jié)約了原結(jié)構(gòu)因機械磨損產(chǎn)生的日常維修費用。

該節(jié)電器安裝在普通機床上，雙重節(jié)電途徑的疊加使之平均節(jié)電率達到40%~50%的高效。用戶改造回轉(zhuǎn)直徑≥400mm普通機床，年節(jié)約電費1 500~2 000元，當年回收改造費用。

與國內(nèi)同類節(jié)電器比較，該節(jié)電器性價比好，具有價格優(yōu)勢，節(jié)能又節(jié)錢，企業(yè)投資回收期短，具有良好的市場競爭力。

采用該節(jié)電器可解決國內(nèi)數(shù)以千萬臺在使用的普通三相電動機機械設(shè)備的節(jié)能問題，避免了淘汰現(xiàn)有高耗能電動機造成的巨大浪費，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

采用不產(chǎn)生任何新諧波分量的結(jié)構(gòu)設(shè)計。□

作者簡介：劉森，原濟南一機床集團有限公司副總經(jīng)理；陳冰雪，北京優(yōu)爾特科技股份有限公司總工程師。