龔亮
摘? ?要:電力作為被廣泛應(yīng)用的能源之一,在電氣設(shè)備種類多樣化的背景下,電力能源需求日益增加,按照電力生產(chǎn)具體情況,適當(dāng)運用節(jié)能技術(shù),可降低電機負載,實現(xiàn)節(jié)能。簡述各類節(jié)能電機的發(fā)展,從控制線路、同步電機兩方面闡述電力拖動問題,進而提出對應(yīng)的解決策略。
關(guān)鍵詞:節(jié)能電機;電力拖動;控制線路;同步電動機
機電拖動系統(tǒng)主要由電動機、電源、控制設(shè)備以及工作機構(gòu)組成,發(fā)電機為重要部件。同時,電力拖動常應(yīng)用在電力生產(chǎn)、機械生產(chǎn)以及冶金等行業(yè)當(dāng)中,為行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展使用的重要傳動方式。在電力拖動過程中,節(jié)能技術(shù)應(yīng)用廣泛,因此,分析拖動工程中的節(jié)能技術(shù)具有現(xiàn)實意義。
1? ? 節(jié)能電機發(fā)展現(xiàn)狀
當(dāng)前,我國機電產(chǎn)業(yè)在機電生產(chǎn)、使用等過程主要遵循GB 18613—2012和GB 30254—2013等標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合工業(yè)部頒發(fā)的《落后機電設(shè)備淘汰》目錄監(jiān)察企業(yè)行為、管理過程,檢查機電生產(chǎn)相關(guān)信息,對難以達到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)以及限定值等的低效能電機進行停運。同時,核查相關(guān)企業(yè)機電設(shè)備使用情況,及時淘汰低效能的電機。2015年,國家頒發(fā)《中國制造2025》,其中重點指明加大力度研發(fā)綠色產(chǎn)品,淘汰落后的機電產(chǎn)品以及相關(guān)運營技術(shù),同年,國家工信部聯(lián)合質(zhì)檢局共同印發(fā)了《提升管機電效能計劃》,致力于實現(xiàn)機電節(jié)能量1.7億kW,淘汰1.6億kW的低效機電設(shè)備[1]。
當(dāng)前,我國幾種節(jié)能的機電類型主要發(fā)展為YE4三相異步電機,在IEC60034-30修訂過程,將其劃分成兩個標(biāo)準(zhǔn),其一為交流電機在線能效分級,其二為變速交流電機的能效分級。未來機電技術(shù)的發(fā)展方向為高效率電機,為持續(xù)完善GB18613—2012標(biāo)準(zhǔn)中的電機能效產(chǎn)品相關(guān)空白,完成國家制定的機電節(jié)能運行計劃,需要進一步研究IE4電機,保證高效電機滿足國內(nèi)以及出口機電市場需求。制定設(shè)計IE4高效機電產(chǎn)品計劃,明確產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)條件。如型號為H80~H355系列,級數(shù)分為2級、4級、6級和8級等,功率處于0.75~355.00 kW,平均效率可達95%,高于普通類型產(chǎn)品近6%。
高速三相同步電機(永磁類型)的發(fā)展,使用超高速同步永磁三相電動機,轉(zhuǎn)速為1 000~50 000 r/min,功率范圍在10~300 kW,逐漸向制造、測試超高速電機等技術(shù)方面發(fā)展,同時,還向微燃發(fā)電、機床電機以及高速儲能領(lǐng)域擴展。
高轉(zhuǎn)矩低速永磁類型電動機的發(fā)展。其中,高轉(zhuǎn)矩低速主要指傳動系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)矩高于500 N·m,低速主要指轉(zhuǎn)速小于500 r/min,此類型電動機可應(yīng)用在球磨機當(dāng)中,保證其安全、穩(wěn)定運行,實現(xiàn)節(jié)能>10%。
在高性能的永磁類伺服電機發(fā)展過程中,主要將使用功率3~15 kW的電機應(yīng)用于數(shù)控機床之中,將驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用在印刷、紡織和包裝類機械設(shè)備當(dāng)中,并制定了相關(guān)電機的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)于永磁類型同步伺服電機的發(fā)展,其應(yīng)用在汽車領(lǐng)域較為廣泛,未來發(fā)展主要傾向于工業(yè)領(lǐng)域,進一步開發(fā)出相同系列的電機產(chǎn)品,此產(chǎn)品型號處于H80~H355,標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速3 000 r/min,可調(diào)速范圍在100~5 000 r/min,電機功率在0.55~315.00 kW。
促使節(jié)能電機、拖動設(shè)備等不斷發(fā)展,是當(dāng)前節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)面臨的重點問題之一,為保證電機節(jié)能效果,需要從機電設(shè)計、機電制造以及機電應(yīng)用等角度,找出節(jié)能過程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),助力該行業(yè)的發(fā)展。
2? ? 電力拖動問題相關(guān)分析
2.1? 控制線路問題
在機電工程當(dāng)中,電力拖動的控制線路產(chǎn)生故障的現(xiàn)象較為常見。通常而言,電路故障主要分為3種類型,其一為突發(fā)性故障;其二為漸變類型故障;其三為間接類型故障。突發(fā)性故障主要存在于電氣元件、電動機或者導(dǎo)線當(dāng)中,當(dāng)以上物體在使用過程中產(chǎn)生較多熱量時,就會散發(fā)出焦灼氣味,嚴(yán)重時還會導(dǎo)致冒煙或者出現(xiàn)火花等問題。故障產(chǎn)生的主要原因為線路長期超負荷運轉(zhuǎn),或者線路中的部分電路絕緣層受損,亦或是線路出現(xiàn)短路問題。而漸變類型故障出現(xiàn)的主要原因為元件老化,或者線路接觸不良。間接類型故障原因有多種,在特殊情況下,此類型故障的檢修存在較高難度。
2.2? 同步電機問題
同步電機轉(zhuǎn)速相同時,才可產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩,此電動機結(jié)構(gòu)簡單,常見的調(diào)速問題為啟動、變頻等。當(dāng)電動機處于正常狀態(tài)時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變,定子、轉(zhuǎn)子磁場受到電磁作用,使旋轉(zhuǎn)磁場保持相對靜止的狀態(tài),進而產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。所以,電動機能夠在同步速度下帶動荷載穩(wěn)定運行。電動機主要使用50 Hz的交流電源,啟動時可對其機械性能產(chǎn)生影響。當(dāng)三相定子和對稱三相電源連接之后,定子N極磁場和轉(zhuǎn)子S極磁場互相接觸之后,受到異性磁極吸引,因為轉(zhuǎn)子慣性大,導(dǎo)致靜止?fàn)顟B(tài)時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動困難。當(dāng)保持循環(huán)狀態(tài)時,轉(zhuǎn)子只能原地擺動,導(dǎo)致電動啟動出現(xiàn)問題。此外,同步電動機的電源頻率、轉(zhuǎn)速等保持同步運行的狀態(tài)時,其轉(zhuǎn)速僅和電源的頻率相關(guān),和負載無關(guān),因此,只有使用變頻調(diào)速才可轉(zhuǎn)變其轉(zhuǎn)速[2]。
3? ? 解決電力拖動問題的具體方案
3.1? 控制線路問題的檢修
當(dāng)電力拖動的控制線路存在故障時,需要對線路展開故障排查和檢修,排查過程需要使用多種方法,逐一測試,才可將故障位置精準(zhǔn)確認。初步判斷故障的大致范圍,之后逐漸將范圍縮小,進行測量、排查等,最后定位故障,完成檢修流程。
在具體實踐過程中需要首先試驗線路,在確保故障范圍不會進一步蔓延以及不會對機械設(shè)備、元件等產(chǎn)生損傷等前提下,進行測試。為明確故障大致范圍,需要先對故障部分通電,之后仔細觀察機械設(shè)備、電氣元件等運行情況,通過拖動線路,測試程序異常與否,進而判斷出線路故障范圍。初步獲知故障范圍之后,工作人員可按照特定原理和邏輯展開相應(yīng)的分析。按照電力拖動線路的控制原理,能夠準(zhǔn)確觀察控制過程產(chǎn)生的異常動作,合理縮小故障范圍,此檢修方法適合應(yīng)用在解決較為復(fù)雜的線路故障,同時,故障排查效果良好??刂齐娏ν蟿泳€路時,需要使用測量工具輔助進行,確保測量結(jié)果精準(zhǔn)。測量環(huán)節(jié)要按照需求選擇通電、斷電等,常使用電阻測量以及電壓測量兩種故障測量方式。定位故障點時,需要展開多點測量,保證測量過程規(guī)范進行,防止產(chǎn)生重復(fù)測量問題。對關(guān)鍵的連接點進行編號,促使測量過程有序進行。
例如,使用電壓法測量時,可選擇萬用表進行輔助測量,使用前先調(diào)節(jié),將表開關(guān)置于特定電壓上水平放置,之后檢查表針是否位于零點位置,若出現(xiàn)偏離現(xiàn)象,可輕輕調(diào)節(jié)旋鈕,避免用力過度對萬用表造成影響。調(diào)節(jié)之后,可按要求將表筆向插孔內(nèi)插入,之后將開關(guān)設(shè)置在對應(yīng)量程上,并置于500 V檔位,保證測量結(jié)果精準(zhǔn),按照測量編號展開逐一測量,進一步排查故障。在測量過程中,需要保證測量體處于帶電狀態(tài),因此,應(yīng)保證測量人員安全。此方法測量電力拖動的控制線路故障速度快、方法簡單、準(zhǔn)確度高,但是也存在相應(yīng)的危險性,因此,在定位故障點時可結(jié)合實際要求,適當(dāng)選擇電阻方法進行測量。此方法同樣需要萬用表,對比電壓法,其需要將萬用表開關(guān)調(diào)至電阻檔位上,按照測量體合理選擇電阻檔位、編號,測量電阻值,分析數(shù)據(jù),找到故障所在[3]。
3.2? 解決同步電機啟動和調(diào)速問題
3.2.1? 直接啟動
電力系統(tǒng)主要通過負載變壓器、異步電動機等實現(xiàn)運行,電網(wǎng)需要負載無功功率,導(dǎo)致線路損耗,此時同步電動機的啟動為關(guān)鍵問題。為保證電動機啟動過程的穩(wěn)定性,可使用節(jié)能方案。使用異步電動機,保持級數(shù)和同步電動機之間相同,對其進行牽引。如果同步電動機啟動時,其轉(zhuǎn)子沒有加入勵磁,此時可利用輔助電動機將其牽引到同步轉(zhuǎn)速,之后,將勵磁電流直接通入到電動機勵磁繞組當(dāng)中,通過整步轉(zhuǎn)矩將電動機接入到電網(wǎng)當(dāng)中。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子達到同步運行狀態(tài)時,輔助電動機任務(wù)完成。此時,為降低電能損耗,需要將輔助電動機停運。其啟動過程,主要使用空載、同步調(diào)節(jié)等方式,操作流程復(fù)雜,使用設(shè)備較多。
異步啟動主要是在電動機上安裝異步繞組方式完成,節(jié)能措施為先通電定子,利用啟動繞組產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩,完成電動機啟動,當(dāng)二者轉(zhuǎn)速趨近同步時,將勵磁電流通入其中,保證電動機、電磁轉(zhuǎn)矩二者同步運行。而異步電動機主要通過安裝繞組實現(xiàn)啟動,因此,需要設(shè)備少、便于操作。在此期間,需要控制異步啟動勵磁繞組不處于開路狀態(tài),由于此狀態(tài)下,勵磁繞組的匝數(shù)較多,可能致使定子感應(yīng)電壓不斷升高,降低其絕緣性能,發(fā)生安全事故。與此同時,使用此方法啟動,不可直接將繞組短路,防止其單向電流變大,處于旋轉(zhuǎn)磁場作用下,導(dǎo)致附加轉(zhuǎn)矩不斷增加。對于此現(xiàn)象,可分析異步啟動轉(zhuǎn)矩的特點,使用阻值為勵磁電阻10倍大的啟動電阻,連接轉(zhuǎn)子繞組,以減小繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電流,從而降低單抽轉(zhuǎn)矩、影響電動機的啟動。
3.2.2? 變頻調(diào)速
同步電動機轉(zhuǎn)速、供電頻率二者同步時,可保持穩(wěn)定狀態(tài),電動機轉(zhuǎn)速和電源頻率相關(guān),和負載無關(guān),因此,變頻調(diào)速是轉(zhuǎn)變其轉(zhuǎn)速的唯一方式。變頻調(diào)速的節(jié)能方案為自控系統(tǒng)、他控系統(tǒng)兩種方式。其中,自控調(diào)速節(jié)能方案在變頻調(diào)速過程,可消除轉(zhuǎn)子振蕩、失步等過程的安全問題,在系統(tǒng)當(dāng)中安裝電動機軸端檢測器,利用其信號發(fā)出電力頻率、導(dǎo)通順序等,保持定子、轉(zhuǎn)子二者轉(zhuǎn)速同步,消除設(shè)備運轉(zhuǎn)時的負載沖擊。可使用交-交、交-直-交等變頻裝置,在該系統(tǒng)中,使用電力逆變器、轉(zhuǎn)子檢測器等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸換向器,實現(xiàn)變頻調(diào)速過程的節(jié)能[4]。
使用他控系統(tǒng)實現(xiàn)變頻調(diào)速,其節(jié)能方案為,選擇交-直-交類型變頻器作為調(diào)速系統(tǒng)主要裝置,對比于自控系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單,只含有1臺變頻器。所以,操作簡單,但是變頻效率較低。變頻器可作為啟動裝置,保證同步電動機平穩(wěn)啟動,可將其應(yīng)用在多個電動機同時調(diào)速的過程中。此外,此調(diào)速方式可能存在轉(zhuǎn)子失步、振蕩等問題,導(dǎo)致安全性能較差,因此,實際應(yīng)用較少。
4? ? 結(jié)語
隨著電機的發(fā)展,電氣設(shè)備種類逐漸多樣化,使用電力拖動方式控制電機轉(zhuǎn)定,便于控制,電機運行效率高,同時,對于環(huán)境產(chǎn)生的污染較小。由于具備以上優(yōu)勢,該方法被廣泛應(yīng)用。在此過程中,應(yīng)用合理的節(jié)能措施,可解決常見的電力拖動問題,降低能源消耗,對于行業(yè)的持續(xù)發(fā)展意義明顯。對此,相關(guān)部門以及行業(yè)技術(shù)人員應(yīng)了解當(dāng)前節(jié)能電機的實際發(fā)展現(xiàn)狀,找出電力拖動的常見問題,并采取合理的應(yīng)對措施。
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