1 引言
工業(yè)行業(yè)的用電設(shè)備如破碎機(jī)、球磨機(jī)、輥壓機(jī)和風(fēng)機(jī)等大型用電設(shè)備能耗高，而在運(yùn)行中功率因數(shù)過低，存在大量的無功損耗現(xiàn)象。因此，如何有效減少此類大中型繞線電機(jī)造成的無功損耗成為節(jié)能降耗的關(guān)鍵。尤其是破碎機(jī)、輥壓機(jī)、熱磨機(jī)等這類負(fù)載變化幅度大、變化速度快的電機(jī)的無功補(bǔ)償更是其中的難點(diǎn)。
目前，國內(nèi)針對(duì)繞線式電機(jī)的就地無功功率補(bǔ)償方法主要有三種：電機(jī)定子側(cè)并聯(lián)電容器、電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接旋轉(zhuǎn)式進(jìn)相器和電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接靜止進(jìn)相器等。這三種補(bǔ)償方式主要適用于電機(jī)負(fù)載基本恒定或緩慢變化的場合，對(duì)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化劇烈的應(yīng)用場合，卻不能取得理想的補(bǔ)償效果。而我公司在多年無功功率補(bǔ)償設(shè)備生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代微電子技術(shù)、交交變頻技術(shù)、優(yōu)化的PID控制策略等先進(jìn)技術(shù)或理論，自主研發(fā)的新型LVP變負(fù)載進(jìn)相器，完美解決了突變式負(fù)載工況下的繞線電機(jī)就地補(bǔ)償難的問題，同時(shí)也能夠?qū)徛冐?fù)載及恒定負(fù)載的繞線電機(jī)進(jìn)行有效的就地補(bǔ)償。
2.1 電機(jī)定子側(cè)并聯(lián)電容器
首先，電容補(bǔ)償只是對(duì)除電機(jī)之外的電網(wǎng)無功進(jìn)行補(bǔ)償，減少電網(wǎng)上無功傳輸量，而對(duì)電機(jī)的電流、功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)并無任何改變。其次，由于電容器補(bǔ)償量一般固定不變，即使將電容器分級(jí)來改變補(bǔ)償量，也不能滿足功率因數(shù)變化頻率高、范圍大、速度快的突變負(fù)載電機(jī)的補(bǔ)償要求。而且電容的運(yùn)行受諧波的影響較大，電容器在諧波存在的情況下運(yùn)行會(huì)造成過電流和過負(fù)荷，危害電容器的使用壽命。
2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接旋轉(zhuǎn)式進(jìn)相器
旋轉(zhuǎn)式進(jìn)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)的，它與電機(jī)的聯(lián)接是通過滑環(huán)和碳刷實(shí)現(xiàn)的。碳刷怕塵埃，易磨損，壽命短，使旋轉(zhuǎn)式進(jìn)相機(jī)維修量大，需要備用元件，旋轉(zhuǎn)式進(jìn)相機(jī)有噪音，會(huì)產(chǎn)生火花。旋轉(zhuǎn)式進(jìn)相機(jī)的補(bǔ)償量是固定的，不能根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行情況調(diào)節(jié)。另外，旋轉(zhuǎn)式進(jìn)相機(jī)一般直接聯(lián)接在電機(jī)上，如果旋轉(zhuǎn)式進(jìn)相機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)子開路運(yùn)行或停機(jī)，維修只能在停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行，影響生產(chǎn)的連續(xù)性。
2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接普通靜止進(jìn)相器
普通靜止進(jìn)相器無電容器，無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不怕灰塵、可靠性高、使用壽命長、維修方便，幾乎沒有聲音，不會(huì)產(chǎn)生火花，沒有電容器和旋轉(zhuǎn)式進(jìn)相器不足。進(jìn)相器出現(xiàn)故障后可以自動(dòng)退出運(yùn)行，通過轉(zhuǎn)接裝置將轉(zhuǎn)子接入起動(dòng)器，電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行。電機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)進(jìn)相器進(jìn)行維修，維修好后可以不停機(jī)再投入運(yùn)行，能夠很好的保證生產(chǎn)的連續(xù)性。水泥行業(yè)的球磨機(jī)、風(fēng)機(jī)等繞線電機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載比較穩(wěn)定，變化幅度不大，對(duì)于這類電機(jī)，用普通靜止進(jìn)相器就可以取得很好的補(bǔ)償效果，故普通靜止進(jìn)相器逐漸被廣大的水泥用戶接受和認(rèn)可。
但普通靜止進(jìn)相器由于補(bǔ)償方式比較單一，補(bǔ)償量基本恒定，在水泥行業(yè)的主要用電設(shè)備的破碎機(jī)和輥壓機(jī)上使用時(shí)，由于破碎機(jī)和輥壓機(jī)的負(fù)載變化幅度大、速度快，容易出現(xiàn)兩種極端現(xiàn)象，要么輕載補(bǔ)償不足，要么重載過補(bǔ)，不能夠進(jìn)行有效的跟蹤與補(bǔ)償，故達(dá)不到很好的補(bǔ)償效果。
2.4 電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接ZVP變負(fù)載進(jìn)相器
LVP變負(fù)載進(jìn)相器除具有普通靜止進(jìn)相器的全部優(yōu)點(diǎn)外，另具有普通靜止進(jìn)相器所不具有的兩大突出特點(diǎn)：
?。?）LVP變負(fù)載進(jìn)相器具有雙單片機(jī)控制系統(tǒng)，內(nèi)置多種補(bǔ)償模式，能夠自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化情況，根據(jù)負(fù)載的變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，使其補(bǔ)償效果無論在何種負(fù)載狀況下始終保持在理想的補(bǔ)償狀態(tài)，完全滿足負(fù)載突變工況下的無功補(bǔ)償要求。
?。?）能夠?qū)崟r(shí)檢測電機(jī)負(fù)載的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整附加在轉(zhuǎn)子上的電動(dòng)勢幅值，以使電機(jī)的功率因數(shù)保持在期望值上。因此，LVP變負(fù)載進(jìn)相器在水泥行業(yè)破碎機(jī)和輥壓機(jī)這種變化負(fù)載的工況下，使功率因數(shù)達(dá)到理想的效果，解決了普通靜止進(jìn)相器在這類變化負(fù)載下的補(bǔ)償不夠或過補(bǔ)的缺陷，使水泥行業(yè)各類繞線電機(jī)得到全面理想的補(bǔ)償。
（3）通過特殊的信號(hào)采樣電路，能夠檢測電機(jī)輕載情況下的低頻轉(zhuǎn)子電流信號(hào)。
3 LVP變負(fù)載進(jìn)相器的工作原理
LVP變負(fù)載進(jìn)相器利用現(xiàn)代微電子及大功率開關(guān)器件組成交交變頻器，把工頻50Hz的交流電壓變換為與轉(zhuǎn)子電流頻率相同、相位滯后轉(zhuǎn)子電流90°的補(bǔ)償電壓作為附加電勢，在電機(jī)轉(zhuǎn)子回路加入該附加電勢來改變繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路電流和電壓的相位關(guān)系，進(jìn)而改變電機(jī)定子電流和電壓的相位關(guān)系，達(dá)到改變電機(jī)功率因數(shù)的目的。同時(shí)根據(jù)電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)的大小，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整附加電勢的幅值，改變轉(zhuǎn)子電流的大小，以適應(yīng)負(fù)載的變化，達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功率因數(shù)的目的。
從電機(jī)學(xué)我們知道，激磁電流Im由關(guān)系式Im = I1e － I2e，從圖3可得出Im。當(dāng)變負(fù)載進(jìn)相器的電勢疊加在轉(zhuǎn)子回路后，轉(zhuǎn)子電流的相位變?yōu)閳D3中的I2。由于負(fù)載不變，激磁電流Im不變。此時(shí)的定子電流I1由關(guān)系式I1=Im＋I(xiàn)2從圖3可得出I1，如圖所示。從圖3中可以看出I1的功率因數(shù)角和幅值都比I1e小，說明電機(jī)的功率因數(shù)得到提高，定子電流有所下降。
1）采用先進(jìn)的交-交變頻技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù),可靠性高。
2）功率因數(shù)從0.90～0.99可連續(xù)設(shè)置，能自動(dòng)將電機(jī)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)饺我辉O(shè)定值。
3）采用優(yōu)化的功率因數(shù)閉環(huán)控制，使動(dòng)態(tài)補(bǔ)償精度達(dá)±2%。
4）降低電機(jī)定子電流15％～25％，降低線損、銅損20％～40％。
5）電機(jī)無功功率降低60%以上。
6）電機(jī)的溫升顯著降低，過載能力及效率大為增強(qiáng)。
7）對(duì)不同工況的補(bǔ)償適應(yīng)性強(qiáng)于現(xiàn)有補(bǔ)償裝置。采用優(yōu)化功率因數(shù)閉環(huán)控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償量，從而克服了其它補(bǔ)償裝置所存在的補(bǔ)償效果隨電機(jī)電流的波動(dòng)或負(fù)載變化而變化的不足，其補(bǔ)償精度高、效果好。
8）對(duì)不同負(fù)載變化響應(yīng)時(shí)間≤2ms。
9）完備的保護(hù)功能：輸出失流保護(hù)、超溫保護(hù)、外部故障輸入保護(hù)和轉(zhuǎn)子缺相保護(hù)等。對(duì)每種保護(hù)均有相應(yīng)的故障代碼顯示輸出，方便用戶判斷處理。
10）齊全的聯(lián)鎖功能：開機(jī)聯(lián)鎖使條件不具備時(shí)，電機(jī)不能起動(dòng)；投入聯(lián)鎖使電機(jī)沒有起動(dòng)完畢時(shí)，ZVP不能投入；跳閘聯(lián)鎖使電機(jī)在ZVP出現(xiàn)重大故障時(shí)跳閘停機(jī)。
11）用戶界面友好，操作方便。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、占地面積小。安裝、調(diào)試及日常維護(hù)方便。
12）可廣泛用于冶金、鍛燒、熔融、石油化工、水泥、造紙及制糖等大型高耗能行業(yè)的90-21000KW繞線電機(jī)，并特別適用于拖動(dòng)突變式負(fù)載的電機(jī)。
5 LVP變負(fù)載進(jìn)相器在水泥行業(yè)的典型應(yīng)用實(shí)例
新疆某水泥有限責(zé)任公司有一臺(tái)800KW的高壓電機(jī)用在破碎機(jī)上，高壓電機(jī)參數(shù)如下：
型號(hào)YRKK630-8 額定功率800KW 額定電壓10KV
額定電流 60A 轉(zhuǎn)子開路電壓1076.8V 額定功率因數(shù)0.81
轉(zhuǎn)子額定電流445.5A 額定轉(zhuǎn)速742 r/min
這臺(tái)用于破碎機(jī)負(fù)載的電機(jī)，負(fù)載變化量大，電機(jī)頻繁工作在輕載或者過載兩種極限狀態(tài)（空載時(shí)的運(yùn)行電流33A，功率因數(shù)為0.5以下，運(yùn)行電流可到72A，過載量達(dá)到20％，功率因數(shù)為0.87），存在較大的沖擊性電流，電機(jī)的運(yùn)行工況十分惡劣。
由于電機(jī)輕載時(shí)功率因數(shù)很低，而過載時(shí)電機(jī)的運(yùn)行電流超過額定電流較多造成電機(jī)的溫度升高，危及電機(jī)的可靠性及使用壽命，該水泥公司于2008年7月購買了其他公司的一臺(tái)普通靜止進(jìn)相器，投入使用后發(fā)現(xiàn)輕載時(shí)功率因數(shù)不能提高到0.9以上，而且進(jìn)相后電流隨負(fù)載的變化擺動(dòng)較大，效果不理想，故使用一段時(shí)間后被用戶閑置不用。2009年6月投運(yùn)了我公司一臺(tái)LVP2－800G進(jìn)相器，編號(hào)為20905262。投入進(jìn)相器之后電機(jī)輕載時(shí)運(yùn)行電流由33A降至12A，功率因數(shù)從0.5以下提高到0.98，電機(jī)帶載時(shí)運(yùn)行電流從72A降至62A，功率因數(shù)從0.87提高到0.99，電機(jī)溫升下降，無過補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象存在，使用效益十分顯著，用戶非常滿意。
結(jié)束語
對(duì)于水泥行業(yè)來說，球磨機(jī)、風(fēng)機(jī)這類負(fù)載平穩(wěn)的繞線電機(jī)使用普通靜止進(jìn)相器即可取得很好的補(bǔ)償效果。而在破碎機(jī)、輥壓機(jī)這類存在負(fù)載突變的條件下，使用普通靜止進(jìn)相器往往不能取得佳的補(bǔ)償效果，采用LVP變負(fù)載進(jìn)相器則彌補(bǔ)了普通靜止進(jìn)相器的不足，解決了突變式負(fù)載工況下的繞線電機(jī)就地補(bǔ)償難的問題。通過對(duì)水泥行業(yè)大量使用的繞線電機(jī)的無功損耗進(jìn)行有效補(bǔ)償，可以降低功耗以節(jié)省電費(fèi)的支付，提高功率因數(shù)以避免供電部門的罰款，提高設(shè)備利用率以減少電器設(shè)備的容量增大的投資，降低電機(jī)溫升以防止電機(jī)過熱燒毀，降低定子電流和提高過載能力以提高生產(chǎn)能力，從而給使用企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
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