高压异步电机轻载节能装置的研究

2010-06-21王欢孙向瑞

电气传动 2010年9期

王欢,孙向瑞

(1.黑龙江科技学院电气与信息工程学院,黑龙江哈尔滨 150027;2.哈尔滨帕特尔科技有限公司,黑龙江哈尔滨 150090)

1 引言

异步电动机因其可靠耐用、维修方便、价格便宜而被广泛应用到工业控制及各种电气传动领域中。近些年随着我国工业化进程的不断加深,单机容量也在不断的加大,这使得高压异步电动机被广泛地应用到工业领域。从电动机的使用数量看,三相异步电机约占电机总使用量的72%。我国电动机总耗电量约占国内总装机量的65%以上,而运行效率却大大低于发达国家的30%,因此我国异步电动机的节能研究具有十分重要的意义。目前高压异步电动机的节能还主要依赖于挡板、液力耦合器、高压变频等,前两种方式还停留在机械控制方式,暂且不提,高压变频器是目前电气方式较为广泛采用的形式,但对于电机本身节能调速范围不是很宽的设备,使用高压变频器不仅污染了电网,而且还带来高昂的投资与沉重的维护工作,如果能够设计一种实时监测电机负载率并根据负载情况随时调节电机端电压的设备即可实现电机的轻载节能,而开关变压器式高压电机软启动装置就可通过调整本身工艺控制方式而实现该功能。

2 系统的构成及基本原理

2.1 系统构成

图1给出了开关变压器组成的异步电机节能控制器系统的一般构成。

系统在原有软启动装置的基础上增加了电机功率因数角的检测装置,即增加了电流电压过零信号的检测。

图1 系统构成Fig.1 Construction of system

2.2 调压原理

当加上电压时(SCR未通),TK原边和电机D上得到电压,由于TK的空载电流远小于D的空载电流,故电压绝大部分加在 TK原边,这时TK副边也得到电压,波形为正弦波。

当SCR控制极加上触发电压时,SCR导通,比如从α角处导通,则u2立即降低,u2电压如图2a中实线所示,u1的波形也相同。D上的电压为外加电压减去u1,则D上的电压波形如图2b所示。当改变控制角α时(比如前移),则u2变小,u1变小,ud加大。这样,连续调节α由大到小,则ud连续由小到大,完成调压过程。

图2 调压原理Fig.2 Principle of voltage regulator

3 控制策略

由电机学可知实时检测电机的转速信号作为系统闭环控制的反馈量,对于大多数高压大型异步电动机而言不具备安装测速装置的条件,需要找到一个能够反映电机运行情况的参数,同时在原有电路上不做大的硬件改动,而异步电动机的功率因数角恰恰反映了电机的运行情况,即反映了电机负载的大小变化情况,所以利用异步电动机的这一特性进行调压调速节能控制。

根据晶闸管调压电路的工作原理,真正影响晶闸管输出电压的因素是电机的续流作用,而电机续流角的变化规律决定于它的功率因数角,且该续流角便于实际测量,我们可以利用系统现有的电机电流及电压反馈信号,计算出电机的功率因数角。控制策略可采用最小功率因数角或恒功率因数角等,图3给出了电机调压软启动时电流和电压的曲线。

图3 电流电压曲线Fig.3 Current and voltage curves

图3中,α为功率器件的触发延迟角,φ为可测功率因数角,θ为电流断续角,有φ=α-θ。可以利用计算得到的功率因数角调整晶闸管的触发角,这样可以维持电机电压电流相位在需要的水平上。无论电机是在何种运行状态下,其所消耗功率的无功分量是没有太大变化的(各种情况下所需磁场能量基本相同),我们可以通过调整电机来调整电机的有功分量,达到减小电机输入功率的目的。