电气工程自动化及其节能设计的运用分析

翟石磊

摘 要：本文简述电气工程自动化节能设计过程遵循的安全性、技术性、持续性三点原则，分别从节能照明设计、变压器节能、补偿装置使用、有源滤波器设置等方面对节能设计运用加以分析研究。

关键词：电气工程;节能设计;自动化

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0007-02

0 引言

经济发展过程中，面临的能源问题越来越复杂，提高能源的利用效率为各行业重点关注的问题。电气自动化在建筑、电力、工业等领域有广泛应用，在系统设计过程中，使用节能技术不但可以降低运行过程对能源的消耗，而且还能提高能源的利用效率，为行业效益的提升奠定基础。

1 电气自动化节能设计原则

（1）需要遵循安全性原则，在设计过程中，需要兼顾节能和安全两个要点，保证电气设备能够安全运行，确保相关领域生活和生产的要求。（2）需要遵循技术性原则，优选节能设备、技术等，保证系统技术性能优越，提升节能效果。（3）秉承持续性原则。电气自动化的节能设计，致力于能源合理利用以及环境保护，因此在设计过程，需要优选环保材料，使用节能减排措施，保证能源的高效利用，实现节能设计的持续发展[1]。

2 电气自动化节能设计运用

2.1设计节能照明

2.1.1节能照明系统优势

根据此公式可以看出，对系统展开节能设计主要可通过缩短照明时间、提高照明效率、使用高效灯具等方式。总体而言，建筑智能照明的节能设计，既要实现自动化控制功能，又应该能满足人们日常需求，实现节约、低费用运行。

2.1.2系统节能措施运用

通常，建筑内的光照由自然光、人工光组成，当自然光难以达到照明需求时，此时人工照明发挥辅助作用，二者成反比关系。为实现照明系统的自动化，需要明确自然、人工两种照明方式区别。若自然光超过设定值，此时为防止两种光之间产生交替“空缺”，可设置光照度阈值为25%，当室内光照强度超出此值时，同时持续时长>15s时，人工照明即可自动降低光照亮度或者关闭，反之，则会自动打开系统，达到照明需求。假设照明系统单日照明使用时间在8：00～16：00，需要消耗电能4600kW/h时，浪费能源较多，使用自动化系统之后，能够节约1380kW/h电能，占据总体耗能30%，因此节能效果良好[3]。

2.2 变压器节能

电力自动化领域当中，变压器为主要设备之一，肩负着转换系统电压和电流以及功率等重任，因此，在变压器的运行过程，需要消耗较高的能量，当其空载运行时，也可产生较高的能量消耗，所以在自动化系统的设计过程，落实变压器节能方面的设计，对电力自动化的持续发展具有重要影响。具体设计过程可按照以下方法进行：

（1）优选型材。合理选择型材，在变压器型材选择过程中，需要优化组合，保证节能效果。合理设计硅钢、铜片、绝缘料等，防止变压器运行环节产生非必要的能耗。设计过程，优选铜质材料，由于其导电性能优良，因此可用作变压器电线和电柜材料，适当降低其磁密，配合薄质冷轧硅钢，以降低变压器在空载环节产生的能量消耗。保证变压器稳定工作的前提下，遴选优良材料作为运行介质，力争在降低自动化设计成本的基础上，实现节能。（2）使用节能变压器。在设计电力自动化的系统过程，可结合节能要求，选择节能型变压器。当前，在市场上S11型号和S10型号的变压器都具有良好的节能效果，并且兼具传统变压器的各种优势。在使用此类型变压器过程，需要控制其持续运行时间，不可长期运行，防止影响其使用年限，产生电力能源浪费问题。（3）按需选择变压器设置方式。通常在写字楼建筑、工业厂房等电力系统中，可将变压器设置于电力消耗中心位置，和不同辅助设备同区设置，以便减少电缆的敷设长度，在节约建设成本的同时，便于展开相关管理和运维工作，提高供电质量。在设计过程中，为了保证自动化系统中变压器的节能效果，需要合理选择变压器容量、配置台数等。对其额定容量确认的过程，需要结合变压器需电量综合进行。当变压器容量过小时，可能在长期使用过程加速老化，缩短使用年限;反之，当选择变压器容量过大时，会造成其大部分时间为“轻载”状态，不但浪费电力能源，也浪费其使用效率。因此，选择变压器容量环节，需提前预留20%左右冗余空间，保证对电力能源、变压器效率合理利用的前提下，使其大部分时间处于最佳的状态下运行，其最佳值可以利用相关公式推导出来，进而实现变压器最节能状态的运行。在数量的选择方面，需要考虑电力过度消耗以及扩容等问题，当变压器数量过多，无疑会增加成本，浪费资源。当自动化系统内使用≥2台变压器时，需将其并联设置，保证其运行安全的同时，提高系统运行功率因数，节约能源消耗[4]。

2.3 使用补偿装置

（1）TCR，其工作原理为对和相控电容器相连的晶闸管进行控制，从而转变电抗器的等效电纳，将持续变化无功功率输出。（2）TSC，其工作原理为按照负载产生的感性无功功率产生的变化，借助晶闸管“投入”、“切除”电容器，此时晶闸管仅作为投切开关。应用过程，将各个电容器上串联1个阻尼电抗器，实现减小系统处于非常态下运行時对晶闸管产生的冲击，防止产生谐振。（3）TCR和TSC组合，其工作原理为，若系统内电压比运行设定电压值低时，此时可按照需求补偿的无功量，适当投入对应组数电容器，稍有“过补偿”时，可借助TCR实现感性无功率的输出，将过补偿无功消除。反之，当系统内的电压比设定运行电压高时，此时可将各个电容器进行切除，保留TCR运行。TCR和TSC组合系统框图1所示。

电气自动化当中，系统中配电设备大部分容量被无功功率占据，不但导致线路损耗增加，而且还能导致电网中电压降低，影响系统良性运行。对此，在节能设计方面，可使用补偿装置，在装置使用过程需要注意几点：（1）使用电容补偿时，需要按照装置使用负荷、电压容量、功率因数等参数综合确定电容器的容量;（2）适当使用“模糊投切”开关方式，保证装置能够灵活调节、适应性良好、追踪精准等，提升补偿效果。因为传统补偿电容内主要使用“分担投切”的形式，需要按照内部编码配置、比例分配等方式进行，难以实现当前自动化要求的补偿效果;（3）使用无功功率为开关投切过程物理量参考标准，防止系统使用过程产生“无功倒送”以及“振荡投切”等问题;（4）就地安装补偿装置，实现即时补偿，降低线路上的无功传输量，实现节能设计目标。

2.4 设置有源滤波器

无源滤波装置主要由电抗器、电阻器和电容器等组成，使用过程能够对谐波产生低阻抗通路，最终实现对高次谐波的抑制。因为使用SVC可实现的调节范围为从感性区至容性区，因此将滤波器和动态控制电抗器之间并联，即可实现无功补偿效果，能够将功率因数加以改善，进而将高次谐波消除，实现电气节能效果。并且无源滤波器使用过程投资小、结构简单、便于维护。但是在当前配电网当中，因为滤波器性质和特点，易受到系统中参数的影响，仅能对特定几次谐波进行消除，同时，还会将某种谐波放大，导致“谐振”的现象。在电力和电子技术的不断发展下，人们在电气节能方面的研究力度逐渐加大，将关注点放在有源滤波器（也称“APF”）方向。

有源滤波器是由集成运放以及R、C等元件组成，其应用过程具有质量轻、无需电感、体积小等优势。其中集成运放的输入阻抗、开环电压等都相对较高，并且输出的电阻小，组成有源滤波的电路之后，能够对电压进行缓冲、放大等。有源滤波器的工作原理为通过功率可控的半导体向电网内注入和谐波源的电流值大小相等，但是相位相反的电流，将电源位置的谐波电流进行抵消，保证线路整体谐波电流值为零，实现对谐波电流的实时补偿。对比于无源滤波器，其具有几点特点：（1）能够对各次谐波进行补偿，同时对“闪变”有良好的抑制作用，补偿无功，不但“一机多能”，而且性价比高;（2）谐波的特点不会受到系统阻抗影响，因此能够将系统阻抗产生的“谐振”危害消除;（3）具有良好的自适应能力，可对谐波变化进行自动跟踪，响应速度快，且高度可控。有源滤波器安装电路图2所示。

应用有源滤波器，可减小线路的损耗，同时，有源滤波器的使用可消除谐波，防止设备产生误动，变压器、电机等产生的发热现象，实现节能的目标。电气设备产生误动的主要原因为，电气设备用量逐渐增加，导致系统内谐波量也越来越多，谐波电流可与阻抗电压、基波电压等产生重叠，引发电压发生“畸变”，最终影响电气设备正常使用，产生误动情况。此时设置有源滤波器，可利用其动态性能的优异性，能够针对系统中产生的谐波快速反应，扩大功率范围，达到良好的无功补偿效果。通常而言，有源滤波器的使用可及时过滤谐波，保证电气设备产生误动操作之前，及时阻止此动作，确保设备高效运行，提高自动化系统节能效果。

3 结语

总之，电气自动化对于人们生活多个领域可产生重要影响，在其节能设计过程需要结合不同领域系统特点，合理选择技术应用措施，保证自动化系统使用过程，节能性良好，安全系数高，且能够对能源高效利用，進而促使节能技术的应用持续发展。

参考文献

[1] 陈清山.关于电气工程自动化信息技术及其节能设计探讨[J].科技风，2020（02）：94.

[2] 林良智.电气工程自动化信息技术及其节能设计研究[J].科技风，2020（01）：18+26.

[3] 罗英涛.关于电气工程自动化信息技术及其节能设计探讨[J].科学技术创新，2019（23）：88-89.

[4] 盖鹏飞.电气工程自动化信息技术及其节能设计探讨[J].南方农机，2019（02）：165.