白連平，張 利，祁 鯤，張 芳

(北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京100192)

為了培養(yǎng)電動機(jī)節(jié)能技術(shù)方面的人才，我校電氣工程及其自動化專業(yè)開設(shè)了“電機(jī)節(jié)能技術(shù)”課程。為了配合理論教學(xué)還開設(shè)了“電機(jī)節(jié)能技術(shù)實驗”課程。在實驗課程中設(shè)置了電動機(jī)靜態(tài)無功補(bǔ)償和電動機(jī)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膶嶒瀮?nèi)容。為此，本文根據(jù)教學(xué)大綱的要求及現(xiàn)有電動機(jī)節(jié)能實驗室的情況，設(shè)計了電動機(jī)無功補(bǔ)償實驗裝置并編寫了電動機(jī)無功功率的靜態(tài)階梯補(bǔ)償和動態(tài)跟蹤補(bǔ)償實驗講義。這些工作為學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握電動機(jī)無功補(bǔ)償節(jié)能方法創(chuàng)造了良好的條件。

1 實驗裝置和主要實驗內(nèi)容

電動機(jī)節(jié)能實驗主體裝置如圖1所示。

圖1 電動機(jī)節(jié)能測試實驗裝置

裝置主要由三相異步電動機(jī)、扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩/轉(zhuǎn)速顯示儀、永磁同步發(fā)電機(jī)、能量回饋器、電能綜合測試儀、裝置底座和三相調(diào)壓電源等組成。其中永磁同步發(fā)電機(jī)和電能回饋器用于電動機(jī)的加載，在加載過程中只有少部分能量消耗在電動機(jī)和發(fā)電機(jī)上，大部分能量又回饋到電網(wǎng)，避免電動機(jī)節(jié)能測試過程中消耗大量的電能。因此這種加載裝置比電磁渦流制動器和磁粉制動器優(yōu)越得多，而且加載平滑性好。扭矩傳感器是非接觸式電阻應(yīng)變傳感器，測量精度高、可靠性高，其精度能達(dá)到0.5%。轉(zhuǎn)速傳感器通常采用光電編碼形式，測量精度能達(dá)到0.1%。電能綜合測試儀能夠直接測量三相異步電動機(jī)的輸入電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)和電源頻率等。

電動機(jī)節(jié)能技術(shù)實驗主要內(nèi)容有:①實驗裝置和電能綜合測試儀使用方法;②電動機(jī)綜合效率測試和計算方法;③雙功率電動機(jī)節(jié)能方法研究;④變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率測試及研究;⑤電動機(jī)靜態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难芯?⑥電動機(jī)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难芯?⑦變頻通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能測試及研究。前3個實驗是必做實驗，共4個學(xué)時。其它為任選內(nèi)容，共4個學(xué)時。

2 電動機(jī)靜態(tài)無功補(bǔ)償實驗

眾所周知，三相異步電動機(jī)是感性負(fù)載，在運行中除了消耗有功功率外，還要從電網(wǎng)吸收無功功率，而傳輸無功功率就會使線路產(chǎn)生附加損耗。在電動機(jī)進(jìn)線端并聯(lián)電容使傳輸線路中電流減小，傳輸線路電阻損耗就會減少，這就是電動機(jī)無功補(bǔ)償節(jié)能原理［1，2]。

三相異步電動機(jī)無功補(bǔ)償電容器為固定值，不隨負(fù)載變化而調(diào)節(jié)，這就是靜態(tài)無功補(bǔ)償。三相異步電動機(jī)從空載到滿載無功功率變化比較大。相對于某一穩(wěn)定的負(fù)載，選擇一個合適的電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償是可以的［3]。如果負(fù)載變化范圍比較大，但相對穩(wěn)定，可以采用靜態(tài)階梯補(bǔ)償方式。本實驗設(shè)計的階梯補(bǔ)償電路如圖2所示。

圖2 電動機(jī)階梯補(bǔ)償實驗電路

靜態(tài)補(bǔ)償電容器安裝在電動機(jī)控制柜內(nèi)，電動機(jī)接線端子接到控制柜電源輸出端。圖中電源、電動機(jī)和電容器的三相線都用一根線表示，虛線表示控制柜。電動機(jī)加載裝置如圖1所示，電動機(jī)為4極3kW。圖2是靜態(tài)補(bǔ)償裝置，其中C1標(biāo)稱值為2kvar，實測值為1.906kvar;C2標(biāo)稱值為0.5kvar，實測值為0.535kvar。電動機(jī)空載無功功率約為2kvar;滿載無功功率為2.5kvar。電動機(jī)節(jié)能實驗裝置最小負(fù)載為0.25kW，因此負(fù)載功率P2從0.3kW開始。輕載時將C1投入，接近滿載時再將C2投入。具體測試方法是在圖2中A點和B點各接一臺電能綜合測試儀(3169-20)，同時測量電動機(jī)無功補(bǔ)償前后的有功功率P1、無功功率Q、功率因數(shù)cosφ、平均電壓Varc和平均電流Iave，測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電動機(jī)(3kW/4極)靜態(tài)階梯無功補(bǔ)償測試數(shù)據(jù)

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出:①補(bǔ)償后有功功率比補(bǔ)償前略小幾瓦，原因是補(bǔ)償點和測試點之間的線路損耗減小;②補(bǔ)償后無功功率比補(bǔ)償前明顯減小，隨著負(fù)載增大無功功率逐漸增大。負(fù)載為2.7kW時，再將C2投入，此時有一點過補(bǔ);③補(bǔ)償前，功率因數(shù)從0.258逐漸增加到0.824，輕載時功率因數(shù)很低。補(bǔ)償后功率因數(shù)很高，從0.934逐漸增加到0.999，可見無功補(bǔ)償效果很好;④補(bǔ)償前后電壓基本不變;⑤補(bǔ)償前后電流變化明顯，輕載時電流減小很多，接近滿載時電流減小1A左右。

3 電動機(jī)動態(tài)無功補(bǔ)償實驗

對于在一個周期內(nèi)波動較大的特殊負(fù)載，利用階梯補(bǔ)償方法無法取得滿意的效果。比如，油田采油用的抽油機(jī)和鋼廠的軋鋼機(jī)等，平均功率因數(shù)很低。對于這種特殊負(fù)載，必須采用動態(tài)無功補(bǔ)償方式。動態(tài)無功補(bǔ)償方式主要有兩種:一種是基于晶閘管(TCR)相位控制的動態(tài)無功補(bǔ)償，簡稱為SVC補(bǔ)償方式;另一種是基于可關(guān)斷器件(比如IGBT)控制的動態(tài)無功補(bǔ)償，簡稱為SVG補(bǔ)償方式。本文采用晶閘管相位控制的動態(tài)無功補(bǔ)償電路。

3.1 晶閘管相控動態(tài)補(bǔ)償電路原理［1]

晶閘管相控動態(tài)補(bǔ)償電路原理如圖3所示。圖中每組反并聯(lián)晶閘管分別與電容器串聯(lián)，再接成星形，構(gòu)成動態(tài)補(bǔ)償主電路。在補(bǔ)償容性無功功率時，為抑制沖擊電流需在主電路中串入電抗器。晶閘管相控動態(tài)補(bǔ)償電路還包括:同步相位檢測電路、電壓電流檢測電路、單片機(jī)檢測控制電路和同步脈沖觸發(fā)電路。下面分別介紹各部分電路的工作原理。

圖3 晶閘管相控動態(tài)補(bǔ)償電路原理框圖

(1)電壓電流檢測電路

圖3中的檢測電路包括兩部分，一部分是同步相位檢測電路，如圖4所示。另一部分是電壓電流檢測電路。相位檢測電路分別檢測A、B、C三個相電壓的過零點，圖中只畫出A相，其它兩相與之相同。檢測到三個相電壓過零點信號經(jīng)過光耦隔離送給單片機(jī)。電壓電流檢測電路可采用電壓互感器和電流互感器檢測，將采集的電壓和電流信號經(jīng)過處理送至單片機(jī)。

圖4 同步相位檢測電路原理圖

(2)單片機(jī)檢測控制電路

為了計算相位方便，可采用具有交流信號A/D采集功能的單片機(jī)。如果是單向A/D采集的單片機(jī)，則還需有電壓與電流相位比較電路。單片機(jī)根據(jù)電壓、電流以及檢測到相電壓和相電流之間的相位差，計算出電動機(jī)在△t時間內(nèi)每一相的無功功率△Q。即

式中，Up和Ip分別為相電壓和相電流。

(3)同步脈沖觸發(fā)電路

同步脈沖觸發(fā)電路如圖5所示。圖中的同步脈沖觸發(fā)電路主要包括兩部分:一部分是單片機(jī)發(fā)出的同步脈沖信號，另一部分是脈沖變壓器。脈沖信號經(jīng)放大送給脈沖變壓器輸入端。脈沖信號經(jīng)脈沖變壓器增強(qiáng)，形成強(qiáng)觸發(fā)信號輸出到晶閘管的門極，從而可靠地觸發(fā)晶閘管。晶閘管同步脈沖觸發(fā)電路共有六路，每兩路驅(qū)動一組晶閘管。

圖5 晶閘管同步脈沖觸發(fā)電路

3.2 晶閘管相控?zé)o功調(diào)節(jié)方法

晶閘管相控?zé)o功調(diào)節(jié)方法:設(shè)每個采集時間為△t，即步長。在第一個△t檢測每一相的無功功率為△Q，在下一個△t時間內(nèi)補(bǔ)償無功功率為△Q。晶閘管相控?zé)o功調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)電容上電壓，電容電壓是與觸發(fā)角相關(guān)的斬波電壓，即非正弦電壓。此時電容無功功率為

式中，Uα是觸發(fā)角為α?xí)r對應(yīng)的非正弦電壓有效值。取△t時間內(nèi)補(bǔ)償無功功率△Q等于斬波電壓在電容上產(chǎn)生的無功功率Qc，即

利用上式和有效值定義可以推得觸發(fā)角α與無功功率的關(guān)系為

式中，ω為電源角頻率，C為電容值，Um為正弦電壓的幅值。

這是一個關(guān)于觸發(fā)角α的超越方程，直接求得α角很困難?？梢韵惹蟪龈饔|發(fā)角所對應(yīng)的無功功率，比如分別取α=0°，2.5°，5°，……，180°，其對應(yīng)的無功功率為ΔQ=ΔQ1，ΔQ2，……，ΔQ72，然后根據(jù)測得的無功功率在對應(yīng)的兩點之間進(jìn)行插值求得觸發(fā)角α。

無功調(diào)節(jié)步長△t可以根據(jù)負(fù)載變化的周期來確定。負(fù)載變化快，步長△t可以小一些;負(fù)載變化較慢，步長△t可以大一些。

由圖3和上面的分析和計算可以看出，這種動態(tài)補(bǔ)償是滯后跟蹤控制，是開環(huán)控制。在一個步長的時間內(nèi)(比如△t=200ms)檢測電動機(jī)的無功功率是多少，在下一個△t開始時就補(bǔ)償多少，同時檢測下一個△t的無功功率。根據(jù)瞬時無功功率計算出觸發(fā)角α，再計算出六路觸發(fā)脈沖的相位，由單片機(jī)定時發(fā)出六路觸發(fā)脈沖，控制六個晶閘管，實現(xiàn)電動機(jī)的動態(tài)無功補(bǔ)償。

3.3 動態(tài)無功補(bǔ)償實驗結(jié)果

晶閘管相控動態(tài)補(bǔ)償實驗電路如圖3所示。測試方法與靜態(tài)無功補(bǔ)償測試方法相同，在電動機(jī)加載的過程中，利用電能綜合測試儀測試電源端和電動機(jī)的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、平均電壓和平均電流，測得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電動機(jī)(3kW/4極)動態(tài)無功補(bǔ)償測試數(shù)據(jù)

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出:①補(bǔ)償后有功功率比補(bǔ)償前略小幾瓦，這一點與表1中的數(shù)據(jù)相似;②動態(tài)補(bǔ)償后無功功率大大減小;③補(bǔ)償后功率因數(shù)很高，都在0.9以上，可見無功補(bǔ)償效果很好;④補(bǔ)償前后電壓基本不變;⑤補(bǔ)償前后電流明顯減小。

4 無功補(bǔ)償節(jié)能效果的計算

電動機(jī)無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)能效果可以采用兩種方法計算。如果傳輸線路的電阻已知，可以利用下面的公式計算

式中，△Pq為電動機(jī)無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)電功率，I1q為補(bǔ)償前的電流有效值，I1h為補(bǔ)償后的電流有效值，R為每根線路電阻。

另一種方法是利用無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量計算

式中，Q1q為補(bǔ)償前的無功功率，Q1h為補(bǔ)償后的無功功率，k為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量系數(shù)。當(dāng)電動機(jī)直連發(fā)電機(jī)母線或直連已進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪妇€時，k的取值為0.02～0.04;二次變壓取值為0.05～0.07;三次變壓k取值為0.08～0.1。

在上面的無功補(bǔ)償測試中，實驗室到三次變壓器的傳輸線路電阻未知，因此可以利用無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量的方法計算無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)能效果。無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量系數(shù)k可取0.08。由于負(fù)載不是某一確定的負(fù)載，不妨計算上述各點的平均值。對于靜態(tài)階梯補(bǔ)償，無功補(bǔ)償平均節(jié)能為

將表1中無功功率數(shù)據(jù)代入可得

對于動態(tài)補(bǔ)償，利用表2中無功功率數(shù)據(jù)，可得

由上述計算可見，動態(tài)無功補(bǔ)償節(jié)能效果比靜態(tài)補(bǔ)償效果略好一些。對于某些負(fù)載波動頻率比較高，無功功率變化復(fù)雜的情況，靜態(tài)補(bǔ)償無法取得滿意的效果，只能利用動態(tài)無功補(bǔ)償。

5 結(jié)語

在電動機(jī)節(jié)能實驗中，無功補(bǔ)償是一項重要內(nèi)容。學(xué)生通過這個實驗可以掌握對電動機(jī)實施無功補(bǔ)償方法、測試方法和節(jié)能效果計算方法。本文在將電動機(jī)無功補(bǔ)償節(jié)能方法引入教學(xué)方面做了一些探討，設(shè)計的電動機(jī)無功補(bǔ)償實驗內(nèi)容及實驗裝置，為開設(shè)電動機(jī)無功補(bǔ)償實驗打下了良好的基礎(chǔ)，在教學(xué)中也收到了比較好效果。

異步電動機(jī)無功補(bǔ)償是非常重要的節(jié)能措施。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:中小型三相異步電動機(jī)實施無功功率補(bǔ)償后，功率因數(shù)應(yīng)不低于0.9。此外，對異步電動機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償，企業(yè)將獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益，提高變壓器利用率，提高設(shè)備的可靠性，改善電動機(jī)起動性能等。

［1] 白連平，馬文忠.異步電動機(jī)節(jié)能原理與技術(shù)［M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012。

［2] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004。

［3] T.J.E Miller.(胡國政譯).電力系統(tǒng)無功功率控制［M] .北京:水利電力出版社，1990。