WVP系列变负载进相器在糖业撕解机上的应用

1.概述

在我国，电机所耗电能占整个工业用电的60%～68%，电机等感性负载所引起的无功损耗是电网无功损耗的主要来源，而大中型绕线电机又是许多工矿企业的主要用电设备，因此，如何减少大中型绕线电机造成的无功损耗成为许多工业企业节能降耗的关键。

同时，由于这些电机所拖动的负载大多数并不是恒定的，负载变化十分复杂，并且有时还存在负载突变的情况，例如钢厂的轧钢机、穿孔机，木业的热磨机，糖业的撕解机以及矿业的破碎机等。所以在这样的工况下若采用电容进行无功补偿，则很容易产生过补或补偿不足的情况，因为电容补偿只是对除电机之外的电网无功进行补偿，减少电网上无功传输量，而对电机的电流、功率因数等运行参数并无任何改变，当电机负载发生变化时其补偿量不能够改变。并且电机电流的突变会导致电容使用可靠性大大降低甚至出现爆裂现象。如果采用普通静止式进相器，也会存在过补或补偿不足的现象，因为普通型进相器补偿基本也是恒定的，甚至负载的太低或太高可能会导致无法正常使用。

WVP系列变负载进相器，是我公司专为大中型绕线式异步电机节能降耗设计的无功功率就地补偿装置，主要应用于突变式负载场合，它除了具备普通静止式进相器的功能以外，还能够自动跟踪电机负载变化情况，同时根据负载的变化情况自动调节相关补偿参数，使其补偿效果无论在何种负载状况下始终保持在理想的补偿状态。

2.异步电动机的进相原理

异步电机的定子绕组接上电源以后，由电源供给励磁电流，建立磁场，依靠电磁感应定律，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，以实现机电能量转换。因其转子电流是由电磁感应作用而产生的，因而也称为感应电动机。异步电动机在工农业、交通运输、国防工业以及其他隔行各业中应用非常广泛。其原因在于它和其它各种电动机相比较，具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等一系列优点。但是和同容量的直流电动机相比，异步电动机也有一些缺点，主要是功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收滞后的无功功率，它的功率因数总是小于1.

绕线式异步电动机由于具有较小的起动电流、较大的起动转矩和较高能过的起动功率因数，常被选用。但电网无功功率的耗用主要是异步电动机，约占80％以上。如不采取措施将增大线路的电力损耗，降低电网电压，造成电能损耗，影响电机的经济运行。

由∑E₂产生的转子回路总电流相位发生了变化。因为I₁=I_m +（- I₂^ˊ），所以定子回路电流相位得到修正，cosΦ得到了正补偿。补偿特性如下图所示

由上图可以看出，随着补偿电压的升高，定子侧的无功功率逐渐减小，功率因数逐渐上升，定子电流逐渐减少，转子电流逐渐增大。当补偿电压增高到一定值后，定子侧的无功功率逐渐减少接近于0，功率因数上升到近似于1，电机转速下降1％左右，而电机的输出功率维持不变。如果补偿电压继续升高，定子侧的无功功率逐渐增加，功率因数逐渐下降，定子电流逐渐增大，转子电流逐渐下降，这就造成了过补偿。

3.变负载进相器的基本结构

3.1变负载进相器的总体框架图

图2  WVP控制原理图

WVP系列变负载进相器串接在电机转子回路中，通过采集电机的运行电流、电压信号判断电机的运行状态，并将此状态信息与转子电流传感器采集到的转子电流信号及工频电压提供的同步信号同时送入单片机进行处理，根据电机的运行状态自动调整补偿量，实现动态补偿。适时发出的触发指令并经过触发板的放大，控制由12只晶闸管组成的交—－交变频装置，将工频电源变为和转子电流同频率，并且相位超前的电势叠加到电机转子回路中，改变转子电流与转子电压的相位关系，通过磁场进而改变电机定子电流与定子电压的相位关系，减小功率因数角，最终使电机本身的功率因数得以提高，定子电流得以下降，达到对电机补偿的目的。采用这种方式可使电机功率因数提高到0.95～0.99，无功功率降低60%以上，降低电机定子电流10%～20%，降低线损、铜损20%-30%，进而使电机温升显著降低，效率及过载能力大大提高，电机使用寿命延长。

3.2变负载进相器的控制策略

3.2.1系统采用双单片机控制，不仅提高了控制系统的实时处理能力，而且提高了控制精度和动态响应速度，增强了恶劣工业环境下的抗干扰能力。一个单片机（CPU1）主要集成触发控制模块、数据化模块、故障保护模块，另外一个单片机（CPU2）主要集成数据运算模块、显示模块和PID闭环控制模块。CPU1采集来自转子回路的电流信号和CPU2传输过来的控制触发动态调节指令，经过信号调理电路、逻辑变换电路，变成单片机能够识别处理的信号，经单片机输出后，再经过逻辑变换，传送给触发电路，用来控制交交变频晶闸管的工作。CPU2负责将采集到的定子电压和定子电流信号进行处理，并将运算的结果转换为控制信号为CPU1动态调整触发指令提供依据，同时将运算结果送入显示控制模块，通过数码管和液晶显示器显示出来。

3.2.2系统采用了双限制滞环控制，有效的解决了负载突变时产生的系统波动。根据的电机的定子电流和负载情况，系统内部设置轻载启动值和重载启动值。当电机的负载发生突变时：电流从小于轻载启动值上升到超过重载启动值，此时系统认为电机处在重载状态；电流从大于重载值下降轻载启动值以下，此时系统认为电机处在轻载状态，单片机发出对应的触发指令，确保在不同状态下有一个最理想的补偿效果。

3.3交交变频原理

交交变频电路里由12只晶闸管和6只电抗组成两相变三相交交变频，将两相380V交流电，变换成与电机转子频率相同的三相交流电，接入转子回路，从而在转子回路中产生一个附加电势，当附加电势超前转子回路主电势90°角时，将影响电机的功率因数变化，交交变频电路如下图所示。

　　该交交变频器的输入频率为50Hz的两相交流电，波形为标准的正弦波。当两相交流电输出在正半周时，此时晶闸管VT2、VT3、VT6、VT7、VT10、VT11承受正向电压，当A相同时获得门极触发脉冲时，只有VT2、VT3导通，而VT1、VT4因承受反相电压而关断。同理在B相只有VT6、VT7导通而VT5、VT8关断；在C相只有VT10、VT11导通而VT9、VT12关断.于是可以看到，两相交流电经VT2、L1、导线、电机转子绕组、L4、VT7形成AB相；经VT2、L1、导线、电机转子绕组、L6、VT11形成AC相；经VT6、L3、导线、电机转子绕组、L2、VT3形成BA相；经VT6、L3、导线、电机转子绕组、L6、VT11形成BC相；经VT10、L5、导线、电机转子绕组、L2、VT3形成CA相；经VT10、L5、导线、电机转子绕组、L4、VT7形成CB相；当两相交流电出现在负半周时，晶闸管VT1、VT4、VT5、VT8、VT9、VT12承受正向电压，若A、B、C三相获得门极脉冲触发电压时，VT1、VT4、VT5、VT8、VT9、VT12导通，其它晶闸管关断。同理可形成三相交流电。波形如下图所示。

　　4.1并联电容补偿
　　电力系统中主要负荷是电机等感性负载，电能从电源经供电线路输送给负载，负载吸收的功率为P=UICOSΦ,当负载功率因数低时，维持P、U不变则I需要很大。供电线路的电流增大会带来许多弊病，例如线路能量损耗大使输电效率降低；线路阻抗上压降增大负载端电压降低，影响负载的正常工作；输配电设备容量加大使投资增加；对于电机采用并联电容补偿，由电容器向电机提供其所需要的无功功率，电网的功率因数虽然有所提高，但由于容抗是固定的，因而无功补偿容量也是固定不变的，它不能跟随供电系统中感性负荷的变化而变化，所以不能实现无功功率的动态补偿。
　　4.2普通进相器补偿
　　普通进相器的补偿作用是在转子回路中叠加一个附加电源，改变转子电流与转子电压的相位关系，通过磁场进而改变定子电流与定子电压的相位关系，减少电机的无功消耗。普通进相器虽然依靠调节逆变变压器的输出电压等级改变叠加在转子上的附加电势的大小，进而改变补偿量的大小，但变压器输出电压等级有限，它所实现的是对于恒定负载实现的一种定补，对于不同的感性负载或负载变化是其无法实现精确补偿，最终会导致欠补或者是过补。
　　4.3变负载进相器补偿
　　变负载进相器补偿作用也是在转子回路中叠加一个附加电源，通过改变转子磁通势进而改变定子磁通势，最终减少电机的无功损耗。但是它通过采集定子电压和定子电流，判断电机的轻重载状态，实时改变可控硅的触发状态，动态调整对于电机的无功补偿，尤其对于突变式负载解决了电容补偿和普通进相器补偿的所出现的欠补和过补问题，使突变式负载的补偿实时处在最佳状态。
　　5.应用实例
　　广东茂名耀明笪桥糖厂共有两条生产线，每条线使用3台低压汽轮发电机，总装机容量是3700LW，并列运行，为了提高每条生产线的产量和降低负载变化时，不影响发电机的安全运行，该厂一共使用我公司4台WVP进相器，分别用在第一、第二道撕解机上。现对编号为20911735用在1号撕解机变负载进相器的使用情况进行分析。该电机的相关参数为：型号JR1582－8H,功率530KW，额定电压380V，额定电流955A，转子开路电压656V，转子额定电流509A，电机的额定转速736r/min。
　　当电机没有负荷时运行电流为250A，功率因数小于0.55，投入进相后的电流为65A，功率因数超前0.95；当有甘蔗通过时，不进相电机的运行电流变化范围为300A～900A，最大时能够达到1000A～1100A（偶尔），功率因数为0.8，此时汽轮电机的电流、功率表、功率因数表出线摆动，在台时产量不变的情况下进相后电机的运行电流变化范围为84A～650A（轻载启动值为100A，重载启动值580A）,偶尔波动到800A，功率因数在0.92～0.98之间变化，此时汽轮发电机输出功率稳定。
　　6.结束语
　　采用我公司生产的变负载进相器对撕解机进行节电改造，能大幅度降低定子电流、电机温升、无功功率、和消除过载，在电机出力不变的情况下延长了电机的使用寿命。变负载进相器的使用，有效的解决了采用电容器无功补偿和普通静止式进相器补偿，存在的过补或补偿不足的现象。