張 悅

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦,山西 古交 030200)

0 引言

破碎機是選煤廠的重要機械設備，主要通過機械擠壓或劈裂等方式將原料煤塊充分破碎成具有一定粒度的碎煤，方便后續(xù)加工、處理和使用。根據(jù)工作原理的不同，常用破碎機可分為擠壓型、沖擊型和剪切型三種，由于需要對堅硬的煤塊進行連續(xù)粉碎，因此各類型粉碎機驅(qū)動電機的功率均較大，是選煤廠的主要電力消耗設備。一般情況下，根據(jù)選煤廠生產(chǎn)安排，破碎機的生產(chǎn)節(jié)奏差異較大，并非長期滿負荷工作，輕載工況下的工作時間較長，但此時破碎機異步電機仍處于滿電壓狀態(tài)，由此導致電機的功率因數(shù)和效率等都降低，對企業(yè)電力資源造成較大浪費[1-3]。如何在保證生產(chǎn)連續(xù)和穩(wěn)定的情況下，最大程度地降低破碎機異步電機的電力浪費、提高其節(jié)能效率是本文研究重點。

1 破碎機異步電機節(jié)能原理

1.1 電機耗能分析

1.1.1 定子側(cè)耗能分析

破碎機異步電機的輸入功率P1為：

P1=m1U1I1cosφ1.

其中：m1為電機電源相數(shù)，對于三相異步電機，m1=3；U1為定子側(cè)電壓值；cosφ1為電機的功率因數(shù)。

圖1 破碎機異步電機T型等效電路

定子側(cè)銅耗PCu1為：

(1)

其中：R1為定子側(cè)銅阻。

定子側(cè)鐵耗PFe為：

PFe=kf1.3B2.

(2)

其中：k為鐵損因子，一般為常數(shù)；f為磁通變化頻率；B為磁場磁通密度，與定子側(cè)電流強度有關(guān)。

電磁功率Pem為：

Pem=P1-PCu1-PFe.

(3)

1.1.2 轉(zhuǎn)子側(cè)耗能分析

由定子傳遞到轉(zhuǎn)子上的電磁功率Pem一部分通過轉(zhuǎn)子銅線繞組的發(fā)熱而耗散，該部分功率記為PCu2；另一部分轉(zhuǎn)化為電機輸出軸的機械功率Pmec。實際上，機械功率Pmec并不能完全轉(zhuǎn)化為電機的輸出功率P2，其中還包含了軸承摩擦、風阻等造成的輸出機械損耗Pm和諧波震蕩引起的雜散損耗Ps等，因此輸出功率P2為：

P2=Pmec-Pm-Ps.

(4)

通過上述分析可知，總體上存在如下關(guān)系：

Pmec=Pem-PCu2.

(5)

(6)

由式(3)～式(6)整理簡化可得：

Pmec=(1-s)Pem.

(7)

因此轉(zhuǎn)子側(cè)銅耗可表示為PCu2=sPem，當負載增加時，等效電阻增大，電機轉(zhuǎn)差率s相應增大，則轉(zhuǎn)子側(cè)銅耗也增大。

1.1.3 總體耗能分析

電機功耗流向示意圖如圖2所示，輸入功率P1經(jīng)過定子和轉(zhuǎn)子上的各種損耗后，最終輸出功率P2，其中輸出機械損耗Pm和雜散損耗Ps等與電機特性相關(guān)，可調(diào)整幅度較小，但定子側(cè)鐵耗、定子和轉(zhuǎn)子上銅耗隨輸入電參數(shù)或負載變化明顯，因此電機節(jié)能應從此入手解決。分析表明，當負載不變，而降低定子側(cè)輸入電壓U1時，定子側(cè)電流I1下降，相應定子側(cè)銅耗和鐵耗大量降低，電機功率因數(shù)cosφ1提高，由此可達到節(jié)能的目的。

圖2 電機功耗流向示意圖

1.2 電機節(jié)能約束條件

由1.1相關(guān)分析可知，通過降低定子側(cè)電壓可顯著提高電機功率因數(shù)，起到降壓節(jié)能效果，但降壓措施通常會影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩和帶載能力，因此為保證電機在節(jié)能的同時滿足正常工作要求，需對降壓的具體約束條件進行研究。

由電機學理論可知，三相異步電機的輸出轉(zhuǎn)矩與其端電壓的平方成正比關(guān)系，因此電機在輕載降壓時的轉(zhuǎn)矩與正常額定轉(zhuǎn)矩的比值存在如下關(guān)系：

(8)

其中：TX為電機在輕載降壓時的轉(zhuǎn)矩；TN為電機的正常額定轉(zhuǎn)矩；UφX為輕載降壓時的相電壓；UφN為額定相電壓；K為比例系數(shù)。

在輕載工況下，通過降低定子端輸入電壓進行節(jié)能運行時，為保證負載突升至額定負載也可正常運行，此時電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩應滿足以下條件：

(9)

其中：TNm為電機的最大額定轉(zhuǎn)矩。

則定子端輸入電壓可降低的極限計算公式為：

(10)

2 破碎機異步電機節(jié)能實現(xiàn)方案

2.1 基于恒功率因數(shù)控制的調(diào)壓節(jié)能策略

破碎機異步電機功率較大，工況環(huán)境較差，根據(jù)實踐經(jīng)驗，其在額定電壓和額定負載下的實際功率因數(shù)一般為0.8左右，但在輕載或空載工況下，額定電壓所提供的勵磁電流仍較大，造成無功損耗所占比例增大，因此功率因數(shù)下降較多[4-5]。

如圖3所示，基于恒功率因數(shù)控制的調(diào)壓節(jié)能策略是在檢測電機當前實際功率因數(shù)的基礎上，利用模糊算法將電機的功率因數(shù)控制在一定范圍內(nèi)。其中，功率因數(shù)檢測模塊可對電機的功率因數(shù)cosφ1進行實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至模糊控制器，控制器的數(shù)據(jù)處理模塊將輸入值cosφ1與預設值進行對比，然后輸出當前晶閘管調(diào)壓的觸發(fā)角增量；隨后，移相觸發(fā)電路可將相應角增量信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而對定子側(cè)電壓進行調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)電機降壓節(jié)能。該方法的負載跟隨響應速度快、原理簡單、使用效果良好，因此適用于破碎機異步電機的節(jié)能改造。

圖3 基于恒功率因數(shù)控制的調(diào)壓節(jié)能策略

2.2 功率因數(shù)檢測

對于異步電機功率因數(shù)的檢測具有多種方法，其中較為典型的包括如下兩種：

(1) 利用硬件電路分別檢測電機的有功功率Pw和所有無功功率Ph，然后通過公式計算：

(11)

(2) 首先檢測定子上某一相的電流和電壓矢量，然后求取兩者之間的相位差φ1，從而得出功率因數(shù)cosφ1。

對比以上兩種方法，第一種原理簡單，數(shù)據(jù)直觀，但所需的檢測電路結(jié)構(gòu)復雜，且數(shù)量較多，因此不便于實際應用；第二種方法測量電路較少，方便實施，因此實際應用較多。但在生產(chǎn)過程中，三相電壓信號并非完全對稱，若單純檢測某一相的電壓和電流信號，并不能真實反映當前的工作狀態(tài)，相應功率因數(shù)的計算結(jié)果偏差較大，因此一般選擇其中兩相進行電壓檢測，剩余一相進行電流檢測，然后再計算兩者的相位差φ1及功率因數(shù)cosφ1。

2.3 模糊算法控制

對于定子側(cè)電壓的模糊算法控制主要由模糊控制器實現(xiàn)，其工作原理如圖4所示。圖4中，K1、K2分別為兩個積分器；Uc t為觸發(fā)角增量電壓。

圖4 模糊控制器工作原理

模糊控制器的輸入量包括實際功率因數(shù)與預設值的偏差Δcosφ1及該偏差值的變化率(Δcosφ1)′，控制器輸出量為晶閘管的觸發(fā)角增量Δα，可實現(xiàn)對功率因數(shù)的單閉環(huán)自動控制。其中的模糊算法規(guī)則主要根據(jù)負載變化規(guī)律、操作經(jīng)驗等進行參數(shù)設定，保證計算的快速性和準確性。

2.4 移相調(diào)壓控制

實際調(diào)壓過程是利用晶閘管三相調(diào)壓電路實現(xiàn)的，而移相觸發(fā)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。理論上，通過改變觸發(fā)角α可對觸發(fā)脈沖的起始相位進行控制，進而改

變輸出電壓。對于移相觸發(fā)電路，可通過控制其觸發(fā)電壓Uc t(0 V～10 V)來調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖起始點的位置，從而改變觸發(fā)角α。另外，要求所產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖與供電電壓保持同步，且各相脈沖信號之間按120°間隔排布。

3 結(jié)論

破碎機是選煤廠的重要機械設備，對于其電機在設備輕載或空載工況下的節(jié)能降耗問題，本文首先分析了電機在定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)及總體的耗能情況，并由此提出了提高電機功率因數(shù)的主要途徑和目標控制項，隨后對降壓節(jié)能方案的主要約束條件進行了研究，在此基礎上，提出了針對三相異步電機的恒功率因數(shù)控制降壓節(jié)能策略，并對其中的功率因數(shù)檢測方法、模糊控制、移相控制等內(nèi)容進行了研究。本文研究內(nèi)容對輕載工況下破碎機異步電機節(jié)能技術(shù)的開發(fā)具有積極參考價值。

參考文獻：

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