高能耗機械廠功率因數(shù)提高與節(jié)能器設(shè)計分析

煙臺TIMKEN汽車軸承有限公司是一家美國獨資企業(yè)，主要從事美國通用汽車所需的各種滾子軸承的出口型加工；同時也是山東商務職業(yè)學院的校企合作伙伴。該公司生產(chǎn)規(guī)模很大，擁有近千臺數(shù)控車、磨、銑床等加工設(shè)備。2002年公司耗資數(shù)十萬元（具體金額廠家不方便公布），引進了美國著名電氣品牌，AB公司設(shè)計的一套功率因數(shù)補償與節(jié)能設(shè)備（下統(tǒng)稱為補償節(jié)能器）。當時很多高校的專家對這套設(shè)備的性價比有所質(zhì)疑；但是經(jīng)過六年多的實踐運行證明，由于公司的功率因數(shù)大大提高；公司每年節(jié)約15%-20%的用電費用。這套設(shè)備所帶來的能耗節(jié)約費用到日后還不可估量。同時電動機做為一種典型的感性負載；提高其功率因數(shù)，可以降低額定電流從而減少導線的耗材；同時還可以減少負載與電網(wǎng)的無功功率能量交換，保護電網(wǎng)安全壽命,意義十分重大。
補償節(jié)能器設(shè)備自投產(chǎn)以來，很多技術(shù)工作者對其設(shè)計原理產(chǎn)生了濃厚的興趣。研究發(fā)現(xiàn)，其設(shè)計思路主要是由功率因數(shù)補償原理分析和控制系統(tǒng)設(shè)計兩部分組成。本文也將從以下兩個方面入手進行分析討論。
1、補償節(jié)能器的設(shè)計理論分析
1.1功率因數(shù)提高的方法
電路基礎(chǔ)理論提出：若電路中存在感性或容性電氣元件，那么其功率因數(shù)最高為1；且產(chǎn)生條件的是發(fā)生諧振。諧振有串聯(lián)和并聯(lián)兩種情況。串聯(lián)諧振是電路中感性和容性元件的復阻抗恰好相等，那么在同串聯(lián)電流條件下，感性與容性元件電壓大小恰好相等，相位上則產(chǎn)生180°的波形差額，因而電壓相互補償?shù)窒?。但串?lián)諧振抵消的不僅是感性與容性元件各自的電壓；更進一步的在總的復阻抗上產(chǎn)生了抵消，致使電路總電流的提高。這顯然不是節(jié)能方案所能接受的。
在大量使用三相異步電動機的機械廠，總電路顯然是感性的。由此感性電路的功率因數(shù)提高的唯一方法就是在每一相電源上額外并聯(lián)上不同的容性負載使其產(chǎn)生并聯(lián)諧振。如圖1所示。
設(shè)企業(yè)三相電路中的某一單相電路阻抗為，則其原有功率因數(shù)?，F(xiàn)在為其并聯(lián)容性復阻抗（）的容性負載后則單相電路總的復阻抗變?yōu)椋?。因?br />顯然當：，即（式1）成立時。單相電路總的復阻抗變?yōu)殡娮栊裕瑳]有虛部。此時單相功率因數(shù)提高的最大值；電源功（率）全部被負載吸收，不存在無功功率和負載與電網(wǎng)之間的能量互換。
同時由式1可以看出在容性負載條件的范圍內(nèi)，能滿足功率因數(shù)提高到最大值的，可選擇不同的和并聯(lián)容性電路的設(shè)計有很多種。且功率因數(shù)為1時只能保證不存在負載與電網(wǎng)之間的能量互換。并不是讓電路產(chǎn)生最大阻抗和最小電流的條件。因此還必須進行節(jié)能方案的推導。
1.2額定電壓下最小電路產(chǎn)生的條件推導
將功率因數(shù)為1的充分條件，帶入單相電路總的復阻抗公式得：
上式如果用高等數(shù)學中條件極限公式或羅比塔法則比較難求出它的極值。但是用研究生數(shù)學數(shù)值分析中的蓋爾圓盤等理論很容易求的復阻抗的最大值。這里本文只給出結(jié)論：即當（并聯(lián)容性電路只有電容且不串電阻時），（并聯(lián)電容的容抗恰好滿足時）?？傋杩箍蛇_到最大值：。
由此可以得出補償節(jié)能器的設(shè)計理論：某一單相阻抗為的電路并聯(lián)的電容后，功率因數(shù)提高至最大，且電流將至最低。
2、補償節(jié)能器的設(shè)計原理
2.1波形采集器選擇
由上述理論，每相電路應根據(jù)各自的復阻抗的不同進行功率因數(shù)補償與節(jié)能。但是實際機械廠每相電路并聯(lián)的負載大小和數(shù)量都很不確定的。因此AB公司設(shè)計補償節(jié)能器時采用了：首先對電壓和電流的精確波形采集，然后計算每相負載相當?shù)囊粋€總復阻抗后再進行補償值計算。
利用現(xiàn)有市場上的電壓、電流互感器以及功率因數(shù)表可以很低廉方便，也很精確的測量出電壓和電流的大小及功率因數(shù)和相位。但是筆者不建議這樣直接組合測量。因為如圖2所示：測量的目的是計算，計算的結(jié)果是控制補償量。因此在測量背后必須一個中央處理控制模塊（如PLC）。而中央模塊一般有足夠的運算能力和速度，需要統(tǒng)一的信號和較高的精度。
美國AB公司由此自主開發(fā)了一個簡單的以51單片機模塊為基礎(chǔ)的VCT電壓電流波形測量設(shè)備。再經(jīng)過模擬量向數(shù)字量的AD轉(zhuǎn)化，將三相電路的電壓和電流的大小及相位差轉(zhuǎn)換輸給中央控制模塊，控制模塊計算出每相需要補償?shù)碾娙荽笮　?br />2.2補償設(shè)備的設(shè)計
本文1.2中給出了不同復阻抗感性電路條件下的最佳補償電容大小計算公式。實際補償時，所需電容計算值一般不是有理數(shù)且很難實現(xiàn)；再者電容本身并不是一個很穩(wěn)定的原件。但據(jù)前述理論不難推導：如果實際補償值與理論需求值相差越小，功率因數(shù)越接近1、總阻抗與電阻性元件相差也不大。因此在有計算能力的控制條件下；為了方便結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以選擇較近似值設(shè)計。
如圖3所示，TIMKEN公司的補償設(shè)備采用了砝碼組合原理。共設(shè)置了4個1000F的電容并聯(lián)控制。類似于電阻并聯(lián)：只閉合一個S開關(guān)，則為L1相電源補償1000F電容。任意閉合兩個，則補償500F。由中央控制器選擇最佳的補償電容開啟數(shù)目。每個機械廠當然需要根據(jù)自己的滿載和常載阻抗設(shè)計出相應的補償大小和數(shù)目進行控制。
2.3中央控制器的設(shè)計
由圖2設(shè)備結(jié)構(gòu)圖可以看出，VCT測量設(shè)備是一個閉環(huán)控制的首端，各個補償電容則是這個閉環(huán)控制的終端。因此還必須給整個控制系統(tǒng)選擇一個核心的控制單元。據(jù)前述理論：該控制單元需要三個單相VCT信號檢測輸入模塊，輸出一般為每相電路設(shè)置4個，三相共12個補償控制開關(guān)。顯然設(shè)備對補償節(jié)能設(shè)備的中央控制單元運算能力要求并不高，因此一般小型的PLC就可以很好的勝任。AB公司在中央控制單元上自然選擇了自產(chǎn)的羅克韋爾小型PLC。
3、結(jié)語
三相異步電動機補償節(jié)能控制，特別是重型高電能耗機械廠的總功率因數(shù)補償控制節(jié)能設(shè)備的設(shè)計理念已提出多年；但是應用案例在國內(nèi)資料較少。在我國經(jīng)濟高速發(fā)展的條件下，減少能耗的理論聯(lián)系實際的項目方案是十分急需的。