WVP變負(fù)載進相器在水泥行業(yè)的應(yīng)用
1 引言
水泥行業(yè)主要的用電設(shè)備有破碎機、球磨機、輥壓機和風(fēng)機四種，這四種設(shè)備占整個水泥廠耗電量的98%以上，其中破碎機、球磨機和輥壓機在水泥行業(yè)中占耗能的70%，風(fēng)機占整個能耗的20%左右。這些大型用電設(shè)備能耗高，而在運行中功率因數(shù)過低，存在大量的無功損耗現(xiàn)象。因此，如何有效減少此類大中型繞線電機造成的無功損耗成為許多水泥廠節(jié)能降耗的關(guān)鍵。尤其是破碎機和輥壓機這類負(fù)載變化幅度大、變化速度快的電機的無功補償更是其中的難點。
2 無功功率補償方式的選擇
目前，國內(nèi)針對繞線式電機的就地?zé)o功功率補償方法主要有三種：電機定子側(cè)并聯(lián)電容器、電機轉(zhuǎn)子回路串接旋轉(zhuǎn)式進相器和電機轉(zhuǎn)子回路串接靜止進相器等。這三種補償方式主要適用于電機負(fù)載基本恒定或緩慢變化的場合，對電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化劇烈的應(yīng)用場合，卻不能取得理想的補償效果。而我公司在多年無功功率補償設(shè)備生產(chǎn)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代微電子技術(shù)、交交變頻技術(shù)、優(yōu)化的PID控制策略等先進技術(shù)或理論，自主研發(fā)的新型WVP變負(fù)載進相器，完美解決了突變式負(fù)載工況下的繞線電機就地補償難的問題，同時也能夠?qū)徛冐?fù)載及恒定負(fù)載的繞線電機進行有效的就地補償。
2.1 電機定子側(cè)并聯(lián)電容器
首先，電容補償只是對除電機之外的電網(wǎng)無功進行補償，減少電網(wǎng)上無功傳輸量，而對電機的電流、功率因數(shù)等運行參數(shù)并無任何改變。其次，由于電容器補償量一般固定不變，即使將電容器分級來改變補償量，也不能滿足功率因數(shù)變化頻率高、范圍大、速度快的突變負(fù)載電機的補償要求。而且電容的運行受諧波的影響較大，電容器在諧波存在的情況下運行會造成過電流和過負(fù)荷，危害電容器的使用壽命。
2.2 電機轉(zhuǎn)子回路串接旋轉(zhuǎn)式進相器
旋轉(zhuǎn)式進相機是旋轉(zhuǎn)的，它與電機的聯(lián)接是通過滑環(huán)和碳刷實現(xiàn)的。碳刷怕塵埃，易磨損，壽命短，使旋轉(zhuǎn)式進相機維修量大，需要備用元件，旋轉(zhuǎn)式進相機有噪音，會產(chǎn)生火花。旋轉(zhuǎn)式進相機的補償量是固定的，不能根據(jù)電機的運行情況調(diào)節(jié)。另外，旋轉(zhuǎn)式進相機一般直接聯(lián)接在電機上，如果旋轉(zhuǎn)式進相機出現(xiàn)故障，會造成電機轉(zhuǎn)子開路運行或停機，維修只能在停機狀態(tài)進行，影響生產(chǎn)的連續(xù)性。
2.3 電機轉(zhuǎn)子回路串接普通靜止進相器
普通靜止進相器無電容器，無轉(zhuǎn)動部件，不怕灰塵、可靠性高、使用壽命長、維修方便，幾乎沒有聲音，不會產(chǎn)生火花，沒有電容器和旋轉(zhuǎn)式進相器不足。進相器出現(xiàn)故障后可以自動退出運行，通過轉(zhuǎn)接裝置將轉(zhuǎn)子接入起動器，電機可以繼續(xù)運行。電機運行時對進相器進行維修，維修好后可以不停機再投入運行，能夠很好的保證生產(chǎn)的連續(xù)性。水泥行業(yè)的球磨機、風(fēng)機等繞線電機，正常運行時負(fù)載比較穩(wěn)定，變化幅度不大，對于這類電機，用普通靜止進相器就可以取得很好的補償效果，故普通靜止進相器逐漸被廣大的水泥用戶接受和認(rèn)可。
但普通靜止進相器由于補償方式比較單一，補償量基本恒定，在水泥行業(yè)的主要用電設(shè)備的破碎機和輥壓機上使用時，由于破碎機和輥壓機的負(fù)載變化幅度大、速度快，容易出現(xiàn)兩種極端現(xiàn)象，要么輕載補償不足，要么重載過補，不能夠進行有效的跟蹤與補償，故達(dá)不到很好的補償效果。
2.4 電機轉(zhuǎn)子回路串接WVP變負(fù)載進相器
WVP變負(fù)載進相器除具有普通靜止進相器的全部優(yōu)點外，另具有普通靜止進相器所不具有的兩大突出特點：
?。?）WVP變負(fù)載進相器具有雙單片機控制系統(tǒng)，內(nèi)置多種補償模式，能夠自動跟蹤負(fù)載變化情況，根據(jù)負(fù)載的變化情況自動調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，使其補償效果無論在何種負(fù)載狀況下始終保持在理想的補償狀態(tài)，完全滿足負(fù)載突變工況下的無功補償要求。
?。?）能夠?qū)崟r檢測電機負(fù)載的變化，動態(tài)調(diào)整附加在轉(zhuǎn)子上的電動勢幅值，以使電機的功率因數(shù)保持在期望值上。因此，WVP變負(fù)載進相器在水泥行業(yè)破碎機和輥壓機這種變化負(fù)載的工況下，使功率因數(shù)達(dá)到理想的效果，解決了普通靜止進相器在這類變化負(fù)載下的補償不夠或過補的缺陷，使水泥行業(yè)各類繞線電機得到全面理想的補償。
?。?）通過特殊的信號采樣電路，能夠檢測電機輕載情況下的低頻轉(zhuǎn)子電流信號。
3 WVP變負(fù)載進相器的工作原理
如圖1和圖2所示，WVP變負(fù)載進相器利用現(xiàn)代微電子及大功率開關(guān)器件組成交交變頻器，把工頻50Hz的交流電壓變換為與轉(zhuǎn)子電流頻率相同、相位滯后轉(zhuǎn)子電流90°的補償電壓作為附加電勢，在電機轉(zhuǎn)子回路加入該附加電勢來改變繞線電機轉(zhuǎn)子回路電流和電壓的相位關(guān)系，進而改變電機定子電流和電壓的相位關(guān)系，達(dá)到改變電機功率因數(shù)的目的。同時根據(jù)電機運行功率因數(shù)的大小，實時自動調(diào)整附加電勢的幅值，改變轉(zhuǎn)子電流的大小，以適應(yīng)負(fù)載的變化，達(dá)到動態(tài)補償功率因數(shù)的目的。
當(dāng)電機在某一負(fù)載下運行時，其轉(zhuǎn)子電流為I2e、定子電流為I1e,向量圖如下所示:
從電機學(xué)我們知道，激磁電流Im由關(guān)系式Im = I1e － I2e，從圖3可得出Im。當(dāng)變負(fù)載進相器的電勢疊加在轉(zhuǎn)子回路后，轉(zhuǎn)子電流的相位變?yōu)閳D3中的I2。由于負(fù)載不變，激磁電流Im不變。此時的定子電流I1由關(guān)系式I1=Im＋I(xiàn)2從圖3可得出I1，如圖所示。從圖3中可以看出I1的功率因數(shù)角和幅值都比I1e小，說明電機的功率因數(shù)得到提高，定子電流有所下降。
4 WVP變負(fù)載進相器的性能特點
1）采用先進的交-交變頻技術(shù)和微機控制技術(shù),可靠性高。
2）功率因數(shù)從0.90～0.99可連續(xù)設(shè)置，能自動將電機功率因數(shù)補償?shù)饺我辉O(shè)定值。
3）采用優(yōu)化的功率因數(shù)閉環(huán)控制，使動態(tài)補償精度達(dá)±2%。
4）降低電機定子電流15％～25％，降低線損、銅損20％～40％。
5）電機無功功率降低60%以上。
6）電機的溫升顯著降低，過載能力及效率大為增強。
7）對不同工況的補償適應(yīng)性強于現(xiàn)有補償裝置。采用優(yōu)化功率因數(shù)閉環(huán)控制，動態(tài)響應(yīng)速度快，自動調(diào)節(jié)補償量，從而克服了其它補償裝置所存在的補償效果隨電機電流的波動或負(fù)載變化而變化的不足，其補償精度高、效果好。
8）對不同負(fù)載變化響應(yīng)時間≤2ms。
9）完備的保護功能：輸出失流保護、超溫保護、外部故障輸入保護和轉(zhuǎn)子缺相保護等。對每種保護均有相應(yīng)的故障代碼顯示輸出，方便用戶判斷處理。
10）齊全的聯(lián)鎖功能：開機聯(lián)鎖使條件不具備時，電機不能起動；投入聯(lián)鎖使電機沒有起動完畢時，WVP不能投入；跳閘聯(lián)鎖使電機在WVP出現(xiàn)重大故障時跳閘停機。
11）用戶界面友好，操作方便。結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊、占地面積小。安裝、調(diào)試及日常維護方便。
12）可廣泛用于冶金、鍛燒、熔融、石油化工、水泥、造紙及制糖等大型高耗能行業(yè)的90-21000KW繞線電機，并特別適用于拖動突變式負(fù)載的電機。
5 WVP變負(fù)載進相器在水泥行業(yè)的典型應(yīng)用實例
新疆某水泥有限責(zé)任公司有一臺800KW的高壓電機用在破碎機上，高壓電機參數(shù)如下：
型號YRKK630-8 額定功率800KW 額定電壓10KV
額定電流 60A 轉(zhuǎn)子開路電壓1076.8V 額定功率因數(shù)0.81
轉(zhuǎn)子額定電流445.5A 額定轉(zhuǎn)速742 r/min
這臺用于破碎機負(fù)載的電機，負(fù)載變化量大，電機頻繁工作在輕載或者過載兩種極限狀態(tài)（空載時的運行電流33A，功率因數(shù)為0.5以下，運行電流可到72A，過載量達(dá)到20％，功率因數(shù)為0.87），存在較大的沖擊性電流，電機的運行工況十分惡劣。
由于電機輕載時功率因數(shù)很低，而過載時電機的運行電流超過額定電流較多造成電機的溫度升高，危及電機的可靠性及使用壽命，該水泥公司于2008年7月購買了其他公司的一臺普通靜止進相器，投入使用后發(fā)現(xiàn)輕載時功率因數(shù)不能提高到0.9以上，而且進相后電流隨負(fù)載的變化擺動較大，效果不理想，故使用一段時間后被用戶閑置不用。2009年6月投運了我公司一臺WVP2－800G進相器，編號為20905262。投入進相器之后電機輕載時運行電流由33A降至12A，功率因數(shù)從0.5以下提高到0.98，電機帶載時運行電流從72A降至62A，功率因數(shù)從0.87提高到0.99，電機溫升下降，無過補或欠補現(xiàn)象存在，使用效益十分顯著，用戶非常滿意。
6 結(jié)束語
對于水泥行業(yè)來說，球磨機、風(fēng)機這類負(fù)載平穩(wěn)的繞線電機使用普通靜止進相器即可取得很好的補償效果。而在破碎機、輥壓機這類存在負(fù)載突變的條件下，使用普通靜止進相器往往不能取得最佳的補償效果，采用WVP變負(fù)載進相器則彌補了普通靜止進相器的不足，解決了突變式負(fù)載工況下的繞線電機就地補償難的問題。通過對水泥行業(yè)大量使用的繞線電機的無功損耗進行有效補償，可以降低功耗以節(jié)省電費的支付，提高功率因數(shù)以避免供電部門的罰款，提高設(shè)備利用率以減少電器設(shè)備的容量增大的投資，降低電機溫升以防止電機過熱燒毀，降低定子電流和提高過載能力以提高生產(chǎn)能力，從而給使用企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。
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