硅控整流控制技術在機電設備電動機節能中的應用分析

封 姣

（山西省陽泉市山西宏廈第一建設有限責任公司，山西 陽泉 045000）

0 引 言

煤炭開采、洗選行業已經從原有的粗放型模式向精細化模式轉變，由于煤炭企業有眾多的大型機電設備，在滿足機電設備運行的基礎上降低設備電力消耗，對提升企業效益及生產技術水平有顯著意義[1-3]。現階段大型機電設設備節電方式尤其以硅控技術調節電壓、電流技術率先等得到應用，取得成功,經過十多年探索和應用，節電效果超過目前其他技術，性價比高。陽煤集團經過近些年的技術攻關、不斷引進新節能技術，在大型機電設備節能領域走在行業前列。文中就對陽煤集團新景礦洗煤廠大型機電設備節能技術進行闡述，以期能為其他礦井節能降耗工作開展提供一定借鑒。

1 新景礦洗煤廠電動機使用存在問題分析

新景礦洗煤廠大型機電設備配套的電動機使用過程中主要存在下述主要問題：

1）機電設備配套的電動機功率大。為了確保大型機電設備可正常運行，其設備配置使用的電動機功率往往按最大負載考慮。機電設備正常工作時，電動機帶動負載比較小，只是在偶然狀況下才會處于重載狀態。如慣性負載時機組啟動初期負載大，若不配置大功率電動機則無法進行重載啟動。

2）長時間輕載運行。眾多的機電設備大部分時間均處在準備、備料、等待，此時間范圍內電動機處于空載狀態。若在空載時經常開、停機會設備使用及正常生產帶來影響，因此，為保障生產的安全性及可靠性，部分設備長時間在空載運行。

3）電動機負載無規律變化。受到生產工藝影響，在現場布置的機電設備及電動負載變化大并且無規律，功率較低的電動機將無法滿足生產需要。所以必須配置大功率電動機并預留一定的余量，以滿足超負載運行的需要。

2 機電設備節電技術

2.1 總體技術方案

本文針對新景礦洗煤廠使用廣泛的660 V 電壓電動機節能的問題進行改善，采用硅控整流器元件(SCR)為基礎研發出外掛式節能裝置，從而降低機電設備電能消耗。外掛式節能裝置使用時不會改變機電設備原有的操作方式，同時不需要更換原有設備。節能裝置內置的微電腦調控系統持續偵測電動機的電壓和電流零點時電流超前電壓的相位角，在1/1 000 s內啟動偵測ΔV/ΔI的負載變化，通過芯片精確運算，調整三相電力設備輸出，提供設備最適當電壓與扭力輸出，并控制電流合理下降，以達到節電效果。具體外掛式節能裝置結構圖及實物圖見圖1 所示。

圖1 外掛式節能裝置結構圖及實物圖

2.2 節電原理

電動機在正常運行情況下輕載時間會遠高于重載時間，通過微電腦晶片控制技術不間斷檢測機組的運轉狀況，同步跟蹤電動機在生產運行時電力消耗并根據實際所需進而自動調整，使電動機運行更省電、更順暢。

采用智慧型的微電腦控制系統自動檢測機組負載變化，檢測信號經專用節能軟件分析處理后，動態調節機組電壓電流，保證機組轉速恒定前提下，保持機組輸出轉矩與負載的精確匹配，減少有功功率和無功功率損耗并提高機組功率因數。在輕負載時機組電壓自動降至最低需求，轉速保持恒定，通過降低定子勵磁電流使得供電線路損耗、機組繞組的銅損耗顯著減少，避免電能浪費；若負載增加，電壓通過可控硅在百分之一秒內自動上升以防止機組失速，使機組的輸出功率與即時負荷剛好匹配，達到節約電能的目的。

2.3 技術功能

1）采用硅控整流器元件（SCR）可適用于660V/1 000A 額定電流以下的電動機，通過調整電壓輸出達到節電效果，綜合節能效率可到15%以上。

2）采用外掛式節能裝置，無需改變原有設備運行與操作方式。

3）當電流通過零點時系統閘門關閉，也就是不再有電流輸出到馬達。根據負載的大小，由微電腦控制系統決定何時開啟閘門讓電流再度輸出給電動機（動態調整）。

4）微電腦調控系統持續偵測負載狀況并持續控制給電動機的電力輸出（動態調控）。采用最新微電腦數位調控技術，具有遠程控制、工作可靠、免維護等優點，使用壽命達10 a 以上。

5）隨著負載的改變而改變節電率，低負載節電率高、反之高負載節電率低。

6）采用的節能裝置具有為軟啟動，軟停止、超載保護、短路保護、外接旁路等功能，不會出現因負載快速增加而使電機停機問題。

3 工業試驗及結果

3.1 實測設備

在新景礦洗煤廠選取10 臺主要耗能設備（9 臺皮帶機和1 臺壓濾機）對外掛式節能裝置節能效果進行實測，具體設備使用地點及運行參數見表1。

表1 主要能耗設備的使用地點及運行參數

表2 設備能耗實測數據

3.2 實測結果

外掛式節能裝置在2019 年5 月30 日安裝調試完畢，參與測試的設備從2019 年5 月30 日—7 月16日工頻運行，7 月16 日—9 月16 日節能運行，到現在已運行3 個月。具體實測數據見表2。

3.3 經濟效益分析

1）節電率分析。將電表裝設于節能設備端對設備電能消耗進行記錄，能更精準計算節能效益數值。

節電率計算可通過公式（1）計算：

式中：ξC為節電率（%）；ebc非節電狀態用電量；ejc節電狀態用電量。

10 臺皮帶輸送機在 2019 年 5 月 30 日—7 月 16日工頻運行平均每小時電能消耗量為49.18（kW·h）；在7.16-9.16 日節電模式下平均每小時電能消耗量為37.79（kW·h）。則

2）投資回報周期。投資回報周期可通過公式（2）計算：

式中：T為回報周期（年）；M為節電設備總投資額（元）；C為年節省電量（kW·h）；P為電價,取值 0.59元（/kW·h）。

按現有10 臺電動機（2 臺90 kW、3 臺110 kW、1 臺 132 kW、2 臺 155 kW、1 臺 250 kW 皮帶機、1 臺132 kW 壓濾機）數據計算回報周期：按每年330 d，電費0.59 元/度計算結果如下：

4 總 結

1）針對選煤廠最常用的660 V 電動機節能技術進行改進，以硅控整流控制技術（恒頻、變壓、變流）、先進電流偵測及芯片為基礎研發出外掛式節能裝置，該節能裝置通過檢測電流參數來調整、控制來最佳電壓輸出，控制電流合理下降，實現負載變化時最佳扭力作輸出減低用電量，并確保設備安全、穩定運行。

2）外掛式節能裝置可實現660 V 電動機為軟啟動，軟停止、缺相保護、超載保護、高電壓超載保護、低電壓保護、外接旁路等功能。在新景礦選煤廠選取皮帶機主要能耗設備共計10 臺試驗應用，依據工頻/節電的計量數據比較，運行的10 臺能耗設備達到預期效果，平均節電率達到23.16%。