電氣自動化的節(jié)能設(shè)計技術(shù)分析

丁潔

電氣自動化作為電力信息領(lǐng)域的一個新興學(xué)科，與人類的日常活動以及生產(chǎn)過程息息相關(guān)。在大量生產(chǎn)工作中，使用電氣自動化設(shè)計方法可以有效提高工作效率，節(jié)約運行成本，有效發(fā)揮勞動力的作用。近年來，隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，環(huán)保已成為當(dāng)今社會的焦點問題和當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)的主要目標(biāo)。雖然自動化技術(shù)的應(yīng)用能夠推動行業(yè)的發(fā)展，但如果其無法與節(jié)能技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，那么這樣的技術(shù)也無法有長遠(yuǎn)的發(fā)展。對于電力自動控制柜而言，在工作過程中，很容易形成相當(dāng)高的諧波頻率，進(jìn)而對覆蓋面較廣的供電形成危害。所以，如果想要有效減少諧波頻率，有必要考慮節(jié)能[1]。發(fā)展電氣自動化中的節(jié)能設(shè)計技術(shù)，能夠有效減少電氣系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中的總功率，從而減少諧波，防止電網(wǎng)的損壞。作為一門現(xiàn)實性很強(qiáng)的學(xué)科，電氣自動化的節(jié)能設(shè)計有非常重要的實踐意義。對此課題的研究，能夠有效推動電氣自動化節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，最終有效應(yīng)用到現(xiàn)實領(lǐng)域中。

一、概述

隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)及其自動化科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電氣自動化也應(yīng)運而生。電氣自動化能夠使電力輸送更加優(yōu)質(zhì)、靈活，還能夠?qū)崿F(xiàn)電力的安全可靠輸送，因此技術(shù)人員也在不斷地進(jìn)行節(jié)電系統(tǒng)設(shè)計工作，以促使技術(shù)不斷進(jìn)步。電氣自動化系統(tǒng)中的節(jié)電技術(shù)如果沒有有效發(fā)揮效益，就會使電能大量流失而且還會使整個控制系統(tǒng)的安全遭受負(fù)面影響。而如果控制系統(tǒng)遭受了不良影響，整個供水、輸電和配電等工作環(huán)節(jié)也就一定會形成惡性循環(huán)，從而給社會生產(chǎn)生活造成極大的不便。由于現(xiàn)如今的電力網(wǎng)構(gòu)造較為復(fù)雜，容納量也在不斷擴(kuò)大，特別是針對城市供電網(wǎng)的工程設(shè)計性能，先進(jìn)的節(jié)電方法還無法投入使用。目前國家電網(wǎng)中大量存在的變頻轉(zhuǎn)換器和整流電壓器這種非線性負(fù)荷，它們都會造成諧波電流污染，所以，對于節(jié)能設(shè)計也存在不少的問題[2]。如何增強(qiáng)節(jié)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電源頻率，是必須不斷進(jìn)行探討的重要課題。

二、電氣工程自動化的特點分析

（一）技術(shù)融合程度高，專業(yè)使用廣泛

電氣自動化技術(shù)，是指計算機(jī)科學(xué)和電子動力技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)自動化技術(shù)，是工作綜合性較強(qiáng)的一種科學(xué)技術(shù)方法。在現(xiàn)代化工程日趨推進(jìn)、社會科技發(fā)展水平日趨提高的現(xiàn)代社會，電氣工程自動化建設(shè)也將越來越廣泛。所以，電氣工程自動化發(fā)展具有與科學(xué)技術(shù)聯(lián)系緊密，專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的特征。隨著我國工業(yè)化建設(shè)日益提高，電氣化時期已經(jīng)來臨，所以有關(guān)電氣自動化的應(yīng)用與要求也必將越來越多，其應(yīng)用前景也將越來越廣闊。

（二）技術(shù)實用性極強(qiáng)，提升工業(yè)生產(chǎn)力

在現(xiàn)代化建設(shè)中，由于各類技術(shù)的創(chuàng)新替代速率日益提高，智能化技術(shù)的運用已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出了勢不可擋的發(fā)展態(tài)勢。而電氣自動化技術(shù)在現(xiàn)代社會中也占有著關(guān)鍵的地位，它主要依靠電氣工程，提供給人類更加便捷的生產(chǎn)與生活方式。隨著21世紀(jì)工業(yè)的發(fā)展，電氣自動化技術(shù)的重要意義也充分地顯現(xiàn)出來，在整個工業(yè)生產(chǎn)過程中，電氣自動協(xié)調(diào)著各個環(huán)節(jié)的運作，從而快速為生產(chǎn)線提供動力，具有較強(qiáng)的工程技術(shù)實踐性，并且可以在一定程度上提高工業(yè)生產(chǎn)率[3]。

三、電氣自動化節(jié)能設(shè)計重要價值

我國電氣自動化隨著時代的進(jìn)步和變遷，得到了快速發(fā)展，在社會各個行業(yè)的多個領(lǐng)域中發(fā)揮重要積極作用，有效提升實際生產(chǎn)質(zhì)量和效率，最大程度地減少人工成本和管理成本，同時能夠有效提升生產(chǎn)的安全性，避免出現(xiàn)安全事故，為企業(yè)創(chuàng)造更多的社會經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)企業(yè)更加健康的持續(xù)發(fā)展。電氣自動化技術(shù)在實際應(yīng)用過程中存在一定的負(fù)面影響，如在使用中增加了對電力資源的損害，進(jìn)而增大了電力企業(yè)的供電負(fù)荷等不良影響。部分電氣自動化系統(tǒng)在設(shè)計的過程中存在不科學(xué)合理的現(xiàn)象，造成大量電能資源浪費，沒有充分發(fā)揮電能的最大應(yīng)用價值，同時對自然生態(tài)環(huán)境造成污染。因此，節(jié)能設(shè)計技術(shù)在該系統(tǒng)中進(jìn)行廣泛應(yīng)用，能夠更加滿足社會發(fā)展對電氣自動化系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保要求，提升電力資源的實際應(yīng)用效率，最大限度地減少對電能資源的損耗，降低對自然環(huán)境的污染，有利于城市生態(tài)環(huán)境的有效改善，改善人們生活品質(zhì)。

四、電氣自動化節(jié)能設(shè)計原則

首先，電氣自動化節(jié)能設(shè)計的過程中需要遵守綠色環(huán)保的原則，提升能源的應(yīng)用價值，增強(qiáng)其便利性和實效性。電氣自動化設(shè)計人員需要對其使用設(shè)備材料進(jìn)行確定，選擇最合適的節(jié)能環(huán)保材料，保證其能反復(fù)使用，減少企業(yè)生產(chǎn)成本和管理成本。其次，電氣自動化節(jié)能設(shè)計的過程中需要滿足安全用電的實際需求，充分發(fā)揮綠色資源的重要應(yīng)用價值，可以大力研究和發(fā)展太陽能技術(shù)，提升清潔可再生能源的應(yīng)用效率，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的效果，還能保證用電的安全可靠性。最后，相關(guān)設(shè)計人員要增強(qiáng)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性，為電力企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)利潤。設(shè)計人員需要結(jié)合企業(yè)實際情況，制定科學(xué)合理的設(shè)計方案，確定使用的設(shè)備和材料，并做好相關(guān)預(yù)算工作，將其改造成本有效控制在合理范圍之內(nèi)。

五、電氣自動化的節(jié)能設(shè)計技術(shù)

（一）減少電能的傳輸損耗

引線阻力的高低一般與引線的截面、輸出電導(dǎo)、寬度等有關(guān)，并與引線的截面成反比，也與輸出電導(dǎo)、寬度等成正比。所以，要想改善引線的阻力，就應(yīng)該從這幾個重要工作方面入手：一是在選用引線的時候，應(yīng)該選用電導(dǎo)率相對較小的材料，以減少電能的傳導(dǎo)損失；二是在進(jìn)行供電方案設(shè)計之時，布置線路盡量為直線，如此可縮短引線的總長度，進(jìn)而減少電能在電路上的損失：三是變壓器的位置要靠近負(fù)載中心，能夠減小與電源的距離；四是如條件許可，應(yīng)增加電線的橫截面積，以此減少電線的阻力，降低電力的輸送損失，進(jìn)而達(dá)到節(jié)電的目的[4]。

（二）變壓器的選擇

進(jìn)行變壓器的選型工作時首先要選擇節(jié)能型的變壓器，以便于合理減小變壓器的功率損失；其次要保證三相電的電流均勻，減少本體損失，就必須采取一些必要的技術(shù)手段和安全措施，比如把單相用電器全部分接到三相電源上、實行三相四線制電源等，以便于合理的保持負(fù)載電流的均勻。

（三）無功補(bǔ)償

對電氣自動化系統(tǒng)來說，在給配電裝置中無功電量占有較大的比例，在增大了線路損失的同時又對電網(wǎng)的電壓變化產(chǎn)生了不利影響，也因此大大降低了電力品質(zhì)，對電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)利益也形成了很大的危害[5]。所以，選擇合適的過勞而無功補(bǔ)償設(shè)備是十分有必要的，能夠有效降低損失，對于增加系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和社會效益都起到了至關(guān)重要的作用。首先當(dāng)采用電容補(bǔ)償方法時，在設(shè)定電容器容量的步驟中需要將目標(biāo)功率因數(shù)、配電電壓的輸出容量、負(fù)載類型等因素充分考慮進(jìn)來；第二，要使補(bǔ)償效率獲得最佳，首先需要選擇模糊投切方法，與傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法比較，由于模糊投切方法擁有調(diào)整平穩(wěn)、跟蹤精確、適應(yīng)范圍較廣等優(yōu)點，從目前情況來看補(bǔ)償效率也是最好的；最后，需要將無功功率控制視為主要投切參考的物理量，有效避免投切振蕩、無功補(bǔ)償?shù)顾偷惹闆r。

對于無功功率控制，其在電氣自動化系統(tǒng)的供配電裝置的總?cè)萘恐姓加休^大比例，在線路中，其對于電網(wǎng)的壓降做出了重要貢獻(xiàn)，并直接影響電力品質(zhì)和整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。而對用戶而言，無功則表現(xiàn)為用戶因功率因數(shù)下降，而需要向電力主管部門繳納相應(yīng)比例的罰款，用戶電力使用成本也相應(yīng)增加，從而大大降低了電力的經(jīng)濟(jì)效益[6]。所以，為達(dá)到無功平衡，減少資源消耗，就可以選用適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償設(shè)備，從而增加社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。而無功補(bǔ)償裝置的選型也有一些特點：

（1）在采用電容補(bǔ)償技術(shù)時，必須按照具體參數(shù)設(shè)定電容器的容量，通過計算這些參數(shù)合理使用電容器；

（2）通過調(diào)節(jié)速度平穩(wěn)、位置精確、適應(yīng)性較廣的集成模糊切換方法能夠?qū)崿F(xiàn)很好的補(bǔ)償效應(yīng)，但因為以往補(bǔ)償電容中電容的共享方式，以及按碼分配的方式而無法實現(xiàn)節(jié)能效應(yīng)。

（四）有源濾波器的使用

有源濾波器的應(yīng)用可以很有效地把電流諧波從傳動中去除，防止出現(xiàn)與電網(wǎng)連接設(shè)備之間的誤操作。而形成錯動作的最主要因素就是由于逐漸增多的設(shè)備數(shù)量，造成了大量的電流諧波出現(xiàn)，而這種高頻諧波電流又會形成與基波電壓疊加的電流，從而引起了電壓的畸變，造成設(shè)備間誤操作的形成。綜上所述，由于有源濾波器的動態(tài)特性良好，并具有反應(yīng)靈敏度、功率范圍廣等優(yōu)勢，對無功功率的補(bǔ)償工作具有很大的意義。在一般情況下，由于有源濾波器對諧波具有篩選的功能，可以有效避免了設(shè)備誤動作的形成，從而大大提高了設(shè)備的工作效能，大大優(yōu)化了設(shè)備智能化技術(shù)的節(jié)能效益。

（五）其他節(jié)能設(shè)計技術(shù)

對電氣自動化系統(tǒng)來說，除電力變壓器、無功自動補(bǔ)償和有源濾波器等節(jié)電技術(shù)之外，利用高效率燈光等另外多種形式也可以實現(xiàn)節(jié)電的功效，由于高效率照明光源的光色好、發(fā)亮率高、顯色性能好，一旦運用于電氣自動化系統(tǒng)中，就可以從根本上達(dá)到節(jié)能的目的。目前，由于電氣自動化系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計技術(shù)還處在不斷進(jìn)展的初級階段，因此必須對其進(jìn)行不斷的分析與深入地研究，唯有如此才能更進(jìn)一步推動電力節(jié)能技術(shù)的發(fā)展[7]。

首先，合理選用節(jié)能型燈光。燈具燈光的合理選用，必須根據(jù)我國的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，以盡可能取得照明節(jié)電的最大效益，采用較高效能的燈光系統(tǒng)，其發(fā)光效果可以是一般照明設(shè)備的好幾倍，而且可以大大節(jié)省電力。在廁所、上下樓梯間盡量采用吸頂燈，在滿足人民日常生活需求的前提下，可以實現(xiàn)節(jié)省電力的目的。工業(yè)廠房中優(yōu)先采用金屬鹵化物照明，在一個燈光沒有滿足條件的情況時，可以選擇兩個燈光系統(tǒng)或混合燈光，這樣就可以增加燈光強(qiáng)度，從而減少能耗。第二、合理選用節(jié)電型鎮(zhèn)流器。在工廠燈具設(shè)計的時期，必須優(yōu)先采用低耗與節(jié)電型的燈光及電子產(chǎn)品附件，而采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈時就必須配用節(jié)電型鎮(zhèn)流器，以降低能耗，節(jié)省電能。

（六）降低電能的傳輸消耗

電能傳遞過程中，在一般情況下，由于電線本身就具有大電流，導(dǎo)致?lián)p耗了一定的有用功功率，可這樣的情況也是無法避免的，因為線路上的電流，需要經(jīng)過電線才能傳遞電能。所以，為了降低電線上電能的總量，人們應(yīng)該降低引線的電阻。但眾所周知，引線的電阻與引線的橫截面面積負(fù)相關(guān)。因此可以采取如下措施：

1.選用導(dǎo)電率較低的材料制作導(dǎo)線，以減少來回線路上電能的消耗；雖然鋁電纜價格便宜，但穩(wěn)定性和節(jié)電效果都相對較差，不過由于銅線纜更粗，比同樣的直徑鋁電纜也要貴重不少。所以，對于個別直徑較粗大的線纜也可以采用鋁電纜，而直徑較小的則采用銅線纜，雖然成本只是略微高出了一些，卻也可以達(dá)到很好的節(jié)電效果。

2.減少導(dǎo)線直徑。設(shè)置電路時，盡可能讓引線走直，以避免走太多彎路，從而縮短引線長度；在將直徑長度選定的時候，根據(jù)電流密度的曲線和長期容許的電流密度加以合理選取。

3.變壓器的布置應(yīng)盡量接近負(fù)載中心，以縮短與供電系統(tǒng)間的距離；還要加大電線的截面，利用加大電線的截面，可以減少電線的電阻，進(jìn)而減少能源的耗費，實現(xiàn)節(jié)電效應(yīng)。

（七）選擇質(zhì)量更好的變壓器

變壓器的選型應(yīng)滿足節(jié)能的特點，通過確定變壓器的型式來減少對變壓器中有用電能的耗費。同時在設(shè)計變壓器時，可以采用單相的自動補(bǔ)償裝置，以保證三相電流的均勻，從而降低變壓器自身的耗能[8]。也可通過將單一供電裝置直接接入三相電源的方式，有效減少因負(fù)載不均勻消耗的變壓器功率。

（八）減少高次諧波

諧波傳動對供電設(shè)備通常會帶來諸多的影響，比如，產(chǎn)生危險的過電壓、過電流，降低設(shè)備的效率和經(jīng)濟(jì)性，也影響繼電保護(hù)控制系統(tǒng)以及自動調(diào)節(jié)設(shè)備的安全和可信度。比較常見的減少高次諧波的對策有：變壓器通過△/Y型接地，就能夠減少高次諧波；提高整流變壓器在二級側(cè)的相數(shù)；選用無高頻諧波污染影響的綠色變頻器；使用無源濾波器或有源濾波器。通過上述措施能夠?qū)Ω哳l諧波加以過濾，同時在電器設(shè)備正常運行前可以進(jìn)行其他活動，從而大大提高了電器設(shè)備的工作效能，以達(dá)到節(jié)電的目的。

（九）提高系統(tǒng)功率

一方面，通過采用合理的安全措施，可以增加控制系統(tǒng)的自動輸出功率，如增加用戶負(fù)荷量時，在設(shè)備符合一定工藝生產(chǎn)的情況下，可以盡可能選用極數(shù)較小的發(fā)電機(jī)，從而增加設(shè)備的生產(chǎn)效率，節(jié)省能源，從而減少損失。還可以讓發(fā)電機(jī)進(jìn)行變頻的自動控制，在發(fā)電機(jī)負(fù)荷較小的時候，獲得較多的輸出功率。通過上述措施可以在不增加其他補(bǔ)救措施的前提下，減少對供電設(shè)備的無功功率控制，進(jìn)而增加控制系統(tǒng)輸出功率。這種方法并沒有加大對工業(yè)生產(chǎn)的投入，是一種經(jīng)濟(jì)可行的電氣自動化節(jié)能策略。另一方面，可以通過人工干預(yù)，增加整個系統(tǒng)的功率，也是人們常說的人力補(bǔ)貼的方法。增加自然功率的措施，通常都無法適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供電的需要，還必須裝設(shè)補(bǔ)償裝置，通常采用的方法分為集中補(bǔ)償和簡單就地補(bǔ)償，降低農(nóng)業(yè)無用功傳輸，從而實現(xiàn)了節(jié)電的目的。

結(jié)束語

隨著我國人民生活水平的提高以及科技水平日漸發(fā)達(dá)，人們對電力的需求逐漸提升，但是就當(dāng)前形勢來看，由于資源浪費的問題還比較突出，如果不加以控制就無法保證人民最基本的生活需求。而電氣工程自動化的節(jié)能設(shè)計是一項長期的、系統(tǒng)的工程，目前在國內(nèi)處于早期探索階段，所以提高電氣自動化節(jié)能設(shè)計水平也是當(dāng)前我國電力智能化發(fā)展過程中需要關(guān)注的問題。綜上所述，加強(qiáng)對電氣設(shè)備自動化系統(tǒng)節(jié)約工程設(shè)計技術(shù)問題的調(diào)研分析，對其效益的實現(xiàn)具有非常關(guān)鍵的意義，所以在今后的電氣設(shè)備自動化系統(tǒng)節(jié)約工程設(shè)計中，必須提高對其重點環(huán)節(jié)和關(guān)鍵性重點要素的關(guān)注程度，并強(qiáng)調(diào)對其具體實施措施和方案的科學(xué)化，要求設(shè)計者在今后的實踐中不斷改進(jìn)技術(shù)工藝，注重和強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保的新理念，盡量減少技術(shù)的應(yīng)用對環(huán)境和空氣造成的污染，守護(hù)好人類共同的家園。