高能耗機(jī)械廠功率因數(shù)提高與節(jié)能器設(shè)計(jì)分析

煙臺(tái)TIMKEN汽車軸承有限公司是一家美國(guó)獨(dú)資企業(yè)，主要從事美國(guó)通用汽車所需的各種滾子軸承的出口型加工；同時(shí)也是山東商務(wù)職業(yè)學(xué)院的校企合作伙伴。該公司生產(chǎn)規(guī)模很大，擁有近千臺(tái)數(shù)控車、磨、銑床等加工設(shè)備。2002年公司耗資數(shù)十萬(wàn)元（具體金額廠家不方便公布），引進(jìn)了美國(guó)著名電氣品牌，AB公司設(shè)計(jì)的一套功率因數(shù)補(bǔ)償與節(jié)能設(shè)備（下統(tǒng)稱為補(bǔ)償節(jié)能器）。當(dāng)時(shí)很多高校的專家對(duì)這套設(shè)備的性價(jià)比有所質(zhì)疑；但是經(jīng)過(guò)六年多的實(shí)踐運(yùn)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(fèi)用。這套設(shè)備所帶來(lái)的能耗節(jié)約費(fèi)用到日后還不可估量。同時(shí)電動(dòng)機(jī)做為一種典型的感性負(fù)載；提高其功率因數(shù)，可以降低額定電流從而減少導(dǎo)線的耗材；同時(shí)還可以減少負(fù)載與電網(wǎng)的無(wú)功功率能量交換，保護(hù)電網(wǎng)安全壽命,意義十分重大。
補(bǔ)償節(jié)能器設(shè)備自投產(chǎn)以來(lái)，很多技術(shù)工作者對(duì)其設(shè)計(jì)原理產(chǎn)生了濃厚的興趣。研究發(fā)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)思路主要是由功率因數(shù)補(bǔ)償原理分析和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分組成。本文也將從以下兩個(gè)方面入手進(jìn)行分析討論。
1、補(bǔ)償節(jié)能器的設(shè)計(jì)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(fù)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(bǔ)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(jìn)一步的在總的復(fù)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(dòng)機(jī)的機(jī)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(fù)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)。現(xiàn)在為其并聯(lián)容性復(fù)阻抗（）的容性負(fù)載后則單相電路總的復(fù)阻抗變?yōu)椋?。因?br />顯然當(dāng)：，即（式1）成立時(shí)。單相電路總的復(fù)阻抗變?yōu)殡娮栊裕瑳](méi)有虛部。此時(shí)單相功率因數(shù)提高的最大值；電源功（率）全部被負(fù)載吸收，不存在無(wú)功功率和負(fù)載與電網(wǎng)之間的能量互換。
同時(shí)由式1可以看出在容性負(fù)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(jì)有很多種。且功率因數(shù)為1時(shí)只能保證不存在負(fù)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(jìn)行節(jié)能方案的推導(dǎo)。
1.2額定電壓下最小電路產(chǎn)生的條件推導(dǎo)
將功率因數(shù)為1的充分條件，帶入單相電路總的復(fù)阻抗公式得：
上式如果用高等數(shù)學(xué)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(xué)數(shù)值分析中的蓋爾圓盤(pán)等理論很容易求的復(fù)阻抗的最大值。這里本文只給出結(jié)論：即當(dāng)（并聯(lián)容性電路只有電容且不串電阻時(shí)），（并聯(lián)電容的容抗恰好滿足時(shí)）?？傋杩箍蛇_(dá)到最大值：。
由此可以得出補(bǔ)償節(jié)能器的設(shè)計(jì)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(bǔ)償節(jié)能器的設(shè)計(jì)原理
2.1波形采集器選擇
由上述理論，每相電路應(yīng)根據(jù)各自的復(fù)阻抗的不同進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償與節(jié)能。但是實(shí)際機(jī)械廠每相電路并聯(lián)的負(fù)載大小和數(shù)量都很不確定的。因此AB公司設(shè)計(jì)補(bǔ)償節(jié)能器時(shí)采用了：首先對(duì)電壓和電流的精確波形采集，然后計(jì)算每相負(fù)載相當(dāng)?shù)囊粋€(gè)總復(fù)阻抗后再進(jìn)行補(bǔ)償值計(jì)算。
利用現(xiàn)有市場(chǎng)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(cè)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(cè)量。因?yàn)槿鐖D2所示：測(cè)量的目的是計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果是控制補(bǔ)償量。因此在測(cè)量背后必須一個(gè)中央處理控制模塊（如PLC）。而中央模塊一般有足夠的運(yùn)算能力和速度，需要統(tǒng)一的信號(hào)和較高的精度。
美國(guó)AB公司由此自主開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的以51單片機(jī)模塊為基礎(chǔ)的VCT電壓電流波形測(cè)量設(shè)備。再經(jīng)過(guò)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(jì)算出每相需要補(bǔ)償?shù)碾娙荽笮　?br />2.2補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)
本文1.2中給出了不同復(fù)阻抗感性電路條件下的最佳補(bǔ)償電容大小計(jì)算公式。實(shí)際補(bǔ)償時(shí)，所需電容計(jì)算值一般不是有理數(shù)且很難實(shí)現(xiàn)；再者電容本身并不是一個(gè)很穩(wěn)定的原件。但據(jù)前述理論不難推導(dǎo)：如果實(shí)際補(bǔ)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(jì)算能力的控制條件下；為了方便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以選擇較近似值設(shè)計(jì)。
如圖3所示，TIMKEN公司的補(bǔ)償設(shè)備采用了砝碼組合原理。共設(shè)置了4個(gè)1000F的電容并聯(lián)控制。類似于電阻并聯(lián)：只閉合一個(gè)S開(kāi)關(guān)，則為L(zhǎng)1相電源補(bǔ)償1000F電容。任意閉合兩個(gè)，則補(bǔ)償500F。由中央控制器選擇最佳的補(bǔ)償電容開(kāi)啟數(shù)目。每個(gè)機(jī)械廠當(dāng)然需要根據(jù)自己的滿載和常載阻抗設(shè)計(jì)出相應(yīng)的補(bǔ)償大小和數(shù)目進(jìn)行控制。
2.3中央控制器的設(shè)計(jì)
由圖2設(shè)備結(jié)構(gòu)圖可以看出，VCT測(cè)量設(shè)備是一個(gè)閉環(huán)控制的首端，各個(gè)補(bǔ)償電容則是這個(gè)閉環(huán)控制的終端。因此還必須給整個(gè)控制系統(tǒng)選擇一個(gè)核心的控制單元。據(jù)前述理論：該控制單元需要三個(gè)單相VCT信號(hào)檢測(cè)輸入模塊，輸出一般為每相電路設(shè)置4個(gè)，三相共12個(gè)補(bǔ)償控制開(kāi)關(guān)。顯然設(shè)備對(duì)補(bǔ)償節(jié)能設(shè)備的中央控制單元運(yùn)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(yǔ)
三相異步電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償節(jié)能控制，特別是重型高電能耗機(jī)械廠的總功率因數(shù)補(bǔ)償控制節(jié)能設(shè)備的設(shè)計(jì)理念已提出多年；但是應(yīng)用案例在國(guó)內(nèi)資料較少。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的條件下，減少能耗的理論聯(lián)系實(shí)際的項(xiàng)目方案是十分急需的。