变负载进相器工作原理及应用

变负载进相器工作原理及应用

进相器的应用范围极为广泛，在水泥、建材、化工、木业、糖业、钢铁、冶金、矿山等行业中用作各种恒负载或突变式负载的绕线式异步电机的无功就地补偿设备，如：

◆球磨机◆风机◆压榨机◆破碎机

◆压缩机◆轧钢机◆撕解机◆热磨机

本文着重介绍ZVP变负载进相器成功解决了水泥、建材、化工等行业突变式负载工况下的绕线电机就地补偿难的问题，分析了ZVP变负载进相器的工作原理、性能特点，并列举了ZVP变负载进相器在水泥行业的典型应用实例。

　　1   引言

　　工业行业的用电设备如破碎机、球磨机、辊压机和风机等大型用电设备能耗高，而在运行中功率因数过低，存在大量的无功损耗现象。因此，如何有效减少此类大中型绕线电机造成的无功损耗成为节能降耗的关键。尤其是破碎机、辊压机、热磨机等这类负载变化幅度大、变化速度快的电机的无功补偿更是其中的难点。

　　2   无功功率补偿方式的选择

　　目前，国内针对绕线式电机的就地无功功率补偿方法主要有三种：电机定子侧并联电容器、电机转子回路串接旋转式进相器和电机转子回路串接静止进相器等。这三种补偿方式主要适用于电机负载基本恒定或缓慢变化的场合，对电机负载转矩变化剧烈的应用场合，却不能取得理想的补偿效果。而我公司在多年无功功率补偿设备生产的经验基础上，采用现代微电子技术、交交变频技术、优化的PID控制策略等先进技术或理论，自主研发的新型ZVP变负载进相器，完美解决了突变式负载工况下的绕线电机就地补偿难的问题，同时也能够对缓慢变负载及恒定负载的绕线电机进行有效的就地补偿。

　　2.1   电机定子侧并联电容器

　　首先，电容补偿只是对除电机之外的电网无功进行补偿，减少电网上无功传输量，而对电机的电流、功率因数等运行参数并无任何改变。其次，由于电容器补偿量一般固定不变，即使将电容器分级来改变补偿量，也不能满足功率因数变化频率高、范围大、速度快的突变负载电机的补偿要求。而且电容的运行受谐波的影响较大，电容器在谐波存在的情况下运行会造成过电流和过负荷，危害电容器的使用寿命。

　　2.2   电机转子回路串接旋转式进相器

　　旋转式进相机是旋转的，它与电机的联接是通过滑环和碳刷实现的。碳刷怕尘埃，易磨损，寿命短，使旋转式进相机维修量大，需要备用元件，旋转式进相机有噪音，会产生火花。旋转式进相机的补偿量是固定的，不能根据电机的运行情况调节。另外，旋转式进相机一般直接联接在电机上，如果旋转式进相机出现故障，会造成电机转子开路运行或停机，维修只能在停机状态进行，影响生产的连续性。

　　2.3   电机转子回路串接普通静止进相器

　　普通静止进相器无电容器，无转动部件，不怕灰尘、可靠性高、使用寿命长、维修方便，几乎没有声音，不会产生火花，没有电容器和旋转式进相器不足。进相器出现故障后可以自动退出运行，通过转接装置将转子接入起动器，电机可以继续运行。电机运行时对进相器进行维修，维修好后可以不停机再投入运行，能够很好的保证生产的连续性。水泥行业的球磨机、风机等绕线电机，正常运行时负载比较稳定，变化幅度不大，对于这类电机，用普通静止进相器就可以取得很好的补偿效果，故普通静止进相器逐渐被广大的水泥用户接受和认可。

　　但普通静止进相器由于补偿方式比较单一，补偿量基本恒定，在水泥行业的主要用电设备的破碎机和辊压机上使用时，由于破碎机和辊压机的负载变化幅度大、速度快，容易出现两种极端现象，要么轻载补偿不足，要么重载过补，不能够进行有效的跟踪与补偿，故达不到很好的补偿效果。

　　2.4   电机转子回路串接ZVP变负载进相器

　　ZVP变负载进相器除具有普通静止进相器的全部优点外，另具有普通静止进相器所不具有的两大突出特点：

　　（1）ZVP变负载进相器具有双单片机控制系统，内置多种补偿模式，能够自动跟踪负载变化情况，根据负载的变化情况自动调节相关参数，使其补偿效果无论在何种负载状况下始终保持在理想的补偿状态，完全满足负载突变工况下的无功补偿要求。

　　（2）能够实时检测电机负载的变化，动态调整附加在转子上的电动势幅值，以使电机的功率因数保持在期望值上。因此，ZVP变负载进相器在水泥行业破碎机和辊压机这种变化负载的工况下，使功率因数达到理想的效果，解决了普通静止进相器在这类变化负载下的补偿不够或过补的缺陷，使水泥行业各类绕线电机得到全面理想的补偿。

　　（3）通过特殊的信号采样电路，能够检测电机轻载情况下的低频转子电流信号。

3   ZVP变负载进相器的工作原理

图一

如图所示，ZVP变负载进相器利用现代微电子及大功率开关器件组成交交变频器，把工频50Hz的交流电压变换为与转子电流频率相同、相位滞后转子电流90°的补偿电压作为附加电势，在电机转子回路加入该附加电势来改变绕线电机转子回路电流和电压的相位关系，进而改变电机定子电流和电压的相位关系，达到改变电机功率因数的目的。同时根据电机运行功率因数的大小，实时自动调整附加电势的幅值，改变转子电流的大小，以适应负载的变化，达到动态补偿功率因数的目的。
当电机在某一负载下运行时，其转子电流为I2e、定子电流为I1e,向量图如下所示:

　　从电机学我们知道，激磁电流Im由关系式Im = I1e － I2e，从图3可得出Im。当变负载进相器的电势叠加在转子回路后，转子电流的相位变为图3中的I2。由于负载不变，激磁电流Im不变。此时的定子电流I1由关系式I1=Im＋I2从图3可得出I1，如图所示。从图3中可以看出I1的功率因数角和幅值都比I1e小，说明电机的功率因数得到提高，定子电流有所下降。

　　4   ZVP变负载进相器的性能特点

　　1）采用先进的交-交变频技术和微机控制技术,可靠性高。

　　2）功率因数从0.90～0.99可连续设置，能自动将电机功率因数补偿到任一设定值。

　　3）采用优化的功率因数闭环控制，使动态补偿精度达±2%。

　　4）降低电机定子电流15％～25％，降低线损、铜损20％～40％。

　　5）电机无功功率降低60%以上。

　　6）电机的温升显著降低，过载能力及效率大为增强。

　　7）对不同工况的补偿适应性强于现有补偿装置。采用优化功率因数闭环控制，动态响应速度快，自动调节补偿量，从而克服了其它补偿装置所存在的补偿效果随电机电流的波动或负载变化而变化的不足，其补偿精度高、效果好。

　　8）对不同负载变化响应时间≤2ms。

　　9）完备的保护功能：输出失流保护、超温保护、外部故障输入保护和转子缺相保护等。对每种保护均有相应的故障代码显示输出，方便用户判断处理。

　　10）齐全的联锁功能：开机联锁使条件不具备时，电机不能起动；投入联锁使电机没有起动完毕时，ZVP不能投入；跳闸联锁使电机在ZVP出现重大故障时跳闸停机。

　　11）用户界面友好，操作方便。结构设计紧凑、占地面积小。安装、调试及日常维护方便。

　　12）可广泛用于冶金、锻烧、熔融、石油化工、水泥、造纸及制糖等大型高耗能行业的90-21000KW绕线电机，并特别适用于拖动突变式负载的电机。

　　5   ZVP变负载进相器在水泥行业的典型应用实例

　　新疆某水泥有限责任公司有一台800KW的高压电机用在破碎机上，高压电机参数如下：
型号YRKK630-8        额定功率800KW         额定电压10KV
额定电流 60A           转子开路电压1076.8V    额定功率因数0.81
转子额定电流445.5A     额定转速742 r/min

　　这台用于破碎机负载的电机，负载变化量大，电机频繁工作在轻载或者过载两种极限状态（空载时的运行电流33A，功率因数为0.5以下，运行电流可到72A，过载量达到20％，功率因数为0.87），存在较大的冲击性电流，电机的运行工况十分恶劣。
由于电机轻载时功率因数很低，而过载时电机的运行电流超过额定电流较多造成电机的温度升高，危及电机的可靠性及使用寿命，该水泥公司于2008年7月购买了其他公司的一台普通静止进相器，投入使用后发现轻载时功率因数不能提高到0.9以上，而且进相后电流随负载的变化摆动较大，效果不理想，故使用一段时间后被用户闲置不用。2009年6月投运了我公司一台ZVP2－800G进相器，编号为20905262。投入进相器之后电机轻载时运行电流由33A降至12A，功率因数从0.5以下提高到0.98，电机带载时运行电流从72A降至62A，功率因数从0.87提高到0.99，电机温升下降，无过补或欠补现象存在，使用效益十分显著，用户非常满意。

  结束语

　　对于水泥行业来说，球磨机、风机这类负载平稳的绕线电机使用普通静止进相器即可取得很好的补偿效果。而在破碎机、辊压机这类存在负载突变的条件下，使用普通静止进相器往往不能取得最佳的补偿效果，采用ZVP变负载进相器则弥补了普通静止进相器的不足，解决了突变式负载工况下的绕线电机就地补偿难的问题。通过对水泥行业大量使用的绕线电机的无功损耗进行有效补偿，可以降低功耗以节省电费的支付，提高功率因数以避免供电部门的罚款，提高设备利用率以减少电器设备的容量增大的投资，降低电机温升以防止电机过热烧毁，降低定子电流和提高过载能力以提高生产能力，从而给使用企业带来可观的经济效益。