定速与快速响应电机节能装置研究及应用

向伟华 廖志强

（河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿）

能源是人类社会活动的重要物质基础，随着环境、资源状况的日益紧张和恶化，节约能源成为中国可持续发展的一项长期发展战略，“节能减排，绿色环保”成为了当今生态文明社会的主题［1-2］。我国是世界能源消耗大国，在电力方面更为突出，工业用电约占全社会用电总量的71%，其中低压三相交流异步电机年耗电量约为1.98万亿kW·h。目前，电机系统节能改造是指应用变频调速、变极调速、相控调压、伺服技术、电机与拖动设备优化、运行工况匹配，对电力、冶金、机械、化工等行业的泵、风机、压缩机、注塑机等设备进行的改造［3-5］。其中，变频技术通过对供电频率的转换来实现电动机运转速率的自动调节，把50 Hz的固定电网频改为30～130 Hz的可调频率，从而达到节电的目的［6-7］。但是变频技术因变频器输出的电流或电压的波形为非正弦波而产生的高次谐波，对电动机及电源会产生种种不良影响而污染电网。尤其在大电流冲击负载和恒定中高负载工况下（如矿山破碎机、油田抽油机、皮带机、无调速需求的中高负载水泵和风机等），变频技术无法发挥其调频节能效果，节能需求空间巨大。

为此，本文基于定速与快速响应技术，提出了一种新的节电装置，能确保设备运行的稳定性，同时不对电网产生冲击，并在金属矿山进行了应用，节能效果显著。

1 定速与快速响应技术节电装置结构

节电装置是在传统启动柜或电气控制柜的基础上增加了节电功能，适用于各类工频运行的高、低压电机。例如：旋回破碎机、颚式破碎机、圆锥破碎机、电动铲运机、电机车等变化性负载。节电单元充分利用三相可调电阻网络采样技术、高频脉冲列触发晶闸管技术及感应电压监测技术制作而成，通过实时监测电机负载情况来调节电机的电压电流，使输出转矩刚好满足负载的需求，有效降低大电流冲击负载和恒定中高负载工况下电机的能耗，具有操作简单、便于安装、可靠性高、节电效果明显等特点。

定速与快速响应技术节电装置内部由真空接触器KM1、串可控硅SCR组件、旁路真空接触器KM2、电压检测转换板、相位信号采样板、触发及回馈用光纤接口板、控制主板和显示器组成（图1）。高压电机节电装置由高压节电和高压软启动两部分组成。

1.1 高压节电功能

（1）串联接入供电启动电路。串联在电机的动力线主回路启动柜的下侧。

（2）当电机通过软启动或高压变频方式启动以后，节电柜通过检测电压自动跳转至节电状态，检测装置随时跟踪电动机的负载变化，监测数据反馈至处理器，处理器将处理后的数据通过输出装置输出变化的电流或电压给电机。通过电流和电压的变化达到节电效果。

（3）该装置是通过串联可控硅高压功率部件，以节电控制面板为主要核心部件的新型高压固态电动机节电设备。在节电柜出现故障时，处理器能及时断开节电模式，快速转换到非节电状态，使电动机正常运转，达到不影响生产的目的。

1.2 高压软启动功能

（1）高压软启动主要在高压电机的启动过程中起保护作用，效果和低压软启动相似，都是电机启动的保护装置。高压软启动系统主要组成部分包含可控硅模块及保护系统、光纤接口触发系统、真空开关系统、信号检测采集与保护系统、控制与显示系统。

（2）可控硅模块系统主要是通过同一种规格型号的可控硅串并联在一起使用。结合用户当地的电网电压要求，有针对地调整接入可控硅数量，达到最佳的工况要求。

（3）可控硅保护系统的主要原理是通过RC网络的负反馈调节，有效保护因电压过高导致的系统故障，通过均压电阻有效平衡三相电压，形成有效的均压保护系统。

（4）光纤接口触发系统的主要原理是通过应用较强的脉冲触发电路，保证在触发时刻的统一、快速反应，利用这一特性实现高低压的隔离。

（5）真空开关系统的主要原理是当用户进行启动操作后，真空断路器开关系统会立刻动作，保证电机三相加载电压，得电运转。

（6）信号检测采集与保护系统的主要原理是对电压、电流互感器等的应用，通过选用合适比例的互感器实现对电机主回路的电压、电流值的测量，并将对应值采集到CPU内，到达设定的报警值后停机，进而实现保护功能。

（7）主控单元以及宽屏显示器主要应用ARM公司的工控机进行微处理运算，实现处理器集中控制，同时配套工业平板电脑显示屏，可切换显示电机的三相电压、系统电流等运行状态，同时提供故障报警查询的功能。

1.3 节电装置技术参数

定速与快速响应技术节电装置主要用于三相交流感应异步电动机，根据电机使用情况不同，节电率可达10%～45%，常用工作电压等级为AC 6 kV和AC 10 kV 2种，工作频率为50 Hz，具有2倍标称电流5 s的过载能力，最大负载状态启动次数每小时4次。

2 定速与快速响应技术节电装置工作原理

2.1 技术原理

基于电机调整电压、电流节能原理，通过电流闭环反馈到处理器对用电运转设备电压进行调节，可精准控制电动机的电压和电流，使工作电动机在最优状态和功率下工作；采用触发可控硅、可调整电阻网络三相电流采样和输入、输出电压检测等核心技术，可精准提高功率因数和检测电路的检测精准度与响应速度，确保可控硅在控制范围内精确、快速、稳定地触发，保证运转电机启动和运转更加稳定，实现电动机节能降耗。

2.2 关键技术

（1）可调电阻网络三相采样技术。三相电源的每一相提供一个独立的相位检测电路，即每个相线端和前端运放之间、每个电动机输入端和前端运放之间分别设置独立可调节的电阻网络。

（2）高频脉冲列触发可控硅技术。高频脉冲列后沿固定、前沿可调，并设定每个脉冲间隔为40 us，最大宽度等于180°，确保感性负载可靠地触发。

（3）感应电压检测技术。该关键技术通过检测可控硅关断期间电动机产生的感应电压，能快速检测到电动机负载突然变化的情况，可提高电动机运行过程中负载突然变化时的响应速度。

2.3 工艺流程

闭环反馈系统工作原理见图2。控制系统采样测量功率因数角，并通过误差放大电路放大后与三角波进行对比，来确定各相可控硅导通时序，最后通过脉冲列触发可控硅，从而实现电机端电压的调节。控制系统通过调节输入电机功率值，使其与实际负载相适应，最终保证电机处于最佳工作状态。

2.4 主要特点

（1）使用光纤通信技术，强弱电完全隔离，提高抗干扰能力，安全可靠。

（2）节能功率组件模块化，便于前期安装和后期维护，每串可控硅组件可耐受最高1.5万V极限额定电压。

（3）具备监测串可控硅组件故障功能，可检测出电压失压、光纤掉落、低电压、触发线松动、触发电路故障、可控硅失效、高温等故障。

（4）具备起动前系统组件自检功能。

（5）具备电动机电压缺相、欠压、过压、过载、电流失衡和短路速断保护功能，并精准触动故障保护功能，驱动安全执行机构，确保系统安全可靠。

（6）可实现自由停车和软停车。

2.5 技术指标

（1）冲击负载运行情况。在电动机负载变化较大的机械设备上，如颚式破碎机有功功率节电率为14%～40%。

（2）渐变负载运行情况。在电动机负载变化不大的机械设备上，如圆锥破碎机有功功率节电率为11%～20%。

（3）恒定中高负载运行情况。在电动机负载较稳定的机械设备上，如皮带机有功功率节电率为4%～7%。

2.6 技术优势

（1）与变频器比较，电机恒转速，不改变运转电机速度。

（2）与绕线电动机移相柜比较，不但节约无用功功率，而且真正地节约有用功功率。

（3）与电容器类比较，串联连接在负载启动电路中，实现控制电动机的运行能量供应。

3 矿山应用实例

3.1 矿山概况

应用矿山为地下开采，原矿为铁矿石，矿石工业类型为鞍山式贫磁铁矿，属于中硬度、中等可碎性矿石，年生产能力220万t。矿石矿物组成简单，金属矿物主要是磁铁矿、赤铁矿和假象赤铁矿等；主要脉石矿物为石英，其次是角闪石、辉石、磷灰石、绿帘石和黑云母等。矿石中的有害成分含量很低，硫含量为0.001%～0.004%，最高达0.34%，主要是黄铁矿。磷含量为0.05%～0.1%，最高达0.186%，主要是磷灰石。金属矿物可选性较好，破碎系统为三段一闭路破碎干选流程。粗碎位于井下，粗碎产品粒度280～0 mm，在地表建设中细碎筛分系统，最终破碎粒度12～0 mm，另设二段干选，在中碎前设大块干选磁选机，干选尾矿产率12%。在入磨前设粉矿干选，干选尾矿产率6%，干选抛尾量共36万t/a。破碎流程见图3［8-9］。

3.2 应用情况

2018年和2020年分别对破碎机进行了节能改造，在节电柜上安装独立的电表，图4中左侧为普通电柜，右侧为节能电柜。

（1）2018年应用情况。2018年经过1个月的矿石处理量、耗电量、运转台时数对比分析（表1），节电率达到15.5%，节能效果明显。

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（2）2020年应用情况。2020年6月4日，定速与快速响应节电柜在某铁矿400 kW HP500型圆锥破碎机试验安装，根据现场情况按不投入节电柜和投入节电柜2个步骤进行试验，由专业人员分别记录24 h的设备运转时间和电表读数。其中未投入节电柜运行19 d，投入节电柜运行34 d（表2）。

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由表2可知，根据现场实际统计，1号破碎机未投入节电柜运转时长194.5 h，投入节电柜运转时长329.2 h，节电柜节电率为10.09%，年可节约用电26.3万kW·h。

4 结论

针对目前变频技术的缺点，研发了定速与快速响应技术节电装置，并在金属矿山进行了应用，节能率可达10%，证明通过降压节能原理可有效降低大电流冲击负载和恒定中高负载工况下电机的能耗，对类似矿山具有很好的借鉴意义和推广价值，对我国电机节能具有重要的促进作用。