高校实训常用机电设备节能方法研究

牛双国，董新法

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

高校“机械制造与设计”、“数控技术”、“机电一体化”等专业金加工实训教学使用的数控车床、数控铣床、加工中心等金加工精密机床，虽然拖动电动机台数较多、功率较大，但均已采用了软启动和无功补偿等节电措施。 基础技能实训教学常用的普通车床、万能铣床等金加工机床的拖动电机为JO2 和Y 系列的三相交流异步电动机，其启动方法仍然是传统的降压启动，即通过电动机定子绕组Y/△接法和定子绕组接自耦变压器等来限制电动机的启动电流。 这种方法虽然可以起到一定的限流作用，但还是对电力系统产生电压波动影响。 本文试结合教学实践，主要对高校实训教学常用机电设备软启动、就地无功补偿的节省电能方法进行研究[1]。

1 实训教学主要机电设备电动机采用软启动节电

1.1 电动机软启动的工作原理

软启动是电力电子与自动控制技术相结合的产物，其电路原理是把三组反并联晶闸管串接于供电电源与被控电机之间。 启动电机时，电子电路控制晶闸管的导通角使电机的端电压逐渐增大，电动机逐渐加速，直至晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，从而实现平滑启动，降低启动电流。待电机达到额定转数时，启动过程结束。停机时，控制晶闸管的关断速度，使电机的端电压由全电压逐渐下降至零，实现软停车[2]。 软启动器的主电路图如图1 所示。

图1 电动机软启动关键电路图Fig.1 Key circuit diagram of electromotor soft starting

1.2 软启动的特性

根据JO2 和Y 系列三相交流异步电动机的启动条件，当功率10kW 以下的异步电动机额定电压启动时，启动电流为4～7 倍的IN。 10kW 以上的异步电动机，一般采用电动机定子绕组Y/Δ 接法降压启动、定子绕组接自耦变压器降压启动等方式。 从各种启动方式对电网产生的影响可以看出：当电机全压启动时，对电网的冲击最大，冲击时间也最长。 通常使用的降压启动（也就是硬启动），对电网的冲击虽比较小，但是由于涉及一个线圈电压切换过程，所以出现二次冲击的不利环节。 软启动由于在启动前设定了一个不对电网产生影响的启动电流，电流是缓慢增大至设定电流的，故而无冲击电流，对电网的影响最小，并且能消除启动力矩的冲击。 各种启动方式对电网的影响如图2 所示。

图2 各种启动方式对电网的影响Fig.2 Influence of all kinds of startup methods to power grid

电动机软启动的特点是:（1）启动电流以一定的斜率上升至设定值，对电网无冲击。 （2）在启动过程中，当引入电流负反馈、启动电流上升至设定值后，即维持恒定值，使电机启动平稳。 （3）不受电网电压波动的影响。 由于软启动以电流为设定值，当电网电压上下波动时，通过增减晶闸管的导通角，调节电机的端电压，仍可维持启动电流恒值，保证电机正常启动。 （4）针对不同负载对电机的要求,可以无级调整起动电流设定值，改变电机启动时间，实现最佳启动时间控制。 电动机软启动的限流作用如图3 所示。

图3 电动机软启动的限流作用Fig.3 Metering function of electromotor soft starting

1.3 实训教学机电设备电动机采用软启动的类型

实训教学机电设备电动机采用的软启动类型是恒流软启动。 启动时，电流以一定的斜率上升至设定值，其后维持恒定，直至启动结束。 适应场合为绝大多数应用场合[2]。 恒流软启动类型图如图4 所示。

1.4 异步电动机软启动、轻载降压运行节能分析

1.4.1 电动机软启动节能

图4 恒流软启动类型图Fig.4 Constant current soft starting

1.4.2 电动机轻载降压运行节能

实训教学机电设备用的三相异步电动机都是感性负载，在运行中，定子线圈绕组中的电流滞后于电压。 当电动机工作电压不变、处于轻载时，功率因数较低；处于重载时，功率因数较高。 在轻载时，软启动器能适当地降低定子线圈的电压，则可以提高电动机的功率因数，减少电动机的铜耗、铁耗，达到轻载节能的目的。

1.4.3 电动机实行软启动的节电效益分析

采用软启动方法，启动电流在2.5～3.5 倍额定电流之间，是全压直接启动电流的50%左右。 机床电动机启动负载率按额定运行的1/20 分析计算，每天工作8 h，全年按200d 计算，每度电定价为0.613 元，举例分析实训教学数控车床的节电效益如下：

1）CKA6150 数控车床10 台，容量为24 kVA，折算有功功率为：24×0.8=19.2 kW。

19.2 kW×10×50%×（200×8×1/20）=7 680 kWh。7 680 kWh×0.613=4707.84 元。

2）CY-VMC1580 加工中心1 台，容量为60 kVA，折算有功功率为60×0.8=48 kW。

48 kW×1×50%×（200×8×1/20）=1 920 kWh。1 920 kWh×0.521=1 000.32 元。

2 电动机采用就地无功补偿节电

2.1 实训教学机电设备无功补偿功能

感性负载在机电设备中广泛应用，致使电力系统中存在着大量的无功功率，使电网的功率因数严重偏低，这极大影响了电网及电力系统的安全高效运行。 因此，提高电网的功率因数，使无功功率基本就地平衡、降低线损、改善电压质量，是一项十分重要的工作。 高校金加工生产实训教学所用的常规车、铣、刨、磨机床和现代的加工中心、数控车床、铣床均是电动机拖动，属于感性有功负荷，可采用就地无功补偿方式节电[4]。

2.2 就地无功补偿的节电方法

就地补偿用电设备（主要是电动机）所消耗的无功功率是将电容器组直接装设在用电设备旁边。 这样，电容器组随电动机同时投入或退出运行，从而使电动机消耗的无功功率部分得到就地补偿，使装设点以上输配电线路输送的无功功率减少，获得明显的降损效益[5]。

动态无功补偿的电路主要由固定补偿电容器、大功率反并联可控硅和一个非饱和电抗器构成（如图5 所示）。

图5 动态无功补偿的电路原理图Fig.5 Circuit diagram of dynamic reactive power compensation

图中，L1和L2是抑制高频谐波的电感。 因为流过电抗器的电流受可控硅的移相控制，故电容与电感并联支路的电纳可以在容性到感性的范围内连续调节，从而可连续调节供给电网的无功功率，完整地发挥动力系统动态无级补偿功率因数的作用。 其中，电容与电感并联支路的等效电纳为：

式中α 为可控硅的触发角。 当α=π/2 且1/ωL＞ωC 时，b=-j[(1/ωL)-ωC]，电路呈感性，并联支路从电网吸取无功功率；当α=π 时，b=jωC，电路呈容性，并联支路向电网输出无功功率。 一般情况下，并联支路在容性与感性之间变化，其电纳与控制角有关。若电网功率因数cosΦ2较低，则控制装置输出信号，使可控硅的触发角α 增大，使并联支路向电网提供更多的超前无功，补偿感性负荷对电网的无功需求，提高负载功率因数。 因为可控硅的触发角α 可以连续变化，所以补偿是动态的。 电容C 用于补偿无功功率，提高线路功率因数。 在电路中接入C 后，减小了电流滞后于电压的相位差，从而提高了电路的功率因数。 取自电网的有功功率将增加，说明补偿装置的加入将大大减少系统的能量损失，从而实现节能。 这种补偿方式的降损节电效果显著。

3 结语

高校实训教学机电设备上所使用的电动机，绝大部分是小容量、轻载的异步电动机，如果采用软启动技术，不仅可以实现电动机的无级调速，改善电动机的启动性能，减小对电网的冲击，而且节能效益也很可观。 对于感性用电负荷比重较大、利用时间又较多时采用无功补偿的节省电能方法，能够减少电网的无功负荷，带来可观的节电效益。 高校应加强这方面的研究和推广。

[1] 牛双国. 高校实验室节省电能问题研究[J]. 黄河水利职业技术学院学报，2009（4）：47-49.

[2] 杨伟. 电机软启动器的原理与应用[J]. 农机化研究，2005（2）：205-207.

[3] 魏涤非. 电机技术 [M]. 北京： 中国水利水电出版社，2004：240-241.

[4] 牛双国. 水利工程施工机电设备节省电能研究[J]. 中国农村水利水电，2012（2）：:97-99.

[5] 柳春芳. 低压无功补偿的应用与效益分析[J]. 电气技术杂志，2002（5）：32-35.