硅控整流控制技术在机电设备电动机节能中的应用分析

封 姣

（山西省阳泉市山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000）

0 引 言

煤炭开采、洗选行业已经从原有的粗放型模式向精细化模式转变，由于煤炭企业有众多的大型机电设备，在满足机电设备运行的基础上降低设备电力消耗，对提升企业效益及生产技术水平有显著意义[1-3]。现阶段大型机电设设备节电方式尤其以硅控技术调节电压、电流技术率先等得到应用，取得成功,经过十多年探索和应用，节电效果超过目前其他技术，性价比高。阳煤集团经过近些年的技术攻关、不断引进新节能技术，在大型机电设备节能领域走在行业前列。文中就对阳煤集团新景矿洗煤厂大型机电设备节能技术进行阐述，以期能为其他矿井节能降耗工作开展提供一定借鉴。

1 新景矿洗煤厂电动机使用存在问题分析

新景矿洗煤厂大型机电设备配套的电动机使用过程中主要存在下述主要问题：

1）机电设备配套的电动机功率大。为了确保大型机电设备可正常运行，其设备配置使用的电动机功率往往按最大负载考虑。机电设备正常工作时，电动机带动负载比较小，只是在偶然状况下才会处于重载状态。如惯性负载时机组启动初期负载大，若不配置大功率电动机则无法进行重载启动。

2）长时间轻载运行。众多的机电设备大部分时间均处在准备、备料、等待，此时间范围内电动机处于空载状态。若在空载时经常开、停机会设备使用及正常生产带来影响，因此，为保障生产的安全性及可靠性，部分设备长时间在空载运行。

3）电动机负载无规律变化。受到生产工艺影响，在现场布置的机电设备及电动负载变化大并且无规律，功率较低的电动机将无法满足生产需要。所以必须配置大功率电动机并预留一定的余量，以满足超负载运行的需要。

2 机电设备节电技术

2.1 总体技术方案

本文针对新景矿洗煤厂使用广泛的660 V 电压电动机节能的问题进行改善，采用硅控整流器元件(SCR)为基础研发出外挂式节能装置，从而降低机电设备电能消耗。外挂式节能装置使用时不会改变机电设备原有的操作方式，同时不需要更换原有设备。节能装置内置的微电脑调控系统持续侦测电动机的电压和电流零点时电流超前电压的相位角，在1/1 000 s内启动侦测ΔV/ΔI的负载变化，通过芯片精确运算，调整三相电力设备输出，提供设备最适当电压与扭力输出，并控制电流合理下降，以达到节电效果。具体外挂式节能装置结构图及实物图见图1 所示。

图1 外挂式节能装置结构图及实物图

2.2 节电原理

电动机在正常运行情况下轻载时间会远高于重载时间，通过微电脑晶片控制技术不间断检测机组的运转状况，同步跟踪电动机在生产运行时电力消耗并根据实际所需进而自动调整，使电动机运行更省电、更顺畅。

采用智慧型的微电脑控制系统自动检测机组负载变化，检测信号经专用节能软件分析处理后，动态调节机组电压电流，保证机组转速恒定前提下，保持机组输出转矩与负载的精确匹配，减少有功功率和无功功率损耗并提高机组功率因数。在轻负载时机组电压自动降至最低需求，转速保持恒定，通过降低定子励磁电流使得供电线路损耗、机组绕组的铜损耗显著减少，避免电能浪费；若负载增加，电压通过可控硅在百分之一秒内自动上升以防止机组失速，使机组的输出功率与即时负荷刚好匹配，达到节约电能的目的。

2.3 技术功能

1）采用硅控整流器元件（SCR）可适用于660V/1 000A 额定电流以下的电动机，通过调整电压输出达到节电效果，综合节能效率可到15%以上。

2）采用外挂式节能装置，无需改变原有设备运行与操作方式。

3）当电流通过零点时系统闸门关闭，也就是不再有电流输出到马达。根据负载的大小，由微电脑控制系统决定何时开启闸门让电流再度输出给电动机（动态调整）。

4）微电脑调控系统持续侦测负载状况并持续控制给电动机的电力输出（动态调控）。采用最新微电脑数位调控技术，具有远程控制、工作可靠、免维护等优点，使用寿命达10 a 以上。

5）随着负载的改变而改变节电率，低负载节电率高、反之高负载节电率低。

6）采用的节能装置具有为软启动，软停止、超载保护、短路保护、外接旁路等功能，不会出现因负载快速增加而使电机停机问题。

3 工业试验及结果

3.1 实测设备

在新景矿洗煤厂选取10 台主要耗能设备（9 台皮带机和1 台压滤机）对外挂式节能装置节能效果进行实测，具体设备使用地点及运行参数见表1。

表1 主要能耗设备的使用地点及运行参数

表2 设备能耗实测数据

3.2 实测结果

外挂式节能装置在2019 年5 月30 日安装调试完毕，参与测试的设备从2019 年5 月30 日—7 月16日工频运行，7 月16 日—9 月16 日节能运行，到现在已运行3 个月。具体实测数据见表2。

3.3 经济效益分析

1）节电率分析。将电表装设于节能设备端对设备电能消耗进行记录，能更精准计算节能效益数值。

节电率计算可通过公式（1）计算：

式中：ξC为节电率（%）；ebc非节电状态用电量；ejc节电状态用电量。

10 台皮带输送机在 2019 年 5 月 30 日—7 月 16日工频运行平均每小时电能消耗量为49.18（kW·h）；在7.16-9.16 日节电模式下平均每小时电能消耗量为37.79（kW·h）。则

2）投资回报周期。投资回报周期可通过公式（2）计算：

式中：T为回报周期（年）；M为节电设备总投资额（元）；C为年节省电量（kW·h）；P为电价,取值 0.59元（/kW·h）。

按现有10 台电动机（2 台90 kW、3 台110 kW、1 台 132 kW、2 台 155 kW、1 台 250 kW 皮带机、1 台132 kW 压滤机）数据计算回报周期：按每年330 d，电费0.59 元/度计算结果如下：

4 总 结

1）针对选煤厂最常用的660 V 电动机节能技术进行改进，以硅控整流控制技术（恒频、变压、变流）、先进电流侦测及芯片为基础研发出外挂式节能装置，该节能装置通过检测电流参数来调整、控制来最佳电压输出，控制电流合理下降，实现负载变化时最佳扭力作输出减低用电量，并确保设备安全、稳定运行。

2）外挂式节能装置可实现660 V 电动机为软启动，软停止、缺相保护、超载保护、高电压超载保护、低电压保护、外接旁路等功能。在新景矿选煤厂选取皮带机主要能耗设备共计10 台试验应用，依据工频/节电的计量数据比较，运行的10 台能耗设备达到预期效果，平均节电率达到23.16%。