高能耗机械厂功率因数提高与节能器设计分析

烟台TIMKEN汽车轴承有限公司是一家美国独资企业，主要从事美国通用汽车所需的各种滚子轴承的出口型加工；同时也是山东商务职业学院的校企合作伙伴。该公司生产规模很大，拥有近千台数控车、磨、铣床等加工设备。2002年公司耗资数十万元（具体金额厂家不方便公布），引进了美国著名电气品牌，AB公司设计的一套功率因数补偿与节能设备（下统称为补偿节能器）。当时很多高校的专家对这套设备的性价比有所质疑；但是经过六年多的实践运行证明，由于公司的功率因数大大提高；公司每年节约15%-20%的用电费用。这套设备所带来的能耗节约费用到日后还不可估量。同时电动机做为一种典型的感性负载；提高其功率因数，可以降低额定电流从而减少导线的耗材；同时还可以减少负载与电网的无功功率能量交换，保护电网安全寿命,意义十分重大。
补偿节能器设备自投产以来，很多技术工作者对其设计原理产生了浓厚的兴趣。研究发现，其设计思路主要是由功率因数补偿原理分析和控制系统设计两部分组成。本文也将从以下两个方面入手进行分析讨论。
1、补偿节能器的设计理论分析
1.1功率因数提高的方法
电路基础理论提出：若电路中存在感性或容性电气元件，那么其功率因数最高为1；且产生条件的是发生谐振。谐振有串联和并联两种情况。串联谐振是电路中感性和容性元件的复阻抗恰好相等，那么在同串联电流条件下，感性与容性元件电压大小恰好相等，相位上则产生180°的波形差额，因而电压相互补偿抵消。但串联谐振抵消的不仅是感性与容性元件各自的电压；更进一步的在总的复阻抗上产生了抵消，致使电路总电流的提高。这显然不是节能方案所能接受的。
在大量使用三相异步电动机的机械厂，总电路显然是感性的。由此感性电路的功率因数提高的唯一方法就是在每一相电源上额外并联上不同的容性负载使其产生并联谐振。如图1所示。
设企业三相电路中的某一单相电路阻抗为，则其原有功率因数。现在为其并联容性复阻抗（）的容性负载后则单相电路总的复阻抗变为：。因此
显然当：，即（式1）成立时。单相电路总的复阻抗变为电阻性，没有虚部。此时单相功率因数提高的最大值；电源功（率）全部被负载吸收，不存在无功功率和负载与电网之间的能量互换。
同时由式1可以看出在容性负载条件的范围内，能满足功率因数提高到最大值的，可选择不同的和并联容性电路的设计有很多种。且功率因数为1时只能保证不存在负载与电网之间的能量互换。并不是让电路产生最大阻抗和最小电流的条件。因此还必须进行节能方案的推导。
1.2额定电压下最小电路产生的条件推导
将功率因数为1的充分条件，带入单相电路总的复阻抗公式得：
上式如果用高等数学中条件极限公式或罗比塔法则比较难求出它的极值。但是用研究生数学数值分析中的盖尔圆盘等理论很容易求的复阻抗的最大值。这里本文只给出结论：即当（并联容性电路只有电容且不串电阻时），（并联电容的容抗恰好满足时）。总阻抗可达到最大值：。
由此可以得出补偿节能器的设计理论：某一单相阻抗为的电路并联的电容后，功率因数提高至最大，且电流将至最低。
2、补偿节能器的设计原理
2.1波形采集器选择
由上述理论，每相电路应根据各自的复阻抗的不同进行功率因数补偿与节能。但是实际机械厂每相电路并联的负载大小和数量都很不确定的。因此AB公司设计补偿节能器时采用了：首先对电压和电流的精确波形采集，然后计算每相负载相当的一个总复阻抗后再进行补偿值计算。
利用现有市场上的电压、电流互感器以及功率因数表可以很低廉方便，也很精确的测量出电压和电流的大小及功率因数和相位。但是笔者不建议这样直接组合测量。因为如图2所示：测量的目的是计算，计算的结果是控制补偿量。因此在测量背后必须一个中央处理控制模块（如PLC）。而中央模块一般有足够的运算能力和速度，需要统一的信号和较高的精度。
美国AB公司由此自主开发了一个简单的以51单片机模块为基础的VCT电压电流波形测量设备。再经过模拟量向数字量的AD转化，将三相电路的电压和电流的大小及相位差转换输给中央控制模块，控制模块计算出每相需要补偿的电容大小。
2.2补偿设备的设计
本文1.2中给出了不同复阻抗感性电路条件下的最佳补偿电容大小计算公式。实际补偿时，所需电容计算值一般不是有理数且很难实现；再者电容本身并不是一个很稳定的原件。但据前述理论不难推导：如果实际补偿值与理论需求值相差越小，功率因数越接近1、总阻抗与电阻性元件相差也不大。因此在有计算能力的控制条件下；为了方便结构设计，可以选择较近似值设计。
如图3所示，TIMKEN公司的补偿设备采用了砝码组合原理。共设置了4个1000F的电容并联控制。类似于电阻并联：只闭合一个S开关，则为L1相电源补偿1000F电容。任意闭合两个，则补偿500F。由中央控制器选择最佳的补偿电容开启数目。每个机械厂当然需要根据自己的满载和常载阻抗设计出相应的补偿大小和数目进行控制。
2.3中央控制器的设计
由图2设备结构图可以看出，VCT测量设备是一个闭环控制的首端，各个补偿电容则是这个闭环控制的终端。因此还必须给整个控制系统选择一个核心的控制单元。据前述理论：该控制单元需要三个单相VCT信号检测输入模块，输出一般为每相电路设置4个，三相共12个补偿控制开关。显然设备对补偿节能设备的中央控制单元运算能力要求并不高，因此一般小型的PLC就可以很好的胜任。AB公司在中央控制单元上自然选择了自产的罗克韦尔小型PLC。
3、结语
三相异步电动机补偿节能控制，特别是重型高电能耗机械厂的总功率因数补偿控制节能设备的设计理念已提出多年；但是应用案例在国内资料较少。在我国经济高速发展的条件下，减少能耗的理论联系实际的项目方案是十分急需的。