有色企业电能质量与节能分析.docx

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有色企业电能质量与节能分析

有色金属企业电能质量与节能分析

目前，有色企业的用电成本已经仅随物料成本和人工成本之后的第三大开支。

电费仅仅是用电成本的一部分，用电成本同时包括安全用电的成本，设备维护成本，设备更新成本及系统扩容成本。

具体到企业供用电系统，由于存在大量冲击性负荷，造成电网质量变差，导致电费高，其它用电成本也居高不下。

因此对供用电系统进行研究，引进先进的节电技术，对供电网，终端用电设备，电动机的拖动系统进行全面节电方案分析，为整个供用电系统全面节电提供技术支持。

一、节电技术背景

在国外，节电产业的发展已经有几十年的历史。

第一代节电技术为电容补偿技术，产生于20世纪50年代，此种方法危害小见效大，目前已广泛应用于电网的节电方面；第二代节电技术为可控硅斩波技术，产生于20世纪70年代，节电效果明显，但会产生谐波分量。

第三代节电技术为变频技术，产生于20世纪80年代，节电效果良好，内部电子可靠性一般，在电动机的调速领域应用很广；第四代节电技术为抑制浪涌技术，可清洁电路。

第五代节电技术为电磁转换和补偿，产生于20世纪90年代，节电效果明显、可清洁电路。

能实现节电与电网质量的完美结合。

有源滤波器APT是改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到高度重视和日益广泛的应用。

特别是冶炼、钢铁等具有较大谐波源的企业，它的节电及谐波滤除效果特别明显。

国内最新推出很多适合于有色金属企业节电技术。

如广泛应用于风机节能和恒压供水领域的先进变频调速技术和智能控制技术变频器，在大容量风机、水泵上，应用该技术可起到显著节能效果；大型轧机主传动交流调速系统，运用动态无功补偿装置在轧机轧制过程中解决无功补偿和谐波治理问题。

改善了设备状态，提高了产品质量。

二、有色金属企业的电能质量的治理

目前，有色金属企业主要的电能质量问题是电压波动快、谐波含量高、功率因数较低等问题。

电压波动是由于冲击性负荷引起的，例如轧机轧坯、电机设备的频繁启停加速。

谐波问题是由于各种非线性的电力元件产生的，例如变频和整流设备等。

功率因数低则是因为电力系统中各种感性设备吸收无功功率造成的。

1、各种电能问题的危害

①无功冲击将产生如下的不良影响

1）大量无功使系统功率因数较低，浪费大量能源。

2）使供电母线的电压产生波动，降低了机电设备的运行效率，供电母线电压产生波动时，将使用户的异步电机负荷转矩随之变化，输入负荷的有功功率下降，影响生产和设备的出力。

3）无功冲击引起母线电压波动剧烈，严重时影响自动化装置的正常工作。

②功率因数

晶闸管电路的功率因数通常较低，造成设备不能正常工作及线损过大等诸多问题。

③谐波电流对电气设备的危害

谐波电流会在电网阻抗上产生同频率的谐波电压，并叠加在电网正弦电压上，使电网电压发生畸变。

畸变后的正弦电压施加在所有电器设备端，会对这些设备正常工作带来危害，因为电气设备均按正弦电压设计制造，当电压有畸变时，将会使设备发热，力矩不稳，甚至损坏。

主要表现为：

1）谐波对旋转电机的影响

谐波对旋转电机的主要影响是产生附加损耗，其次产生机械振动，噪声和谐波过电压。

2）谐波对供电变压器的影响

谐波对供电变压器的影响主要是产生附加损耗，温升增加，出力下降，影响绝缘寿命。

3）谐波对变流装置的影响

交流电压畸变可能引起不可逆变流设备控制角的时间间隔不等，并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使变流器工作不稳定，而对逆变器则可能发生换流失败而无法工作，甚至损坏变流设备。

4）谐波对电缆及并联电容器的影响

当产生谐波放大时，并联电容器将因过电流及过电压而损坏，严重时将危及整个供电系统的安全运行。

5）谐波对通信产生干扰，使电度计量产生误差。

6）谐波对继电保护自动装置和计算机等也将产生不良影响。

为了保证所有电气设备的正常工作，消除或减少电网污染，世界各国都开展了深入的谐波研究工作，并制定出了相应的规程标准。

对于谐波问题，我国最初于1984年颁布了《电力系统谐波管理暂行规定》，规定了电网谐波的允许值。

又于1993年颁布了谐波管理的国家标准《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93。

2、电能治理途径

2.1固定并联电容器无功补偿技术

并联电容器无功补偿技术大约在上世纪20年代出现，主要目的就是补偿电网的功率因数。

它主要通过安装电力电容器提供无功功率，来减少电网所传送的无功功率，从而提高功率因数、减少线损等。

后来随着电网情况的复杂性提高，在电容器前端又增加了铁芯电抗器，主要目的是抑制合闸涌流，降低操作过电压，防止谐波放大。

主要组成如下：

L-为铁芯电抗器，我国并联电容器配置电抗器的电抗率K，配置K为1%电抗器的主要目的是限制电容器的合闸涌流，它对低次（如3次）谐波电流放大轻微，但对5,7次谐波放大严重。

当系统（或负载）中5,7次谐波较大时，补偿电容器应配置4.5%或6%电抗率的电抗器。

如果3次谐次较大，应配置12%电抗率的电抗器。

此电抗器的根本作用是“抵制”谐波进入无功补偿设备，不治理谐波。

2.2自动投切电容器无功补偿

固定并联电容器无功补偿技术不能跟踪电网的无功功率变化，在负荷轻载时过补，设备重载时欠补，不能满足电网要求。

因此，出现了通过无功功率控制器控制自动投切电容器无功补偿。

在上世纪70年代以前，能够频繁动作且能应用的只有交流接触器。

因此，高低压接触器大量应用在自动投切电容器无功补偿装置上。

但是，接触器在投切容性负荷时的弊端也很快显现出来。

主要缺点：

1、接触器尤其高压接触器分合电容器组时，易产生二次重燃过电压，造成设备烧毁。

2、接触器投切响应时间长，不能满足抑制快速电压波动的需要。

3、电容器属于电压不能突变的元件，投切时间不对易产生操作过电压。

4、不能治理谐波。

因此，由高压接触器控制的自动无功补偿投切只能应用与无功功率波动不大，每日投切次数不高的场合或一些低压领域。

2.3晶闸管投切无功补偿

上世纪70年代以后，大容量，高电压的晶闸管（SCR）原件出现。

晶闸管可以频繁投切且无重燃等弊端，因此，很快替代交流接触器成为自动投切的分合原件，即成为晶闸管投切无功补偿（TSC）。

TSC型无功补偿以其可以频繁投切不重燃等优点，迅速在低压领域推广，但在高压领域因其自身的一些特点，又出现了一些问题。

TSC通过控制电容器的导通数量来调节电纳，也就是通过改变电容器的无功补偿量。

为了有效的补偿急剧变化的无功负荷，需要把电容器分成若干组，每组导通控制由控制晶闸管开关来实现，随着无功负荷的变化，相应的投入或切除一部分电容器组，从而使无功负荷得到多级阶梯式的补偿。

晶闸管仅仅在电压的峰值时导通，如果在其他瞬间，即在电源电压和电容器的充电电压存在相位差时导通，就会有I=C*di/dt的冲击电流通过电容器，有可能损坏晶闸管或给电源系统造成高次谐波震荡。

在dV/dt=0,且Vco=±V,t=0得到理想的过渡过程，实现无过渡投切。

为了实现电容的无过渡投切，工程中一般采用：

*加放电电阻

*电容器预充电

*主回路采用晶闸管与二极管并联

*检测晶闸管两端电压的零电压触发方式

TSC的缺点：

1、不能平滑调节补偿无功功率，理论上分组越多越平滑，但实际上由于造价等原因只能分3至4组；

2、不能治理谐波；

3、高压领域为了防止过渡投切往往采用放电线圈为电容放电，实际上牺牲了响应时间。

在国内，6、10KV的TSC有不多的应用，但运行不是很好。

35KV的TSC基本没有工程实例。

4、轧机轧制咬坯、加速等时间很短，电压波动很快，TSC型无法及时跟踪补偿，造成过补或欠补。

2.4静止型动态无功补偿装置（SVC）

上世纪80年代以后，出现了SVC型动态无功补偿装置，所谓动态是相对同步调相机的旋转转子而言。

国际大电网会议，将SVC分成几类，其中涵盖了以前的机械型自动投切装置，但从本质上机械型自动投切装置由于其投切次数的有限性及不频繁型，在我国一般把它归为“静补”类。

根据国际大电网会议将SVC分为：

1、机械投切电容器（MSC）型

2、机械投切电抗器（MSR）型

3、自饱和电抗器型（SR）型

4、晶闸管投切电容器型（TSC）型

5、晶闸管投切电抗器型（TSR）型

6、自换相型（SCC）型

7、晶闸管控制电抗器型（TCR）型

其中，由于晶闸管控制电抗器型（TCR）SVC设备可以综合治理电能质量及快速的响应时间，目前国内国际90%的SVC产品为TCR型SVC产品。

下面对其进行简单的介绍：

晶闸管相控电抗器（TCR）型动态无功补偿技术是通过控制晶闸管的导通角来无级调节与负荷并联的电抗器的电流从而控制其感性无功的变化，它与固定电容器补偿相结合，可以实时补偿负荷的变化的感性无功（一般采用高压直挂式）。

晶闸管相控电抗器（TCR）型动态无功补偿技术是一种比较先进的技术，复杂性高，1995年以前以进口产品居多，导致设备造价昂贵，同时由于普遍采用的水冷系统复杂而且可靠性差。

近年来，随着国内需求的高涨，在国家的大力支持下，国内TCR型动补已逐步实现了国产化，极大地降低了TCR型动补的生产成本；同时，热管自冷技术已经成功地应用于大功率晶闸管的散热中，实现了动补的免维护运行，提高了系统可靠性。

现在国际国内90%的SVC设备是TCR+FC型的SVC。

1、补偿方案

采用35／10／6KV直挂式晶闸管相控电抗器（TCR）型动态无功补偿方式。

根据其补偿原理该设备由TCR（并联可调电抗器）+FC（补偿电容）两部分组成。

其中TCR由控制器、晶闸管功率阀组、补偿电抗器组成，通过晶闸管调整电抗器的电流，从而使TCR回路产生可变感性负载；FC回路由电容器和滤波电抗器组成，向系统提供恒定容性无功功率，兼有滤除谐波的作用。

在供电系统中，负荷为感性负荷，其负荷是可变的，有功为PV，无功为QV。

TCR和FC并联到35／10／6KV系统中，根据恒无功功率理论，FC部分产生恒定的容性无功QC；TCR部分产生连续可变的感性无功QTCR，则进线变压器提供的无功QN为：

QN=QV-QC+QTCR。

因此，调节QTCR就可达到使QN≤某一给出值（常数），甚至可使QN=0，即从理论上使平均功率因数达到1。

补偿效果好坏的关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流。

2、TCR系统原理

TCR基本原理如下图，控制晶闸管（TH1、TH2）的触发角，使电流I随触发角不同而变化，从而使补偿电抗器产生连续可变的感性无功。

TCR原理图

该方案的特点：

可解决供电系统的平均功率因数补偿、电压波动抑制、谐波治理等问题。

装置可平滑调节无功的输出。

动态补偿调节时，设备动作响应时间＜10ms。

装置在35／10／6KV侧直接挂网，不需降压设备，自身损耗较小。

在功率晶闸管的散热中成功地应用热管自冷技术，实现免维护运行，提高了系统可靠性。

噪音水平，符合国家电器设备噪音标准。

2.5其他

目前国内出现了一些SVC的衍生品种，例如将TSC的电抗器改为滤波电抗器变成TSF（晶闸管投切滤波器），将SR型SVC产品（饱和电抗器型）衍生成MCR（磁阀式可控电抗器等），这些产品的首要目的是无功补偿，对谐波治理、电压波动抑制方面缺乏治理手段，因此这些产品在低压领域有部分成功运行的实例，但在高压领域缺乏成功运行的实例。

2.6各种SVC的综合比较

项目

SR-FC

TCR-FC

TSC

SCC/LCC

TCR-FC

TCT-FC

控制范围

感性、容性

感性、容性

感性、容性

容性

感性、容性

电纳调节

连续无源

连续有源

连续有源

逐级有源

连续有源

控制可调性

有限

好

好

有限

好

电压控制

有限

好

好

有限

好

分相平衡

有限

有

有

有限

有

响应速度

快，取决于系统及旁路滤波器

快，取决于系统控制

快，取决于系统控制

快，取决于系统控制及放电时间

非常快，取决于系统控制

谐波发生量

小

小

小

较小

小

过载能力

大

较大

较大

无

差

应用范围

早期SVC的应用，应用不广

应用最广泛，国内外90%的SVC采取该形式

可接35KV以上高压电网

低压用途较广泛，高压很少采用

部分电网采用

经过以上分析，选择技术先进的静止型动态无功补偿装置（SVC），即晶闸管控制电抗器（TCR+FC）方案是目前综合治理有色金属企业电能质量问题比较好的方式。

三、变频调速节能

1、风机、水泵上的变频调速节能

大部分有色金属企业的一些设备尤其是一些大功率设备在生产过程中绝大部分时间都是不满负荷，在生产过程中都是通过调节挡风板或阀门的开启角度的机械调节方法来满足不同的用风（水）量，这种操作方式的缺点是：

（1）电机及风机或水泵的转速高，负荷强度重，电能浪费严重；

（2）设备运行的自动化程度相当低,几乎完全靠人工调节，调节精度差，控制不精确；（3）电气控制采用直接或降压起动，启动时电流对电网冲击大，需要的电源（电网）容量大，功率因素较低。

（4）起动时机械冲击大,设备使用寿命低；（5）噪声大，粉尘污染严重等。

在有色企业主要有生料磨排风机，窑尾废气处理风机，罗茨风机，水泥磨排风机，煤磨风机、蓖冷机风机、选粉机、循环水泵、给水泵等。

由于变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。

通过流体力学的基本定律可知：

风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：

Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。

如下图示为压力H-流量Q曲线特性图:

n1-代表电机在额定转速运行时的特性；n2-代表电机降速运行在n2转速时的特性；R1-代表风机、泵类管路阻力最小时的阻力特性；R2-代表风机、泵类管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。

风机、泵类在管路特性曲线R1工作时，工况点为A，其流量压力分别为Q1、H1，此时风机、泵类所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。

由于工艺要求需减小流量到Q2，实际上通过增加管网管阻，使风机、泵类的工作点移到R2上的B点，压力增大到H2，这时风机、泵类所需的功率正比于H2与Q2的乘积，即正比于BH2OQ2的面积。

显然风机、泵类所需的功率增大了。

这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。

若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图可见功率的减少是明显的。

也就是当风机水泵的转速下降10%时，电机消耗功率下降27.1%.所以风机水泵采用变频调速节能效果非常明显。

2、用变频调速取代传统调速

传统调速所采用的晶闸管串级调速、直流调速、电磁滑差调速、液力耦合器调速和异步电动机的变级调速等存在传动效率低、难维护等缺点，而变频调速结构简单，稳定可靠，调速精度高，启动转矩大，调速范围广。

所以采用变频调速在提高机械的传动效率就可节能20%左右。

3、变频在空气压缩机上应用

空压机恒压供气使用变频器与压力控制构成闭环控制系统，使压力波动减少1.5%，降低噪音、减少振动。

保证设备长期稳定运行，从而减少了设备维护工作量，延长了设备使用寿命。

用变频器后，空压机可在任何压力下随意起动，打破了以前不允许带压起动的规定，起动电流也较以前大大降低。

通过使用变频器后的实例，多数压缩机节电率约在20%左右。

总之：

采用变频器控制将有以下诸多优点：

（1）、采用变频器控制电机的转速，取消挡板调节，降低了设备的故障率，节电效果显著；

（2）、采用变频器控制电机，实现了电机的软启动，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击；（3）、电机在低于额定转速的状态下运行，减少了噪声对环境的影响；（4）、具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能；（5）、提高产品质量及产量。

实践证明，变频改造具有显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。

既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且还大大减少了设备维护、维修费用，另外当采用变频调速时，由于变频装置内的直流电抗器能很好的改善功率因数，也可以为电网节约容量。

直接和间接经济效益十分明显。

3.1电动机的功率因数补偿

笼型电动机通常采用并联电容器就地补偿的方法。

绕线式电动机可采用进相机补偿的方式。

进相机补偿分旋转式和静止式2种，由于旋转式进相机结构上的缺陷，目前逐步被静止式进相机所代替。

3.1.1合理选用电动机类型

Y系列电动机是全国统一设计的新系列产品，是国内目前较先进的三相异步电动机。

20世纪80年代中期即在全国推广应用。

其优点是效率高、节能、启动性能好。

而目前国内许多老水泥企业仍大量采用JO2系列电动机，相比来说Y系列比JO2系列电动机效率提高了0.413%。

因此用Y系列电动机取代旧式电动机势在必行。

选择电动机类型除了满足拖动功能外，还应考虑经济运行性能。

对于年运行时间大于3000h，负载率大于50%的场合，应选择YX系列高效率的三相异步电动机。

与Y系列相比，其效率平均高3%，损耗降低20%～30%，虽然价格高于Y系列电动机，但从长期运行考虑，经济性还是明显的。

同步电动机能提高企业电网的功率因数，降低供电线路损耗，但控制系统繁杂，价格较高。

3.1.2合理选用电动机的额定容量

国家对三相异步电动机3个运行区域作了如下规定：

负载率在70%～100%之问为经济运行区；负载率在40%～70%之间为一般运行区；负载率在40%以下为非经济运行区。

若电动机容量选得过大，虽然能保证设备的正常运行，但不仅增加了投资，而且它的效率和功率因数也都很低，造成电力的浪费。

因此考虑到既能满足有色企业设备运行需要，又能使其尽可能地提高效率，有色企业一般负载率保持在60%～l00%较为理想。

对于负载率小于40%的三角形接法电动机可改为星型接法，以提高其效率。

同步电动机能提高企业电网的功率因数，降低供电线路损耗，但控制系统繁杂，价格较高。

随着异步电动机制造水平的提高，新设备已很少采用。

3.2电动机启动和运行形式

3.2.1低压笼型大中型电动机

若采用全压直接启动方式，这要求电力系统有足够大的容量，而实际运行时，电力系统负载率很低，影响供电效率，并且用直接启动方式易烧毁开关、电动机，影响电网其他设备的运行，往往为了尽量减少电动机启动次数而宁愿让电动机空转而不停车，造成大量浪费。

此类电动机可以用电动机软启动器启动。

电动机软启动器是采用大功率晶闸管模块作为主回路的开关元件，通过控制它的导通角以实现软特性的电压爬升。

它具有对电网无过大冲击，对机械传动系统（齿轮及轴连接器）震动小，启动转矩平滑稳定等诸多优点。

启动电流在2.5～3.5倍额定电流之间可调，启动时间可调。

3.2.2高压笼型电动机

传统的启动方式多选用电抗器、自耦变压器等，但这些启动设备都不能很好地满足启动要求，很难获得理想的启动参数。

目前出品的热变电阻软启动装置能较好地满足启动要求。

热变电阻器由具有负温度系数的电阻材料制成，电阻器串于电动机定子回路，当电动机启动、电阻体通过启动电流时，其温度升高，而阻值随之减小，从而使电动机端电压逐步升高，启动转矩逐步增加，以实现电动机的平稳启动。

根据电动机参数和负载要求的启动转矩，能方便地配置适当的启动电阻值获得最佳的启动参数，即在较小的启动电流下，获得足够大的启动转矩。

3.2.3大型绕线型电动机

以前大多采用频敏变阻器启动，但其故障率太高。

目前较为成熟的方式是采用液体变阻启动器。

它是利用两极问的液体电阻，通过机械传动装置使极板的距离逐步接近，直至接触，达到串人转子回路中的电阻无级变小最后为零，实现电动机无冲击的平滑启动。

其特点是启动电流小，对电网无冲击，热容量大，可连续启动5～10次，维护方便，使用可靠。

3.2.4中、小型绕线电动机

以前主要采用频敏电阻器和油浸电阻器启动，由于有滑环、碳刷、短路环等零件与继电器、交流接触器、频敏或油浸变阻器等电器元件组成的启动系统都安装在粉尘较大的生产现场，因此它具有故障率高、维修量大的缺点，经常影响设备的正常运行，而无刷无环启动器较好地解决了上述问题，它是一种启动平滑，不改变运行特性且不受粉尘干扰的启动设备。

其一次启动电流限制在3.0～4.0Ⅰe之间，适合于11～600kW的高低压绕线型电动机。

该启动器是利用频敏变阻器的原理，利用铁磁性材料的频感特性研制而成，安装在电动机转轴原来装集电环的位置，与转子同步旋转，省去了电动机的辅助启动装置。