如何减少大中型电机无功损耗项目可行性研究报告.docx
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如何减少大中型电机无功损耗项目可行性研究报告
如何减少大中型电机无功损耗项目可行性
研究报告
一、选题的必要性
1、项目所处技术领域产业政策；
在我国，电机所耗电能占整个工业用电的60-68%，而大中型电机又是许多工业企业的主要用电设备，因此，如何减少大中型电机的无功损耗成为许多工业企业节能降耗的关键。
2、项目所处技术领域技术发展现状；
目前，国内外交流绕线式异步电机无功补偿方式主要有：
1）电机定子侧并联电容器；电机定子侧并联电容器只能补偿线路无功功率，不能降低电机定子电流；尤其是对高压电容器的安装场所、控制方式都有特殊要求，其投资往往较高。
2）电机转子回路串接旋转式进项装置。
由于串接于电机转子回路的旋转式进项装置是一种整流子旋转电机，自身有一定的功耗，且特别怕尘埃，使用寿命短，规格少，难于与异步电机达到最佳匹配。
3）90年代初，国内市场出现了一种静止进项器，该装置是在上述两种无功补偿装置上发展起来的一种新型节能装置。
它采用了变频技术，不怕尘埃，使用寿命长，维护方便等优点。
但由于该系统只采用了开环控制，在变负荷电机中难以应用，因而限制了其推广应用的范围。
所以，有必要研制一种能根据负荷变化，改变补偿量的闭环控制系统，提高系统性能。
2、项目技术先进性，对相关领域技术进步的推动作用；
目前，国内外交流绕线式异步电机无功补偿方式主要有：
1）电机定子侧并联电容器；2）旋转式进相;3）静止进相。
其性价比见表1：
表1电机无功就地补偿装置性价比较表
名称
电容补偿器
旋转式进相器
静止式进相器
性能
1.提高力率至0.95以上；
2.不能降低定子电流。
1.提高力率至0.95以上；
2.定子电流降低10%以上
1.提高力率至0.98以上；
2.定子电流降低10%以上
维护
困难
较困难
较容易
价格
加安装设施5万元左右
加附件3万元左右
2.7万元/台
预期投资回收期
26个月
18个月
17个月
从上表的性价比可见，静止式进相器有着明显的竞争优势。
若采用本项目闭环控制进相器，其应用范围可推广至变负荷电机的无功补偿，因而，其应用前景将更加广阔。
目前在我国，电机所耗电能占整个工业用电的60-68%，而大中型电机又是许多工业企业的主要用电设备，因此，如何减少大中型电机的无功损耗成为许多工业企业节能降耗的关键。
本系统使用后，以一台力率为0.85的380KW的绕线电机为例，力率至少可达0.95。
若平均每月电费按20万元计算，使用该装置后仅力率电费就可减少1万元左右。
若考虑节约有功功率，则可减少更多的电费。
4、项目目前进展情况。
近年来课题组在研究电机无功补偿方面做了大量的工作，先后承担了省教育厅项目“利用单片机控制的静止进项器的研究”和省测控中心企业预研项目“一种新型绕线式异步电动机功率因数补偿装置的研究”。
课题组现已完成系统控制部分软硬件设计与制作及系统主电路设计，还有待于完成系统主电路、检测及保护电路的制作，并根据系统调试和使用结果，进一步完善系统。
为尽快把该技术推向市场，研制出可投入市场的产品样机，我们申请本项课题。
二、技术方案论述
1、项目技术关键点或创新点论述，项目完成时达到的技术水平；
（1）主要技术关键:
为实现闭环控制，提高产品性能，本系统的技术关键是：
①推导出功率因数-转子电流-变频输出电压之间的关系，完成进相算法的研究，以便根据在线检测的转子电流，经单片机数据处理，输出一个能自动跟踪电机转子电流变化的信号来控制变频器的输出，以实现系统的闭环控制。
②变频器触发脉冲时序的研究，以确保变频器输出一个与异步电动机的转子电流频率相同且滞后转子电流90℃的电势，施加到绕线式异步电动机的转子绕组上，以改变电机转子电流的相位实现无功补偿；并使定子电流大幅度降低，从而达到节能的目的。
（2）创新点
①本项目提出采用单片机进行负荷监测，使系统能根据所检测负荷大小，通过恰当的算法及软件编程，实现大功率绕线式异步电动机无功补偿的闭环控制。
②用数字式电流传感器实现电机转子电流的在线跟踪检测；
用数字式温度传感器实现可控硅过热保护。
③采用检测同一相上的晶闸管管压降均不为零实现零电流检测。
④为简化主电路，减小变压器的容量，主电路采用单相至三相交交变频电路
（3）完成时达到的技术水平
目前静止式进相器大都采用开环控制，在变负荷电机中难以应用，因而限制了其推广应用的范围。
为提高系统性能，本项目提出采用数控式闭环控制系统实现大功率绕线式异步电动机无功功率的自动补偿。
因而项目完成后系统可达到国内领先水平。
2、项目技术方案论述：
生产技术、工艺流程、主要技术参数；
①变频电路选择：
由于系统所需变频器输出频率较低（一般为1-2HZ），故系统变频电路可选择交-交变频。
且为简化电路，减小变压器的容量，本系统提出采用单相至三相交交变频电路。
②零电流检测：
为确保准确迅速的检测出电流的过零点，本系统提出采用检测同一相上的四个晶闸管管压降均不为零，则表示“零电流”状态，只要有一个管的管压降等于零，就是“有电流状态”，实现零电流检测。
③变频电路输出电压波形为正旋波的调制方法：
采用余旋交点法
图1系统原理框图
④系统框图：
通过检测电机转子回路电流的变化，并将检测信号输入单片机进行智能化处理后，输出一个能自动跟踪电机转子电流变化的信号，该信号用来控制变频器的输出，将市电50HZ的交流电变成与异步电动机的转子电流频率相同且滞后转子电流90℃的电势，施加到绕线式异步电动机的转子绕组上，以改变电机的转子和子电流的相位实现无功补偿，提高电机功率因数到0.95以上；并使定子电流降低10-20%，从而达到节能的目的。
其原理框图如图1所示。
3、项目技术质量指标：
项目产品达到的主要技术性能指标、执行的质量标准、通过的国家相关行业许可认证等；
主要技术性能指标：
①提高电机功率因数到0.95以上，降低无功功率60%-70%。
②降低定子电流10-20%，达到节约有功功率的目的。
③能自动进项与退项，并具有故障自动诊断与自动修复功能。
4、分阶段描述项目执行过程中各阶段目标；
2006年
1、2季度：
工作内容：
总体论证、系统设计，具体包括制定系统功能、性能指标，选择系统组成方案；确定软、硬件相互关系，系统功能分配。
目标：
拿出总体方案，确定总体指标。
3、4季度：
工作内容：
完成系统的模拟硬件电路、系统机械及结构等的设计,元件外购。
目标：
完成系统的硬件电路设计，取得各类技术图纸。
2007年
1、2季度：
工作内容：
1．控制电路制作与实验调试.2.算法研究、软件编写调试.
目标：
完成软件设计、编写调试,获得程序清单。
3、4季度：
工作内容：
进行控制部分软硬件的联调，并对软、硬件进行修改。
3.系统主电路及仪表箱外协加工、制作。
目标：
完成控制系统软、硬件的联调，实现对系统的修改、优化，获取相关技术数据。
2008年
1季度：
工作内容：
系统总体调试，运行数据指标测试，系统完善。
目标：
出样机。
2季度：
工作内容：
完成研究报告，准备鉴定。
目标：
完成鉴定。
3、4季度：
目标：
样机产品化
5、项目经费预算情况：
项目投资总额、项目已完成投资、项目须新增投资及投资构成和投资预算、申请科技三项经费的使用预算（见附表）。
三、项目实施支撑条件
1、项目技术来源；
本项目是学校，研究院与企业合作开发的。
我们已完成该系统控制部分研制，主要难点问题已基本解决。
本课题的关键是进一步改进控制系统，完成主电路及保护电路的设计与制作，研制出样机并使之形成产业化。
2、项目实验、检测条件；
实验室已有本项目所需的主要仪器设备：
计算机、SICE通用单片机仿真器，双踪迹同步示波器,但由于机型配置不高，系统太老，需要重新购置计算机和新型单片机仿真器。
另外还需购置四通道智能型示波仪等部分仪器设备。
3、项目申请单位人才资源情况：
技术人员总数、中高级技术人员比例；
南昌航院测控系电科教研室总人数29人，其中正高3人、副高8人、中级10人，占总人数的72%。
4、项目组人员专业结构、职称结构；
课题组技术人员总人数8人，高级职称4人，中级职称3人、自动化专业3人，光电专业2人，计算机专业1人，电子专业1人，仪表专业1人。
5、项目新增投资筹集情况。
筹措方案:
申请南昌市科技计划项目资助12万元,自筹3万元。
其中,自筹3万元为2005年江西省测控中心资助,经费已经到位1.5万元，2006年将到位1.5万元（见附件1：
合同书）。
四、项目预期经济效益
1、预期市场需求；
在我国，电机所耗电能占整个工业用电的60-68%，而大中型电机又是许多工业企业的主要用电设备，因此，如何减少大中型电机的无功损耗成为许多工业企业节能降耗的关键。
传统的电力电容器补偿只能补偿电网无功功率，不能提高异步电动机的自然功率因数。
而采用电动机转子绕组上串联一容性电压源的补偿方法却能改变电机本身功率因数。
目前我省在这方面的研究尚属空白，国内是在90年代才开始这方面的研究，但由于目前国内系统均只采用了开环控制，在变负荷电机中难以应用，因而限制了其推广应用的范围。
总之，无论从应用基础研究价值，还是从市场效益来看，开发这种新型的绕线式异步电动机无功补偿系统，形成具有自主知识产权的高技术产品，对推动我省乃至我国的科技经济和社会发展，都具有积极作用和意义。
静止进相器作为大功率绕线式异步电动机无功补偿装置，已逐渐显示出特有的优势，替代其它传统的无功补偿装置，广泛的应用于水泥、化工、矿山、冶金、钢铁、造纸、制药等行业中大中型绕线式异步电动机。
因此，该项研究技术的推广应用前景是十分乐观的。
2、预期盈利水平；
按一年生产销售100台规模计算，经济效益计算分析如下：
1）．产品成本明细
序号成本项目单位成本（元）总成本（元）
1电子元器件、芯片5000500000
2机加工、电路制作、材料3000300000
3人工费4000400000
合计120001200000
2）.销售收入
以中等功率电机而言，目前现有静止进相器市场单套价格在30000元人民币左右，我们可将这种新型的静止进相器定价在27000元人民币，则：
每套产品销售收入（不含税价）=含税价/（1+税率）=27000/（1+6%）
=25472（元）
年销售收入=25472*100=2547200（元）
3）．税金和利润
应交增值税=含税价-不含税价=（27000-25472）*100=152800（元）
应交城建税及教育费附加=152800*10%=15280（元）
因涉及高新技术，可享受所得税减免的优惠，则
利润总额=产品销售收入-产品销售成本-产品销售税金及附加
=2547200-1200000-15280=1331920（元）
销售利润率=利润总额/产品销售收入=1331920/2547200=52.3%
3、预期产业化前景；
静止进相器作为大功率绕线式异步电动机无功补偿装置，已逐渐显示出特有的优势，替代其它传统的无功补偿装置，广泛的应用于水泥、化工、矿山、冶金、钢铁、造纸、制药等行业中大中型绕线式异步电动机。
因此，该项研究技术的推广应用前景是十分乐观的。
4、项目实施风险分析。
我们已完成该系统控制部分研制，主要难点问题已基本解决。
本课题的关键是进一步改进控制系统，完成主电路及保护电路的设计与制作，重点是完善控制算法。
总之，目标是完全可以实现的。
五、项目预计社会效益、环境效益
1、对社会发展的作用；
在我国，电机所耗电能占整个工业用电的60-68%，而大中型电机又是许多工业企业的主要用电设备，因此，如何减少大中型电机的无功损耗成为许多工业企业节能降耗的关键。
传统的电力电容器补偿只能补偿电网无功功率，不能提高异步电动机的自然功率因数。
而采用电动机转子绕组上串联一容性电压源的补偿方法不仅具有功率因数补偿的功能，还可减少电机定子电流，降低电力损耗，从而达到节能目的，提高企业的经济效益。
目前我省在这方面的研究尚属空白，国内是在90年代才开始这方面的研究，但由于目前国内系统均只采用了开环控制，在变负荷电机中难以应用，因而限制了其推广应用的范围。
总之，无论从应用基础研究价值，还是从市场效益来看，开发这种新型的绕线式异步电动机无功补偿系统，形成具有自主知识产权的高技术产品，对推动我省乃至我国的科技经济和社会发展，都具有积极作用和意义。
2、对资源利用情况；
本系统使用后，以一台力率为0.85的380KW的绕线电机为例，力率至少可达0.95，降低定子电流10-20%。
可达到节约能源的目的。
3、对人才培养情况；
以本项目已作为十几位本科生毕业论文课题，并培养研究生若干名。
若形成产业化后，可培养更多的工程技术人员。
4、环境影响及效益。
本项目具有明显的节能效果，从间接意义来说，对环境保护也具有十分重要的
表一
项目投资与资金筹措表
单位：
万元
序号
项目
金额
1
投资总额
15
固定资产投资
6
流动资金
9
2
资金筹措
自筹资金
3
其中：
已完成投资
1.5
新增投资
申请科技三项经费
12
借（贷）款
表二
项目拟购设备清单
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
单价（万元）
金额（万元）
1
示波器
四通道
台
1
2
2
2
开发系统
伟福
2
0.5
1
3
信号发生器
低频
2
0.5
1
4
稳压电源
1
0.2
0.2
5
恒流源
1
0.3
0.3
6
仿真用计算机
1
0.5
0.5
7
数字示波器
双通道
1
1
1
表三
申请科技三项经费使用预算表
序号
名称
单位
数量
金额（万元）
使用时间
1
开发费
5.5
2006年
项目开发人员费
1.3
原材料动力费
2
检测费
0.5
调研费
0.6
查新费
0.1
技术咨询费
0.2
转让、合作费
0.8
2
设备费
4
2006年
申请三项经费资助设备：
四通道示波器
单片机开发系统
低频信号发生器
稳压电源
恒流源
仿真用计算机
台
台
台
台
台
台
1
1
1
1
1
1
2
1.5
1.5
1.2
1.3
0.5
3
试制费
3
2007年
人员费
0.5
原材料动力费
2
检测费
0.5
4
鉴定验收费
0.5
2008年
升级会员 