基于單相至三相交交變頻的靜止進相器研究可研報告

1、一、選題的必要性1、 項目所處技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)政策；在我國，電機所耗電能占整個工業(yè)用電的60-68%，而大中型電機又是許多工業(yè)企業(yè)的主要用電設(shè)備，因此，如何減少大中型電機的無功損耗成為許多工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。2、項目所處技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；目前，國內(nèi)外交流繞線式異步電機無功補償方式主要有：1）電機定子側(cè)并聯(lián)電容器；電機定子側(cè)并聯(lián)電容器只能補償線路無功功率，不能降低電機定子電流；尤其是對高壓電容器的安裝場所、控制方式都有特殊要求，其投資往往較高。2）電機轉(zhuǎn)子回路串接旋轉(zhuǎn)式進項裝置。由于串接于電機轉(zhuǎn)子回路的旋轉(zhuǎn)式進項裝置是一種整流子旋轉(zhuǎn)電機，自身有一定的功耗，且特別怕塵埃，使用壽命短，規(guī)格少，難

2、于與異步電機達到最佳匹配。3）90年代初，國內(nèi)市場出現(xiàn)了一種靜止進項器，該裝置是在上述兩種無功補償裝置上發(fā)展起來的一種新型節(jié)能裝置。它采用了變頻技術(shù)，不怕塵埃，使用壽命長，維護方便等優(yōu)點。但由于該系統(tǒng)只采用了開環(huán)控制，在變負荷電機中難以應(yīng)用，因而限制了其推廣應(yīng)用的范圍。所以，有必要研制一種能根據(jù)負荷變化，改變補償量的閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能。2、 項目技術(shù)先進性，對相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)進步的推動作用；目前，國內(nèi)外交流繞線式異步電機無功補償方式主要有：1）電機定子側(cè)并聯(lián)電容器； 2）旋轉(zhuǎn)式進相;3）靜止進相。其性價比見表1：表1 電機無功就地補償裝置性價比較表名稱電容補償器旋轉(zhuǎn)式進相器靜止式進相器性能

3、1.提高力率至0.95以上；2.不能降低定子電流。1.提高力率至0.95以上；2.定子電流降低10%以上1.提高力率至0.98以上；2.定子電流降低10%以上維護困難較困難較容易價格加安裝設(shè)施5萬元左右加附件3萬元左右2.7萬元/臺預期投資回收期26個月18個月17個月從上表的性價比可見，靜止式進相器有著明顯的競爭優(yōu)勢。若采用本項目閉環(huán)控制進相器，其應(yīng)用范圍可推廣至變負荷電機的無功補償，因而，其應(yīng)用前景將更加廣闊。目前在我國，電機所耗電能占整個工業(yè)用電的60-68%，而大中型電機又是許多工業(yè)企業(yè)的主要用電設(shè)備，因此，如何減少大中型電機的無功損耗成為許多工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。本系統(tǒng)使用后，以一

4、臺力率為0.85的380KW的繞線電機為例，力率至少可達0.95。若平均每月電費按20萬元計算，使用該裝置后僅力率電費就可減少1萬元左右。若考慮節(jié)約有功功率，則可減少更多的電費。4、項目目前進展情況。近年來課題組在研究電機無功補償方面做了大量的工作，先后承擔了省教育廳項目“利用單片機控制的靜止進項器的研究”和省測控中心企業(yè)預研項目“一種新型繞線式異步電動機功率因數(shù)補償裝置的研究”。課題組現(xiàn)已完成系統(tǒng)控制部分軟硬件設(shè)計與制作及系統(tǒng)主電路設(shè)計，還有待于完成系統(tǒng)主電路、檢測及保護電路的制作，并根據(jù)系統(tǒng)調(diào)試和使用結(jié)果，進一步完善系統(tǒng)。為盡快把該技術(shù)推向市場，研制出可投入市場的產(chǎn)品樣機，我們申請本項課題

5、。二、技術(shù)方案論述1、項目技術(shù)關(guān)鍵點或創(chuàng)新點論述，項目完成時達到的技術(shù)水平；（1）主要技術(shù)關(guān)鍵:為實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高產(chǎn)品性能，本系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是：推導出功率因數(shù)-轉(zhuǎn)子電流-變頻輸出電壓之間的關(guān)系，完成進相算法的研究，以便根據(jù)在線檢測的轉(zhuǎn)子電流，經(jīng)單片機數(shù)據(jù)處理，輸出一個能自動跟蹤電機轉(zhuǎn)子電流變化的信號來控制變頻器的輸出，以實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。變頻器觸發(fā)脈沖時序的研究，以確保變頻器輸出一個與異步電動機的轉(zhuǎn)子電流頻率相同且滯后轉(zhuǎn)子電流90的電勢，施加到繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組上，以改變電機轉(zhuǎn)子電流的相位實現(xiàn)無功補償；并使定子電流大幅度降低，從而達到節(jié)能的目的。（2）創(chuàng)新點 本項目提出采用單片機進

6、行負荷監(jiān)測，使系統(tǒng)能根據(jù)所檢測負荷大小，通過恰當?shù)乃惴败浖幊?，實現(xiàn)大功率繞線式異步電動機無功補償?shù)拈]環(huán)控制。 用數(shù)字式電流傳感器實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子電流的在線跟蹤檢測；用數(shù)字式溫度傳感器實現(xiàn)可控硅過熱保護。 采用檢測同一相上的晶閘管管壓降均不為零實現(xiàn)零電流檢測。 為簡化主電路，減小變壓器的容量，主電路采用單相至三相交交變頻電路（3）完成時達到的技術(shù)水平目前靜止式進相器大都采用開環(huán)控制，在變負荷電機中難以應(yīng)用，因而限制了其推廣應(yīng)用的范圍。為提高系統(tǒng)性能，本項目提出采用數(shù)控式閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)大功率繞線式異步電動機無功功率的自動補償。因而項目完成后系統(tǒng)可達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。2、項目技術(shù)方案論述：生產(chǎn)技術(shù)、

7、工藝流程、主要技術(shù)參數(shù)； 變頻電路選擇：由于系統(tǒng)所需變頻器輸出頻率較低（一般為1-2HZ），故系統(tǒng)變頻電路可選擇交-交變頻。且為簡化電路，減小變壓器的容量，本系統(tǒng)提出采用單相至三相交交變頻電路。 零電流檢測：為確保準確迅速的檢測出電流的過零點，本系統(tǒng)提出采用檢測同一相上的四個晶閘管管壓降均不為零，則表示“零電流”狀態(tài)，只要有一個管的管壓降等于零，就是“有電流狀態(tài)”，實現(xiàn)零電流檢測。 變頻電路輸出電壓波形為正旋波的調(diào)制方法：采用余旋交點法圖1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)框圖：通過檢測電機轉(zhuǎn)子回路電流的變化，并將檢測信號輸入單片機進行智能化處理后，輸出一個能自動跟蹤電機轉(zhuǎn)子電流變化的信號，該信號用來控制變頻

8、器的輸出，將市電50HZ的交流電變成與異步電動機的轉(zhuǎn)子電流頻率相同且滯后轉(zhuǎn)子電流90的電勢，施加到繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組上，以改變電機的轉(zhuǎn)子和子電流的相位實現(xiàn)無功補償，提高電機功率因數(shù)到0.95以上；并使定子電流降低10-20%，從而達到節(jié)能的目的。其原理框圖如圖1所示。3、項目技術(shù)質(zhì)量指標：項目產(chǎn)品達到的主要技術(shù)性能指標、執(zhí)行的質(zhì)量標準、通過的國家相關(guān)行業(yè)許可認證等；主要技術(shù)性能指標： 提高電機功率因數(shù)到0.95以上，降低無功功率60%-70%。 降低定子電流10-20%，達到節(jié)約有功功率的目的。 能自動進項與退項，并具有故障自動診斷與自動修復功能。4、分階段描述項目執(zhí)行過程中各階段目標

9、；2006年1、 2季度：工作內(nèi)容：總體論證、系統(tǒng)設(shè)計，具體包括制定系統(tǒng)功能、性能指標，選擇系統(tǒng)組成方案；確定軟、硬件相互關(guān)系，系統(tǒng)功能分配。 目標：拿出總體方案，確定總體指標。3、 4季度：工作內(nèi)容：完成系統(tǒng)的模擬硬件電路、系統(tǒng)機械及結(jié)構(gòu)等的設(shè)計,元件外購。目標：完成系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，取得各類技術(shù)圖紙。2007年1、 2季度：工作內(nèi)容：1控制電路制作與實驗調(diào)試. 2.算法研究、軟件編寫調(diào)試. 目標：完成軟件設(shè)計、編寫調(diào)試, 獲得程序清單。 3、 4季度： 工作內(nèi)容：進行控制部分軟硬件的聯(lián)調(diào)，并對軟、硬件進行修改。3.系統(tǒng)主電路及儀表箱外協(xié)加工、制作。目標：完成控制系統(tǒng)軟、硬件的聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)對

10、系統(tǒng)的修改、優(yōu)化，獲取相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。2008年1季度：工作內(nèi)容：系統(tǒng)總體調(diào)試，運行數(shù)據(jù)指標測試，系統(tǒng)完善。目標：出樣機。2季度：工作內(nèi)容：完成研究報告，準備鑒定。目標：完成鑒定。3、4季度：目標：樣機產(chǎn)品化5、項目經(jīng)費預算情況：項目投資總額、項目已完成投資、項目須新增投資及投資構(gòu)成和投資預算、申請科技三項經(jīng)費的使用預算（見附表）。三、項目實施支撐條件1、 項目技術(shù)來源；本項目是學校，研究院與企業(yè)合作開發(fā)的。我們已完成該系統(tǒng)控制部分研制，主要難點問題已基本解決。本課題的關(guān)鍵是進一步改進控制系統(tǒng)，完成主電路及保護電路的設(shè)計與制作，研制出樣機并使之形成產(chǎn)業(yè)化。 2、 項目實驗、檢測條件；實驗室已有本

11、項目所需的主要儀器設(shè)備：計算機、SICE通用單片機仿真器，雙蹤跡同步示波器,但由于機型配置不高，系統(tǒng)太老，需要重新購置計算機和新型單片機仿真器。另外還需購置四通道智能型示波儀等部分儀器設(shè)備。3、 項目申請單位人才資源情況：技術(shù)人員總數(shù)、中高級技術(shù)人員比例；南昌航院測控系電科教研室總?cè)藬?shù)29人，其中正高3人、副高8人、中級10人，占總?cè)藬?shù)的72%。4、 項目組人員專業(yè)結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)；課題組技術(shù)人員總?cè)藬?shù)8人，高級職稱4人，中級職稱3人、自動化專業(yè)3人，光電專業(yè)2人，計算機專業(yè)1人，電子專業(yè)1人，儀表專業(yè)1人。5、 項目新增投資籌集情況?；I措方案:申請南昌市科技計劃項目資助12萬元,自籌3萬元。

12、其中,自籌3萬元為2005年江西省測控中心資助, 經(jīng)費已經(jīng)到位1.5萬元，2006年將到位1.5萬元（見附件1：合同書）。四、項目預期經(jīng)濟效益1、 預期市場需求；在我國，電機所耗電能占整個工業(yè)用電的60-68%，而大中型電機又是許多工業(yè)企業(yè)的主要用電設(shè)備，因此，如何減少大中型電機的無功損耗成為許多工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的電力電容器補償只能補償電網(wǎng)無功功率，不能提高異步電動機的自然功率因數(shù)。而采用電動機轉(zhuǎn)子繞組上串聯(lián)一容性電壓源的補償方法卻能改變電機本身功率因數(shù)。目前我省在這方面的研究尚屬空白，國內(nèi)是在90年代才開始這方面的研究，但由于目前國內(nèi)系統(tǒng)均只采用了開環(huán)控制，在變負荷電機中難以應(yīng)用

13、，因而限制了其推廣應(yīng)用的范圍?？傊?，無論從應(yīng)用基礎(chǔ)研究價值，還是從市場效益來看，開發(fā)這種新型的繞線式異步電動機無功補償系統(tǒng)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)產(chǎn)品，對推動我省乃至我國的科技經(jīng)濟和社會發(fā)展，都具有積極作用和意義。靜止進相器作為大功率繞線式異步電動機無功補償裝置，已逐漸顯示出特有的優(yōu)勢，替代其它傳統(tǒng)的無功補償裝置，廣泛的應(yīng)用于水泥、化工、礦山、冶金、鋼鐵、造紙、制藥等行業(yè)中大中型繞線式異步電動機。因此，該項研究技術(shù)的推廣應(yīng)用前景是十分樂觀的。2、 預期盈利水平；按一年生產(chǎn)銷售100臺規(guī)模計算，經(jīng)濟效益計算分析如下： 1）產(chǎn)品成本明細 序號 成本項目 單位成本（元） 總成本（元） 1 電子

14、元器件、芯片 5000 2 機加工、電路制作、材料 3000 3 人工費 4000 合 計 12000 2).銷售收入以中等功率電機而言，目前現(xiàn)有靜止進相器市場單套價格在30000元人民幣左右，我們可將這種新型的靜止進相器定價在27000元人民幣，則： 每套產(chǎn)品銷售收入（不含稅價）=含稅價/（1+稅率）=27000/（1+6%）=25472（元） 年銷售收入=25472*100=（元）3)稅金和利潤應(yīng)交增值稅=含稅價-不含稅價=（27000-25472）*100=（元）應(yīng)交城建稅及教育費附加=*10%=15280（元）因涉及高新技術(shù)，可享受所得稅減免的優(yōu)惠，則 利潤總額=產(chǎn)品銷售收入-產(chǎn)品銷售

15、成本-產(chǎn)品銷售稅金及附加=-15280=（元）銷售利潤率=利潤總額/產(chǎn)品銷售收入=/=52.3%3、 預期產(chǎn)業(yè)化前景；靜止進相器作為大功率繞線式異步電動機無功補償裝置，已逐漸顯示出特有的優(yōu)勢，替代其它傳統(tǒng)的無功補償裝置，廣泛的應(yīng)用于水泥、化工、礦山、冶金、鋼鐵、造紙、制藥等行業(yè)中大中型繞線式異步電動機。因此，該項研究技術(shù)的推廣應(yīng)用前景是十分樂觀的。4、 項目實施風險分析。我們已完成該系統(tǒng)控制部分研制，主要難點問題已基本解決。本課題的關(guān)鍵是進一步改進控制系統(tǒng)，完成主電路及保護電路的設(shè)計與制作，重點是完善控制算法。總之，目標是完全可以實現(xiàn)的。五、項目預計社會效益、環(huán)境效益1、 對社會發(fā)展的作用；在

16、我國，電機所耗電能占整個工業(yè)用電的60-68%，而大中型電機又是許多工業(yè)企業(yè)的主要用電設(shè)備，因此，如何減少大中型電機的無功損耗成為許多工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的電力電容器補償只能補償電網(wǎng)無功功率，不能提高異步電動機的自然功率因數(shù)。而采用電動機轉(zhuǎn)子繞組上串聯(lián)一容性電壓源的補償方法不僅具有功率因數(shù)補償?shù)墓δ?，還可減少電機定子電流，降低電力損耗，從而達到節(jié)能目的，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。目前我省在這方面的研究尚屬空白，國內(nèi)是在90年代才開始這方面的研究，但由于目前國內(nèi)系統(tǒng)均只采用了開環(huán)控制，在變負荷電機中難以應(yīng)用，因而限制了其推廣應(yīng)用的范圍?？傊?，無論從應(yīng)用基礎(chǔ)研究價值，還是從市場效益來看，開發(fā)這種

17、新型的繞線式異步電動機無功補償系統(tǒng)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)產(chǎn)品，對推動我省乃至我國的科技經(jīng)濟和社會發(fā)展，都具有積極作用和意義。2、 對資源利用情況；本系統(tǒng)使用后，以一臺力率為0.85的380KW的繞線電機為例，力率至少可達0.95，降低定子電流10-20%?？蛇_到節(jié)約能源的目的。3、 對人才培養(yǎng)情況；以本項目已作為十幾位本科生畢業(yè)論文課題，并培養(yǎng)研究生若干名。若形成產(chǎn)業(yè)化后，可培養(yǎng)更多的工程技術(shù)人員。4、環(huán)境影響及效益。本項目具有明顯的節(jié)能效果，從間接意義來說，對環(huán)境保護也具有十分重要的意義。表一項目投資與資金籌措表單位：萬元序號項 目金 額1投資總額15固定資產(chǎn)投資6流動資金92資金籌措自籌資金3其中：已完成投資1.5 新增投資申請科技三項經(jīng)費12借（貸）款表二項目擬購設(shè)備清單序號設(shè)備名稱規(guī)格型號單 位數(shù)量單價 (萬元)金額 (萬元)1示波器四通道臺1222開發(fā)系統(tǒng)偉福20.513信號發(fā)生器低頻20.514穩(wěn)