LNG接收站6KV电机用电质量优化设计
由于LNG接收站内用电设备多为6KV电机，因此电能消耗大部分都为电动机，为响应国家节能减排的号召，电动机用电质量对于节能十分重要，因此介绍了用电质量优化装置在6KV电机的应用，并计算了节能效果，取得了良好的成果。
《大电机技术》(双月刊)创刊于1971年，由哈尔滨大电机研究所主办。本刊是全国中文核心期刊，主要介绍我国大中型水电机组、火电汽轮发电机组、交直流电机、特种电机及其辅助设备等产品的科学研究、技术开发、设计制造、试验计算、安装调试、监测监控和故障分析等专业技术领域的内容。
0.引言
目前，电网的发展使原来电网末端电压偏低问题得到解决，电压升高的问题日益凸显，尤其夜间电压会升高，可能会使用电设备运行时超过额定电压。大量的电气设备，如电机、电磁铁、接触器等带有铁芯的电气，电压升高会引起铁损、铜损的增加，铁损与电压的平方成正比，铜损与电流的平方成正比，这些损耗会造成能源浪费。在LNG接收站，6KV电机是最大用电负荷，约占总负荷的85%，有着巨大的节能潜力和应用前景。
1.用电质量优化装置简介
新型用电质量优化装置是针对目前220-10KV用电网络中对电能质量敏感的各种精密的、复杂的用电负荷提供高效洁净的电力能源而研制的高科技产品。用电质量优化装置采用采用电磁补偿稳压技术，降低电压波动，提高电能利用效率，提高功率因数。非相控电磁平衡技术，可以抑制电源中的高次谐波，又可以使用电设备所形成的谐波成分减少对电网的传送。选用优质特种磁性材料，自身损耗很低。利用特有的优质铁芯和绕组，在变压器中做到磁路平衡、磁场平衡，可对三相电压进行调整，使电源趋于平衡。具有较强的抗过电压、抗过电流能力和较强的抗电压突变、抗电流突变的能力，能抑制瞬流和浪涌。采用功率自动跟踪检测调节方式，使电动机达到最佳效率的工作匹配，工作电流降到最小，降低配电功率大造成的空载损耗，达到节电的目的。
2.具体方案设计
根据LNG接收站设备实际使用情况，本次优先设计BOG压缩机与高压泵的电机优化方案，在2台BOG压缩机和1台高压输送泵上使用，每台泵安装一台该装置。
其设计方案图如下：
2.1产品应用原理
主要元器件及其作用：
电磁优化主机主绕组TSM：用于调节电机机端电压和进行电机阻抗匹配的主要元件;
直流励磁绕组TSS：用于调节主绕组TSM铁芯的饱和度，从而对电感值进行连续调节，达到档位之间微调的目的;
SW9：9档位有载分接开关，用于调节主绕组TSM的抽头;
DCG：整流电源，用于为TSS直流励磁绕组提供直流电源;
QBH：保护断路器，采用固定式VS1断路器，在主绕组发生故障时能够迅速切除故障;
QPL：旁路开关，当主绕组故障或调节范围越限时可以迅速合闸，保证不停电运行;
QSC：输出控制开关，用于控制优化主机的输出，同时起到在主绕组故障时隔离的作用;
CT：采样电流互感器，用于采样调节后的机端电流。
涌流抑制绕组TSL：串接于回路，可有效降低启动电流陡度与短路电流上升率。
2.2调节原理：
异步电动机的功率损耗可分为可变损耗和不变损耗。理论分析表明，在0.75PN附近，可变损耗和不变损耗相等，电机效率为最高。电动机从空载到负载运行，由于主磁通和转速变化很小，铁损和机械损耗近似不变，为不变损耗;而定、转子的铜损和附加损耗是随负载变化而变化的，为可变损耗。如果忽略机械损耗和附加损耗，则当铜损和铁损相等时，总损耗最小，达到高效率。当负载变化时，若能够方便、实时地调节铜损和铁损之间的关系，则可使电机保持高效率运行。
由于铁损主要由励磁阻抗产生，铜损主要由定转子绕组电阻产生，因而通过调节机端电压与匹配端口输入阻抗可有效地使得电机铁损与铜损保持相等，维持电机在高效率状态运行。
根据电机学理论，电动机铁损与铜损关系如下：
*：Rm为电机励磁回路电阻，R1与R2分别为定子与转子电阻;
因而可得出电动机的铜损与铁损成反比例关系。
如右图所示，由于电压恒定时，铁损为一定值，与负荷率无关，而铜损与负荷有关，因而在20%负荷时，使得电压为Va点，此时PFe=PCu,效率达到最大。
同理，在60%,100%负荷时同样调节机端电压至Vb与Vc之间，同样使得电机效率最高。
调节流程图如下：
2.3本装置主要功能：
实时调节机端电压，使得电动机运行于最大效率，达到一定节能降耗作用;
阻抗匹配功能，实时调节电动机三相不平衡;
负荷-电压联合调节功能，避免低负荷时维持高电压，造成无功功率浪费，可在一定范围内提高电机功率因数;
完善的自身保护功能，避免由自身故障导致停电事故;
电磁优化主机有助于改善波形，去除尖峰电压波;
降低电动机启动电流，最多可降至3-4倍额定电流;
有效提高电动机铁芯利用率，提高电动机工作效率。
2.4本装置调节特点：
采用档位—偏磁联合调节方式，由于档位调节无任何能量消耗，因而作为主要调节方式，而档位之间的调节采用偏磁调节方式，既可以满足电压，阻抗的连续调节，又可以有效降低调节系统的自身损耗;
全自动调节，整个调节过程无需任何人工干预，专用的控制单元可以有效迅速得跟踪负荷的变化情况，及时调整;
有效达到节能降耗的目的，动力型号优化装置节能率可达6%-15%之间，设备投资可在短短几年内收回，有着极高的经济回报率;
降低启动电流，具有一定软启动的功效，对于不频繁启动电机，可代替软启动;
通过负荷-电压联合调节法控制电机功率因数，避免无功功率浪费，可有效降低系统的无功功率供给，减轻无功补偿设备的负担，提高电动机设备的负荷利用率;
由于电感元件的惰性，可以使具有尖峰的谐波去陡，变为平滑的正弦波形，因而具有一定的改善波形作用;
由于本装置采用的是电磁调节方式，因而相对于PWM调节方式，具有性能稳定，后期维护成本低，自身损耗低，不产生谐波污染等多项优点;
2.5与变频器的区别：
变频器属于负荷调节装置，主要用于改变电动机的转速从而改变电动机的负荷率，而THLXD装置为电能优化装置，用于改善电能质量，提高设备的效率;
变频器只是单一的改变负荷，而不能对既定的负荷状态实现对电动机运行条件的优化，而THLXD是针对不同负荷，采用不同的优化方案使得电动机时刻保持最大效率状态;
变频器可以改变负荷，而THLXD不能够改变负荷，因而二者不能够相互替代但是能够同时安装互不冲突。
3.主要元器件参数
1. 主调节绕组TSM：
额定电压：7.2kV;
额定容量：1000kVA,2000kVA;
调节范围：-10%,-7.5%,-5%,-2.5%,0%,+2.5%,+5%,+7.5%,+10%
接线方式：Y-Y
负载损耗：≤1.5%
空载损耗：≤1%
2. 励磁调节绕组TSS：
绝缘电压：9.6kV;
额定容量：600VA;
调节范围：2.5%Un
调节阻抗：10%Xn
电压输入范围：0.5-311V
励磁电流范围：1-100A;
最大励磁功率：500W
3. SW9有载分接开关：
额定电压：7.2kV;
切换电流：63A;
灭弧介质：真空
档位数：9档双稳态
动作电压：DC220V
4. DCG整流电源：
输入电压：AC220V;
最大输出电流：100A;
最大功耗：500W
整流元件：全控桥式，IGBT
遥调输入信号：4-20mADC
5. 自动控制保护单元：
输入电压：DC220V;
运算器件：TI，DSP320F×2;
显示器件：128*128大屏幕点阵LCD，自动背光;
存储器件：FlashROM,事件存储条数1000条;
通讯接口：RS485接口，以太网接口(可选)
通信规约：标准MODBUS
EMC等级：II级
继电器接点功率：DC220V,2.8A,AC220V,10A
4.投资收益分析
4.1项目投资费用
根据设计方案我们选用合肥天海电气技术有限公司生产的THLXD系列新型用电质量优化装置，依据项目中所涉及的不同用电回路，我们作如下项目投资表(以1#，3#蒸发器压缩机，LNG高压输送泵为例)：
序号 产品系列 用电场合 规格
(单位：千瓦) 设计台数 投资成本(万元)
1 THLXD-DF 压缩泵 3200kW 3 192
合计： 192
4.2投资收益分析
根据项目现场实际情况，我们进行如下投资收益分析：
假定：用电设备每天使用时间：t(单位：h/d)
用电设备每年使用天数：T(单位：d/y)
平均节电率：V(单位：%)
总功率：Pt(单位：kw)
电价：Pe(单位：元/kw﹒h)
则：年用电费用Mt=Pt×T×t×Pe(元)
年节电费用Ms=Mt×V(元)
投资回收期Ra=投资成本÷Ms(年)
序号 用电场合 t
(h/d) T
(d/y) V
(%) Pt
(kw) Pe
(元/kw.h) Mt
(万元) Ms
(万元) Ra
(年)
1 压缩泵 24 360 8 3200 0.70 1935.36 154.82 1.24
根据以上计算可知，THLXD新型用电质量优化装置在15至16个月内即可收回投资成本，具有很高的投资回报率。
THLXD新型用电质量优化装置结构主体为特殊绕组的电磁线圈，不同与其他的电子式节电装置，其有效使用寿命在15年以上，THLXD新型用电质量优化装置可带来的直接收益：
S≈Ms×(15-1.24)
≈2130.43(万元)
另外，其工作中带来管理成本的降低、设备维护成本的下降、优化供电质量和延长用电设备使用寿命等间接收益就不好用钱来衡量了。
6.结语
总之，THLXD新型用电质量优化装置优化电能效果显著，投资回报率高，一次投资长期受益，并且在节省电费的同时，有利于用电设备延长使用寿命，减少投资维护成本，提高电能使用效率，增加经济和社会效益。
参考文献：
1. 《基于铜损等于铁损的异步电动机最佳效率控制》莫红苹，钟彦儒
西安理工大学学报2002年18期
2. 《电机学》浙江大学出版社，王毓东主编
3. 《三相异步电动机降压节能研究及应用》任红应用能源技术2005年5期