系统节电技术

苍舒

系统节电技术

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    中国在很早以前就有了一些节电技术，但这些技术是基于当时供电电压不稳的基础上开发的，主要的功能局限在变频、调整电压、无源滤波上，但，在中国的应用一直没有得到大面积的推广，主要原因如下：
    1. 变频技术产生大量的奇次谐波，虽然在单台设备上节约电能，但严重影响了其他设备的使用寿命和使用效率；
    2. 变频器只针对可调速电机，应用环境有限；
    3. 变频器串联接入客户的低压电力系统，对客户的供电安全存在隐患。

    由系统节电技术和专用节电技术组成的新型节电技术以其安全、经济、有效的特点逐渐取代了变频器等传统节电产品，经过几年的应用，在全国范围内产生了巨大的经济效益和社会效益，得到了大量客户的认可，显示出了系统节电技术的技术优势和成本优势。
    系统节电技术在技术上有着不可比拟的优势，更重要的是系统节电技术由于生产成本较低，产品价格只有传统节电产品的50％，对于客户来说有更好的经济效应，而且能适应客户电力系统的增容和负荷特点变化，主要来说，系统节电技术具有以下特点：
    1. 系统节电技术的价值：节省10%以上的电费开支；保护用电设备，降低维护费用；延长设备的使用寿命。
    2. 节电率：高于10％。
    3. 安全性：系统节电器并联接入，对原电力系统无任何负面影响；产品内置高灵敏度电子保护器、外装空气开关双保险；专用串联产品设有自动旁路功能，安全性高。
    4. 投资总额相当于以下两种表述方式之一：年用电总量(万度)的1/8（万元）；年平均实际运行功率的1/25（万元）。
    5. 二年左右收回全部投资。
    6. 产品使用寿命10年以上，投资回收比为1∶5。

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    1. 什么是瞬变？
    瞬变是一种瞬间的高爆发的电能。无论是民用电还是工业用电，瞬变存在于几乎所有的电力系统中。这些瞬变、浪涌从发生到消失的过程非常之快，属于微秒到皮秒级，而其电压幅值可以高出正常电压的几十、几百甚至几千倍。实验证明：在120V的电路中，电流为15A/小时，瞬变、浪涌发生的频率为40000个/小时，持续时间为100微秒。

    2. 瞬变是如何产生的？
    瞬变产生的来源主要有两个方面：
    一是环境的，环境因素产生的瞬变占一个系统瞬变总量的20-30%。雷电感应电压、输变电站大型开关的闭合、邻居大型负载的起停，都会伴随有瞬变进入到用电系统；
    二是用电系统内部产生的，它占一个系统瞬变总量的70-80%。任何负载的起停和运行都会产生大量的瞬变，再反馈到本身的用电系统中。电弧放电也是瞬变的一个主要来源，其可能是由不良和松动的电气连接引起，或由老旧的不干净的电刷引起。
    随着科技的发展，与信息产业相关的电子设备（如激光打印机、电脑工作站、各种服务器、调制解调器、路由器、扫描器、传真机、网络接入商工作站等设备）由于其体积越来越小的电子集成线路板及芯片对系统过电压的防护非常脆弱，而整个系统产生出的大量的、无时不在的瞬变，通过设备线路扩散，反馈到电网中，影响到整个系统。

    3. 瞬变与增加电耗的直接和间接的关系
    瞬变使一个用电系统的电耗增加的方式有三种：
    （1）系统效率下降
    瞬变对所有的开关装置、接触元件、线包绕组、半导体元件等，都有冲击作用，使电机、灯光及系统中所有的用电装置的用电效率下降。研究发现，瞬变使线路电耗增加8.05%。由于经年累月的冲击，瞬变会在开关装置及其它触性器件上造成氧化性碳膜层。在电机接触器上，每1欧姆阻抗的氧化性碳膜层的生成和存在，可使电机的效率损失13%。对于变压器而言，瞬变将使变压器效率降低10-30%。
    （2）电机温度升高
    电机的温升是由于瞬变使电感性负载电流损失增加和铜损提高而造成，由于瞬变高压的冲击，多余的电能转换成热能，因而使电机的温度上升。电机温度每上升1度，大约增加4%的电耗。
    （3）电表转速加快
    驱动电度表表盘的同时性力矩的大小，取决于电路中同时性电压与电流的大小。由于瞬变是突发式的过压，因此会严重地影响感性电度表表盘的作用力矩和转速，使表盘发生阶跃式的转快，其结果会导致电度表对一个系统总的用电量的过度计量，此种过度计量，最高幅度可达30%。

    通过以上的叙述，可以得出以下结论：
    瞬变的危害不仅会使一个系统的电耗增加、用户多付电费，而且严重影响到设备的安全。一系列研究还发现，当电机线包绕组的耐压从2000V提高到6000V以上的耐压水平时，电机被烧毁的机会减低80%。该项研究不但证明了瞬变对电机安全性的影响，还说明2000-6000V之间的瞬变对电机安全性的影响最大。但问题是提高了线包绕组的耐压水平意味着电机的制造成本提高，故不是一个解决问题的切实可行的方法。

    除电机外，瞬变还影响到所有的电子设备、电脑系统、灯光系统、配电设备，使其宕机、损坏、寿命缩短、发生火灾等。

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    系统节电器，经由缓冲、降温、洁净三大综合作用，最终达到节电的作用。

    （1）缓冲节电
    系统节电器的应用，从两个方面切断瞬变对电表的阶跃式冲击：一是堵截外部的来路；二是切断内部的回路。系统节电器可使电表的计量复归正常，用多少电，电表就正常计量多少。

    （2）降温节电
    由于瞬变的影响，铁芯材料由于过度的磁滞而使电流损失增加，结果使感性负载，尤其是电机、变压器的温度上升，用电效率下降。系统节电器的箝位电压在火线与零线间的箝位值为250V，所有高于250V的电压均被迅速抑制，从而抑制了过压，使其对末端负载和整个系统的影响减少到最轻的程度。

    （3）清洁节电
    在系统节电器安装之后，会使接触器及电路中的氧化性碳膜层不再生成，甚至使接触器触头表面已形成的氧化性碳膜层逐步剥落，舒缓阻滞，提高系统的用电效率。

    通过瞬变抑制而实现节电，系统中每个节电器都需要对布控点的电压、电流进行监控：对高于箝位电压的浪涌电压箝位限制、整形处理后重新输入原电路。
    从技术手段上讲，要满足两个基本要求：
    第一，系统节电器的反应速度必须极快，要超过多数瞬变的速度。多数瞬变的发生速度都非常之快，快到数亿分之一秒。为了保证抑制的效果，系统节电器采用高科技半导体元件；
    第二，箝位电压要足够低，要保证那些电压峰值不高的瞬变也能被捕捉到，以保证抑制的效果。

    通用节电器开辟了一个通过清除电力污染而实现节电降耗和保护设备安全的新途径。

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    1. 灯光节电器

    三相节电控制器，其强大的控制功能和显著的节电效果已被长期大量的应用所证明。
    三相节电控制器是一种多用途的节电控制器系列，产品分为模拟技术与数码技术两类。
    模拟技术主要用于电加热设备、电机、变压器等的节电控制以及电源电压调节。
    灯光系统的负荷相对来说比较稳定，其节电率的高低主要取决于灯具的新旧程度、制造水平、结构类型以及照明环境对照度的要求等因素。一般来说，对于使用电子式镇流器的灯具和新型节能灯具可获得的节电率就低些，需仔细测算。

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    2. 电机节电器

    工业和商业用于驱动的电机绝大多数都是鼠笼式交流感应电机。此类电机具有成本低、坚固耐用、可靠性高、使用简便等特点。
    每台电机都必须消耗一定的能量以提供磁场让电机连续工作。当供给笼形电机的电压恒定时，由此产生的磁通也保持恒定，在额定转速下，磁场消耗的能量保持恒定，与负载所需的转矩无关。
    支持负载转矩的能量取决于转矩的大小。当负载转矩增加，转子转速会稍微下降（转差率增大），使得感应的转子电流上升以增加转矩。转子中增加的电流由定子线圈中增加的电流来平衡。相反，如果需要的负载转矩减少，转差率减少，转子电流下降，定子电流也相应下降。但在端电压恒定的情况下，定子中提供磁场的电流在任何负载转矩条件下将保持恒定。结果是感应电机的效率随负载的减少而降低。
    事实上很少有电机始终在额定条件下运行。
    通常选择的标准电机，其标称均高于驱动负载的最大需求。由于这一原因，所选择的电机几乎一定是超出标准的，当提供额定电压时，即使满负荷运行也有节电空间。
    此外，有些应用其负荷本来就是变化的，而选择的电机大小必须能满足最大负荷时的需求，尽管最大负荷只是间断出现，而其他时间负荷要小得多。
    由于电机产生的转矩与供电电压的平方成正比，降低端电压将减少转矩。降低端电压，实际上是降低了电机的额定输出功率，也意味着所需磁场能量的减少。利用这一原理，电机节电器可从空载至多数负荷情况下保持恒定的电机效率。
    电机节电器采用智能化的微处理器控制，无需人工调节。在轻负载情况下，电机电压自动降至最低需求而转速保持恒定，因此降低了不必的损耗。如果负荷增加，电压将自动上升以防止电机失速。
    电机节电器通过闭环反馈系统控制，其感应电路比较通过电机的电压和电流波形，由于是电感电路，电压和电流波形存在时间差，负载越轻，电流波形的滞后越大。空载时电机的效率最低，波形间的间隔也最大。微处理器将监测波形间的间隔并相应地调整可控硅的触发脉冲，其速度为每秒钟改变100次。这一速度比电机所能响应的速度要快得多，但对防止电机在任何负荷工况出现失速是十分必要的。原则上，在轻载条件下，如果可以将过剩的励磁电流减少到仅仅与保持负荷的恒定转矩相匹配，则可使电机的运行效率提高。
    电机节电器还具有完全调节的软启动功能，可减少电机的磨损，降低维护成本，降低可能的最大电力需求费用。
    电机节电器适用于异步感应电机的节电控制。可广泛应用于各种动力设备和加工机械上，对负荷经常变化或不在满负荷运行但转速恒定的电机节电效果更为显著。如金属加工行业的冲压机、机床、车床、铣床、磨床、金属粉碎机械等；塑料制品行业的造粒机、注塑机等；纺织行业的筒子机、编织机、转盘机等，以及其它设备如传送设备、压缩机、自动扶梯、电梯、恒温恒湿空调、真空泵等。

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    3. 空调节电器

    空调节电器是通过减少压缩机的运行时间而实现节电。
    问题的关键是怎样在减少压缩机的运行时间的同时，保持系统的排热量，从而维持控制的目标温度不变。
    为了在保持理想的目标温度控制点不变的前提下，减少压缩机的运行时间，并避免压缩机出现过短的运行周期，就需要一种智能化的控制装置，它可以随着负荷的变化，动态地改变压缩机的切入、切出点和呆滞区，优化其运行曲线-----空调节电器正是这样一种控制装置。
    空调节电器的核心技术在于其独到地软件设计，其能随着负荷的变化自动地调整压缩机的运行区带，其软件技术称为比例微分调整技术（PDA）。为了确保压缩机的最佳运行时间，保证压缩机在一个运行时间段内排除必要的热量，空调节电器还运用了一种被称为“标准压缩机运行曲线（SPC）”的软件程序。
    设计空调节电器的工程师对市场上几乎所有压缩机的运行曲线都作了研究，编制成专利的标准压缩机运行曲线程序库，固化在空调节电器芯片中，通过将SPC软件与PDA技术巧妙结合，空调节电器可以在任何热负荷条件下自动地确保压缩机按最优化的运行曲线工作。通过测定压缩机的周期率、切入点和切出点，以及系统最初设定的运行控制呆滞区，空调节电器可自动判断负荷是否发生变化。
    空调节电器适用于多数活塞式压缩机和部分有级卸载的螺杆式压缩机的节电优化控制，主要应用于上述两种类型的中央空调冷水机组或制冷压缩机组的节电改造，它们占到中央空调主要机型的80%以上的市场。