CN105656383A - 全自动交流电动机节电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全自动交流电动机节电装置的节电技术方案，解决了交流电动机长期处于低效率、低功率因数的欠载运行状态而造成电能浪费十分严重的问题。该节电装置是通过硬件电路处理，实时获取电机运行中功率因数，然后与设定值进行比较，由比较结果控制双向可控硅的导通角，进而合理地调节电动机的供电电压，及时调整输入电机的功率，并且交流异步电动机的特性是运行转速与电压的大小影响不大，主要与频率有关，如此便可有效地实现“所供即所需”的电能管理功能，最终达到节电的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动机节电装置，特别是涉及一种全自动交流电动机节电装置的节能技术方案，属于节能技术与电子电路设计领域。
背景技术
中大容量交流电机的起动和节能一直是电机控制领域中的研究热点。一方面，感应电动机起动时过大的起动电流将对电网产生冲击，并产生较大的线路压降，使电网电压波动过大，影响电网中其他用电设备的正常运行。对惯性较大，起动时间较长或起动频繁的电动机来说，过大的起动电流，将使电动机绕组绝缘过热而老化。另一方面，随着电动机负载的变化，电动机运行效率、功率因数等工作特性也将发生较大变化，特别当电动机轻载时，其功率因数和运行效率均很低。
随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，交流电动机软起动和综合节能控制的装置开始逐步取代一些常规的起动方式，大大地减小了起动电流对电网的冲击，同时还可以实现电动机软停车、软制动，以及电动机轻载节能控制和电动机的过载、缺相等多种保护等功能。
由于电机的运行效率取决于电机的各种损耗，而电机运行中的损耗主要包括铁损、铜损、机械损耗，杂散损耗(包括风损)等。当交流电机轻载时输出功率减少，同时转子铜耗随之降低，但铁耗、机械损耗和杂散损耗基本不变。由于励磁电流不变，定子铜耗降低不多，此时电机效率和功率因数大为降低；但如果在轻载时适当降低输入电压，则电机铁损差不多随电压平方而减少，励磁电流也因磁通的减小而下降，使定子铜耗减小，从而降低了总损耗，使电机效率和功率因数得到提高。
基于以上分析，本发明将采集的电动机运行的电压、电流信号通过硬件计算与系列波形变换得出电机功率因数，然后将实际功率因数与设定基准值比较，通过比较结果调整可控硅导通角，从而实现了以根据负载变化来合理调节供电电压的方式达到电动机节电的目的。
发明内容
该发明可安全、可靠、合理地实现全自动交流电动机高效率、高功率因数运行，从而达到节能降耗的目的。本全自动交流电动机节电装置的启动模式可设定为两种：①按时间逐渐增大电压；②按设定启动电流逐步调整电压。其节电方案可概括如下：
该方案是应用模拟电子电路和数字电子电路两种方式实现的，包括电压、电流信号的采集，功率因数转换、比较，双向可控硅导通角控制，过零检测，供电电压调节及反馈等环节。
1.功率因数是相电压和相电流的夹角余弦值cosФ，因此可通过电压、电流信号的采集与处理来实时获取电机运行中的功率因数。其中，电流信号的采集选用精密电流互感器，电压与电流信号经过运放电路和相关门电路后可实现相位差的检测。
2.功率因数的转换可通过多级滤波电路或计数电路将相位差转换为功率因数的有效值。
3.采用加法运算电路或者门电路，将功率因数的设定有效值与实际有效值进行比较。
4.采用无触点电子开关-双向可控硅来控制电动机的启、停，由此可通过调节可控硅导通角来控制电动机的输入功率。当负载增加，功率因数升高，控制导通角左移，即升压调节，输入功率升高；反之，负载减小，功率因数下降，则控制导通角右移，即降压调节，输入功率降低。
5.因为可控硅在过零点可自然关断，因此采用过零检测电路可有效避免导通角处于零点附近造成的电压调节异常。
6.本方案采用闭环反馈***实现电压实时有效调节。简单来说，功率因数的比较结果可影响双向可控硅的导通角，而导通角的变化能够调节供电电压，同时供电电压反馈到信号采集端，可及时得到电动机的功率因数变化情况，然后再次调节可控硅导通角，如此循环即实现“所供即所需”的节电目的。
该发明的有益效果：
1.节能方案采取硬件电路来实现，其优势在于：进入工作状态快、稳定性好、抗干扰能力强；
2.通过合理地设计电路，恰当地选取电子器件，将采集的电压、电流信号经硬件电路计算与转换得到所需的实际功率因数有效值；
3.实时获取电机运行中功率因数，使供电电压跟随负载合理变化，从而使交流电动机始终工作在最佳电压、电流和功率因数状态下；
4.采用电子开关控制电动机起、停，避免了有触点开关的开、关不稳定性；
5.过零检测电路使调压节能更加准确、合理、有效；
6.采取闭环反馈控制方式，实现无触点电压动态调节的节电功能。
附图说明
图1为全自动交流电动机节电装置的原理框图。
其中，(1)-设定值；(2)-实际值；(3)-电压调节；(4)-双向可控硅主回路；(5)-电压输出；(6)-信号采集；(7)-过零检测。
图2为电机运行中相位信号采集和功率因数有效值转换的电路原理图。
其中OUT_L为采集的电流信号；OUT_L1为接地信号；T1为电流互感器；UA(L)为采集的线电压信号(电机运行中的电压信号)。
图3为电压调节(方案一)电路原理图。
其中Q1、Q2为NPN型三极管；Q3为双向可控硅；F1为保险。
图4为过零检测电路原理图。
图5为相位信号采集与检测电路原理图。
其中L为火线；N为零线；I1为电动机两端的电流信号；PE为接地信号。
图6为功率因数设定电路原理图。
图7为信号发生器电路原理图。
图8为存储电路和功率因数设定值与实际值的比较电路图。
图9为电压调节电路原理图。
上述附图中：RXX代表电阻；CXX代表电容；DXX代表二极管；ICXX代表集成电路。并且各图中标号一致的部分均代表相同的信号。
具体实施方式
图1所示为全自动交流电动机节电装置原理框图，首先采集电动机运行中的电流、电压信号(6)，经过相关电路变换，得到电机实际功率因数有效值(2)，然后与设定值(1)比较，比较结果控制双向可控硅导通角，即可进行供电电压调节(3)，可控硅主电路(4)与电动机串联，输出电压(5)为电动机供电输入电压，供电电压的变化同样会引起信号采集(6)和实际功率因数(2)的变化，同时电机端电压变化会影响过零检测(7)，过零检测信号还会反馈到可控硅导通角控制端，即控制电压调节模块(3)，如此一个完整的闭环控制方案可实现电机的高效节能。下面将结合电路附图具体说明方案的两种实现过程：
方案一：模拟电路节电方案
1.相位信号的采集，功率因数有效值的转换与比较
T1、R1、C1，R2、R3、R4、R5分别用于采集电机运行中的电流、电压信号，经过IC1、IC9过零比较、IC2、IC10、IC4反相器、IC3异或门电路得到电压与电流信号的相位差波形，然后再经过R6、C2、R7、C3、R8、C4三级低通滤波得到功率因数有效值信号，由IC6、IC7运算电路、IC5、IC8电压跟随器得到功率因数实际值与设定值的比较结果Vf，如图2所示。
2.双向可控硅导通角控制
如图3所示，IC11过零比较电路将采集的交流电压信号转换为方波信号，然后经过由R24、C6、IC13构成的相移电路、IC14异或电路，得到窄脉冲信号，控制三极管Q1的开关，进而控制电容C7的充放电过程，C7的充放电快慢由Vf决定。可变电阻R26给出基准值，经IC16比较电路，C8、R28构成的微分电路，和Vg信号相与(IC17)，得到的脉冲信号经过三极管Q2和光耦IC18控制可控硅导通角。当Vf降低，即电动机实际功率因数减小，亦负载减小时，使可控硅导通角右移，降低电动机输入电压，可提高电动机运行效率和功率因数；反之亦然，如此实现了节能降耗。
3.过零检测
如图4所示，采集电机两端供电电压，经过R32、R33、D2、D3、D4、D5整流电路，光耦IC19、IC20，D6、D7、R34、R36构成的或门电路，得到零点检测信号Vg，该信号反馈到图3所示的可控硅导通角控制电路，有效避免可控硅触发信号处于零点附近造成的调压异常现象。
方案二：数字电路节电方案
方案二与方案一的原理一致，且过零检测部分和可控硅触发部分电路一致，此处不再赘述。下面结合电路附图说明其实现方式。
1.相位信号采集与检测
如图5所示，R1、R2、R3、C1、IC1、IC2用于采集电动机的输入电压，R5、C2、IC5、IC6用于采集电动机的输入电流信号，而后经过D2、D3、D4、D5、IC47、IC48、IC3、IC4完成采集信号的波形变换与实际相位检测。
2.电动机功率因数的设定
与门电路IC18与D触发器IC19完成功率因数的理想值设定，如图6所示。
3.信号发生器
计数分频芯片IC7、IC9和锁相环IC8构成信号发生器，可得到稳定的方波信号f，如图7所示。
4.电动机功率因数设定值与实际值的比较
采用多个异或门IC27～IC39、或门IC39～IC40及非门IC46实现功率因数设定值与实际值的比较，即信号Q0～Q9与A0～A9的对应比较，IC42、IC43、IC44三个寄存器构成存储电路，如图8所示。
5.电压调节电路(可控硅导通角调节)
如图9，计数器IC49、IC50及相关门电路IC51～IC55得到QA信号与Vg信号(如图4，过零检测电路的输出信号)做与运算后得到可控硅的触发信号，由可控硅导通角的变化来控制调节电动机的供电电压，该方案同样可实现由电动机的负载变化调节供电电压最终达到节能降耗的目的。
Claims (7)
1.一种全自动交流电动机节电装置，主要包括相位信号的采集电路、相位差检测电路、功率因数的设定、功率因数设定值与实际值的比较电路、电压调节电路，过零检测电路及相应的反馈环节，其特征在于利用功率因数实际值与设定值的比较结果控制双向可控硅的导通角，进而完成调压，并使用闭环反馈控制***实现供电电压随电动机负载动态变化的有效节电方案，提高了电动机的运行效率与功率因数。
2.根据权利要求1所述的相位信号采集电路，其特征在于合理选用精密电流互感器，运放芯片及系列信号处理电路实现信号的完整、清晰、准确地获取。
3.根据权利要求1所述的相位差检测电路，其特征是利用边沿触发D触发器和系列门电路完成了相位差的计算。
4.根据权利要求1所述的功率因数设定与比较电路，其特征在于利用比较结果，一个触发信号，来控制电子开关-双向可控硅的导通角度，基于可控硅主电路与电动机串联，使得不同的功率因数比较结果可实时调节电动机的输入电压。
5.根据权利要求1所述的电压调节电路，其特征在于可根据负载变化情况有效调节电压输入值，即当负载增加时，因为实际功率因数会增加，可将可控硅导通角度左移来进行升压调节；相反，功率因数实际值降低，说明负载在减小，这样只需调节可控硅导通角右移即可实现降压调节，如此便实现了通过负载变化，来有效的、实时的进行调压处理，以使电动机始终处于高效的运行状态。
6.根据权利要求5所述的可控硅导通角的移动来实现调节电压，这里需要加入过零检测电路，其特征在于可通过过零检测避免可控硅的触发信号发生在过零点附近，而导致调压出现异常。
7.根据权利要求1所述的反馈环节，其特征在于采用闭环反馈***，将调节后的电压反馈到相位信号的采集端，如此即实现了既可以将电动机的负载变化及时地提供给电压调整环节，又可以及时地把优化的输入电压提供给电动机，使其实现高效运行。
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