一種周期制動異步電動機節能裝置的製作方法
2023-05-26 20:32:16 1
專利名稱：一種周期制動異步電動機節能裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種周期制動異步電動機節能裝置，屬於電機用電子節能技術領域，尤其是適用於油田用遊梁抽油機、打夯機。
現有技術目前具有周期制動，如遊梁抽油機、打夯機等的異步電動機節能裝置主要有1、電容補償優點是可以提高電動機在低負載率下的功率因數，缺點是使電動機在被負載拖動時的發電現象更嚴重，綜合節電率為10％左右。參見「高效電容補償三相異步電動機」，專利申請號91227391.72、高轉差率電動機優點是可以提高電動機在低負荷載下的效率和功率因數，缺點是無法解決電動機被負載拖動時的發電問題，綜合節電率為15％左右。參見「抽油機變速節能拖動裝置」，專利申請號99251014.73、調壓節能控制優點是可以提高電動機在低負載率下的效率和功率因數，缺點是無法解決電動機被負載拖動時的發電問題，綜合節電率為15％左右。參見「電動機自控調壓節能裝置」，專利申請號00231099.64、雙功率電動機優點是可以提高電動機在低負載率下的效率和功率因數，缺點是無法解決電動機被負載拖動時的發電問題，綜合節電率為15％左右。參見「用於抽油機的繞線式節能電機及控制裝置」，專利申請號97105630.75、超速離合器優點是用機械方法避免了電動機被負載拖動發電的問題，缺點是無法提高電動機在低負載率下的效率和功率因數，綜合節電率為10~20％。參見「一種超越離合器」，專利申請號01129231.8綜上所述，雖然還有其它電機節能裝置在使用，但上述現有技術已較為全面地反映了周期制動異步電動機現有節能裝置的兩種節能原理一種是通過各種技術手段提高電動機的平均功率因數和效率，另一種是使用各種方法避免電動機被負載拖動發電，所以均無法達到使周期制動異步電動機高效節能的目的。
發明的目的本實用新型的目的在於提供一種既能有效提高電動機的平均功率因數和效率，又能避免電動機被負載拖動發電而浪費能量的專用裝置，用以達到使周期制動異步電動機高效節能的目的。
發明的內容本實用新型所提供的電動機節能裝置，是由數據處理和控制單元、負載率檢測單元、同步信號檢測單元和供電執行單元連接而成。負載率檢測單元和同步信號檢測單元的輸入端連接在電動機的供電線路上，輸出端連接到數據處理和控制單元的輸入埠；數據處理和控制單元的輸出埠連接到供電執行單元的控制端；供電執行單元串聯在電動機的供電線路中。
其中數據處理和控制單元完成數據處理、計算和控制信號的發出等項工作；負載率檢測單元完成電動機工作電壓、電流的實時檢測和信號變送工作；同步信號檢測單元完成電動機供電電壓過零點的檢測和同步信號的發出工作；供電執行單元完成對電動機供電迴路的通斷控制工作。
發明效果1.具有全面節電功能對於象遊梁抽油機一類的設備，其拖動電動機具有周期制動的特點。由此而產生了用電浪費的兩大原因
其一、由最大負載決定的電動機容量使得電動機的平均負荷率很低(約在40％左右)，而在低負荷率下電動機的效率低、功率因數低。
其二、電動機在運行中存在空載過程和被拖動發電過程。電動機空載過程中勵磁電流不小(如50KW電動機約為40A)，而輸出功率為零，無功損耗很大；電動機被拖動發電過程則產生了電能→機械能→電能的轉換損耗、向電網回饋電能時的線損及所發出的電能與電網的非同步損耗等等。
由於本實用新型全面解決了上述用電浪費兩方面的問題，在電動機的實測負載率大於零時，供給電動機按實測負載率大小計算出的最佳電壓值，以輸入最小電功率適應電動機負載的變化，起到提高電動機效率和功率因數而節能的作用；而在電動機實測負載率小於或等於零時關斷供電迴路停止供電，既起到消除空載功耗和發電回饋浪費的作用，又可使電動機及其負載正常運轉。所以本發明具有高效節電功能。
2.具有防竊電功能一般油田專用的遊梁抽油機這樣的設備遍布田間村寨，從其供電線路上竊電的現象相當普遍，給油田帶來了巨大的經濟損失。由於本實用新型已將供給電動機的電能調製成了專用的非連續狀態，若在供電線路上竊電的話，其用電設備不但無法正常運轉，甚至可能被燒毀。由此可以達到防竊電的目的。
3.具有缺相、過流保護及軟啟動功能，以及電機電源備用直通旁路。
4.將本實用新型用於周期制動異步電動機，如驅動遊梁抽油機的電動機的供電控制，直接節電率可達25％以上，防止竊電所帶來的經濟效益則更是大到無法估量的地步。
附圖及
圖1是本實用新型的結構框圖。
圖2是優選實施例1結構框圖。
圖3是優選實施例2結構框圖。
圖4是本實用新型優選實施例中單片計算機及輔助電路5和11的電氣原理圖。
圖5是本實用新型優選實施例中可控矽組觸發電路9和15的電氣原理圖。
圖6是本實用新型優選實施例中電壓檢測電路7和13的電氣原理圖。
圖7是本實用新型優選實施例中同步電路6和12的電氣原理圖。
圖8是本實用新型優選實施例中電流檢測電路8和14的電氣原理圖。
圖9是本實用新型優選實施例中單片計算機及輔助電路5和11的元器件明細說明。
圖10是本實用新型優選實施例中可控矽組觸發電路9和15的元器件以及可控矽組10和16所用晶閘管的明細說明。
圖11是本實用新型優選實施例中電壓檢測電路7和13的元器件明細說明。
圖12是本實用新型優選實施例中同步電路6和12的元器件明細說明。
圖13是本實用新型優選實施例中電流檢測電路8和14的元器件明細說明。
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步描述優選實施例1圖1、圖2、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12和圖13構成本實用新型的優選實施例1，本實施例控制的是三相交流異步電動機。
由圖1可知，本實用新型由數據處理和控制單元1、負載率檢測單元2、同步信號檢測單元3和供電執行單元4連接而成。負載率檢測單元2和同步信號檢測單元3的輸入端連接在電動機的供電線路上，輸出端連接到數據處理和控制單元1的輸入埠；數據處理和控制單元1的輸出埠連接到供電執行單元4的控制端；供電執行單元4串聯在電動機的供電線路中。
由圖1、圖2和圖4可以看出，本實用新型所述的一種周期制動異步電動機節能裝置，其數據處理和控制單元1由單片計算機及輔助電路5構成。圖4是單片計算機及輔助電路5的電氣原理圖，由圖4可知，單片計算機及輔助電路5由串行通訊接口U1、單片計算機U2、外部存儲器U3、限流二極體U7、串行通訊晶片U8、外部晶體振蕩器U9、復位按鍵U15、電阻排U20、地址兼數據鎖存器U21、以及匹配電容U4、U5、U6、U11、U12、U13、U14、U16、U17、U18、U19和匹配電阻U10連接而成；單片計算機及輔助電路5的輸入埠VA、IA、IB、IC連接負載率檢測單元2的輸出端，輸入埠TA、TB、TC連接同步信號檢測單元3的輸出端，輸出埠CA、CB、CC連接供電執行單元4的控制輸入端。圖4中所用元器件明細說明見圖9。數據處理和控制單元1完成數據處理、計算和控制信號的發出工作。
由圖1、圖2、圖6和圖8可以看出，本周期制動異步電動機節能專用裝置，其負載率檢測單元2由電壓檢測電路7和電流檢測電路8構成。圖6是電壓檢測電路7的電氣原理圖，由圖6可知，電壓檢測電路7由集成運算放大器U35B、U39C、鉗位二極體U40、U43和匹配電阻U33、U34、U36、U37、U38、U41、U42連接而成；電壓檢測電路7的輸入端VA+連接電壓傳感器，輸出端VA連接單片計算機及輔助電路5的輸入埠VA。圖6中所用元器件明細說明見圖11；圖8是電流檢測電路8的電氣原理圖，由圖8可知，電流檢測電路8由集成運算放大器U56B、U59C、鉗位二極體U51、U61、匹配電阻U48、U49、U50、U53、U55、U57、U58、U60和匹配電容U52、U54連接而成；電流檢測電路8的輸入端IA+、IA-連接電流互感器，輸出端IA連接單片計算機及輔助電路5的輸入埠IA。圖8中所用元器件明細說明見圖13。在本優選實施例中，圖6和圖8所示的電路結構並聯使用了三組，分別檢測A、B、C三根相線上的電壓和電流。負載率檢測單元2完成電動機工作電壓、電流的實時檢測和信號變送工作。
由圖1、圖2和圖7可以看出，本周期制動異步電動機節能專用裝置，其同步信號檢測單元3由同步電路6構成。圖7是同步電路6的電氣原理圖，由圖7可知，同步電路6由鉗位二極體U45、光電隔離器U46、負載電阻U47和輸入電阻U44連接而成。同步電路6的輸入端KA2連接電壓傳感器，輸出端TA連接單片計算機及輔助電路5的輸入埠TA。圖7中所用元器件明細說明見圖12。同步信號檢測單元3完成電動機供電電壓過零點的檢測和同步信號的發送工作。
由圖1、圖2和圖5可以看出，本周期制動異步電動機節能專用裝置，其供電執行單元4由可控矽組觸發電路9和可控矽組10連接而成。圖5是可控矽組觸發電路9的電氣原理圖，由圖5可知，可控矽組觸發電路9由光電隔離器件U24、場效應開關三極體U27和脈衝變壓器U30、開關二極體U29、U31、U32和匹配電阻U22、U23、U25、U26、U28連接而成；可控矽組觸發電路9的輸入端CA連接單片計算機及輔助電路5的輸出CA，輸出埠GA1、GA2連接可控矽組10的控制端，KA1、KA2連接到可控矽組10前端的供電線路上。圖5中所用元器件以及可控矽組10所用晶閘管的明細說明見圖10。可控矽組10由三組反向並聯的晶閘管組成，分別串聯在電動機的三根供電線路上。在本優選實施例中，圖5所示的電路結構並聯使用了三組，分別控制可控矽組10中的三組反向並聯的晶閘管。供電執行單元4完成對電動機供電迴路的通斷控制工作。
本實用新型的工作過程如下a、通過負載率檢測單元2連續測量電動機供電迴路中的工作電流和電壓，並將測量數據傳輸給數據處理和控制單元1。負載率檢測單元2由電壓檢測電路7和電流檢測電路8組成；數據處理和控制單元1由單片計算機及輔助電路5組成。這樣，本步驟可更具體地描述為通過電壓檢測電路7和電流檢測電路8連續測量電動機供電迴路中的工作電壓和電流，並將測量數據傳輸給單片計算機及輔助電路5；b、通過同步信號檢測單元3連續檢測電動機電壓信號，在電壓出現過零點時向數據處理和控制單元1發出同步脈衝信號。同步信號檢測單元3由同步電路6組成；通過同步電路6連續檢測電動機電壓信號，在電壓出現過零點時向單片計算機及輔助電路5發出同步脈衝信號；c、數據處理和控制單元1用獲得的電流、電壓數據計算電動機的實際負載率，並根據計算結果自動選擇後面的控制步驟。即單片計算機及輔助電路5用獲得的電流、電壓數據計算電動機的實際負載率，並根據計算結果自動選擇後面的控制步驟
計算公式為=3IUcosPNN]]>式中β——電動機的負載率；I——電動機的實測工作電流；U——電動機的實測工作電壓；ηN——電動機的額定效率；PN——電動機的額定功率；φ——電流與電壓之間的實測相位角，按下式計算φ＝2π×f×(tU-tI)其中(tU-tI)——實測電壓與電流的同向過零時間差；f——交流電源的頻率；若電動機實際負載率大於零，則執行下述從d至g的步驟d、根據電動機的實際負載率，計算出電動機在此負載率下能夠獲得最高效率的最佳供電電壓；計算公式為U1B=UN]]>式中U1B——電動機的最佳供電電壓；β——電動機的負載率；
UN——交流電源的供電電壓；e、根據最佳供電電壓計算出供電執行單元4應該獲得的控制數據，供電行單元4由可控矽組觸發電路9和可控矽組10組成，這樣，本步驟更具體地描述為根據最佳供電電壓計算出可控矽組10應該獲得的控制數據導通角數據計算公式為 式中U1B——電動機的最佳供電電壓；f——交流電源的頻率；——可控矽的導通角；Umax——非完整正弦交流電壓每個周期內的最大電壓值；θ——非完整正弦交流電壓的角位移；f、用同步信號檢測單元3發來的同步脈衝信號作為時間基準，由數據處理和控制單元1控制供電執行單元4按計算的控制數據導通，從而使電動機獲得最佳的供電電壓。在本實施例中，同步信號檢測單元3由同步電路6組成；供電執行單元4由可控矽組觸發電路9和可控矽組10組成。這樣，本步驟可更具體地描述為用同步電路6發來的同步脈衝信號作為時間基準，經單片計算機及輔助電路5向可控矽組觸發電路9輸出相應的脈衝序列，觸發可控矽組10按計算的導通角導通，以輸入最小電功率適應電動機負載的變化，起到提高電動機效率和功率因數而節能的作用；
g、返回上述步驟a循環執行。
若電動機實際負載率等於或小於零，則執行下述從h至k的步驟h、數據處理和控制單元1停止為供電執行單元4提供控制信號使其處於截止狀態，從而關斷電動機的供電迴路，同時也切斷了電動機被負載拖動發電向電網回饋的迴路。在本實施例中，供電執行單元4由可控矽組觸發電路9和可控矽組10組成。這樣，本步驟可更具體地描述為停止為可控矽組觸發電路9提供控制信號，使可控矽組10處於截止狀態，從而關斷電動機的供電迴路，同時也切斷了電動機被負載拖動發電向電網回饋的迴路；i、繼續通過負載率檢測單元2以及數據處理和控制單元1檢測電動機的負載率。這樣，本步驟可更具體地描述為繼續通過電壓檢測電路7、電流檢測電路8以及單片計算機及輔助電路5檢測電動機的負載率；j、當負載率數值重新大於零時，按軟啟動方式恢復電動機的供電。在本實施例中，本步驟可更具體地描述為當負載率數值重新大於零時，單片計算機及輔助電路5首先以同步電路6發出的同步信號作為時間基準，向可控矽組觸發電路9輸出一組預定的控制脈衝序列，控制可控矽組10按80度的導通角恢復電動機的供電；k、返回上述步驟a循環執行。
優選實施例2圖1、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12和圖13構成本實用新型的優選實施例2。本優選實施例實現的是對單相交流異步電動機的節能控制。
由圖1可知，本實用新型由數據處理和控制單元1、負載率檢測單元2、同步信號檢測單元3和供電執行單元4連接而成。負載率檢測單元2和同步信號檢測單元3的輸入端連接在電動機的供電線路上，輸出端連接到數據處理和控制單元1的輸入埠；數據處理和控制單元1的輸出埠連接到供電執行單元4的控制端；供電執行單元4串聯在電動機的供電線路中。
由圖1和圖3可知，本周期制動異步電動機節能專用裝置，其數據處理和控制單元1由單片計算機及輔助電路11構成；負載率檢測單元2由電壓檢測電路13和電流檢測電路14構成；同步信號檢測單元3由同步電路12構成；供電執行單元4由可控矽組觸發電路15和可控矽組16構成。同步電路12、電壓檢測電路13和電流檢測電路14的輸入端與電動機供電線路連接；單片計算機及輔助電路11的輸入端分別連接同步電路12、電壓檢測電路13和電流檢測電路14的輸出端，其輸出端連接可控矽組觸發電路15的輸入端；可控矽組觸發電路15的輸出端連接可控矽組16的控制端；可控矽組16串聯在被控電動機的供電迴路中。
在本優選實施例中，由於控制對象是單相異步交流電動機，供電線路只有一根，串聯在供電線路上的可控矽組16隻有一組反向並聯的晶閘管；其電壓檢測電路13隻使用了一組圖6所示的電路；其電流檢測電路14隻使用了一組圖8所示的電路；其可控矽組觸發電路15隻使用了一組圖5所示的電路。
其具體工作過程同優選實施例1步驟a至k。
權利要求1.一種周期制動異步電動機節能裝置，通過在電動機供電線路中接入數據處理和控制單元(1)、負載率檢測單元(2)、同步信號檢測單元(3)以及供電執行單元(4)對周期制動異步電動機進行節能控制，其特徵在於負載率檢測單元(2)和同步信號檢測單元(3)的輸入端連接在電動機的供電線路上，輸出端連接到數據處理和控制單元(1)的輸入埠，數據處理和控制單元(1)的輸出埠連接到供電執行單元(4)的控制端，供電執行單元(4)串聯在電動機的供電線路中。
2.如權利要求1所述的一種周期制動異步電動機節能裝置，其特徵在於數據處理和控制單元(1)由單片計算機及輔助電路(5)構成，由串行通訊接口U1、單片計算機U2、外部存儲器U3、限流二極體U7、串行通訊晶片U8、外部晶體振蕩器U9、復位按鍵U15、電阻排U20、地址兼數據鎖存器U21、以及匹配電容U4、U5、U6、U11、U12、U13、U14、U16、U17、U18、U19和匹配電阻U10連接而成；單片計算機及輔助電路(5)的輸入埠VA、IA、IB、IC連接負載率檢測單元(2)的輸出端，輸入埠TA、TB、TC連接同步信號檢測單元(3)的輸出端，輸出埠CA、CB、CC連接供電執行單元(4)的控制輸入端。
3.如權利要求2所述的一種周期制動異步電動機節能裝置，其特徵在於負載率檢測單元(2)由電壓檢測電路(7)和電流檢測電路(8)構成，電壓檢測電路(7)由集成運算放大器U35B、U39C、鉗位二極體U40、U43和匹配電阻U33、U34、U36、U37、U38、U41、U42連接而成，電壓檢測電路(7)的輸入端VA+連接電壓傳感器，輸出端VA連接單片計算機及輔助電路(5)的輸入埠VA；電流檢測電路(8)由集成運算放大器U56B、U59C、鉗位二極體U51、U61、匹配電阻U48、U49、U50、U53、U55、U57、U58、U60和匹配電容U52、U54連接而成電流檢測電路(8)的輸入端IA+、IA-連接電流互感器，輸出端IA連接單片計算機及輔助電路(5)的輸入埠IA。
4.如權利要求2所述的一種周期制動異步電動機節能裝置，其特徵在於同步信號檢測單元(3)由同步電路(6)構成，同步電路(6)由鉗位二極體U45、光電隔離器U46、負載電阻U47和輸入電阻U44連接而成，同步電路(6)的輸入端KA2連接電壓傳感器，輸出端TA連接單片計算機及輔助電路(5)的輸入埠TA。
5.如權利要求2所述的一種周期制動異步電動機節能裝置，其特徵在於供電執行單元(4)由可控矽組觸發電路(9)和可控矽組(10)連接而成，可控矽組觸發電路(9)由光電隔離器件U24、場效應開關三極體U27和脈衝變壓器U30、開關二極體U29、U31、U32和匹配電阻U22、U23、U25、U26、U28連接而成，可控矽組觸發電路(9)的輸入端CA連接單片計算機及輔助電路(5)的輸出CA，輸出埠GA1、GA2連接可控矽組(10)的控制端，KA1、KA2連接到可控矽組(10)前端的供電線路上；可控矽組(10)由反向並聯的晶閘管組成，串聯在電動機的供電線路上。
專利摘要本實用新型公開了一種周期制動異步電動機節能裝置，通過在電動機供電線路中接入數據處理和控制單元、負載率檢測單元、同步信號檢測單元以及供電執行單元對周期制動異步電動機進行節能控制。當電動機的實測負載率大於零時，供給電動機按實測負載率大小計算出的最佳電壓值，以輸入最小電功率適應電動機負載的變化，提高電動機的效率和功率因數；而在電動機實測負載率小於或等於零時關斷供電迴路停止供電，消除空載功耗和發電回饋浪費，對周期制動異步電動機，如驅動遊梁抽油機的電動機的供電控制，直接節電率可達25％以上，且具有防止竊電功能。
文檔編號H02P1/26GK2638331SQ0328403
公開日2004年9月1日 申請日期2003年8月8日 優先權日2003年8月8日
發明者張繼震, 馬廣傑, 杜輝, 楊靖 申請人:中國石油化工股份有限公司中原油田分公司