交流感應電動機節電裝置的製作方法

2023-05-18 15:27:21 1

專利名稱：交流感應電動機節電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種交流感應電動機的節電裝置，尤其是一種相應於交流感應電動機負載變化自動地改變可控半導體器件觸發角的交流感應電動機功率因數控制裝置。
在工業中，往往採用交流感應電動機驅動負載運行，而這些負載的大小又是經常變化的。例如在衝床、剪床、鑽床、空壓機、提升機等的實際運行中，驅動它們的交流感應電動機的負載值在空載與額定值之間不斷地變化。眾知，交流感應電動機在滿負載情況下具有最佳的功率因數，而在小於滿負載的條件下，功率因數降低並使損耗增大，這主要因為電動機從滿載到部分負載或空載時電動機電流值變化不大，而其相角改變大，所以電動機的功率因數下降，效率也下降了，故造成電能的浪費，如果對於所有這些負載的場合利用節能裝置來避免這些能量浪費，其節能效果是極為可觀的，因為在工業中利用交流感應電動機驅動負載的用電量佔整個工業用電量的很大比例。
在現有技術中，有一種節能裝置是根據負載的變化手工地調節觸發角達到根據負載大小調節電壓，從而達到節電。這種裝置具有很大缺點，它只能適應負載不經常變化或變化很慢的場合。此外有一種較新的節能裝置，例如美國專利US4052648中所公開的，其中觸發角或供給負載的電壓可隨負載的大小自動地改變。但是該類裝置控制電路複雜，其中由各相獨立產生控制信號並分別控制各相，因而控制信號波動大，各相電流對稱度差，調節準確度與穩定性差，尤其是在其中沒有採用最佳節電率的調節，因而節電達不到最佳數值，此外沒有可靠的保護電路，例如重要的缺相保護電路，因而實際應用的可靠性差。
為了克服上述現有技術中的缺點，因此本發明的目的在於開發一種交流感應電動機的節電裝置，它的控制電路簡單，易於實施，控制準確度高，工作穩定，各相電流對稱性好，尤其能使節電率調節到最佳數值，此外還具有可靠的保護，提高了實際應用中的可靠性。
本發明的目的是這樣實現的，交流感應電動機節電裝置由三相交流電源經三組可控半導體組件對三相感應電動機的每相供電，這些可控半導體組件接收隨負載大小變化的觸發信號，其特徵在於其中對各組可控半導體組件分別設置了當各相電壓過零以後的續流時間檢測器，它們分別將代表各相續流時間的方波信號輸入到一個共同的比例運算器中，該運算器根據三相電流續流時間的總和來產生控制信號，該控制信號然後輸入到三相觸發脈衝發生器及經由三相脈衝功率放大器，以輸出上述隨負載大小變化的觸發信號;其中還設置了節電率控制器，它的輸出信號傳送到所述比例運算器的反向輸入端，使該運算器輸出的所述控制信號得到最佳調整，從而使所述電動機在最佳節電效率下進行;以及還設置了缺相保護裝置，它在電動機缺相時輸出一信號以斷開三相電源接觸器，保證可靠運行。
以下將藉助於附圖，對本發明的優選實施例作詳細說明，並通過以下的說明使本發明的特徵和優點更易於使人理介。其附圖為

圖1本發明的原理框圖;
圖2a及2b本發明主電路部分的兩種實施形式;
圖3可控半導體器件電流續流時間檢測器原理圖;
圖4比例運算器原理圖;
圖5觸發脈衝信號發生器原理圖;
圖6觸發脈衝信號功率放大圖;
圖7a及7b節電率控制器及節電率曲線;
圖8缺相保護電路。
為了清楚起見，在各附圖中用相同的標號表示相同的部件。
圖1是本發明的原理框圖，其中A、B、C為三相電源輸入，經由電源接觸器18，三相可控半導體組件1、2、3後輸出到三相交流感應電動機16，標號4，5及6分別為三相可控半導體組件中晶閘管的電流續流時間檢測器，它們的輸出信號共同地輸入到一個比例運算器7中，該運算器7的輸出信號傳送到各相的觸發脈衝信號發生器8，9，10，它們的輸出信號然後經三相觸發脈衝信號功率放大器11，12，13放大後，分別輸出三相觸發脈衝信號到三相可控半導體組件1，2，3的控制端上，用以與續流時間成比例地，也即與負載大小成比例地控制電機各相的供電電壓，其中還設置了節電率控制器15，它的輸出信號傳送到比例運算器7用以最佳地控制節電率及提高電動機運行的穩定度，標號14為電動機的軟起動電路，用以使電動機平穩地起動，標號17為缺相檢測電路，它與三相電源接觸器18一起構成缺相保護裝置。
圖2a)與2b)分別為本發明的主電路的兩種不同實施形式。其中圖2a)中的可控半導體組件1，2及3是用晶閘管與二極體反並聯組成的，它相當於單向控制方式的節電裝置。圖2b中的可控半導體組件1′，2′及3′為雙向晶閘管，它相當於雙向控制方式的節電裝置。它們的節電控制原理是相同的，即作到相應負載的大小控制電動機各相的供電電壓達到節電的目標。為了清楚起見以下只對圖2a)的實施形式說明控制電路各部分的工作原理。
圖3是可控半導體器件電流續流時間檢測器電路，由於該電路對每相來說均是一樣的，故以A相為例，其中用兩個電路分壓支路R1，R2及R3，R4分別接於晶閘管TH1的陽極(A)、陰極(K)與地之間，運算放大器OA1連接成比較器，它的正，反向輸入端分別接於分壓支路的分壓點上，輸出端a的信號因而與晶閘管TH1中流過電流的時間有關，運算放大器OA2作為比較器檢測A相電壓半周期的寬度，a，b輸出端的信號經過二極體D相「與」後，在輸出端Ca輸出一個其寬度代表A相正半周電壓過零後晶閘管TH1中繼續流過電流的續流時間值的方波信號。其它兩相的情況相同。
然後，參見圖4，A，B，C三相的續流時間信號通過一個由二極體D3至D5組成的或門電路加到運算放大器OA3的反向輸入端，該運算放大器OA3連接成比例運算器，其反饋電路由R1，C1及R8，C2，D2並聯，輸入電阻為R6，在其輸出端D上輸出一個負的控制信號電平SD，該信號的電平與輸入的三相續流時間信號的和成正比變化。由於使用了三相續流時間信號的和作為輸入，使得該控制信號SD的波動比使用單相續流時間信號時大大地減小了，因而增加了控制的準確度及穩定度，並使三相電流的對稱性改善，也改善了節電效果。
控制信號SD代表續流時間，也代表了電機負載的大小，如電機負載大時續流時間就短，因而觸發角就需提前。為了產生使觸發角這樣變化的觸發信號，設置了各相的晶閘觸發脈衝信號發生器，其中用於A相的電路如圖5所示，其它兩相的電路也相同。運算放大器OA4作為比較器，在它的正向輸入端輸入控制信號SD，在其反向輸入端經由電阻R16輸入一個負的鋸齒波信號，該信號是由三極體TR1及電容C3、電阻R9組成的鋸齒波信號發生器產生的，在三極體TR15的基極上輸入由圖3中b點輸出的代表A相半波電壓寬度(10ms)的方波信號，這樣就在比較器OA4的輸出端上輸出了一個觸發脈衝選通信號。它對由振蕩器OA5輸出的3KC脈衝信號進行選通形成觸發脈衝信號。該脈衝信號的前沿處於控制信號SD與鋸齒信號的交點上，鋸齒波信號是不變的，控制信號則隨負載變化，例如負載越小則續流時間越長，控制信號也越大，上述交點即觸發脈衝信號的前沿就處於正向交流電壓的越後側，因而輸出到電機A相的電壓就越小。也就是說使晶閘管的導通角隨電動機負載成比例地變化。其它兩相觸發脈衝信號電路是相同的，只是各相鋸齒波信號的相位不同而已。這樣產生的A，B，C三相觸發脈衝信號分別經由各相的觸發脈衝信號功率放大器11，12及13，後者的輸出端分別接到各相晶閘管的控制極上。這些觸發脈衝信號功率放大器的電路如圖6所示，它們是屬於一般的公知電路，不再贅述。
為了對各種電動機及負載情況均能使節電率調節到最佳狀態，本發明的節電裝置中還設置了節電率控制器，它的電路如圖7a所示，其中由電位器W2可手動地調節一個固定的負電壓輸入到圖4中的比例運算器OA3的反向輸入端上，例如可作為不同電動機在空載時的節電率精確調節，使電機在此時吸收最少電能。由反相器OA6至OA8，二極體D8至D10及電阻R20至R22支路並聯後與電位器W1、電阻19串聯形成另一調節支路，其輸出也接到運算器OA3的反向輸入端上。它的作用是在電動機運行中在不同負載情況下對控制電壓進行補償，以獲取最佳的各種負載下的節電率。其中由反相器OA6至OA8的反向輸入端輸入由圖5中比較器OA4輸出的觸發脈衝信號FA至FC。由於該觸發脈衝的寬度是隨負載情況變化的，因而該調節支路輸出的補償電壓值也是隨負載變化的，故能在不同的負載情況下得到最佳的節電率，其中還可配合電位器W1作手工調節到最佳點。由圖7b可見，曲線1是未使用節電率控制器的節電率曲線，曲線2是使用了節電率控制器的節電率曲線。由此可清楚地看到節電率控制器很好地改善了節電效果，根據實測結果有功功率節電率能達到30%左右。此外該電路起到一些負反饋作用，使外界幹擾如電壓波動時電動機運行的穩定性增加。
為了提高運行可靠性，該節能裝置中還設置了缺相保護裝置17，18，如圖8所示，其中左邊部分是缺相檢測器電路17，它由三個變壓器B1至B3變壓再經二極體D11至D13整流，電容C6至C8濾波供給與非門NA。在缺相時與非門NA輸出為低電位，當A，B，C其中一相電壓失掉時，在與非門的輸出端輸出一高電位，它使右邊電源接觸器路18中的晶閘管TH導通，使該接觸器的跳閘線圈L得電，從而操作三相接觸器開關KA至KC打開，從而可靠地達到保護。
此外，為了起動平穩並使起動時間可調，該節電裝置中還設置了軟起動電路14。它由積分和起動時間可調的控制支路組成，由於它是一般的公知技術，故未在圖中詳細給出。通過改變所述控制支路的電位器，可使軟起動時間在1至20秒範圍中調整。
以上是本發明的優選實施例，實際上在這個節電裝置原理的基礎上，還可能有各種變型。並且，雖然以上是描述了三相感應動機的情況，事實上其中一相的節電控制電路還可用於單相電動機。
本發明的優點在於控制準確度高，運行穩定可靠，尤其是具有良好的節電效果。此外電路較簡單，使用的元器件成本低，易於實施。
權利要求
1.交流感應電動機節電裝置，它由三相交流電源經由三相可控半導體組件對三相感應電動機的每相供電，這些可控半導體組件接收隨負載大小變化的觸發信號，其特徵在於其中對各組可控半導體組件(1，2，3)分別設置了當各相電壓過零後的續流時間檢測器(4，5，6)，它們分別將代表各相續流時間的方波信號輸入到一個共同的比例運算器(7)中，該運算器(7)根據三相電流續流時間的總和來產生控制信號，該控制信號然後經三相觸發脈衝信號發生器(8，9，10)及三相觸發脈衝信號的功率放大器(11，12，13)以輸出上述隨負載大小變化的觸發信號；其中還設置了節電率控制器(15)，它的輸出信號傳送到所述比例運算器(7)的反向輸入端，使該運算器(7)輸出的所述控制信號得到最佳調整，從而使上述電動機在最佳節電率下穩定運行；以及還設置了缺相保護裝置(17，18)，它在電動機缺相時輸出一信號以斷開三相電源接觸器(18)。
2.根據權利要求1的交流感應電動機節電裝置，其特徵在於其中所述三組可控半導體組件可以是三組晶閘管與二極體的反並聯組件(1，2，3)或是雙向晶閘管器件(1′，2′，3′)。
3.根據權利要求1或2的交流感應電動機節電裝置，其特徵在於其中所述A相續流時間檢測器(4)的電路為用兩個電路分壓支路(R1，R2)及(R3，R4)分別接於所述可控半導體組件中的晶閘管(TH1)的陽極(A)、陰極(K)與地之間，運算放大器(OA1)接成比較器，它的正反向輸入端分別接於分壓支路的分壓點上，輸出端(a)與晶閘管(TH1)中流過電流時間有關，另一運算放大器(OA2)作為比較器檢測A相電壓半周期的寬度，二個輸出端(a及b)的信號經過二極體(D)相「與」後，在輸出端(Ca)輸出一個寬度代表A相正半周電壓過零後晶閘管(TH1)中繼續流過電流的續流時間值的方波信號;其它兩相的電路相同。
4.根據權利要求1或2的交流感應電動機節電裝置，其特徵在於其中所述的三相觸發脈衝信號發生器(8，9，10)中的每一個包括運算放大器(OA4)，它作為比較器，在其正向輸入端輸入控制信號(SD)，在其反向輸入端經由電阻(R16)輸入一個負的鋸齒波信號，該信號是由三極體(TR1)及電容(C3)、電阻(R9)組成的鋸齒波發生器產生的，在該三極體(TR1)的基級上輸入代表各相半波電壓寬度(10ms)的方波信號，這樣便在比較器(OA4)的輸出端上輸出一個觸發脈衝選通信號，它對由振蕩器(OA5)輸出的3KC脈衝信號進行選通形成觸發脈衝信號，它使晶閘管(1，2，3)的導通角隨電動機負載成比例變化。
5.根據權利要求書1或2的交流感應電動機節能裝置，其特徵在於其中所述節電率控制器中由電拉器(W2)調節一固定負電壓輸入到運算器(OA3)的反向輸入端上，並由反相器(OA6至OA8)、二極體(D8至D10)及電阻(R20至22)各支路並聯後與電位器(W1)、電阻R19串聯形成另一調節支路，其輸出也連接到運算器(OA3)的反向輸入端上，而所述反相器(OA6至OA8)的輸入端接收觸發脈衝信號。
6.根據權利要求書1或2的交流感應電動機節能裝置，其特徵在於其中所述缺相保護裝置(17，18)，由缺相檢測器電路(17)及電源接觸器電路(18)組成，前者由三個變壓器(B1至B3)變壓再經二極體(D11至D13)整流，電容器(C6至C8)濾波供給與非門(NA)，當缺相時該與非門(NA)輸出一高電位使電源接觸器電路中的晶閘管(TH)導通，以使電源接觸器的跳閘線圈(L)得電，從而使其斷開。
7.根據權利要求1或2的交流感應電動機節能裝置，共特徵在於其中還設置了軟起動電路，它可以使軟起動的時間在1至20秒的範圍中調整。
全文摘要
交流感應電動機節電裝置，它由三相交流電源經由三組可控半導體組件對三相感應電動機的每相供電，這些可控半導體組件接收隨負載大小變化的觸發脈衝。其特徵在於其中產生觸發脈衝信號的控制信號是由三相電流續流時間總和來產生的；其中還設置了節電率控制器及缺相保護電路，因而控制準確度高，運行穩定可靠。
文檔編號H02H7/09GK1073058SQ91111419
公開日1993年6月9日 申請日期1991年12月3日 優先權日1991年12月3日
發明者石耀明 申請人:王文閣