三相異步電動機相控智能節電控制器的製作方法

2023-12-06 03:35:56 2

專利名稱：三相異步電動機相控智能節電控制器的製作方法
技術領域：
本實有新型涉及電動機附件領域，尤其是智能節電控制器。
背景技術：
三相交流異步電動機以其低成本，高可靠性和易維護等優點在各行業中廣 泛應用。但是，它在直接起動及運行時，存在著很大的缺點首先，它的起動 電流高達額定電流的5 — 7倍，這需要電網有很大的裕量，而且降低了電器控制 設備的使用壽命，增加維護成本，甚至影響了其它電氣設備的正常運行；其次， 運行轉矩可達正常轉矩的3倍，這會對負載產生衝擊，增加傳動部件的磨擦和 額外維護。
傳統的起動運行方式如下
① .在電動機定子迴路中串入電抗器，使一部分電壓降在電抗器上；
② .星形一三角形轉換降壓起動(Y _△)。電機起動時接成星形，起動結束 後，通過一個轉換器變成三角形接法；
③ .起動補償器起動(自耦變壓器起動)。
傳統的起動運行設備體積龐大，與負載匹配的電機轉距很難控制，也就是 說很難得到合適的起動電流和運行轉距；而且在切換瞬間會產生很高的電流尖 峰，由此產生的機械振動會損害電機轉子、軸連接器、中間齒輪以及負載。
發明內容
本實用新型的目的為提供一種能克服傳統起動運行缺點，運行時節能節電， 並具有過流保護、過壓保護、缺相保護功能的三相異步電動機相控智能節電控 制器。
實現上述目的的技術方案如下
三相異步電動機相控智能節電控制器，該控制器的輸入端和輸出端接入三 相異步電動機的主迴路，輸入端經短路開關，與鑑相路電路、恆流軟啟動電路、 缺相及過載保護電路相繼連接，最後與輸出端連接，同步信號取樣電路與方波 整形電路、電壓檢測電路、及所述鑑相器電路相繼連接，所述同步信號取樣電 路還與負載跟蹤電路、電流檢測電路及所述缺相反過載保護電路連接，所述同 步信號取樣電路還與單片機控電路、功率放大電路相繼連接，功率放大電路還
3分別與所述鑑相器電路、恆流軟啟動電路、缺相及過載保護電路和雙穩態觸發 器電路連接，另外還有限載旁路電路一端與所述鑑相器電路連接，另一端與所 述恆流軟啟動電路連接。
各個電信號採樣電路與主迴路連接，其中電流採樣電路通過三個互感器連 接，電壓採樣電路通過三個同步變壓器連接，並經光偶合隔離器接入控制電路， 方波整形電路與相位比較電路連接，負載跟蹤電路分別與相位比較電路和單片 機控制電路連接，高頻信號發生器與功率放大電路，大功率信集成模塊，主回 路相繼連接，電動機保護電路分別與電流採樣電路和信號發生器連接，限載旁 路電路與負載跟蹤電路連接、運行及故障顯示電路分別與電動機保護電路功率 放大電路和電源連接。
上述方案中具有單片機控制電路，該控制電路的核心甘情願單片機，控制 模塊，這種模塊採用數碼管顯示、按鍵控制，整個起動過程全部由單片機按照 預先設定自動完成，所以操作起來極其方便。
方案的技術特性
① .電壓斜坡起動特性
首先加一個電壓Us到電機上，之後電壓線性上升，從Us增加到最大電壓 Umax。此時，加到電動機端子上的電壓等於電網輸入電壓。Us可選擇的電壓為 80—300V。 Ts由用戶設定，可以在1一90秒中選擇。例如電機功率大小、負載 大小等，選擇合適的參數，達到最佳起動效果。這種起動方式的特點是起動平 穩，可減少起動電流對電網的衝擊，同時大大減輕起動力矩對負載帶來的機械 振動。全電壓硬啟動經常損壞電動機和設備，相控節電技術裝置能檢測電動機 的負荷與提供給電動機的功率，在不減少啟動力矩的前提下，僅提供給電動機 啟動過程中所需要的功率，且啟動時間可在0秒-30秒範圍內根據需要設定，啟 動過程是平滑無級的，可有效地降低電動機的啟動電流，其啟動電流僅為標準 電機硬啟動電流的50%，高效的限流特性可有效限制浪湧電流，避免不必要的衝 擊力矩以及對配電網絡的電流衝擊，可有效控制電動機的溫升，大大延長電動 機的壽命。
② .電壓突跳功能
負載具有很大的靜摩擦力；在電壓斜坡起動方式中，電壓是由小到大逐漸
4上升的。如果直接使用電壓斜坡方式起動，在起動開始的一段時間內，因所加 電壓太小，克服不了負載的靜摩擦力，造成因發熱而損壞電機的情況。電壓突
跳功能則解決了這個問題。在電機起動前，先輸出一電壓ut，且持續一段時間
Tt，用以克服靜摩擦力，待電機轉動之後，再按照原有方式起動，從而比較好 地保護了電機。
③ .節能特性
交流感應電動機通常消耗的電能大於其實際需要的電能，特別是當其運行 在欠載狀態，該多餘的電能以震動、發熱、噪音和鐵磁損耗等的形式耗散掉。 相控技術的柔性化能量管理模式，在配電系統和交流電機之間建立有效的電機 能量監控控制方式，實時將電機的運行電流、電壓和功率調整在最佳狀態，實 現節能運行的目的。
④ .優化運行特性
依據負荷來提供功率的特性，可有效提高電動機的效率、生產力和使用壽 命，同時節省能源和費用。能對單相和三相交流電動機進行極優控制，以滿足 優化安全運行模式。 保護特性
共有三種保護功能過流保護，過熱保護，缺相保護。在起動或者運行過 程中如果出現上述三種故障之一，模塊會自動斷電，控制盒上的數碼管會閃爍 顯示故障原因，待排除故障以後，按復位鍵即可恢復正常。可適用於要求比較 嚴格的應用場合，具有過流和缺相自動保護切入旁路運行的功能。
⑥ .消減三相電壓的不平衡度的節電
從三相不平衡電壓按對稱分量法分解出負序分量電壓U2，是一個反時針方
向的序量，它可使電動機產生附加的反方向旋轉的制動力矩，如果要克服它並 且按正方向保持原速度，就要額外增加相對於一倍負序分量的正序能量才能保
持原速度，如果112=1.5%111，則要增加2X1.5X的功率，對於零序分量就是由 於電壓的不平衡產生電壓中心點偏移導致的零序電壓或電流分量，所以本實用 新型能將不平衡電壓的程度消減因而可帶來顯著的節電效應。
⑦ .降低運行電流節電
電動機在起動時阻抗ZL極小，電機起動電流一般為(3.5 5.5) IA,感
5性燈具起動電流一般為(1.5 2.0) IA，加入節電器後，等於接入了一定數 量的等值抗阻ZF，可將大大降低起動電流，同時可降低輕負載電機及感性燈具 的運行電流，如果有很多臺的電機或群控電機的負荷，就有很大的節電收益。 ⑧.抑制瞬變浪湧節電
瞬變和浪湧是正弦交流波電路上電流與電壓的一種瞬時態的畸變。概括性 地說，瞬流會使用戶的用電成本增加，同時，瞬流會破壞設備的安全運行。本技 術可消減高次諧波分量，起到一定程度的節電效果。這是由於本技術採用了最 理想的磁性材料和特殊的控制技術來平穩了電流或電壓的瞬間變動。du/dt得以 抑制使工作線路上的電壓得到穩定，這對用電設備起到了一定程度的保護作用， 使用電設備免受了系統中的浪湧電壓的損害。
具有的技術功能如下
① .降低電動機起動電流(一般交流電動機直接起動時，衝擊電流是額定電 流的5 — 7倍)；
② .避免電動機起動時供電線路產生瞬間電壓跌落，造成設備、儀表誤動作；
③ .防止起動時產生力矩衝擊，而使機械斷軸或產生廢品；
④ .可以較頻繁地起動電動機(軟起動裝置一般允許10次/小時，而使電動 機不致過熱)；
⑤ .對泵類負載可以防止水錘效應，防止管道破裂；
對某些工藝應用(如染紗機械)，可防止由於起動過快而產生染色不勻造 成質量問題；
⑦ .對某些易碎的容器灌漿生產線，可防止容器破損；
⑧ .需要控制起動電流，減少對機械的衝擊，同時也可適應較低容量供電變 壓器的場合(如注塑機)；
⑨ .可以降低電網適配容量，節省增容費開支；
⑩ ，數字式智能控制模塊結構、節能運行、保護於一體。突出特點是體積小、 功能強、安裝方便、操作簡單、免維護、可靠性高，是傳統起動設備的理想換 代產品。
本實用新型具有以下有益效果
l.在配電網和用電負載之間提供了 "柔性化"的用電智能管理功能；2. 具備完善的軟啟動和軟停車功能，可保證電機連續平滑地啟動，消除了 常規啟動方式伴隨電機啟動所產生的機械衝擊和大啟動電流，有效降低軸承和 皮帶的磨損，普遍減少鏈條及齒輪的機械應力，從而延長電機的使用壽命；
3. 採用智能化的微處理器控制，實時調節，在輕負載情況下電機電壓自動 降至最低需求而轉速保持恆定，因此降低了不必的損耗。如果負荷增加，電壓 將自動上升以防止電機失速
4. 選用導磁係數很高的鐵氧體鐵芯作為電感器的鐵芯主體，提高了整機工 作效率，自身功耗下降；
5. 採用獨特的機箱內散熱設計，在箱內溫度達到55'C時，三臺高速風機進 行箱內換氣，確保工作正常。


圖1是本實用新型三相異步電動機相控智能節電控制器的組成框圖2為主電路構成原理圖3為單片機模塊構成原理圖具體實施方式
現結合附圖對本實用新型的技術方案作進一步說明。
主電路與相控電路及單片機共同封裝於同一殼體內，同時內置多個電流、 電壓傳感器。用接插件將模塊與控制盒連接在一起，實現各種功能的設置和顯 示。
主電路為6隻玻璃鈍化方形直流模塊晶片，通過一體化焊接技術，將其貼 在DBC (陶瓷覆銅板)上，並與導熱銅板焊接在一起。模塊使用時，導熱銅板與 散熱片通過導熱矽脂緊密接觸。這種結構使模塊具有很高的絕緣性能和散熱性 能。
相控節電技術移相電路部分是為S0P28封裝，5V單一電源供電，全數位化 處理方式，具有很高的移相精度、對稱度。對控制端加0-10V電平信號，即可 控制移相角度。
同步變壓器輸出同步信號給移相電路，其中一路另外分給單片機，作為單 片機採集電壓、電流信號的基準。這樣，就克服了如果交流電頻率變化帶來的
7計算誤差，提高了計算精度。
電壓傳感器和電流傳感器。兩種傳感器中均使用了霍爾元件，具有體積小、 反應快、線形度高的特點，通過與模塊結構的一體化設計方便地置於模塊內部。
兩種傳感器將電壓模擬量、電流模擬量傳給12位高速A/D轉換器，通過A/D轉 換，將相應的數字量傳給單片機，以備單片機進行處理。顯示、控制部分採用 串行口與單片機進行通訊，這種通訊方式大大減少了該部分與模塊內部的連線。 5個數碼管顯示、8個按鍵控制，使顯示與控制直觀、方便。
本實用新型是採用最新的集成電路晶片控制技術配合電動機相序調整技 術，不斷地檢測電動機的功率因數及運行功況，實時改變電動機的輸入電壓和 電流。當檢測到電動機從空載一輕載一滿載多種負荷變化的情況下，保持電動 機恆定轉速不變，能自動監測電動機電壓和電流之間的相位角a，根據負載的變 化狀況，在幾毫秒時間內自動調整相位角a。通過專用的大功率開關元件，對電 壓電流波形進行"切口"控制，自動調整了供給電動機的電壓，減少電動機磁 滯損耗，降低電動機的銅損和鐵損，保證電動機的輸出功率與實時負載達到最 佳匹配。提高了電能的使用效率，達到了節電降損的目的。
相控節電技術採用閉環反饋系統進行優化控制，通過實時測量電動機的電 壓與電流波形，由於電動機為一感性負載，其電流與電壓波形通常存在一相位 差，該相位差的大小與其負載的大小有關。達到實際相位差與依據電動機特性 的理想相位差進行比較，並依此來控制整流橋觸發角以給電動機提供優化的電 流和電壓，及時調整輸入電機的功率，實現電動機"所供即所需"。
相控技術採用了大功率半導體與集成電路晶片檢測與控制觸發系統來實現 無觸點智能控制功能，其檢測和控制集成電路晶片的高速處理特性和快速反應 特點，使得相控節電技術裝置能自動處理各種工況下的電動機動態特性，具有 軟啟動、節能節電、優化運行及保護等特性。
相控技術在設計上完全不同於傳統的變頻調速節能技術，它採用了電流電 壓矢量傳感動態監控獨特控制技術，不改變電機原有的一切運行特性，從而避 免了變頻器因調低速度而導致生產效率下降的弊端，填補了變頻器所不能及的 空白。
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權利要求1、三相異步電動機相控智能節電控制器，其特徵為所述控制器的輸入端和輸出端接入三相異步電動機的主迴路，輸入端經短路開關，與鑑相路電路、恆流軟啟動電路、缺相及過載保護電路相繼連接，最後與輸出端連接，同步信號取樣電路與方波整形電路、電壓檢測電路、及所述鑑相器電路相繼連接，所述同步信號取樣電路還與負載跟蹤電路、電流檢測電路及所述缺相反過載保護電路連接，所述同步信號取樣電路還與單片機控電路、功率放大電路相繼連接，功率放大電路還分別與所述鑑相器電路、恆流軟啟動電路、缺相及過載保護電路和雙穩態觸發器電路連接，另外還有限載旁路電路一端與所述鑑相器電路連接，另一端與所述恆流軟啟動電路連接。
2、 根據權利要求1所述的三相異步電動機相控智能節電控制器，其特徵為 各個電信號採樣電路與主迴路連接，其中電流採樣電路通過三個互感器連接， 電壓採樣電路通過三個同步變壓器連接，並經光偶合隔離器接入控制電路，方 波整形電路與相位比較電路連接，負載跟蹤電路分別與相位比較電路和單片機 控制電路連接，高頻信號發生器與功率放大電路，大功率信集成模塊，主迴路 相繼連接，電動機保護電路分別與電流採樣電路和信號發生器連接，限載旁路 電路與負載跟蹤電路連接、運行及故障顯示電路分別與電動機保護電路功率放 大電路和電源連接。
專利摘要本實用新型為三相異步電動機相控智能節電控制器，涉及電動機附件領域，傳統的起動運行設備，其起動電流和運行轉矩很難與負載正配，在切換瞬間會產生很高的電流尖峰，由此產生的機械振動會損害電機轉子、軸連接器、中間齒輪及負載，為此本實用新型採用了低壓全自動相控智能節電的電路，並在節電控制電路中連接了單片機控制電路，電壓自動檢測電路、電流檢測電路、負載跟蹤電路和電機反饋的功率因素電路，使電機在低功損耗狀態下實現最佳的運行，並具有電機起動電流低、安全性能高、對負載的損害小的有益效果。
文檔編號H02H7/085GK201294470SQ200820178669
公開日2009年8月19日 申請日期2008年11月6日 優先權日2008年11月6日
發明者偉 戴 申請人:烏魯木齊希望電子有限公司