電動機負載調節裝置的製作方法

2023-08-06 06:14:11

專利名稱：：電動機負載調節裝置的製作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一種電動機運行節能控制裝置，特別是涉及一種根據電動機負載實時調節輸出功率的電動機負載調節裝置。二、
背景技術：
異步電動機是工農業生產過程中的主要動力設備，涉及工農業生產的各行各業。據有關報導，目前我國約有10億臺電機在運營，約佔全國電網總負荷的60%。由於生產環境的多樣性、複雜性，以及在運行過程中負載變化的隨機性等因素的影響，在實際運行的電機系統中，約有6成的電機在低於設計額定負荷60%的負荷狀態下運行，導致高達30%的用電被浪費。電動機負載率低，功率因數低，效率低，造成了很大的電能損耗。能源是國家"又好又快"發展的命脈，國家在《"十一五"十大重點節能工程實施意見》中，把電機系統節能工程放在了很重要的位置。在這種形勢下研發推廣電機節能技術，對推進我國節能型社會的建設有著積極的意義。國內外相關領域的技術人員對電動機節能運行及控制技術進行了較多的研究，不少電器節能產品相繼問世，如採用新材料新工藝新技術提高電動機電磁轉化效率的新型節能電動機、變頻調速技術等。雖然，目前的國內外變頻調速技術已經非常成熟，但變頻調速技術主要目的是調速，調控精度高，兼有較好的節能效果。在不需要調速的場合，由於其技術複雜、價格高等原因，使得變頻調速控制的性能價格比顯得較低。而在生產機械中，廣泛使用的中、小型電動機大部分只需要節能而不需要甚至是不允許調速，變頻調速技術顯然不適應這種情況。目前為止，中、小電動機運行過程中的節能技術裝備仍處於開發階段，還沒有相對成熟的集節能、控制、保護於一體的技術和產品問世。三、
實用新型內容本實用新型針對現有技術不足，提出一種電動機負載調節裝置，主要由主控制迴路、觸發電路、檢測電路和單片機控制電路等組成，通過對電動機空載和輕載運行時進行合理的控制，提高效率和功率因數，進而達到節能的目的。本實用新型所採用的技術方案一種電動機負載調節裝置，含有輸出連接電動機的主控制迴路，連接電動機的三相電流、電壓檢測電路，單片機控制電路，觸發電路以及連接在主控制迴路中的晶閘管，三相電流、電壓檢測電路輸入連接單片機控制電路，單片機控制電路輸出連接觸發電路，觸發電路控制連接晶閘管，其特徵是含有零序電流檢測電路，三相電流和零序電流檢測的電流信號分別經電壓變換和放大後送給A/D轉換器，經A/D轉換器將模擬信號轉換成數位訊號傳送給單片機控制電路；電壓檢測電路輸出電壓信號經A/D轉換器轉換成數位訊號送給單片機控制電路；單片機控制電路對所述電流和電壓信號進行運算處理，通過其控制輸出埠輸出控制信號，該控制輸出埠連接一放大電路，所述放大電路輸出端與觸發電路的控制埠連接。所述的電動機負載調節裝置，含有實時顯示、鍵盤作業系統，所述實時顯示、鍵盤作業系統包括單片機U1，設置單片機U1的一組i/o輸入埠分別與鍵盤按鍵S1—S5連接，一組I/0輸出埠和液晶顯示器連接；單片機U1設置一組通訊埠和一個控制埠經光電隔離後連接一通訊晶片的對應輸入及控制功能端，所述通訊晶片數據埠通訊連接上位機，完成與上位機的數據傳輸與數據交換；單片機U1的串行通訊埠與單片機控制電路中單片機U2的對應埠連接，實現與單片機控制電路的數據交換。所述的電動機負載調節裝置，A相、B相、C相和零序電流互感器將對應相的工作電流信號經變壓器和一轉換電阻變換為電壓信號經耦合電阻送給運算放大器，運算放大器輸出放大信號接入A/D轉換器，A/D轉換器將模擬信號轉換成數位訊號傳送給單片機控制電路中單片機U2;電流信號變換為電壓信號通過輸入保護二極體連接運算放大器。所述的電動機負載調節裝置，電壓檢測電路輸出電壓信號經電阻耦合接入運算放大器U7，運算放大器U7輸出電壓信號經電阻耦合接入A/D轉換器U4，A/D轉換器U4與單片機U2的一個I/O輸入埠連接，將數位訊號送給單片機U2。電動機節能機理分析三相異步電動機運行時需要從電網吸收感性無功功率來建立磁場，所以異步電動機的功率因數總是滯後的。空載時，定子電流主要是無功勵磁電流，因此功率因數很低，通常不超過0.2。負載運行時，隨著負載的增加，功率因數逐漸上升，在額定負載附近，功率因數最高。電動機在正常運行範圍內因主磁通和轉速變化很小，故鐵損耗/Ve及機械損耗Pmee認為是不變損耗。而定子、轉子的銅損i50^和Z^u2、附加損耗戶ad隨負載而變，稱為可變損耗。當負載增大到可變損耗等於不變損耗時，效率達最高。一般在(0.71.0)PN範圍內效率最高。由於異步電動機空載時，轉差率S很小，轉子電流很小，轉子的銅損可以忽略。此時輸入功率消耗在定子的銅損戶Cu屍3R山2、鐵損耗戶Fe、機械損耗Pmec和空載附加損耗戶ad上，艮P:Po=3RiIo2十屍Fe+屍mec+屍ad從空載功率Po中減去3R4102，並用Po'表示，得Po'=P。—3Ri1。2=屍Fe+屍mec+戶ad由於屍Fe和屍ad隨電壓Ui的變化而變化，而屍mee與電壓l^無關，只取決於電動機轉速的大小，當轉速變化不大時，可認為戶mee為常數。因為i^和屍ad可認為與磁通密度的平方成正比，可近似地看成與端電壓U成正比。通過以上的分析，若電動機長期空載欠載下運行，效率及功率因數均低，電能損耗很大，降低電壓實際上是降低了電機的空載功率。本實用新型電動機負載調節器，根據電動機運行特性，在電機運行中，通過電流取樣信號判斷負荷的工作狀態，採用智能化的微處理器控制，動態調整輸出的電壓和電流。輕載時，自動降低輸出電壓，將勵磁電流減少到僅僅與保持負荷的恆定轉矩相匹配。負載增加時，電壓將自動上升以防止電機失速，提高了電機的運行效率和功率因數，降低了電能的損耗，達到節電的目的。本實用新型的有益積極效果1、本實用新型電動機負載調節裝置根據電動機運行工況對電動機的輸入電壓進行跟蹤控制，採用逼近法來降低異步電動機的工作電壓，保證異步電機的輸出功率與負荷轉矩精確匹配，使電動機始終工作在最高效率狀態，達到節電的目的。應用於生產實際，節電效果明顯，經濟效益和蛇會效益顯著，將為節能減排做出積極的貢獻。2、本實用新型電動機負載調節裝置實現了對異步電動機的節電運行控制，其推廣應用，必將產生明顯的經濟效益和長遠的社會效益。對於實現3055kw的電動機節能控制裝置，其成本指標分析如下外殼200元；智能控制板2500元；功率開關元件1500元；加工成本200元(含配件工資部分)；管理費100元；設備折舊300元；稅金800元。合計5600元。以一臺長期運行的30kW水泵電動機為例，每小時耗電量為30度，每天耗電量為720度，若負載率為70%,根據工業性試驗的實測數據，節能裝置投入運行後，電動機實際消耗功率由21.1kw降低到16.5kw，降低消耗功率4.6kw，每天運行20小時，則年節約電能33580度，每度電價按0.6元計算，每年可以節約電費20148元。3、本實用新型電動機負載調節裝置的開發意義不單單在於降低電動機的運行損耗，降低企業生產成本的經濟效益，同時也具有不可估量的社會效益節能減排，降低資源浪費，同時有利於環境保護。四、圖1:本實用新型電動機負載調節裝置原理框圖圖2:本實用新型電動機負載調節裝置中單片機控制電路原理框圖圖3:本實用新型電動機負載調節裝置電壓、電流檢測電路原理圖圖4-l:本實用新型電動機負載調節裝置A/D轉換電路原理圖圖4-2:本實用新型電動機負載調節裝置控制電路單片機U2原理圖圖5:電動機負載調節裝置實時顯示、鍵盤作業系統電路原理圖圖6:電動機的調節特性與自然運行比較視在功率曲線圖圖7:電動機的調節特性與自然運行比較無功功率曲線圖圖8:電動機的調節特性與自然運行比較負載電流曲線圖五具體實施方式實施例一參見圖1、圖2，本實用新型電動機負載調節裝置，含有輸出連接電動機的主控制迴路，連接電動機的三相電流、電壓檢測電路，單片機控制電路，觸發電路以及連接在主控制迴路中的晶閘管，三相電流、電壓檢測電路輸入連接單片機控制電路，單片機控制電路輸出連接觸發電路，觸發電路控制連接晶閘管，含有零序電流檢測電路，三相電流和零序電流檢測的電流信號分別經電壓變換和放大後送給A/D轉換器，經A/D轉換器將模擬信號轉換成數位訊號傳送給單片機控制電路；電壓檢測電路輸出電壓信號經A/D轉換器轉換成數位訊號送給單片機控制電路；單片機控制電路對所述電流和電壓信號進行運算處理，通過其控制輸出埠輸出控制信號，該控制輸出埠連接一放大電路，所述放大電路輸出端與觸發電路的控制埠連接。具體電路原理參見圖3、圖4-l、圖4-2，圖3中A相電流互感器將A相工作電流轉換成按比例的小電流信號經T5、R2變換電壓信號、與之連接的D05、D06為輸入保護二極體。電壓信號經R7、R9送給運算放大器U5的2、3埠，放大後的信號經R4、R5送給A/D轉換器Ul的15、16埠，A/D轉換器Ul將模擬信號轉換成數位訊號，數位訊號經A/D轉換器Ul的20埠與單片機U2的45埠連接，將數位訊號送給單片機U2;B相電流互感器將B相工作電流轉換成按比例的小電流信號經Tll、R20變換電壓信號、與之連接的D07、D08為輸入保護二極體。電壓信號經R19、R25送給運算放大器U9的2、3埠，，放大後的信號經R14、R16送給A/D轉換器U4的15、16埠，A/D轉換器U1將模擬信號轉換成數位訊號，數位訊號經A/D轉換器U4的20埠與單片機U2的41埠連接，將數位訊號送給單片機U2;C相電流互感器將C相工作電流轉換成按比例的小電流信號經T13、R24變換電壓信號、與之連接的DIO、D12為輸入保護二極體。電壓信號經R41、R52送給運算放大器U11的2、3埠，，放大後的信號經R19、R20送給A/D轉換器U5的15、16埠，A/D轉換器U5將模擬信號轉換成數位訊號，數位訊號經A/D轉換器U5的20埠與單片機U2的46埠連接，將數位訊號送給單片機U2;電壓互感器經T4、Rl將工作電壓轉換成按比例的電壓信號、與之連接的D03、D04為輸入保護二極體。電壓信號經R2、R3送給A/D轉換器Ul的10、11埠，A/D轉換器Ul將模擬信號轉換成數位訊號，數位訊號經A/D轉換器U1的20埠與單片機U2的45埠連接，將數位訊號送給單片機U2;零序電流互感器經T6、R3將漏電信號轉換成電壓信號、與之連接的D03、D04為輸入保護二極體。電壓信號經RIO、R12送給運算放大器U7的2、3埠，放大後的信號經R19、R20送給A/D轉換器U4的10、ll埠，A/D轉換器U4將模擬信號轉換成數位訊號，數位訊號經A/D轉換器U4的20埠與單片機U2的41埠連接，將數位訊號送給單片機U2。單片機U2的19埠為系統的控制輸出埠，該埠經R26與運算放大器UA1A的3埠連接，運算放大器UA1A的1埠與觸發板的控制埠連接。圖4-2中單片機U2完成該系統的數據採集、信號放大、A/D轉換、數據處理、以及控制輸出功能。實施例二參見圖1、圖2、圖3、圖4-l、圖4-2、圖5。本實施例電動機負載調節裝置，同實施例一不同的是含有圖5所示的實時顯示、鍵盤作業系統，與單片機U2的數據交換以及與上位機的通訊通過485晶片U42實現。其連接關係如下單片機U1的4一8埠操作輸入埠與鍵盤S1—S5連接，和液晶顯示器一起完成人機對話，實現參數設置、故障査詢功能。單片機Ul的21—24、26—28、32—39埠與液晶顯示器4—17埠連接，完成適時參數顯示、參數設置、故障査詢功能。單片機U1的12、13、25埠與光耦合器U2""U4埠連接，光耦合器U2—U4埠與485晶片U42的l一4，連接，完成與上位機的數據傳輸與數據交換。單片機Ul的ll、12埠與單片機U2的19、21埠連接，實現兩個單片機U1、U2的數據交換。本實用新型電動機負載調節裝置，利用單片機技術，採用C語言進行程序設計，開發相應的檢測、比較、運算、控制軟體程序；開發相應的控制電路，完成電動機節電運行、軟起動、軟停止、綜合保護等功能控制。1)、功率因數反映了異步電動機運行時負荷情況，通過檢測異步電動機運行時功率因數，可得到異步電動機運行時的負載狀況。2)、若異步電動機工作在輕載、空載狀態下，通過逼近法控制異步電機的供電電壓，使異步電機的輸出功率與負荷轉矩精確匹配。使異步電機可在空載和大多數負荷情況下保持較高的效率。3)、通過對電流、電壓、功率因數、轉速的檢測實現對異步電動機的節電運行以及綜合保護，包括過載、短路、缺相、漏電、軟啟、軟停等多項保護。本實用新型電動機負載調節裝置，採用單片機技術檢測被控電動機的轉矩、功率因數等數據，根據電動機運行工況對電動機的輸入電壓進行跟蹤控制，當電動機空載或輕載時，輸出轉矩小，功率因數低，空載電流大，空載損耗大，效率低，調節裝置逐步降低輸出電壓，當達到新的平衡時，電動機在低電壓下8穩定運行。當電動機負載增加時，調節裝置升高輸出電壓，電動機輸出功率加大，保證輸出扭矩的平衡，電動機始終工作在最高效率狀態。由於電動機空載或輕載時，調節裝置降低輸出電壓，電動機在低電壓下運行，大大降低了空載電流和無功功率，電動機的效率和功率因數始終運行在較高的狀態，因此節電效果顯著。不同電動機負載時節電效果不同，下面以一臺4kw電動機為例分析機電效果。分別參見表1表5:表1:電動機P-0.0515kW(負荷率-1.3。/。)時節電效果分析項目不經調節經調節降低量降低百分比視在功率kVA3.611.702.6147.75%無功功率kvar3.561.652.6147.75%負載電流A5.53.22.223.75%電壓V3802967421.57%表2:電動機Pi.635kW(負荷率45.9c/。)時節電效果分析項目不經調節經調節降低量降低百分比視在功率kVA3.592.171.4235.50%無功功率kvar3.522.061.4636.44%負載電流A5.63.91.7517.50%電壓V37429579.0020.79%表3:電動機P4.21kW(負荷率-30Q/。)時節電效果分析項目不經調節經調節降低量降低百分比視在功率kVA3.632.790.8521.13%無功功率kvar3.432.600.8320.75%負載電流A5.604.680.939.25%電壓V374.00338.0036.009.47%表4:電動機P-1.6kW(負荷率-40n/。)時節電效果分析tableseeoriginaldocumentpage10表5:電動機P-2.935Kw(負荷率-73。/。)時節電效果分析tableseeoriginaldocumentpage10從上面的分析可以看出在電動機的負載率較低時節電效果最顯著，當電動機的負載率達到70%以上時，電動機的調節特性與自然運行特性差別不大。圖6圖8分別為電動機的調節特性與自然運行比較之視在功率、無功功率和負載電流曲線圖，從圖中可以清楚的看出電動機負載調節控制器能根據電動機負載變化連續地調節電動機的輸入電壓，保證電動機始終工作在最高效率狀態。其電動機電壓自動跟蹤電動機空載時的功率因數，空載有功節電率》40%，有功綜合節電率10%30%。一臺55kw電機的制冷機使用電動機負載調節控制器一年可降低電耗15%20%，可節約電費68萬元，6個月可收回投資。同時大大延長了用電設備的壽命，也間接的節約了開支，有著廣泛的推廣應用前景。權利要求1、一種電動機負載調節裝置，含有輸出連接電動機的主控制迴路，連接電動機的三相電流、電壓檢測電路，單片機控制電路，觸發電路以及連接在主控制迴路中的晶閘管，三相電流、電壓檢測電路輸入連接單片機控制電路，單片機控制電路輸出連接觸發電路，觸發電路控制連接晶閘管，其特徵是含有零序電流檢測電路，三相電流和零序電流檢測的電流信號分別經電壓變換和放大後送給A/D轉換器，經A/D轉換器將模擬信號轉換成數位訊號傳送給單片機控制電路；電壓檢測電路輸出電壓信號經A/D轉換器轉換成數位訊號送給單片機控制電路；單片機控制電路對所述電流和電壓信號進行運算處理，通過其控制輸出埠輸出控制信號，該控制輸出埠連接一放大電路，所述放大電路輸出端與觸發電路的控制埠連接。2、根據權利要求l所述的電動機負載調節裝置，其特徵是含有實時顯示、鍵盤作業系統，所述實時顯示、鍵盤作業系統包括單片機Ul，設置單片機Ul的一組I/O輸入埠分別與鍵盤按鍵SI—S5連接，一組I/O輸出埠和液晶顯示器連接；單片機U1設置一組通訊埠和一個控制埠經光電隔離後連接一通訊晶片的對應輸入及控制功能端，所述通訊晶片數據埠通訊連接上位機，完成與上位機的數據傳輸與數據交換；單片機U1的串行通訊埠與單片機控制電路中單片機U2的對應埠連接，實現與單片機控制電路的數據交換。3、根據權利要求1或2所述的所述的電動機負載調節裝置，其特徵是A相、B相、C相和零序電流互感器將對應相的工作電流信號經變壓器和一轉換電阻變換為電壓信號經耦合電阻送給運算放大器，運算放大器輸出放大信號接入A/D轉換器，A/D轉換器將模擬信號轉換成數位訊號傳送給單片機控制電路中單片機U2;電流信號變換為電壓信號通過輸入保護二極體連接運算放大器。4、根據權利要求3所述的所述的電動機負載調節裝置，其特徵是電壓檢測電路輸出電壓信號經電阻耦合接入運算放大器U7，運算放大器U7輸出電壓信號經電阻耦合接入A/D轉換器U4，A/D轉換器U4與單片機U2的一個I/O輸入埠連接，將數位訊號送給單片機U2。專利摘要本實用新型涉及一種電動機運行節能控制裝置。一種電動機負載調節裝置，含有主控制迴路，連接電動機的三相電流、電壓檢測電路，單片機控制電路，觸發電路以及連接在主控制迴路中的晶閘管，電流、電壓檢測電路輸入連接單片機控制電路，單片機控制電路輸出連接觸發電路，觸發電路控制連接晶閘管，三相電流和零序電流檢測的電流信號分別經電壓變換和放大後送給A/D轉換器，經A/D轉換器將模擬信號轉換成數位訊號傳送給單片機控制電路；電壓檢測電路輸出電壓信號經A/D轉換器轉換成數位訊號送給單片機控制電路；單片機控制電路對所述電流和電壓信號進行運算處理，通過其控制輸出埠輸出控制信號，通過一放大電路與觸發電路的控制埠連接。文檔編號H02P21/00GK201430569SQ20092009082公開日2010年3月24日申請日期2009年6月15日優先權日2009年6月15日發明者吉增權,龐元俊,李樹偉,慄成傑,蘇其昌申請人:平頂山工業職業技術學院