CN103124159A

CN103124159A - 一种交流电机节的电器方法及实施该方法的电机节电器

Info

Publication number: CN103124159A
Application number: CN2013100284687A
Authority: CN
Inventors: 汪明发; 范传伟
Original assignee: LANDE ENERGY TECHNOLOGY (ZHUHAI) Co Ltd
Current assignee: LANDE ENERGY TECHNOLOGY (ZHUHAI) Co Ltd
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-05-29

Abstract

本发明公开了一种交流电机节电控制的方法及实施该方法的电机节电装置，其包括：控制器连接负载传感单元，控制器连接调压单元，调压单元连接电机，电机连接负载传感单元，在电机启动后，持续降低电机工作电压，并以与负载连接的电机参数变化情况为依据，随负载的变化及时调整电机的工作电压按需供电，具有节电效果明显、成本低的优点，适用于各种交流电机，特别适用于负载波动大的电机。

Description

一种交流电机节的电器方法及实施该方法的电机节电器

技术领域

本发明涉及一种用于交流电机控制的方法，尤其是一种交流电机节电控制的方法。本发明还涉及实施该方法的电机节电装置。

背景技术

目前，在电机用电系统中，浪费现象十分普遍。对用户而言，相对距离发电厂或变电站较近的电力负载，供电网所施加的过剩电压造成的电能浪费空间相对较大；大多数以电机作为机械动力源的各行业用电设备，在没有采取节能措施的情况下都存在有一定的电能浪费空间。特别是在大容量电机的机械负载功率的大小经常发生变化的场所，“大马拉小车”浪费电能的现象总是频繁发生的，这种动态的电能浪费空间是由动力负荷的运动性质所造成的，是很容易被人们所忽略的。只有少数机械动力装置的设计余量太大，机械负载的运动性质又是趋于恒功率或恒转矩的情况下，它才会以常量的形式存在。

对待上述浪费情况，目前可采取的节电措施是使用变频调速技术和相控变流技术，使供电电源随时跟踪负荷的变化，达到按需供电的节能目的。但从节电、环保的立场来看，此类技术存在着以下缺点：

1、变频调速技术是将低频交流电压整流成为直流电压然后使用电子开关斩波形成高频方波，再经过高频变压器隔离最后合成经过频率调制和幅度可调的正弦交流电压。相控调压技术是将低频交流电压整流成为脉动直流电压，然后按照要求调整可控桂SCR的导通角的大小，形成用正弦波被切割以后的残余波形组成的电压。在大功率运行的情况下，这类节电装置的使用结果就是在电能的传输过程中产生了新的高频损耗电能浪费，对电机的电源线路及其周边的空间环境都造成了高频电磁辐射污染。

2、变频调速器的目的是实现电机的无级调速，节电功能只是它的副作用而己。其实，80%-95%的电机在使用时是不需要也不允许改变转速的。在变频节电装置的使用中，降低电机的电源频率，就降低了电机的阻抗，造成电机定子绕组及其电枢长期过流使用，使电机无谓地发热、电枢过早地老化，缩短了它的使用寿命，最终导致用户节约了电能却不能节约成本。

3、由于半导体的P-N结正向压降和半导体体电阻的存在，在大电流运行时，大功率半导体场效应管或晶闸管组合模块IGBT组件或SCR组件都会产生大量的热量，当散热面积不足半导体管的温升不断提高时还有造成过热击穿并且烧毁大功率器件的危险，这就给这些节电设备的用户带来了安全隐患。为此，在实际应用中，人们只好被动地采取包括使用散热风扇、专用空调制冷设备等办法来解决大功率半导体器件的散热降温问题。这就又形成了新的电能浪费空间，和新的安全隐患。

4、人类至今尚无法在半导体制造工艺中控制到分子数量级的材料质暈，因材料组织发生畸变或参杂渡渗注入不均等原因所导致的“偶然失效”问题仍然没有得到解决。变频和相控半导体变流节电装置在高压大容量电源供电的环境里在安全性、可靠性、功能等诸方面的制造技术尚不完全成熟，由国外引进的整机造价昂贵，且对工作环境要求十分苟刻，安全性能无法预料。电网供电电压在受线路压降和用电负荷波动影响经常出现波动，供电部门为保证用户使用，所提供的供电线路的电压往往比额定电压偏高一些，超出了用电器具适宜的电压范围，这种情况下就会造成电能的浪费。

发明内容

本发明目的在于提供一种交流电机节的电器方法，其针对上述缺陷具有方法简便且能大幅度提高电机的工作效率。

本发明的目的是通过如下步骤实现的，其步骤为：

(一）、控制器连接负载传感单元，控制器连接调压单元，调压单元连接电机，电机连接负载传感单元，设定控制器内电机的降压幅度值U；

(二)、通过控制器控制调压单元降低电机的工作电压，使电机的工作电压U₀=U_i—U，其中U₀为电机的工作电压，U_i为电源电压；

(三)、电机的电压调整后，控制器通过负载传感单元周期性的检查电机的电流或转速的变化情况，按下列情况分别进行处理：

A、当控制器检测电机的电流或转速增加量大于、等于预定增幅或高于额定电流或转速时，控制器通过调压单元升高电机的工作电压U₀，直至电机工作电流不再增加且小于额定电流或转速，再返回步骤（一），再次开始降低电机的工作电压U₀；

B、当控制器检测电流或转速增加量小于预定增幅，且小于额定电流或转速时，在控制器内设定一个小于前次降压幅度的降压幅度值U，以该调整后的降压幅度值U开始返回到步骤(二）；

C、当控制器检测电流或转速增加量为0或与额定电流或转速相同，保持当前的电机的工作电压U₀不变；

D、当控制器检测电流或转速减少量为大于或等于预定减幅时，在控制器内设定一个大于前次降压幅度的降压幅度值U，以该调整后的降压幅度值U开始，返回到步骤(二）。

实现本发明目的实施上述节电方法的一种电机节电器包括：控制器连接负载传感单元，控制器连接调压单元，调压单元连接电机，电机连接负载传感单元，所述调压单元包括：调压电源变压器TY和自耦变压器BL，自耦变压器BL的电流线圈L2串接在电源输入端L与电机ZM之间形成主回路，调压电源变压器TY的初级线圈跨接在电源输入端L与电源零线端N之间，调压电源变压器TY的次级线圈上设有1个以上的抽头，每个抽头接有一个继电器开关，每个继电器开关的另一端接自耦变压器BL的电压线圈L1的一端，自耦变压器BL的电压线圈L1的另一端连接在电源输入端L和电机ZM之间，负载传感单元包括电机负载传感器，并与控制器KZ的信号输出端相通，负载传感单元包括电机负载传感器CT_s，电机负载传感器CT_s与所述控制器的信号输出端相通。

与所述自耦变压器BL并联旁路路继电器K1，旁路路继电器K1串联旁路电流互感器CT_p，旁路电流互感器接控制器的监控信号输入。

所述自耦变压器BL的第二电流线圈L2串联主回路继电器开关K2。

实现本发明目的实施上述节电方法的另一种电机节电器包括：控制器连接负载传感单元，控制器连接调压单元，调压单元连接电机，电机连接负载传感单元，所述调压单元包括：调压电源变压器TY和隔离变压器BL，调压电源变压器TY的初级线圈跨接在电源输入端L与电源零线端N之间，调压电源变压器TY的次级线圈上设有1个以上的抽头，其中一个抽头与隔变压器BL的初极线圈L1的一端相接，余下的每个抽头分别通过各自连接的继电器开关与隔离变压器BL的初极线圈L1的另一端相接，每个继电器开关的信号输入端与控制器KZ相应的信号输出端连通，所述隔离变压器BL的次极线圈L2串接在电源输入端L与电机ZM之间形成主回路，负载传感单元包括电机负载传感器CT_s，电机负载传感器CT_s与控制器的信号输出端相通。

实现本发明目的实施上述节电方法的第三种电机节电器包括：控制器连接负载传感单元，控制器连接调压单元，调压单元连接电机，电机连接负载传感单元，所述调压单元包括：调压电源变压器TY和2个以上的隔离变压器BL，调压电源变压器TY的初级线圈跨接在电源输入端L与电源零线端N之间，其次级线圈上设有2个以上的抽头，其中一个抽头与第一个隔变压器BL的第一初极线圈L1的一端相接，余下的抽头通过各自连接的继电器开关与第一个隔离变压器BL的初极线圈L1的另一端相接；每个继电器开关的信号输入端与控制器KZ相应的信号输出端连通，第一个隔离变压器BL的次极线圈L2串接在电源输入端L与电机ZM之间形成主回路，其他隔离变压器依次串联在电源输入端L与电机ZM之间，负载传感单元包括电机负载传感器CT_s，电机负载传感器CT_s与所述控制器的信号输出端相通。

与所述隔离变压器BL并联旁路路继电器K1，旁路路继电器K1串联旁路电流互感器CT_p，旁路电流互感器接控制器的监控信号输入。

所述隔离变压器BL的第二电流线圈L2串联主回路继电器开关K2。

所述负载传感器为电机电流互感器或转速传感器或，所述继电器开关为固态继电器。

本发明交流电机节电方法及相应的电机节电器具有节电效果明显、成本低的优点，适用于各种交流电机，特别适用于负载波动大的电机。

附图说明

图1为本交流电机节电方法的方框示意图；

图2为本交流电机节电器使用时的等效原理示意图（不含旁路）；

图3为本交流电机节电器实施方式一的电路图（用于低压电机系统）；

图4为本交流电机节电器实施方式二的电路图（用于高压电机系统）；

图5为本交流电机节电器实施方式三的电路图（用于需要大幅度调压的电机系统）；

图6为图4中调压电源变压器GB与固态继电器矩阵单元SSR矩阵的具体连接方式示意图。

图中：BL为自耦变压器或隔离变压器、TY为调压电源变压器、SSR为固态继电器矩阵单元、ZM为电机、KZ为控制器、OP为操作显示单元、CT_s为电机电流互感器、K1为旁路断电器开关、K2为主路继电器开关、CT_p为旁路电流互感器、L1和L2山分别为自耦变压器BL的电压线圈和电流线圈、或隔离变压器L1为初级线圈和L2为次级线圈、in为电压互感器、L为电源U_i输入端子、U为调控电压幅度、U₀为电机ZM的工作电压、U_i为电源电压、I_m为电机定子励磁电流、I_r为折算到定子侧的转子电流、I₀为电机定子侧铜损、X_i为电机定子线圈感抗、X_m为电机定子线圈励磁电抗、r’₀为折算到定子侧的转子铜损、X’₀为折算到定子侧的转子线圈感抗、[(1-S)/S]r'₀为转子折算到定子侧的负载有功阻抗、S为电磁旋转磁场转速与转子实际转速间的转差率、C为负载预补偿电容器、N为电源零线、L为SSR为固态继电器连接的公共线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明交流电机节电器作进一步说明：

如图1、2和3所示，本发明第一种实施方式：

电机节电器包括：控制器，控制器连接负载传感单元，控制器连接调压单元，调压单元连接电机，电机连接负载传感单元，调压单元包括：调压电源变压器TY和自耦变压器BL，自耦变压器BL的电流线圈L2串接在电源输入端L与交流电机ZM之间形成主回路，调压电源变压器TY的初级线圈跨接在电源输入端L与电源零线端N之间，调压电源变压器TY的初级线圈上设有1个以上的抽头，每个抽头接有一个继电器开关，继电器开关的另一端接自耦变压器BL的电压线圈L1的一端，自耦变压器BL的电压线圈L1的另一端连接在电源输入端L和电机ZM之间，负载传感单元包括电机负载传感器，并与控制器KZ的信号输出端相通，所述自耦变压器BL的第二电压线圈L2与一个主回路继电器开关K2相互串联成主回路的一部分。电机负载传感器为电机电流互感器CTs，并与所述控制器KZ的信号输出端相通。所述继电器开关为固态继电器，上述所有的固态继电器形成固态继电器矩阵单元SSR。与所述自耦变压器BL并联旁路路继电器K1，旁路路继电器K1串联旁路电流互感器CTp，旁路电流互感器接控制器的监控信号输入。所述自耦变压器BL的第二电流线圈L2串联主回路继电器开关K2。

控制器采用如下步骤，因为电机连接负载，电机的负载状况通过电机ZM的电流反应出来，所以以电机ZM的电流变化为依据，不断修正电机ZM工作电压的调整幅度随负载变化，及时调整电机ZM的工作电压U₀按需供电。步骤如下：

(一）、设定控制器内交流电机的降压幅度值U；

(三)、交流电机的电压调整后，控制器通过负载传感单元周期性的检查交流电机的电流或阻转矩或转速的变化情况，按下列情况区别处理：

A、当控制器检测交流电机的电流增加量大于、等于预定增幅或高于额定电流时，控制器通过调压单元升高电机的工作电压U₀，直至电机工作电流不再增加且小于额定电流，再返回步骤（一），再次开始降低电机的工作电压U₀；

B、当控制器检测电流增加量小于预定增幅，且小于额定电流时，在控制器内设定一个小于前次降压幅度的降压幅度值U，以该调整后的降压幅度值U开始，返回到步骤(二）；

C、当控制器检测电流增加量为0或与额定电流相同，保持当前的交流电机的工作电压U₀不变；

D、当控制器检测电流减少量为大于或等于预定减幅时，在控制器内设定一个大于前次降压幅度的降压幅度值U，以该调整后的降压幅度值U开始，返回到步骤(二）。

交流电源U_i通过减去一个来自于其本身的，未改变其波形形状和频率的由控制器KZ根据电机电流互感器CTs所传递的输出电流I₀，也就是电机的输入电流I_i的大小所决定的电压值U，施加在电机ZM{包括：r_i、X_i、r_m、r’₀、X_m、[(1-S)/S]r’₀}上。电机主回路上没有被加入任何能够产生干扰作用的信号源。当电机ZM的机械负载突然加大时，根据电机ZM的电磁平衡理论，电磁转矩将发生失衡，转子折算到定子侧的负载有功阻抗((1-S)/S)r’₀减小，折算到定子侧的转子电流I_r0的有效值也会突然加大，直接引起电机ZM的输入电流l_i的有效值增大，此时控制器KZ将会立即调整减小控制电压U，以使电机ZM及时得到负载所需要的更大的电压值U₀=U_i-U，这时负载预补偿电容器C可以补偿因I₀的加大和电机工作电压U₀的提高带来的线路所需的容性电流。相反当电机ZM的负载较轻的时候，控制器KZ则会根据电流I_i的稳定度不断地尝试逐渐增大U，即减少供给电机的工作电压U₀，直到I_i的平均有效值趋近稳定与不稳定之间的动态平衡。若电机ZM处于三相电源之下，变压器BL选用的是三相变压器，其电压线圈L1及电流线圈L2和另外两相的电压线圈、电流线圈各自处于三个铁心柱上面，互为磁通回路，具有自感、互感形成的对尖峰电压和高频电流成分的较大感抗，并且遵循三相磁通的代数和始终为零的自然规律。因此本交流电机节电器具有抑制来自于电源端L的三相不平衡、高次谐波、尖峰电压、浪涌电流作用，另外，因U与输入电压U_i反相（相位差是180°)，U会在电流线圈L2上感生出相对滞后于U_i90°(即超前输入电压U_i90°)的电流以抵制输入电流li中的感性电流，所以，本发明具有瞬时提高电机功率因数的作用；在必要时，本交流电机节电器还可以包适操作显示单元0P，其中操作显示单元包适显示屏和键盘，二者均与控制器KZ相通。在控制器KZ使U等于0时，继电器开关闭合，此时本发明中的自耦变压器BZ就可以在不中断负载电机ZM电源供应的情况下被旁路，撤出并脱离运行连接。

如图2、4和6所示，本发明第二种实施方式：

本发明电机节电器包括：控制器KZ，控制器KZ连接负载传感单元，控制器连接调压单元，调压单元连接电机，电机连接负载传感单元，所述调压单元包括：调压电源变压器TY和隔离变压器BL，调压电源变压器TY的初级线圈跨接在电源输入端L与电源零线端N之间，调压电源变压器TY的初级线圈上设有1个以上的抽头，其中一个抽头与隔变压器BL的第一初极线圈L1的一端相接，余下的每个抽头通过各自的继电器开关与隔离变压器BL的初极线圈L1的另一端相接；每个继电器开关的信号输入端与控制器KZ相应的信号输出端相通，所述隔离变压器BL的次极线圈L2串接在电源输入端L与负载电机ZM之间形成主回路，负载传感单元包括电机负载传感器CT_s，电机负载传感器CT_s与所述控制器的信号输出端相通。所述调压电源变压器TY次级线圈与一个主回路继电器开关相互串联成主回路的一部分，并配有旁路，该旁路上设有旁路继电器开关K1。所述旁路上还设有旁路电流互感器CTp，该旁路电流互感器CTp接控制器的监控信号输入端。所述负载传感器为电机电流互感器，所述继电器开关为固态继电器，上述所有的固态继电器形成固态继电器矩阵单元SSR。本实施方式适用于工作电压较高的电机ZM。

控制器采用如下步骤，以电机ZM的电流变化为依据，不断修正电机ZM工作电压的调整幅度，随负载变化，及时调整电机ZM的工作电压U₀按需供电。步骤如下：

(一）、设定控制器内交流电机的降压幅度值U；

如图5所示，本发明第三种实施方式：

本发明电机节电器包括：控制器KZ，控制器KZ连接负载传感单元，控制器连接调压单元，调压单元连接电机，电机连接负载传感单元，调压电源变压器TY和3个隔离变压器BL，也可采用2个或5个或10个隔离变压器BL，调压电源变压器TY的初级线圈跨接在电源输入端L与电源零线端N之间，其次级线圈上设有2个以上的抽头，本市实施方式采用2个抽头，也可采用3、4、5或6等数量的抽头，其中一个抽头与第一个隔变压器BL的第一初极线圈L1的一端相接，余下的每个抽头通过各自连接的继电器开关与第一个隔离变压器BL的初极线圈L1的另一端相接；每个继电器开关的信号输入端与控制器KZ相应的信号输出端连通，第一个隔离变压器BL的次极线圈L2串接在电源输入端L与电机ZM之间形成主回路，其他隔离变压器依次串联在电源输入端L与电机ZM之间，负载传感单元包括电机负载传感器CT_s，电机负载传感器CT_s与所述控制器的信号输出端相通。所述调压电源变压器TY次级线圈与一个主回路继电器开关相互串联成主回路的一部分，并配有旁路，该旁路上设有旁路继电器开关K1。所述旁路上还设有旁路电流互感器CT_p，该旁路电流互感器CT_p接控制器的监控信号输入端。所述负载传感器为电机的转速传感器，所述继电器开关为固态继电器，上述所有的固态继电器形成固态继电器矩阵单元SSR。本实施方式适用于需要大幅度调压的电机系统。

控制器采用如下步骤，以电机ZM的转速变化为依据，从而确定与电机连接的负载运行情况，进而不断修正电机ZM工作电压的调整幅度，随负载变化及时调整电机ZM的工作电压U₀按需供电。步骤如下：

(一）、设定控制器内交流电机的降压幅度值U；

(三)、交流电机的电压调整后，控制器通过负载传感单元周期性的检查交流电机的转速的变化情况，按下列情况区别处理：

A、当转速增加量大于、等于预定增幅，或者高于额定转速时，设定一个大于前次降压幅度的降压幅度值U，降低电机ZM的工作电压U₀，直至转速不再增加且小于额定转速，设定一个小于前次降压幅度的降压幅度值U，再回到步骤（二）；

B、当转速增加量小于预定增幅，且小于额定转速时，回到步骤（一），在控制器内设定一个小于前次降压幅度的降压幅度值U，以该降压幅度值U为调压幅度开始再次降低电机ZM的工作电压U₀;

C、转速增加量为0或与额定转速相同，保持U不变，稳定电机ZM的工作电压U₀；

D、当转速减少量大于、等于预定减幅时，在控制器内设定一个大于前次降压幅度的降压幅度值U，直至电机ZM转速不再减少，再回到步骤（二)。

Claims

1.一种交流电机节电方法，其特征在于包括如下步骤：

2.一种实施权利要求1方法的电机节电器，其特征在于：所述调压单元包括：调压电源变压器（TY）和自耦变压器（BL），自耦变压器（BL）的电流线圈（L2）串接在电源输入端（L）与电机（ZM）之间形成主回路，调压电源变压器（TY）的初级线圈跨接在电源输入端（L）与电源零线端（N）之间，调压电源变压器（TY）的次级线圈上设有1个以上的抽头，每个抽头接有一个继电器开关，每个继电器开关的另一端接自耦变压器（BL）的电压线圈（L1）的一端，自耦变压器（BL）的电压线圈（L1）的另一端连接在电源输入端（L）和电机（ZM）之间，负载传感单元包括电机负载传感器，并与控制器（KZ）的信号输出端相通，负载传感单元包括电机负载传感器（CT_s），电机负载传感器（CT_s）与所述控制器的信号输出端相通。

3.一种实施权利要求1方法的电机节电器，其特征在于：所述调压单元包括：调压电源变压器（TY）和隔离变压器（BL），调压电源变压器（TY）的初级线圈跨接在电源输入端（L）与电源零线端（N）之间，调压电源变压器（TY）的次级线圈上设有1个以上的抽头，其中一个抽头与隔变压器（BL）的初极线圈（L1）的一端相接，余下的每个抽头分别通过各自连接的继电器开关与隔离变压器（BL）的初极线圈（L1）的另一端相接，每个继电器开关的信号输入端与控制器（KZ）相应的信号输出端连通，所述隔离变压器（BL）的次极线圈（L2）串接在电源输入端（L）与电机（ZM）之间形成主回路，负载传感单元包括电机负载传感器（CT_s），电机负载传感器（CT_s）与控制器的信号输出端相通。

4.一种实施权利要求1方法的电机节电器，其特征在于：所述调压单元包括：调压电源变压器（TY）和2个以上的隔离变压器（BL），调压电源变压器（TY）的初级线圈跨接在电源输入端（L）与电源零线端（N）之间，其次级线圈上设有2个以上的抽头，其中一个抽头与第一个隔变压器（BL）的第一初极线圈（L1）的一端相接，余下的抽头通过各自连接的继电器开关与第一个隔离变压器（BL）的初极线圈（L1）的另一端相接；每个继电器开关的信号输入端与控制器（KZ）相应的信号输出端连通，第一个隔离变压器（BL）的次极线圈（L2）串接在电源输入端（L）与电机（ZM）之间形成主回路，其他隔离变压器依次串联在电源输入端（L）与电机（ZM）之间，负载传感单元包括电机负载传感器（CT_s），电机负载传感器（CT_s）与所述控制器的信号输出端相通。

5.根据权利要求2所述的电机节电器，其特征在于：与所述自耦变压器（BL）并联旁路路继电器（K1），旁路路继电器（K1）串联旁路电流互感器（CT_p），旁路电流互感器接控制器的监控信号输入。

6.根据权利要求3或4所述的电机节电器，其特征在于：与所述隔离变压器（BL）并联旁路路继电器（K1），旁路路继电器（K1）串联旁路电流互感器（CT_p），旁路电流互感器接控制器的监控信号输入。

7.根据权利要求2所述的电机节电器，其特征在于：所述自耦变压器（BL）的第二电流线圈（L2）串联主回路继电器开关（K2）。

8.根据权利要求3或4所述的电机节电器，其特征在于：所述隔离变压器（BL）的第二电流线圈（L2）串联主回路继电器开关（K2）。

9.根据权利要求2、3或4所述的电机节电器，其特征在于：所述负载传感器为电机电流互感器或转速传感器，所述继电器开关为固态继电器。