CN104539197B - 异步电动机软启动及降压节电综合控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异步电动机软启动及降压节电综合控制装置及其方法，装置包括手动转换开关、参数设置、显示及控制电路、故障输出电路、正常运行输出电路、远程启停控制电路、电机核心控制电路、交流接触器、指示灯、三相电源电路、可控硅组件、电源电路、电流互感器、异步电动机、电压表、电流表、通信接口电路、风机；采用功率因数和电流双闭环控制方式，利用电流互感器和可控硅组件，实现异步电动机同时具有软启动、降压节能、电机过载、三相不平衡、缺相保护及降压节能于一体式的控制装置，对减少能源浪费具有重要的意义。

Description

异步电动机软启动及降压节电综合控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种异步电动机软启动及降压节电综合控制及其方法。

背景技术

异步电动机作为最重要的动力装置，在当今工业生产和日常生活中得到了广泛的应用，是电能的主要消耗者。单就我国而论，异步电动机广泛应用于各类电力拖动系统中，耗用电能约占全国耗电总量的60%-70%，而且通常有60%的电机都是在60%或以下负荷状况下运行，大马拉小马与低负荷运行的情况相当普遍。在此情况下，电机消耗的电能中相当部分是以发热、铁损、噪音与震动等形式浪费掉，其效率和功率因数较低，造成很大的电能浪费。为此本发明提出设计一种异步电动机软启动及降压节电综合控制装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，如何采用功率因数和电流双闭环控制方式，利用电流互感器和可控硅组件，实现异步电动机同时具有软启动、电机过载、三相不平衡、缺相保护及降压节能于一体式的控制装置，对减少能源浪费具有重要的意义。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种异步电动机软启动及降压节电综合控制装置，包括手动转换开关（1）、参数设置、显示及控制电路（2）、故障输出电路（3）、正常运行输出电路（4）、远程启停控制电路（5）、电机核心控制电路（6）、交流接触器（7）、指示灯（8）、三相电源电路（9）、可控硅组件（10）、电源电路（11）、电流互感器（12）、异步电动机（13）、电压表（14）、电流表（15）、通信接口电路（16）、风机（17）；所述手动转换开关（1）输出端与交流接触器（7）线圈串联连接，控制交流接触器工作；所述参数设置、显示及控制电路（2）接口电路与电机核心控制电路（6）对应接口连接；所述故障输出电路（3）、正常运行输出电路（4）的输出端分别与电机核心控制电路（6）对应接口连接；所述远程启停控制电路（5）的输入端与电机核心控制电路（6）对应接口连接；所述三相电源电路（9）的输出端与可控硅组件（10）的电源输入端连接；所述交流接触器（7）的输出端子接在可控硅组件（10）可控硅对应触发极上；所述指示灯（8）串联在交流接触器（7）线圈回路中；所述电流互感器（12）串接在可控硅组件（10）和异步电动机（13）连接线上，用于测定异步电动机（13）工作电流；所述可控硅组件（10）输出端与异步电动机（13）对应极连接，用于调节异步电动机（13）的工作电压；所述电流互感器（12）中的一组输出端接到电流表（15）输入端上；所述电压表（14）的输入端与异步电动机（13）的输入端连接，用于测定异步电动机（13）的工作电压；所述通信接口电路（16）与电机核心控制电路（6）的通信口连接；所述电源电路（11）的输入端与三相电源电路（9）输出端连接，所述电源电路（11）的输出端与电机核心控制电路（6）的电源端连接，为其提供工作电源。

上述电机核心控制电路（6）包括存储电路（18）、同步信号采集电路（19）、输入光耦隔离电路（20）、输出光耦隔离电路（21）、微处理器电路（22）、可控硅驱动电路（23）、功率因数角采集电路（24）、电流采集电路（25）、参数设计、显示及控制接口电路（26）、地址设定电路（27）、看门狗电路（28）；所述看门狗电路（28）的输出端与微处理器电路（22）连接；所述存储电路（18）输入输出端与微处理器电路（22）对应接口连接；所述同步信号采集电路（19）的输入端与可控硅组件（10）的输入端连接，同步信号采集电路（19）的输出端与微处理器电路（22）对应接口连接；所述输入光耦隔离电路（20）的输出端与微处理器电路（22）对应I/O口连接；所述输出光耦隔离电路（21）的输入端与微处理器电路（22）对应I/O口连接；所述可控硅驱动电路（23）的输入端与微处理器电路（22）对应I/O口连接，可控硅驱动电路（23）的输出端与可控硅组件（10）的触发端连接；所述电流采集电路（25）的输入端与电流互感器（12）的输出端连接，电流采集电路（25）的输出端与微处理器电路（22）对应A/D口连接；所述参数设计、显示及控制接口电路（26）的输入端与微处理器电路（22）对应口连接，所述参数设计、显示及控制接口电路（26）的输出端与参数设置、显示及控制电路（2）输入端连接；所述地址设定电路（27）的输入端与微处理器电路（22）对应I/O口连接。

上述可控硅组件（10）包括三组反并联可控硅、散热片，所述三组反并联可控硅固定在散热片上，散热片固定在控制柜上，所述风机（17）也固定在控制柜上，风向对着散热片吹，为散热片散热；所述三组反并联可控硅电流大小根据异步电动机（13）功率大小确定，散热片面积的大小根据三组反并联可控硅电流大小确定。

上述手动转换开关（1）有两个工作位，工作指示由指示灯（8）指示，指示灯（8）包括两个指示灯，即红色指示灯、绿色指示灯；手动转换开关（1）控制红色指示灯亮时表示异步电动机（13）工作在不节能状态，即三相电源电路（9）通过可控硅组件（10）与异步电动机（13）直接相连；手动转换开关（1）控制绿色指示灯亮时表示异步电动机（13）工作在节能状态，即异步电动机（13）的工作电压通过可控硅组件（10）控制，即异步电动机（13）满载时异步电动机（13）全压运行，异步电动机（13）轻载及低功率因数时异步电动机（13）降压运行。

上述参数设置、显示及控制电路（2）包括六个按键、五个数码管；六个按键由上翻键、下翻键、确认键、设置键、启动键、停止键组成，其中上翻键、下翻键、确认键、设置键用于设定电机工作参数，启动键、停止键用于控制异步电动机（13）在节能状态下的启停；五个数码管用于显示设定的参数值、故障类型及工作时异步电动机（13）的工作电流；设定的电机工作参数包括异步电动机（13）的过载倍数设定、异步电动机（13）的额定电流设定、异步电动机（13）的三相不平衡度设定、异步电动机（13）软启动模式设定、异步电动机（13）降压节能模式设定、异步电动机（13）节电率设定、异步电动机（13）的软停时间设定、异步电动机（13）的工作电流设定以便识别电机功率；异步电动机（13）的过载、三相不平衡保护值设定。

上述远程启停控制电路（5）有两对接点组成，一对是停车控制接点，一对是启动接点；所述停车控制接点闭合时将启动接点接通异步电动机（13）启动工作，将停车控制接点断开则异步电动机（13）停止工作。

上述电流互感器（12）包括四只电流互感器，三只用于测定异步电动机（13）的工作电流并反馈给电流采集电路（25），一只用于测定异步电动机（13）的工作电流并反馈给电流表（15）；电流互感器（12）的变比根据异步电动机（13）的功率大小确定。

一种异步电动机软启动及降压节电综合控制方法，利用上述的装置，其工作过程如下：

（1）、远程启停控制电路（5）给出启动信号或参数设置、显示及控制电路（2）给出启动信号，判断是软启动还是节能状态；

（3）、若是软启动状态则根据设定的额定电流值及额定电流倍数进行启动，电机启动后按照额定电压工作；

（4）、若节能状态根据设定的额定电流值及额定电流倍数进行启动；电机启动后，连续检测电机工作电流和功率因数，若电机工作电流和功率因数均较低，则降低电机工作电压，若检测到电机工作电流和功率因数中有一个参数较高，在100毫秒内电机工作电压瞬间升到额定电压，满足负载跟踪；

（5）、远程启停控制电路（5）给出停机信号或参数设置、显示及控制电路（2）给出停机信号，电机开始停车，停车时间根据参数设置、显示及控制电路设定的停车时间停车，在设定的时间完成停车。

本发明的积极效果是：装置更改电流互感器（12）的变比和可控硅组件（10）中的可控硅功率大小后，通过参数设置、显示及控制电路（2）进行参数设定后电机核心控制电路（6）可以适应10-315KW之间任意大小的异步电动机（13）的软启动控制，异步电动机（13）的过载、三相不平衡、缺相保护和异步电动机（13）的节能控制，具有较强的通用性。

通过控制可控硅组件（10）输出电压实现异步电动机（13）降压节能，异步电动机（13）降压是通过功率因数角采集电路（24）和电流采集电路（25），根据获得功率因数大小和电机工作电流与设定的额定电流比较综合判断，为了降低异步电动机（13）工作电流的波动采用功率因数和电流双闭环控制方式，只有满足功率因数和工作电流均较低时迅速降低异步电动机（13）的工作电压，双闭环控制方式保证降压过程电流平稳。

附图说明

图1本发明的结构原理图。

图2为本发明的电机核心控制电路原理结构图。

图3为本发明方法的启动过程流程图。

图4为本发明方法的停车过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种异步电动机软启动及降压节电综合控制装置，包括手动转换开关1、参数设置、显示及控制电路2、故障输出电路3、正常运行输出电路4、远程启停控制电路5、电机核心控制电路6、交流接触器7、指示灯8、三相电源电路9、可控硅组件10、电源电路11、电流互感器12、异步电动机13、电压表14、电流表15、通信接口电路16、风机17；手动转换开关1输出端与交流接触器7线圈串联连接，控制交流接触器工作；参数设置、显示及控制电路2接口电路与电机核心控制电路6对应接口连接；故障输出电路3、正常运行输出电路4的输出端分别与电机核心控制电路6对应接口连接；远程启停控制电路5的输入端与电机核心控制电路6对应接口连接；三相电源电路9的输出端与可控硅组件10的电源输入端连接；交流接触器7的输出端子接在可控硅组件10可控硅对应触发极上；指示灯8串联在交流接触器7线圈回路中；电流互感器12串接在可控硅组件10和异步电动机13连接线上，用于测定异步电动机13工作电流；可控硅组件10输出端与异步电动机13对应极连接，用于调节异步电动机13的工作电压；电流互感器12中的一组输出端接到电流表15输入端上；电压表14的输入端与异步电动机13的输入端连接，用于测定异步电动机13的工作电压；通信接口电路16与电机核心控制电路6的通信口连接；电源电路11的输入端与三相电源电路9输出端连接，电源电路11的输出端与电机核心控制电路6的电源端连接，为其提供工作电源。

如图2所示，电机核心控制电路6包括存储电路18、同步信号采集电路19、输入光耦隔离电路20、输出光耦隔离电路21、微处理器电路22、可控硅驱动电路23、功率因数角采集电路24、电流采集电路25、参数设计、显示及控制接口电路26、地址设定电路27、看门狗电路28；看门狗电路28的输出端与微处理器电路22连接；存储电路18输入输出端与微处理器电路22对应接口连接；同步信号采集电路19的输入端与可控硅组件10的输入端连接，同步信号采集电路19的输出端与微处理器电路22对应接口连接；输入光耦隔离电路20的输出端与微处理器电路22对应I/O口连接；输出光耦隔离电路21的输入端与微处理器电路22对应I/O口连接；可控硅驱动电路23的输入端与微处理器电路22对应I/O口连接，可控硅驱动电路23的输出端与可控硅组件10的触发端连接；电流采集电路25的输入端与电流互感器12的输出端连接，电流采集电路25的输出端与微处理器电路22对应A/D口连接；参数设计、显示及控制接口电路26的输入端与微处理器电路22对应口连接，参数设计、显示及控制接口电路26的输出端与参数设置、显示及控制电路2输入端连接；地址设定电路27的输入端与微处理器电路22对应I/O口连接。

上述可控硅组件10包括三组反并联可控硅、散热片，所述三组反并联可控硅固定在散热片上，散热片固定在控制柜上，风机17也固定在控制柜上，风向对着散热片吹，为散热片散热；三组反并联可控硅电流大小根据异步电动机13功率大小确定，散热片面积的大小根据三组反并联可控硅电流大小确定。

上述手动转换开关1有两个工作位，工作指示由指示灯8指示，指示灯8包括两个指示灯，即红色指示灯、绿色指示灯；手动转换开关1控制红色指示灯亮时表示异步电动机13工作在不节能状态，即三相电源电路（9）通过可控硅组件（10）与异步电动机（13）直接相连；手动转换开关1控制绿色指示灯亮时表示异步电动机13工作在节能状态，即异步电动机13的工作电压通过可控硅组件10控制，即异步电动机13满载时异步电动机13全压运行，异步电动机13轻载及低功率因数时异步电动机13降压运行。

上述参数设置、显示及控制电路2包括六个按键、五个数码管；六个按键由上翻键、下翻键、确认键、设置键、启动键、停止键组成，其中上翻键、下翻键、确认键、设置键用于设定电机工作参数，启动键、停止键用于控制异步电动机13在节能状态下的启停；五个数码管用于显示设定的参数值、故障类型及工作时异步电动机13的工作电流；设定的电机工作参数包括异步电动机13的过载倍数设定、异步电动机13的额定电流设定、异步电动机13的三相不平衡度设定、异步电动机13软启动模式设定、异步电动机13降压节能模式设定、异步电动机13节电率设定、异步电动机13的软停时间设定、异步电动机13的工作电流设定以便识别电机功率；异步电动机13的过载、三相不平衡保护值设定。

上述远程启停控制电路5有两对接点组成，一对是停车控制接点，一对是启动接点；停车控制接点闭合时将启动接点接通异步电动机13启动工作，将停车控制接点断开则异步电动机13停止工作。

上述电流互感器12包括四只电流互感器，三只用于测定异步电动机13的工作电流并反馈给电流采集电路25，一只用于测定异步电动机13的工作电流并反馈给电流表15；电流互感器12的变比根据异步电动机13的功率大小确定。

如图3、图4所示，一种异步电动机软启动及降压节电综合控制方法，利用上述的装置，其工作过程如下：

（1）、远程启停控制电路5给出启动信号或参数设置、显示及控制电路2给出启动信号，判断是软启动还是节能状态；

（3）、若是软启动状态则根据设定的额定电流值及额定电流倍数进行启动，电机启动后按照额定电压工作；

（4）、若节能状态根据设定的额定电流值及额定电流倍数进行启动；电机启动后，连续检测电机工作电流和功率因数，若电机工作电流和功率因数均较低，则降低电机工作电压，若检测到电机工作电流和功率因数中有一个参数较高，在100毫秒内电机工作电压瞬间升到额定电压，满足负载跟踪；

（5）、远程启停控制电路5给出停机信号或参数设置、显示及控制电路2给出停机信号，电机开始停车，停车时间根据参数设置、显示及控制电路设定的停车时间停车，在设定的时间完成停车。

装置更改电流互感器12的变比和可控硅组件10中的可控硅功率大小后，通过参数设置、显示及控制电路2进行参数设定后电机核心控制电路6可以适应10-315KW之间任意大小的异步电动机13的软启动控制，异步电动机13的过载、三相不平衡、缺相保护和异步电动机13的节能控制，具有较强的通用性。

通过控制可控硅组件10输出电压实现异步电动机13降压节能，异步电动机13降压是通过功率因数角采集电路24和电流采集电路25，根据获得功率因数大小和电机工作电流与设定的额定电流比较综合判断，为了降低异步电动机13工作电流的波动采用功率因数和电流双闭环控制方式，只有满足功率因数和工作电流均较低时迅速降低异步电动机13的工作电压，双闭环控制方式保证降压过程电流平稳。

从额定电压降到设定的工作电压，降压时间小于20毫秒。

作为优选方案，风机17为三相轴流式式风机。

地址设定电路27拨码开关。

电源电路11输入为380VAC，输出为两路输出，通过整流电路、滤波电路、稳压电路获得两路直流电源。

可控硅驱动电路23采用光耦驱动，MOC3052。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种异步电动机软启动及降压节电综合控制装置，其特征在于：包括手动转换开关（1）、参数设置、显示及控制电路（2）、故障输出电路（3）、正常运行输出电路（4）、远程启停控制电路（5）、电机核心控制电路（6）、交流接触器（7）、指示灯（8）、三相电源电路（9）、可控硅组件（10）、电源电路（11）、电流互感器（12）、异步电动机（13）、电压表（14）、电流表（15）、通信接口电路（16）、风机（17）；所述手动转换开关（1）输出端与交流接触器（7）线圈串联连接，控制交流接触器工作；所述参数设置、显示及控制电路（2）接口电路与电机核心控制电路（6）对应接口连接；所述故障输出电路（3）、正常运行输出电路（4）的输出端分别与电机核心控制电路（6）对应接口连接；所述远程启停控制电路（5）的输入端与电机核心控制电路（6）对应接口连接；所述三相电源电路（9）的输出端与可控硅组件（10）的电源输入端连接；所述交流接触器（7）的输出端子接在可控硅组件（10）可控硅对应触发极上；所述指示灯（8）串联在交流接触器（7）线圈回路中；所述电流互感器（12）串接在可控硅组件（10）和异步电动机（13）连接线上，用于测定异步电动机（13）工作电流；所述可控硅组件（10）输出端与异步电动机（13）对应极连接，用于调节异步电动机（13）的工作电压；所述电流互感器（12）中的一组输出端接到电流表（15）输入端上；所述电压表（14）的输入端与异步电动机（13）的输入端连接，用于测定异步电动机（13）的工作电压；所述通信接口电路（16）与电机核心控制电路（6）的通信口连接；所述电源电路（11）的输入端与三相电源电路（9）输出端连接，所述电源电路（11）的输出端与电机核心控制电路（6）的电源端连接，为其提供工作电源；

所述电机核心控制电路（6）包括存储电路（18）、同步信号采集电路（19）、输入光耦隔离电路（20）、输出光耦隔离电路（21）、微处理器电路（22）、可控硅驱动电路（23）、功率因数角采集电路（24）、电流采集电路（25）、参数设计、显示及控制接口电路（26）、地址设定电路（27）、看门狗电路（28）；所述看门狗电路（28）的输出端与微处理器电路（22）连接；所述存储电路（18）输入输出端与微处理器电路（22）对应接口连接；所述同步信号采集电路（19）的输入端与可控硅组件（10）的输入端连接，同步信号采集电路（19）的输出端与微处理器电路（22）对应接口连接；所述输入光耦隔离电路（20）的输出端与微处理器电路（22）对应I/O口连接；所述输出光耦隔离电路（21）的输入端与微处理器电路（22）对应I/O口连接；所述可控硅驱动电路（23）的输入端与微处理器电路（22）对应I/O口连接，可控硅驱动电路（23）的输出端与可控硅组件（10）的触发端连接；所述电流采集电路（25）的输入端与电流互感器（12）的输出端连接，电流采集电路（25）的输出端与微处理器电路（22）对应A/D口连接；所述参数设计、显示及控制接口电路（26）的输入端与微处理器电路（22）对应口连接，所述参数设计、显示及控制接口电路（26）的输出端与参数设置、显示及控制电路（2）输入端连接；所述地址设定电路（27）的输入端与微处理器电路（22）对应I/O口连接。

2.根据权利要求1所述的异步电动机软启动及降压节电综合控制装置，其特征在于：所述可控硅组件（10）包括三组反并联可控硅、散热片，所述三组反并联可控硅固定在散热片上，散热片固定在控制柜上，所述风机（17）也固定在控制柜上，风向对着散热片吹，为散热片散热；所述三组反并联可控硅电流大小根据异步电动机（13）功率大小确定，散热片面积的大小根据三组反并联可控硅电流大小确定。

3.根据权利要求1所述的异步电动机软启动及降压节电综合控制装置，其特征在于：所述手动转换开关（1）有两个工作位，工作指示由指示灯（8）指示，指示灯（8）包括两个指示灯，即红色指示灯、绿色指示灯；手动转换开关（1）控制红色指示灯亮时表示异步电动机（13）工作在不节能状态，即三相电源电路（9）通过可控硅组件（10）与异步电动机（13）直接相连；手动转换开关（1）控制绿色指示灯亮时表示异步电动机（13）工作在节能状态，即异步电动机（13）的工作电压通过可控硅组件（10）控制，即异步电动机（13）满载时异步电动机（13）全压运行，异步电动机（13）轻载及低功率因数时异步电动机（13）降压运行。

4.根据权利要求1所述的异步电动机软启动及降压节电综合控制装置，其特征在于：所述参数设置、显示及控制电路（2）包括六个按键、五个数码管；六个按键由上翻键、下翻键、确认键、设置键、启动键、停止键组成，其中上翻键、下翻键、确认键、设置键用于设定电机工作参数，启动键、停止键用于控制异步电动机（13）在节能状态下的启停；五个数码管用于显示设定的参数值、故障类型及工作时异步电动机（13）的工作电流；设定的电机工作参数包括异步电动机（13）的过载倍数设定、异步电动机（13）的额定电流设定、异步电动机（13）的三相不平衡度设定、异步电动机（13）软启动模式设定、异步电动机（13）降压节能模式设定、异步电动机（13）节电率设定、异步电动机（13）的软停时间设定、异步电动机（13）的工作电流设定以便识别电机功率；异步电动机（13）的过载、三相不平衡保护值设定。

5.根据权利要求1所述的异步电动机软启动及降压节电综合控制装置，其特征在于：所述远程启停控制电路（5）有两对接点组成，一对是停车控制接点，一对是启动接点；所述停车控制接点闭合时将启动接点接通异步电动机（13）启动工作，将停车控制接点断开则异步电动机（13）停止工作。

6.根据权利要求1所述的异步电动机软启动及降压节电综合控制装置，其特征在于：所述电流互感器（12）包括四只电流互感器，三只用于测定异步电动机（13）的工作电流并反馈给电流采集电路（25），一只用于测定异步电动机（13）的工作电流并反馈给电流表（15）；电流互感器（12）的变比根据异步电动机（13）的功率大小确定。

7.一种异步电动机软启动及降压节电综合控制方法，其特征在于利用权利要求1所述的装置，其工作过程如下：

（1）、远程启停控制电路（5）给出启动信号或参数设置、显示及控制电路（2）给出启动信号，判断是软启动还是节能状态；

（3）、若是软启动状态则根据设定的额定电流值及额定电流倍数进行启动，电机启动后按照额定电压工作；

（4）、若节能状态根据设定的额定电流值及额定电流倍数进行启动；电机启动后，连续检测电机工作电流和功率因数，若电机工作电流和功率因数均较低，则降低电机工作电压，若检测到电机工作电流和功率因数中有一个参数较高，在100毫秒内电机工作电压瞬间升到额定电压，满足负载跟踪；

（5）、远程启停控制电路（5）给出停机信号或参数设置、显示及控制电路（2）给出停机信号，电机开始停车，停车时间根据参数设置、显示及控制电路设定的停车时间停车，在设定的时间完成停车。