CN1329735C - 一种测量异步电动机转速的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量异步电动机转速的装置，该装置由扼流圈RF_U、RF_V、RF_W，振荡器OSC，变压器B₁、B₂，电容C₁、C₂、C₃、C₄，电阻R₁、R₃、R₄、R₅、R₆，电位器R₂，晶体管T₁、T₂和转速表ZS组成；其三只扼流圈分别串接在三相电源线和异步电动机输入电源端之间，使用振荡器和变压器B₁馈以频率较高的单相交流电到电动机的两个绕组上，在电动机的另一绕组上获得与转速有关的信号，该信号再经过变压器B₂和一套电路进行相敏检波获得与异步电动机转速成正比的直流电压，此直流电压可在转速表中得到指示，也可作转速信号输出。该装置不需在异步电动机内外部安装任何旋转部件，不对异步电动机作任何改动就可以迅速测出异步电动机的转速。

Description

一种测量异步电动机转速的装置

所属技术领域

本发明涉及电动机测速装置，特别是测量异步电动机转速的装置。

背景技术

本发明未出现之前，异步电动机的转速测量都需要借助于异步电动机内部或外部安装某种测速器件，在使异步电动机有所改动的情况下才有可能实现。例如在异步电动机的轴上安装旋转编码器或测速发电机等等。然而这种额外的安装非常不方便，也不能得到用户和安装施工方的欢迎。于是出现了某种新的方法来间接地测算异步电动机的转速。在变频器控制技术中，有一种所谓“无速度传感器的矢量控制技术”这是采用事先设定的电动机参数，测得电动机的电流、电压、频率、相位后经过单片机计算而推算出异步电动机的转速值。这种方式的准确度不高、不直观、不能在所有场合使用，而且从根本上说这是矢量控制技术中一种辅助技术，而不是真正意义上的测速。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需要在异步电动机内外部安装任何部件，不对异步电动机作任何改动的情况下，简单、快速地测出异步电动机转速的装置。

为了达到上述目的，本发明的方案是：一种测量异步电动机转速的装置，它由扼流圈RF_U、扼流圈RF_V、扼流圈RF_W、振荡器OSC、变压器B₁、变压器B₂、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、电阻R₁、电位器R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆、晶体管T₁、晶体管T₂和转速表ZS组成；变压器B₁由原边绕组L₁₁、对称的付边绕组L₁₂和L₁₃以及付边绕组L₁₄组成；变压器B₂由原边绕组L₂₁、对称的付边绕组L₂₂和L₂₃组成；扼流圈RF_U的一端接三相交流电源的U相输入端，另一端接电容C₁的一端后形成U相输出端U₁，扼流圈RF_V的一端接三相交流电源的V相输入端，另一端接电容C₃的一端后形成V相输出端V₁，扼流圈RF_W的一端接三相交流电源的W相输入端，另一端接电容C₂的一端后形成W相输出端W₁；U相输出端U₁、V相输出端V₁和W相输出端W₁分别接被测异步电动机的三个接线端子A、B和C；电容C₁的另一端接绕组L₁₂的一端，电容C₂的另一端接绕组L₁₃的一端，绕组L₁₂的另一端和绕组L₁₃的另一端相接形成中点O₁接绕组L₂₁的一端，绕组L₂₁的另一端接电容C₃的另一端；绕组L₁₁的两端接振荡器OSC的两输出端1、2，振荡器OSC的两电源端R、N接市电；绕组L₂₂和绕组L₂₃串联的结点接公共端E，绕组L₂₂的另一端接电阻R₃的一端和晶体管T₂的集电极，绕组L₂₃的另一端接电阻R₁的一端和晶体管T₁的集电极，电阻R₁的另一端接电位器R₂的固定端和晶体管T₁的基极，电阻R₃的另一端接电位器R₂的另一固定端和晶体管T₂的基极，电位器R₂的滑动端接电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端接绕组L₁₄的一端，绕组L₁₄的另一端接晶体管T₁的发射极、晶体管T₂的发射极、电阻R₅和电阻R₆，电阻R₅的另一端接电容C₄和转速表ZS的一端，电阻R₆的另一端接电容C₄的另一端后接公共端E再接转速表ZS的另一端。

由于该装置只接在三根输入电源线和异步电动机之间就能测出异步电动机的实际转速，因此，该装置改变了常规的测量异步电动机转速的方法，能够简单、方便、可靠的随时监控异步电动机的转速。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明的电路原理图

图2为本装置输出直流电压与转速的关系图。

具体实施方式

如图1所示，一种测量异步电动机转速的装置，它由扼流圈RF_U、扼流圈RF_V、扼流圈RF_W、振荡器OSC、变压器B₁、变压器B₂、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、电阻R₁、电位器R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆、晶体管T₁、晶体管T₂和转速表ZS组成；变压器B₁由原边绕组L₁₁、对称的付边绕组L₁₂和L₁₃以及付边绕组L₁₄组成；变压器B₂由原边绕组L₂₁、对称的付边绕组L₂₂和L₂₃组成；扼流圈RF_U的一端接三相交流电源的U相输入端，另一端接电容C₁的一端后形成U相输出端U₁，扼流圈RF_v的一端接三相交流电源的V相输入端，另一端接电容C₃的一端后形成V相输出端V₁，扼流圈RF_W的一端接三相交流电源的W相输入端，另一端接电容C₂的一端后形成W相输出端W₁；U相输出端U₁、V相输出端V₁和W相输出端W₁分别接被测异步电动机的三个接线端子A、B和C；电容C₁的另一端接绕组L₁₂的一端，电容C₂的另一端接绕组L₁₃的一端，绕组L₁₂的另一端和绕组L₁₃的另一端相接形成中点O₁接绕组L₂₁的一端，绕组L₂₁的另一端接电容C₃的另一端；绕组L₁₁的两端接振荡器OSC的两输出端1、2，振荡器OSC的两电源端R、N接市电；绕组L₂₂和绕组L₂₃串联的结点接公共端E，绕组L₂₂的另一端接电阻R₃的一端和晶体管T₂的集电极，绕组L₂₃的另一端接电阻R₁的一端和晶体管T₁的集电极，电阻R₁的另一端接电位器R₂的固定端和晶体管T₁的基极，电阻R₃的另一端接电位器R₂的另一固定端和晶体管T₂的基极，电位器R₂的滑动端接电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端接绕组L₁₄的一端，绕组L₁₄的另一端接晶体管T₁的发射极、晶体管T₂的发射极、电阻R₅和电阻R₆，电阻R₅的另一端接电容C₄和转速表ZS的一端，电阻R₆的另一端接电容C₄的另一端后接公共端E再接转速表ZS的另一端。

本发明的原理如下：(见图1)

众所周知，三相异步电动机的三个绕组L_AO、L_BO、L_CO在空间互成120°电角度，如果绕组L_AO、L_CO通以单相交流电，因绕组L_AO、L_CO合成的空间磁场与绕组L_BO垂直，不会在绕组L_BO中感应出电势。然而，当转子的导体因转子旋转而受绕组L_AO、L_CO合成磁场切割时，这个切割电流形成的磁通与绕组L_AO、L_CO合成的空间磁通垂直，正好耦合到绕组L_BO，于是在绕组L_BO上感应出与电动机转速大小相对应的测速电势，这在本质上就是异步测速发电机的原理。

然而，被研究的异步电动机是通以正常三相交流电的异步电动机，而不是测速机。本发明的要点在于让这个异步电动机馈以较低频率f₁的三相交流电作电动机运转使用，同时馈以频率较高的f₂的单相交流电作测速机使用，两者在电路上巧妙地又结合、又不相干扰，从而达到测速的目的。这也就是一种载频方式测定异步电动机动态转速的方法。它是实时的，不是抽样的，因此可应用于各种场合。

本发明的基本组成为I、II、III三部分(如图1中虚线)，第I部分是三个完全相同的扼流圈RF_U、RF_V、RF_W，安置在三相驱动电源线U、V、W与电动机接线端子A、B、C之间，扼流圈的阻抗对驱动电源频率f₁的阻抗小，使供给电动机M的电压降落很小；然而对振荡器OSC馈入的载频f₂有很大的阻抗，因为载频f₂比驱动用电源频率f₁高很多，例如高10～100倍，这样载波频率f₂的电流被隔离，几乎不能进入U、V、W电源侧。

第II部分是载频电源及输出变压器，一个振荡器OSC产生频率为f₂的正弦振荡信号，加到输出变压器B₁原边绕组L₁₁上，该振荡器的电源由R、N端子接到市电上；变压器B₁的付边有绕组L₁₄和两组完全相同并对称的绕组L₁₂和L₁₃，绕组L₁₂和L₁₃的中心抽头为O₁，付边绕组L₁₂和L₁₃的电压经过两个完全相同的小容量电容C₁、C₂，接到电动机接线端子A和C上。这样，振荡器OSC产生的信号频率f₂的电压被加在电动机绕组L_AO和L_CO之间。绕组L₁₂、L₁₃对称相同，电容C₁与电容C₂也相等，电动机绕组L_AO和L_CO也是阻抗相同的，这时电机M的绕组中点O与变压器B₁的付边绕组中点O₁没有电位差，即可认为O₁点就是O点的虚拟电位点。这样就可推导出电动机绕组B点和变压器B₁的付边绕组L₁₂和L₁₃中间抽头O₁之间的电压，等于电动机绕组L_BO之间的电压。当电动机不转动时，虽然绕组L_AO、L_CO互成120°，但它们合成磁通与绕组L_BO垂直，所以绕组L_BO上没有感应电势。当电机转子转动时，转子导体切割绕组L_AO、L_CO的合成磁通，产生感生电流，这个感生电流构成的磁通正好与绕组L_BO耦合，于是绕组L_BO就有电势输出。绕组L_BO上电势大小与电动机转子转速成正比，频率同电动机绕组L_AO，L_CO中流过的电流频率f₂一致，相位同转子转向相对应。即转向相反时，绕组L_BO的输出电压相位相反，这样绕组L_BO电压实时地反应了电动机的转速和转向。

第III部分是一个相敏检波电路，其中变压器B₂的绕组L₂₁通过一个小电容C₃接到电动机绕组B端头和变压器B₁的付边绕组中心抽头O₁上。由于绕组L₂₁上的电压等于绕组L_BO上的电压，而绕组L_BO的电压是反应了电动机的转速和转向的值，因此流过变压器绕组L₂₁的电流反应电动机M的转速和转向。

变压器B₂的付边绕组L₂₂、L₂₃和互补晶体管T₁、T₂，电位器R₂，电阻R₁、R₃、R₄、R₅和R₆，电容C₄构成相敏检波电路。一个基准相位电压从变压器B₁的另外一个付边绕组L₁₄上引出接到电阻R₄，再通过电位器R₂加到互补晶体管对T₁、T₂的基极上，电阻R₁、R₃阻值相同，它们和电位器R₂的阻值使晶体管T₁、T₂工作点合理化。变压器B₂的付边绕组L₂₂和L₂₃完全对称相同，其连接点为中点接公共端E。

当某一瞬间，绕组L₁₄的电压使晶体管T₁基极导通时，如果此瞬间T₁集电极为正，即发射极就会有输出，最终经电阻R₅、电容C₄滤波就有直流电压正向输出，其幅值与电动机转速成正比。

当电动机反转时，某一瞬间L₁₄的电压使T₁基极导通，但此时晶体管T₁集电极的电压为负，其发射极就没有输出。接下去下半周绕组L₁₄的电压变负，使晶体管T₂基极导通，而此时绕组L₂₂输出使晶体管T₂集电极为负电压；使晶体管T₂的发射极有负输出，最终经电阻R₅、电容C₄滤波就有直流负电压输出，其幅值与电动机转速成正比，其极性负反应电动机反转。

互补晶体管T₁和T₂应对称，当晶体管T₁为NPN管时，晶体管T₂必为PNP管；当晶体管T₁为PNP管时，晶体管T₂必为NPN管，如图1所示T₁为NPN管，T₂为PNP管。

此相敏检波严格服从基准频率f₂的控制，任何不是f₂频率的信号都不会被检出；任何干扰即使某瞬间被检出，但另一瞬间检出的极性可能相反，最终因电阻R₅、电容C₄的作用干扰的交流成分性质被平滑，在测速输出端得到是直流电压。而这个直流电压是真正f₂频率的才被相敏检波的直流电压，该直流电压与被测电动机M的转速成正比，其极性与电动机转向有关(见图2)。

相敏检波的另一优点是克服了本电路中存在的f₁频率信号的干扰。电路中f1频率信号十分强大，绕组L_BO上f₁频率的电压因不能与f₂频率信号同步而不能被相敏检波检出，也即相敏检波只检出f₂频率的信号，这个f₂频率信号与电动机M转速和转向相关。

为了进一步减小f₁频率信号成份对f₂频率信号成份的影响，本电路中的电容C₁、C₂、C₃都是容量较小的电容，使得对f₂频率信号的阻抗小，对f₁频率信号的阻抗大，有效地衰减f₁频率电压，减少f₁频率信号对被测值的影响。

通常振荡器OSC馈入的f₂频率信号至少为驱动电源f₁频率信号的10倍至100倍，因频率相差越远越能有效地减弱两者之间的影响。f₂频率信号送到电动机绕组L_AO、L_CO上要有足够的幅度，以提高本检测方案的信噪比。

电位器R₂可以精确地调整到静态测速输出为零，以减少零位误差，这对本电路的应用十分重要。同样振荡器OSC馈入的f₂频率信号的输出要有很好的幅度稳定性，因为任何f₂频率信号的电压幅度变化都将影响到测速的输出值。扼流圈RF_U、RF_V、RF_W不可省略，而且要求对振荡器OSC馈入的频率f₂信号形成足够衰减，否则频率f₂信号的电流会进入频率f₁的驱动电源中去。

使用本测速装置测得的输出直流电压与转速之间的转换读数值可在装置完成后作校准，校准的方法可以是调整振荡器OSC输出幅度大小，或者在测速输出端用电位器调整，使得被测电动机转速与直流输出电压成正比例关系。

本装置使用的转速表ZS，可以用直流电压表改装，表盘中央为0，右边为正值，左边为负值，其正负值表示电动机旋转方向，幅值表示转速。当被测异步电动机在额定转速时，直流电压表的指示应为最大值，当被测异步电动机停转时，直流电压表的指示应为0。

当本测速装置作为转速测量输出使用时，在电容C₄两端不必接转速表ZS，把接转速表ZS的两端F、G作为输出，用作测速反馈电压使用。

本发明的最大优点是不必在异步电动机内部或外部安装任何转动部件，对这一点的要求是任何一个用户和自动控制测速人员所希望的，这会对实现异步电动机的自动控制，特别是变频调速控制带来极大的方便。

Claims (8)

1.一种测量异步电动机转速的装置，它由转速表ZS组成，其特征在于：它还有扼流圈RF_U、扼流圈RF_V、扼流圈RF_W、振荡器OSC、变压器B₁、变压器B₂、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、电阻R₁、电位器R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆、晶体管T₁和晶体管T₂组成；变压器B₁由原边绕组L₁₁、对称的付边绕组L₁₂和L₁₃以及付边绕组L₁₄组成；变压器B₂由原边绕组L₂₁、对称的付边绕组L₂₂和L₂₃组成；扼流圈RF_U的一端接三相交流电源的U相输入端，另一端接电容C₁的一端后形成U相输出端U₁，扼流圈RF_V的一端接三相交流电源的V相输入端，另一端接电容C₃的一端后形成V相输出端V₁，扼流圈RF_W的一端接三相交流电源的W相输入端，另一端接电容C₂的一端后形成W相输出端W₁；U相输出端U₁、V相输出端V₁和W相输出端W₁分别接被测异步电动机的三个接线端子A、B和C；电容C₁的另一端接绕组L₁₂的一端，电容C₂的另一端接绕组L₁₃的一端，绕组L₁₂的另一端和绕组L₁₃的另一端相接形成中点O₁接绕组L₂₁的一端，绕组L₂₁的另一端接电容C₃的另一端；绕组L₁₁的两端接振荡器OSC的两输出端(1)、(2)，振荡器OSC的两电源端R、N接市电；绕组L₂₂和绕组L₂₃串联的结点接公共端E，绕组L₂₂的另一端接电阻R₃的一端和晶体管T₂的集电极，绕组L₂₃的另一端接电阻R₁的一端和晶体管T₁的集电极，电阻R₁的另一端接电位器R₂的固定端和晶体管T₁的基极，电阻R₃的另一端接电位器R₂的另一固定端和晶体管T₂的基极，电位器R₂的滑动端接电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端接绕组L₁₄的一端，绕组L₁₄的另一端接晶体管T₁的发射极、晶体管T₂的发射极、电阻R₅和电阻R₆，电阻R₅的另一端接电容C₄和转速表ZS的一端，电阻R₆的另一端接电容C₄的另一端后接公共端E再接转速表ZS的另一端。

2.根据权利要求1所述的测量异步电动机转速的装置，其特征在于：所述振荡器OSC的振荡频率为U、V、W端驱动电源频率的10-100倍。

3.根据权利要求1所述的测量异步电动机转速的装置，其特征在于：所述转速表ZS为直流电压表，其极性表示电动机转向，幅值表示转速；当不用转速表ZS作观察时，该接转速表ZS的两端G、F可用作测速反馈电压使用。

4.根据权利要求1所述的测量异步电动机转速的装置，其特征在于：所述晶体管T₁和晶体管T₂为NPN-PNP互补晶体管对；即当晶体管T₁为NPN管时，晶体管T₂必为PNP管；当晶体管T₁为PNP管时，晶体管T₂必为NPN管。

5.根据权利要求1所述的测量异步电动机转速的装置，其特征在于：所述扼流圈RF_U、扼流圈RF_V和扼流圈RF_W相同，而且对频率f₁阻抗小，对频率f₂阻抗大。

6.根据权利要求1所述的测量异步电动机转速的装置，其特征在于：所述绕组L₁₂、绕组L₁₃相同，O₁为中心点。

7.根据权利要求1所述的测量异步电动机转速的装置，其特征在于：所述绕组L₂₂、绕组L₂₃相同，公共端E为中心点。

8.根据权利要求1所述的测量异步电动机转速的装置，其特征在于：所述电容C₁、电容C₂电容量相同；而且电容C₁、C₂、C₃对频率f₁阻抗大，对频率f₂阻抗小。