CN201430569Y - 电动机负载调节装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电动机运行节能控制装置。一种电动机负载调节装置，含有主控制回路，连接电动机的三相电流、电压检测电路，单片机控制电路，触发电路以及连接在主控制回路中的晶闸管，电流、电压检测电路输入连接单片机控制电路，单片机控制电路输出连接触发电路，触发电路控制连接晶闸管，三相电流和零序电流检测的电流信号分别经电压变换和放大后送给A/D转换器，经A/D转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机控制电路；电压检测电路输出电压信号经A/D转换器转换成数字信号送给单片机控制电路；单片机控制电路对所述电流和电压信号进行运算处理，通过其控制输出端口输出控制信号，通过一放大电路与触发电路的控制端口连接。
Description
一、技术领域：
本实用新型涉及一种电动机运行节能控制装置，特别是涉及一种根据电动机负载实时调节输出功率的电动机负载调节装置。
二、背景技术：
异步电动机是工农业生产过程中的主要动力设备，涉及工农业生产的各行各业。据有关报道，目前我国约有10亿台电机在运营，约占全国电网总负荷的60％。由于生产环境的多样性、复杂性，以及在运行过程中负载变化的随机性等因素的影响，在实际运行的电机系统中，约有6成的电机在低于设计额定负荷60％的负荷状态下运行，导致高达30％的用电被浪费。电动机负载率低，功率因数低，效率低，造成了很大的电能损耗。能源是国家“又好又快”发展的命脉，国家在《“十一五”十大重点节能工程实施意见》中，把电机系统节能工程放在了很重要的位置。在这种形势下研发推广电机节能技术，对推进我国节能型社会的建设有着积极的意义。
国内外相关领域的技术人员对电动机节能运行及控制技术进行了较多的研究，不少电器节能产品相继问世，如采用新材料新工艺新技术提高电动机电磁转化效率的新型节能电动机、变频调速技术等。虽然，目前的国内外变频调速技术已经非常成熟，但变频调速技术主要目的是调速，调控精度高，兼有较好的节能效果。在不需要调速的场合，由于其技术复杂、价格高等原因，使得变频调速控制的性能价格比显得较低。而在生产机械中，广泛使用的中、小型电动机大部分只需要节能而不需要甚至是不允许调速，变频调速技术显然不适应这种情况。目前为止，中、小电动机运行过程中的节能技术装备仍处于开发阶段，还没有相对成熟的集节能、控制、保护于一体的技术和产品问世。
三、实用新型内容：
本实用新型针对现有技术不足，提出一种电动机负载调节装置，主要由主控制回路、触发电路、检测电路和单片机控制电路等组成，通过对电动机空载和轻载运行时进行合理的控制，提高效率和功率因数，进而达到节能的目的。
本实用新型所采用的技术方案：
一种电动机负载调节装置，含有输出连接电动机的主控制回路，连接电动机的三相电流、电压检测电路，单片机控制电路，触发电路以及连接在主控制回路中的晶闸管，三相电流、电压检测电路输入连接单片机控制电路，单片机控制电路输出连接触发电路，触发电路控制连接晶闸管，其特征是：含有零序电流检测电路，三相电流和零序电流检测的电流信号分别经电压变换和放大后送给A/D转换器，经A/D转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机控制电路；电压检测电路输出电压信号经A/D转换器转换成数字信号送给单片机控制电路；单片机控制电路对所述电流和电压信号进行运算处理，通过其控制输出端口输出控制信号，该控制输出端口连接一放大电路，所述放大电路输出端与触发电路的控制端口连接。
所述的电动机负载调节装置，含有实时显示、键盘操作系统，所述实时显示、键盘操作系统包括单片机U1，设置单片机U1的一组I/O输入端口分别与键盘按键S1-S5连接，一组I/O输出端口和液晶显示器连接；单片机U1设置一组通讯端口和一个控制端口经光电隔离后连接一通讯芯片的对应输入及控制功能端，所述通讯芯片数据端口通讯连接上位机，完成与上位机的数据传输与数据交换；单片机U1的串行通讯端口与单片机控制电路中单片机U2的对应端口连接，实现与单片机控制电路的数据交换。
所述的电动机负载调节装置，A相、B相、C相和零序电流互感器将对应相的工作电流信号经变压器和一转换电阻变换为电压信号经耦合电阻送给运算放大器，运算放大器输出放大信号接入A/D转换器，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机控制电路中单片机U2；电流信号变换为电压信号通过输入保护二极管连接运算放大器。
所述的电动机负载调节装置，电压检测电路输出电压信号经电阻耦合接入运算放大器U7，运算放大器U7输出电压信号经电阻耦合接入A/D转换器U4，A/D转换器U4与单片机U2的一个I/O输入端口连接，将数字信号送给单片机U2。
电动机节能机理分析：三相异步电动机运行时需要从电网吸收感性无功功率来建立磁场，所以异步电动机的功率因数总是滞后的。空载时，定子电流主要是无功励磁电流，因此功率因数很低，通常不超过0.2。负载运行时，随着负载的增加，功率因数逐渐上升，在额定负载附近，功率因数最高。
电动机在正常运行范围内因主磁通和转速变化很小，故铁损耗PFe及机械损耗Pmec认为是不变损耗。而定子、转子的铜损PCu1和PCu2、附加损耗Pad随负载而变，称为可变损耗。当负载增大到可变损耗等于不变损耗时，效率达最高。一般在(0.7～1.0)PN范围内效率最高。由于异步电动机空载时，转差率s很小，转子电流很小，转子的铜损可以忽略。此时输入功率消耗在定子的铜损PCu1＝3R1I0 2、铁损耗PFe、机械损耗Pmec和空载附加损耗Pad上，即：
P0＝3R1I0 2+PFe+Pmec+Pad
从空载功率P0中减去3R1I0 2，并用P0′表示，得
P0′＝P0-3R1I0 2＝PFe+Pmec+Pad
由于PFe和Pad随电压U1的变化而变化，而Pmec与电压U1无关，只取决于电动机转速的大小，当转速变化不大时，可认为Pmec为常数。因为PFe和Pad可认为与磁通密度的平方成正比，可近似地看成与端电压U1 2成正比。
通过以上的分析，若电动机长期空载欠载下运行，效率及功率因数均低，电能损耗很大，降低电压实际上是降低了电机的空载功率。
本实用新型电动机负载调节器，根据电动机运行特性，在电机运行中，通过电流取样信号判断负荷的工作状态，采用智能化的微处理器控制，动态调整输出的电压和电流。轻载时，自动降低输出电压，将励磁电流减少到仅仅与保持负荷的恒定转矩相匹配。负载增加时，电压将自动上升以防止电机失速，提高了电机的运行效率和功率因数，降低了电能的损耗，达到节电的目的。
本实用新型的有益积极效果：
1、本实用新型电动机负载调节装置根据电动机运行工况对电动机的输入电压进行跟踪控制，采用逼近法来降低异步电动机的工作电压，保证异步电机的输出功率与负荷转矩精确匹配，使电动机始终工作在最高效率状态，达到节电的目的。应用于生产实际，节电效果明显，经济效益和蛇会效益显著，将为节能减排做出积极的贡献。
2、本实用新型电动机负载调节装置实现了对异步电动机的节电运行控制，其推广应用，必将产生明显的经济效益和长远的社会效益。对于实现30～55kw的电动机节能控制装置，其成本指标分析如下：外壳：200元；智能控制板：2500元；功率开关元件：1500元；加工成本：200元(含配件工资部分)；管理费：100元；设备折旧：300元；税金：800元。合计：5600元。以一台长期运行的30kW水泵电动机为例，每小时耗电量为30度，每天耗电量为720度，若负载率为70％，根据工业性试验的实测数据，节能装置投入运行后，电动机实际消耗功率由21.1kw降低到16.5kw，降低消耗功率4.6kw，每天运行20小时，则年节约电能33580度，每度电价按0.6元计算，每年可以节约电费20148元。
3、本实用新型电动机负载调节装置的开发意义不单单在于降低电动机的运行损耗，降低企业生产成本的经济效益，同时也具有不可估量的社会效益：节能减排，降低资源浪费，同时有利于环境保护。
四、附图说明：
图1：本实用新型电动机负载调节装置原理框图
图2：本实用新型电动机负载调节装置中单片机控制电路原理框图
图3：本实用新型电动机负载调节装置电压、电流检测电路原理图
图4-1：本实用新型电动机负载调节装置A/D转换电路原理图
图4-2：本实用新型电动机负载调节装置控制电路单片机U2原理图
图5：电动机负载调节装置实时显示、键盘操作系统电路原理图
图6：电动机的调节特性与自然运行比较：视在功率曲线图
图7：电动机的调节特性与自然运行比较：无功功率曲线图
图8：电动机的调节特性与自然运行比较：负载电流曲线图
五、具体实施方式：
实施例一：参见图1、图2，本实用新型电动机负载调节装置，含有输出连接电动机的主控制回路，连接电动机的三相电流、电压检测电路，单片机控制电路，触发电路以及连接在主控制回路中的晶闸管，三相电流、电压检测电路输入连接单片机控制电路，单片机控制电路输出连接触发电路，触发电路控制连接晶闸管，含有零序电流检测电路，三相电流和零序电流检测的电流信号分别经电压变换和放大后送给A/D转换器，经A/D转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机控制电路；电压检测电路输出电压信号经A/D转换器转换成数字信号送给单片机控制电路；单片机控制电路对所述电流和电压信号进行运算处理，通过其控制输出端口输出控制信号，该控制输出端口连接一放大电路，所述放大电路输出端与触发电路的控制端口连接。
具体电路原理参见图3、图4-1、图4-2，图3中A相电流互感器将A相工作电流转换成按比例的小电流信号经T5、R2变换电压信号、与之连接的D05、D06为输入保护二极管。电压信号经R7、R9送给运算放大器U5的2、3端口，放大后的信号经R4、R5送给A/D转换器U1的15、16端口，A/D转换器U1将模拟信号转换成数字信号，数字信号经A/D转换器U1的20端口与单片机U2的45端口连接，将数字信号送给单片机U2；B相电流互感器将B相工作电流转换成按比例的小电流信号经T11、R20变换电压信号、与之连接的D07、D08为输入保护二极管。电压信号经R19、R25送给运算放大器U9的2、3端口，，放大后的信号经R14、R16送给A/D转换器U4的15、16端口，A/D转换器U1将模拟信号转换成数字信号，数字信号经A/D转换器U4的20端口与单片机U2的41端口连接，将数字信号送给单片机U2；C相电流互感器将C相工作电流转换成按比例的小电流信号经T13、R24变换电压信号、与之连接的D10、D12为输入保护二极管。电压信号经R41、R52送给运算放大器U11的2、3端口，，放大后的信号经R19、R20送给A/D转换器U5的15、16端口，A/D转换器U5将模拟信号转换成数字信号，数字信号经A/D转换器U5的20端口与单片机U2的46端口连接，将数字信号送给单片机U2；电压互感器经T4、R1将工作电压转换成按比例的电压信号、与之连接的D03、D04为输入保护二极管。电压信号经R2、R3送给A/D转换器U1的10、11端口，A/D转换器U1将模拟信号转换成数字信号，数字信号经A/D转换器U1的20端口与单片机U2的45端口连接，将数字信号送给单片机U2；零序电流互感器经T6、R3将漏电信号转换成电压信号、与之连接的D03、D04为输入保护二极管。电压信号经R10、R12送给运算放大器U7的2、3端口，放大后的信号经R19、R20送给A/D转换器U4的10、11端口，A/D转换器U4将模拟信号转换成数字信号，数字信号经A/D转换器U4的20端口与单片机U2的41端口连接，将数字信号送给单片机U2。单片机U2的19端口为系统的控制输出端口，该端口经R26与运算放大器UA1A的3端口连接，运算放大器UA1A的1端口与触发板的控制端口连接。图4-2中单片机U2完成该系统的数据采集、信号放大、A/D转换、数据处理、以及控制输出功能。
实施例二：参见图1、图2、图3、图4-1、图4-2、图5。本实施例电动机负载调节装置，同实施例一不同的是：含有图5所示的实时显示、键盘操作系统，与单片机U2的数据交换以及与上位机的通讯通过485芯片U42实现。其连接关系如下：单片机U1的4-8端口操作输入端口与键盘S1-S5连接，和液晶显示器一起完成人机对话，实现参数设置、故障查询功能。单片机U1的21-24、26-28、32-39端口与液晶显示器4-17端口连接，完成适时参数显示、参数设置、故障查询功能。单片机U1的12、13、25端口与光耦合器U2-U4端口连接，光耦合器U2-U4端口与485芯片U42的1-4，连接，完成与上位机的数据传输与数据交换。单片机U1的11、12端口与单片机U2的19、21端口连接，实现两个单片机U1、U2的数据交换。
本实用新型电动机负载调节装置，利用单片机技术，采用C语言进行程序设计，开发相应的检测、比较、运算、控制软件程序；开发相应的控制电路，完成电动机节电运行、软起动、软停止、综合保护等功能控制。1)、功率因数反映了异步电动机运行时负荷情况，通过检测异步电动机运行时功率因数，可得到异步电动机运行时的负载状况。2)、若异步电动机工作在轻载、空载状态下，通过逼近法控制异步电机的供电电压，使异步电机的输出功率与负荷转矩精确匹配。使异步电机可在空载和大多数负荷情况下保持较高的效率。3)、通过对电流、电压、功率因数、转速的检测实现对异步电动机的节电运行以及综合保护，包括过载、短路、缺相、漏电、软启、软停等多项保护。
本实用新型电动机负载调节装置，采用单片机技术检测被控电动机的转矩、功率因数等数据，根据电动机运行工况对电动机的输入电压进行跟踪控制，当电动机空载或轻载时，输出转矩小，功率因数低，空载电流大，空载损耗大，效率低，调节装置逐步降低输出电压，当达到新的平衡时，电动机在低电压下稳定运行。当电动机负载增加时，调节装置升高输出电压，电动机输出功率加大，保证输出扭矩的平衡，电动机始终工作在最高效率状态。由于电动机空载或轻载时，调节装置降低输出电压，电动机在低电压下运行，大大降低了空载电流和无功功率，电动机的效率和功率因数始终运行在较高的状态，因此节电效果显著。不同电动机负载时节电效果不同，下面以一台4kw电动机为例分析机电效果。分别参见表1～表5：
表1：电动机P＝0.0515kW(负荷率＝1.3％)时节电效果分析
| 项目 | 不经调节 | 经调节 | 降低量 | 降低百分比 |
| 视在功率kVA | 3.61 | 1.70 | 2.61 | 47.75％ |
| 无功功率kvar | 3.56 | 1.65 | 2.61 | 47.75％ |
| 负载电流A | 5.5 | 3.2 | 2.2 | 23.75％ |
| 电压V | 380 | 296 | 74 | 21.57％ |
表2：电动机P＝0.635kW(负荷率＝15.9％)时节电效果分析
| 项目 | 不经调节 | 经调节 | 降低量 | 降低百分比 |
| 视在功率kVA | 3.59 | 2.17 | 1.42 | 35.50％ |
| 无功功率kvar | 3.52 | 2.06 | 1.46 | 36.44％ |
| 负载电流A | 5.6 | 3.9 | 1.75 | 17.50％ |
| 电压V | 374 | 295 | 79.00 | 20.79％ |
表3：电动机P＝1.21kW(负荷率＝30％)时节电效果分析
| 项目 | 不经调节 | 经调节 | 降低量 | 降低百分比 |
| 视在功率kVA | 3.63 | 2.79 | 0.85 | 21.13％ |
| 无功功率kvar | 3.43 | 2.60 | 0.83 | 20.75％ |
| 负载电流A | 5.60 | 4.68 | 0.93 | 9.25％ |
| 电压V | 374.00 | 338.00 | 36.00 | 9.47％ |
表4：电动机P＝1.6kW(负荷率＝40％)时节电效果分析
| 项目 | 不经调节 | 经调节 | 降低量 | 降低百分比 |
| 视在功率kVA | 3.77 | 3.11 | 0.66 | 16.44％ |
| 无功功率kvar | 3.40 | 2.70 | 0.70 | 17.56％ |
| 负载电流A | 5.9 | 5.2 | 0.65 | 6.50％ |
| 电压V | 374.00 | 342 | 32.00 | 8.42％ |
表5：电动机P＝2.935Kw(负荷率＝73％)时节电效果分析
| 项目 | 不经调节 | 经调节 | 降低量 | 降低百分比 |
| 视在功率kVA | 4.26 | 4.16 | 0.10 | 2.50％ |
| 无功功率kvar | 3.34 | 2.88 | 0.46 | 11.44％ |
| 负载电流A | 6.7 | 6.65 | 0.05 | 0.50％ |
| 电压V | 373.00 | 352 | 21.00 | 5.53％ |
从上面的分析可以看出在电动机的负载率较低时节电效果最显著，当电动机的负载率达到70％以上时，电动机的调节特性与自然运行特性差别不大。
图6～图8分别为电动机的调节特性与自然运行比较之视在功率、无功功率和负载电流曲线图，从图中可以清楚的看出：电动机负载调节控制器能根据电动机负载变化连续地调节电动机的输入电压，保证电动机始终工作在最高效率状态。其电动机电压自动跟踪电动机空载时的功率因数，空载有功节电率≥40％，有功综合节电率10％～30％。一台55kw电机的制冷机使用电动机负载调节控制器一年可降低电耗15％～20％，可节约电费6～8万元，6个月可收回投资。同时大大延长了用电设备的寿命，也间接的节约了开支，有着广泛的推广应用前景。
Claims (4)
1、一种电动机负载调节装置，含有输出连接电动机的主控制回路，连接电动机的三相电流、电压检测电路，单片机控制电路，触发电路以及连接在主控制回路中的晶闸管，三相电流、电压检测电路输入连接单片机控制电路，单片机控制电路输出连接触发电路，触发电路控制连接晶闸管，其特征是：含有零序电流检测电路，三相电流和零序电流检测的电流信号分别经电压变换和放大后送给A/D转换器，经A/D转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机控制电路；电压检测电路输出电压信号经A/D转换器转换成数字信号送给单片机控制电路；单片机控制电路对所述电流和电压信号进行运算处理，通过其控制输出端口输出控制信号，该控制输出端口连接一放大电路，所述放大电路输出端与触发电路的控制端口连接。
2、根据权利要求1所述的电动机负载调节装置，其特征是：含有实时显示、键盘操作系统，所述实时显示、键盘操作系统包括单片机U1，设置单片机U1的一组I/O输入端口分别与键盘按键S1-S5连接，一组I/O输出端口和液晶显示器连接；单片机U1设置一组通讯端口和一个控制端口经光电隔离后连接一通讯芯片的对应输入及控制功能端，所述通讯芯片数据端口通讯连接上位机，完成与上位机的数据传输与数据交换；单片机U1的串行通讯端口与单片机控制电路中单片机U2的对应端口连接，实现与单片机控制电路的数据交换。
3、根据权利要求1或2所述的所述的电动机负载调节装置，其特征是：A相、B相、C相和零序电流互感器将对应相的工作电流信号经变压器和一转换电阻变换为电压信号经耦合电阻送给运算放大器，运算放大器输出放大信号接入A/D转换器，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机控制电路中单片机U2；电流信号变换为电压信号通过输入保护二极管连接运算放大器。
4、根据权利要求3所述的所述的电动机负载调节装置，其特征是：电压检测电路输出电压信号经电阻耦合接入运算放大器U7，运算放大器U7输出电压信号经电阻耦合接入A/D转换器U4，A/D转换器U4与单片机U2的一个I/O输入端口连接，将数字信号送给单片机U2。
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| CN2009200908251U CN201430569Y (zh) | 2009-06-15 | 2009-06-15 | 电动机负载调节装置 |
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2009
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