CN101304225A - 电动机节能转换控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明电动机节能转换控制器涉及一种电动机控制领域，该控制器为继电器－接触器结构，控制面板上按钮通过转换板与中间继电器线圈相连，继电器触电向外扩展接触器，再由接触器控制电动机运行，由三个接触器实现整个工作流程的星形－三角形转换，三个接触器分别为KM1、KM2和KM3，每个接触器各带有两付辅助触点。KM1和KM2三相触点对应相短接形成星形连接，KM1和KM3各相触点首尾相接形成三角形连接，工作时，按下启动按钮PSB2，然后PLC控制器根据采集信号进行自动控制，实现电动机的三角形－星形自动转换连接。优点：利用PLC自动控制器实现异步电动机在运行过程中进行星形－三角形的自动相互转换，节省大量能源，控制器成本低廉，安装使用方便。

Description

电动机节能转换控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动机控制领域，适合于电动机节能转换控制装置使用。

背景技术

电能是现代大量应用的一种能量形式，这种能量形式有许多优点，如生产和变换经济，传输和分配容易，使用和控制方便等，人类自从使用了电能，从繁重的体力劳动中得到了解放，劳动生产率大大提高，并能完成手工劳动所不易或不能完成的生产任务，因此电能已成为国民经济各部门中动力的主要来源。

电能的生产、变换、传输、分配、使用和控制，都必须利用电机作为能量转换或信号变换的机电装置，在电力工业中，发电机和变压器是电站和变电所的主要设备，在工业企业中，大量应用电动机作为原动机去拖动各种生产机械，电机在拖动系统中是一种综合性的装置或元件。

电机是随着生产发展而产生和发展的，而电机的发展发过来又促进社会生产力的不断提高，在由电气化时代进入原子能、计算机及自动化时代的今天，不仅对电机诸如性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻、体积小等方面提出了越来越多的要求，而且随着自动控制系统和计算装置的发展，在旋转电机的理论基础上，发展出多种高精度、快响应的控制电机，成为电机学科的一个独立分支，与此同时，电力电子学等学科的渗透使电机这一较为成熟的学科得到新的发展。

近年来，就拖动系统中的主要设备——电动机而言，已生产了不少大型的直流电动机、异步电动机和同步电动机；在中小型电机和控制电机方面，亦逐渐向自行设计以实现特殊用途的多样化方向发展，由于生产上的需要，最近几年来，对电机的新原理、新结构、新工艺、新材料、新的运行方式和调试方法，进行许多研究和试验工作，取得了不少成就。

当代大中型工业企业实际生产中，普遍使用三相异步电动机作为原动机带动生产，存在的问题是：对于经常启动的电动机，过大的启动电流将造成电动机发热，影响电动机寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能造成短路而烧坏电动机，过大的启动电流还会使线路压降增大，造成电网电压显著下降而影响接在同一电网的其它用电设备工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载启动，因此一般规定，异步电动机功率低于7.5kW时允许直接启动，大功率电动机必须采用减压启动的方法，通过减压，把启动电流限制到允许的数值。

发明内容

为解决以上电动机浪费能源的不足，本发明的目的提供一种电动机节能转换控制器及控制方法，利用PLC可编程控制器，全部采用自动控制，实现电动机连接为星形-三角形的自动转换，以达到节约能源，成本低廉、安装方便、操作简单的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明电动机节能转换控制器包括有信号采集电路、PLC可编程控制器、中间继电器及交流接触器控制电路，信号采集电路包括有信号采集电流互感器、滤波电路的低通滤波器、运算放大电路、A/D转换及信号处理模块(如图1，2所示)，其电路联接：前面为信号采集，由供电电路上的电流互感器其输出联接到低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端联接运算放大器的输入端，运算放大器的模拟输出端联接A/D转换器及信号处理模块的输入端，其输出联接到PLC可编程控制器输入端，PLC可编程控制器输出联接到中间继电器，中间继电器同时与手动控制面板联接，中间继电器经交流接触器直接联接到三相异步电动机M(如图1所示)；中间继电器控制电路前面为交流220V，经直流电源24V直接并联三组继电器KA1、KA2、KA3供电线圈，线圈一组输入端分别为手动开关SB1、SB2、SB3；另一组分别为自动控制端Q0.1、Q0.2、Q0.3；与交流电源直接并接的为三组交流接触器KM1、KM2、KM3供电线圈，每个交流接触器线圈上串接一个上述继电器的对应工作接点和热过载继电器FR1、FR2、FR3(如图3所示)；交流接触器与电动机M联接是三相交流电源A、B、C分别经交流接触器KM1、KM2、KM3工作接点与电动机M电源输人端连接，供电路A、B、C上分别串接有断路器QF1、QF2和热过载继电器FR1(如图4所示)。

本发明控制器控制电动机的星形-三角形转换实际是其接入电源连接方式的转换，三个接触器实现整个工作流程的星形-三角形转换(如图3，4所示)，三个接触器分别为KM1、KM2和KM3，每个接触器各带有三相触点，KM1和KM2三相触点对应相短接形成星形连接，KM1和KM3各相触点首尾相接形成三角形连接，按下启动按钮SB1、SB2，KM1与KM2线圈首先得电，其触点闭合，此时KM3成开路状态，电动机在星形连接方式下启动，电流互感器检测电动机工作电流变化发送给PLC控制器，经过一个延迟时间t后，PLC经运算判定该电流达到预设的转换值，该转换值一般为电动机额定电流的60％，根据实际工作情况判定，转换值在PLC程序模块中设置，应满足电动机能够在星形连接方式下带轻载运行，则PLC控制器自动控制KA2线圈断电，KA3线圈得电，，KM2触点自动断开，KM3导通，此时KM1与KM3连接成三角形连接，完成电动机启动，电动机此时可带重载正常工作；

平稳运行时，KM1与KM3导通，线路连接为三角形，电流互感器Q检测电流发送给PLC，当电流达到转换值，KM3触点自动断开，KM2触点闭合与KM1再次形成星形连接，转换过程结束，电动机处于节能工作状态。

本发明节能转换过程完全由PLC控制器自动控制进行，控制方法由下列步骤组成：

1.开始：人工按下启动按钮，电动机运行，线路中电流逐渐增大；

2.电流互感器采集电流信号经过滤波、放大、A/D转换送入PLC控制单元；

3.根据检测值进行判断，是否达到转换值，该转换值一般为电动机额定电流的60％，根据实际工作情况判定，转换值在PLC程序模块中设置，应满足电动机能够在星形连接方式下带轻载运行，且转换过程平稳，电动机无较大振动的条件如达到，经延迟时间t，转换为星形省电连接；

4.互感器检测此时电流再次送入PLC控制器；

5.重复上面3进行判断，达到转换值，经延迟时间t，转换为三角形重载连接；

6.循环上一周期。(如图5所示)

PLC按编写好的程序检测该信号并发送返回值，该返回值存入内置存储器AIW0，并将其与VW100单元中的预设值进行比较，当该值达到预设值时，PLC将发出信号控制接触器，连接方式由三角形转换为星形，电动机自动转换为节能状态下工作。

本发明改变了三相异步电动机空载或轻载工作状态时的线路连接方式，即由传统的三角形接法转换为星形接法，这种接法的转换大幅降低了电动机的功率，从而达到节能省电的效果，由于工作电流的大幅降低，电动机带负载能力势必要下降，且其定子绕组、转子绕组的电、磁势、电磁转矩以及功率因数也受到影响。

三相异步电动机的星形-三角形转换是指电机内部供电电源接法的转换，电动机电源是对称的三相电源，由3个等幅值、同频率、初相依次相差120°的正弦电压源组成，其连接方式为星形(Y)或三角形(Δ)，(如图7，8所示)；

3个电源依次称为A相、B相和C相，它们的电压为：

$u_A=\sqrt{2}U\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)$

式中以A相电压u_A作为参考正弦量。它们对应的相量形式为：

式中α＝1∠120°，为工程上方便而引入了单位相量算子，对称三相电压源的波形及其相量(如图9所示)；

负载端用三个阻值相等的阻抗连接成星形或三角形，构成星形或三角形负载，称其对称三相负载；其接法(如图10，11所示)；

三相电源及负载的线电压和相电压、线电流和相电流之间的关系都与其连接方式有关；归纳如下：

(1)电压的关系：对于对称星形电源，依次设其线电压为

相电压为

(或

)，则有：

对于三角形电源有： ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AB}}={\stackrel{\·}{U}}_A,$ ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}={\stackrel{\·}{U}}_B,$ ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CA}}={\stackrel{\·}{U}}_C$

(2)电流的关系：对于星形连接，显然其线电流等于相电流。三角形连接则不同，设相电流分别为

3个线电流依次分别为

则有：

对于三相负载，其电压与电流值可根据上面两组公式来计算，正是由于三相电路中相线间的电压和电流存在着上述的比例关系，才使得电动机星形-三角形节能转换变为可能。

本发明的优点：利用PLC自动控制器实现异步电动机在运行过程中进行星形-三角形的自动相互转换，节省大量能源，避免了长时间电动机大电流运行，对电动机部件的损坏，本控制器成本低廉，安装使用方便。

附图说明

图1为本发明的电动机节能转换控制器控制方框图；

图2为本发明的电动机节能转换控制器电路原理图；

图3为本发明的电动机节能转换控制器中间继电器电原理图；

图4为本发明的电动机节能转换控制器接触器与电动机电原理图；

图5为本发明的电动机节能转换控制器节能转换控制方法流程图；

图6为本发明的电动机节能转换控制器异步电动机星形-三角形启动电原理图；

图7为本发明的电动机节能转换控制器电动机电源星形连接电原理图；

图8为本发明的电动机节能转换控制器电动机电源三角形连接电原理图；

图9为本发明的电动机节能转换控制器对称三相电压源波形和向量图；

图10为本发明的电动机节能转换控制器电动机星形负载连接电原理图；

图11为本发明的电动机节能转换控制器电动机三角形负载连接电原理图；

图12为本发明的电动机节能转换控制器异步电动机T型等效电路图；

图13为本发明的电动机节能转换控制器电动机发热温升曲线图。

具体实施方式

本发明电动机节能转换控制器详细结构及工作原理结合实施例加以说明。

其电路结构如图1，2所示，电机电流随负载的变化而变化，电源线上的电流互感器将检测到变化信号输入给低通滤波电路，低通滤波电路由低通滤波器及放大器组成，该放大器为070P输出联接到下一个运算放大器，该放大器为070P输出通过滤波器联接到A/D转换器的输入端，A/D转换器为6ES7231，输出联接到信号处理单元，信号处理单元为6ES7216，输出直接联接PLC可编程控制器；PLC可编程控制器输出联接中间继电器，通过交流接触器与三相异步电动机联接；

中间继电器电路如图3所示：中间继电器中Q0.1 Q0.2 Q0.3为中间继电器到PLC可编程控制器的输入点SA1——启动按钮  QF1——电源断路器(空开)  KQ1——电路断路器(热保护)  SB1——控制按钮  KA——中间继电器  L——指示灯  KM——交流接触器  FR——热过载继电器；A N为交流电源，A线接有总启动开关SA1，并串接断路热保护器KQ1，A N端接有断路器QF1，由于控制面板上的按钮和指示灯要求为直流24V，24V输出直接连接控制面板和继电器；接触器与电动机电路如图4所示：QF——断路器  Q——互感器  FR——热过载继电器  KM——交流接触器  M——三相异步电动机KM1与KM2联接为星形连接，KM1与KM3联接为三角形连接；

电动机节能转换控制器的工作流程如下：按下启动按钮SA1，准备工作开始，输入点Q向PLC发送信号，示意准备就绪，按下SB1、SB2，指示灯L1、L2亮，继电器KA1、KA2线圈得电，控制其触点闭合，接触器KM1、KM2线圈得电，三相触点以星形方式连接，电动机启动，电流互感器检测电动机工作电流变化并始终发送给PLC，经过一个延迟时间t之后，PLC经运算判定该电流值达到预设的转换值，该转换值一般为电动机额定电流的60％，根据实际工作情况判定，转换值在PLC程序模块中设置，应满足电动机能够在星形连接方式下带轻载运行，且转换过程平稳，电动机无较大振动的条件，此时，PLC控制器则自动控制KA2线圈失电，KA3线圈得电，进而KM2失电，KM3得电，线路连接方式转换为三角形，启动过程结束，电动机此时可带重载正常工作；

当电动机一个工作周期内重载部分结束，负载逐渐减小，变为轻载或空载，此时电流也逐渐减小，当该电流经运算判定减小至预设值时，PLC或微机再次发出信号，令KA3失电，KA2重新得电，线路连接方式再次转换为星形，电动机此时在节能状态下工作，直至负载重又增加，电流值再次增大到转换值时，PLC再次动作，一个工作周期结束；

在一个工作周期内，继电器KA1始终得电，KA2、KA3根据需要轮流得电、失电，PLC控制系统两次发出转换指令，接触器动作两次。

附表2立方米混凝土搅拌站测试数据表

以下分两种方式计算节电量，该计算为粗略计算，详细分析转换后参数变化量：

(1)工作一年时间的电能节省量计算：

每日轻载或空载状态下的工作时间为：

$T_1=\frac{t_2}{T}{T}_d=\frac{40}{60}18h=15h$

由总功率计算公式 $P=\sqrt{3}\mathrm{UI}$ 可得，改由星形接法后比原有三角形接法消)耗功率减少量为：

$\mathrm{\Δp}=P_1-P_2=\sqrt{3}U(I_{\mathrm{\Δ}}-I_Y)=1.732\×380(77-22)W\≈36.2\mathrm{kW}$

则每年可节省电量为：

Q_y＝ΔpT₁T_y＝36.2×15×300＝162900kW/h＝1.6×10⁵度

(2)搅拌1万立方米混凝土的电能节省量为：

由式(2-2)可得，每搅拌一立方米混凝土可省电：

$\mathrm{\Δq}=\frac{\mathrm{\Δp}}{A}=\frac{36.2}{85}\mathrm{kW}/h=0.426\mathrm{kW}/h$

则搅拌1万立方米混凝土的电能节省量为：

Q＝Δq×10000＝0.426×10000kW/h＝4260度

三相异步电动机工作性能，异步电动机最初启动性能，示异步电动机最初启动性能的两个主要指标是最初启动转矩T_st和启动电流I_st，启动时既要求转矩大，以便加快启动过程，及能在负载下启动，同时要求启动电流要小，以免启动电流在电网上引起较大的电压降落，影响到接在同一电网上其他电气设备的正常工作，实际异步电动机却是最初启动电流较大，而最初启动转矩并不大，一般笼型电动机的最初启动电流为(5～7)I_N，最初启动转矩为(1.5～2)T_N；最初启动电流较大是在刚刚启动时，转子处于静止状态，旋转磁场以较大的转速切割转子导体，在转子中产生较大的电势，因而产生较大的电流，由于磁势平衡关系，定子绕组中也将流过较大的电流；

最初启动转矩不大是在刚刚启动时，转速n＝0，转差率s＝1，因此转子频率较高，转子电抗数值较大，转子边的功率因数很低，从电磁转矩公式

可知，

最初启动时，虽然转子电流I₂较大，但由于转子边的功率因数很低，所以电磁转矩仍然不大；

为解决启动时电流大，异步电动机采用降压启动，降压启动方式很多，使用星形-三角形(Y-Δ)方法启动异步电动机就是其中应用较为普遍的一种，在运行时电动机连接成三角形，而且每相绕组引出两个出线端，三相共引出六个出线端，在启动时，先将三相定子绕组连接成星形，待转速接近稳定时再改为连接成三角形，这样，启动时连接成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形连接时的

由于三角形连接时绕组内的电流是线路电流的1/3，而星形连接时两者则是相等的，因此，连接成星形启动时的线路电流只有连接成三角形直接启动时线路电流的1/3，由于启动转矩T_st∝U²，T_st也要降低到直接启动时的1/3，因此这种启动方法只适用于空载或轻载启动；笼型异步电动机星形-三角形启动时，将开关Q₂投向“Y”位置，定子绕组连接成星形，电动机减压启动，当电动机转速接近稳定值时，将开关Q₂迅速投向“Δ”侧，使定子绕组连接成三角形运行，启动过程结束(如图6所示)

电动机停转，可直接断开电源开关Q₁，并应随手断开开关Q₂，将其放在中间位置，否则下次启动时将造成直接启动，这是不运行的；

星形-三角形启动只能用于正常运转的定子绕组连接成三角形的电动机，即额定电压为380V/600V的电动机；

优点：体积小、重量轻、成本低、运行也可靠，而且检修方便；其缺点时启动电压只能降到

不能按不同的负载选择不同的启动电压；

异步电动机转矩平衡与电磁转矩，在电动机内部，输入定子的电能转换成转子输出的机械能是通过转子上产生的电磁力而实现的，由电磁力产生电磁转矩，电磁转矩是电动机中进行机电能量转换的基础；由异步电动机转子上的机械功率平衡方程式，把方程式两边都除以转子的机械角速度Ω，便得到与各项机械功率相对应的转矩及转矩平衡方程式，即：

$\frac{P_2}{\mathrm{\Ω}}=\frac{P_{\mathrm{\Ω}}}{\mathrm{\Ω}}-\frac{p_{\mathrm{\Ω}}+p_{\mathrm{\Δ}}}{\mathrm{\Ω}}$

于是：T₂＝T-T₀

由上式得出，电动机所产生的电磁转矩T，应该和它本身的阻力转矩T₀及输出的机械转矩T₂相平衡，电动机稳定运行时，电动机的输出转矩T₂与它所拖动的机械负载转矩相平衡，异步电动机电磁转矩T的计算公式如下：

$T=\frac{P_{\mathrm{\Ω}}}{\mathrm{\Ω}}=\frac{P_{\mathrm{\Ω}}}{\frac{2\mathrm{\πn}}{60}}=\frac{m_1{I^{\′}}_2^2\frac{1-s}{s}{R}_2^{\′}}{\frac{{2\mathrm{\πn}}_1(1-s)}{60}}=\frac{m_1{I^{\′}}_2^2\frac{R_2^{\′}}{s}}{\frac{{2\mathrm{\πn}}_1}{60}}=\frac{P_M}{{\mathrm{\Ω}}_1}$

式中：T——电磁转矩，单位为N·m；

      P_Ω——全机械功率，单位为W；

      Ω——转子的机械角速度， $\mathrm{\Ω}=\frac{2\mathrm{\πn}}{60},$ 单位为rad/s；n——转子转速，n＝n₁(1-s)；

      n₁——旋转磁场的同步转速；

      Ω₁——旋转磁场的同步角速度， ${\mathrm{\Ω}}_1=\frac{{2\mathrm{\πn}}_1}{60}=\frac{2\mathrm{\π}}{60}\frac{{60f}_1}{p}=\frac{{2\mathrm{\πf}}_1}{p}.$

由于同步转速是恒定不变的，因此式(3-7)表示着电磁转矩与电磁功率成正比的关系。若将其用参数形式表示，则有：

$T=\frac{m_1{I^{\′}}_2^2\frac{R_2^{\′}}{s}}{{\mathrm{\Ω}}_1}=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_1}\frac{m_1{U}_1^2\frac{R_2^{\′}}{s}}{{(R_1+\frac{R_2^{\′}}{s})}^2+{(X_{1\mathrm{\σ}}+X_{2\mathrm{\σ}}^{\′})}^2}$

若将上式对s微分，并令 $\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{ds}}=0,$ 便得到：

$s_m=\frac{R_2^{\′}}{\sqrt{R_1^2+{(X_{1\mathrm{\σ}}+X_{2\mathrm{\σ}}^{\′})}^2}}$

式中s_m为临界转差率，对于一般电机而言，s_m＝0.08～0.2。把式(3-9)代入式(3-8)中，即可得到电磁转矩的最大值为：

$T=\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}_1}\frac{m_1{U}_1^2}{2[R_1+\sqrt{R_1^2+{(X_{1\mathrm{\σ}}+X_{2\mathrm{\σ}}^{\′})}^2}]}$

以上三式得出，异步电动机的最大转矩T_m与电网电压U₁的平方成正比，且与转子电阻R′₂的数值无关，对于已制造好的电机来说，当外加电压及频率不变时，电磁转矩只与其转差率有关，电磁转矩反应了异步电动机带负载的能力，转矩越大，带负载的能力也就越强。

本发明拟在电动机轻载或空载运行时将电源接法由三角形转换为星形，由于星形接法带负载能力较差，因而必须设法使电机星形接法下仍具备一定的负载能力，在电磁转矩理论的基础上，可得到，当接法转换为星形后，定子电流减小，频率降低，旋转磁场同步转速n₁、同步角速度Ω₁均减小，电磁转矩T增大，虽然相比三角形接法电机带负载能力下降，但下降幅度仍可维持轻载状态下正常运行。

本发明的最终目的是节能，因此需要对电动机的基础能耗及转换前后的耗能变化做出计算，从理论和数据两方面验证其可靠性，由Q＝Pt可得，能量的消耗可用做功的多少间接计算，即可通过计算电动机的功率消耗来计算电能，为此，异步电动机T型等效电路，计算各部分消耗功率的具体情况(如图12所示)；

从图中可以观察到异步电动机中的功率平衡关系。由电网供给电动机的输入功率为：

式中：U₁，I₁——分别表示定子的相电压及相电流；

——定子电路的功率因数角。

输入功率中的一小部分消耗于定子绕组中的电阻损耗，即定子铜耗，其值为：

$p_{\mathrm{Cu}1}=\sqrt{3}{I}_1^2{R}_1$

另一小部分消耗于定子铁芯中的涡流及磁滞损耗，即铁耗，其值为：

$p_{\mathrm{Fe}}=\sqrt{3}{I}_m^2{R}_m$

由于在正常运行时转差率s很小，转子铁芯中磁通变化的频率很低，通常仅为1～3Hz，输入功率减去定子铜耗和铁耗以后，余下的功率全部送入转子，这部分借助电磁感应作用通过气隙由定子传递到转子的功率，称为电磁功率P_M，则有：

P_M＝P₁-p_Cu1-p_Fe    由等效电路可知：

或

$P_M=\sqrt{3}{I_2^{\′2}R}_2^{\′}+\sqrt{3}{I}_2^{\′2}\frac{1-s}{s}{R}_2^{\′}$

式中：

——转子电路的功率因数角；

上式表明，传递到转子的电磁功率，一部分转变为转子的铜耗 $p_{\mathrm{Cu}2}=\sqrt{3}{I}_2^{\′2}{R}_2^{\′},$ 余下来的大部分则消耗在等效静止转子的附加电阻上，该电阻代表转轴上所产生的全部机械功率，则有：

$P_{\mathrm{\Ω}}=\sqrt{3}{I}_2^{\′2}\frac{1-s}{s}{R}_2^{\′}$

异步电动机所产生的总机械功率P_Ω并不能全部输送出去，因为转子转动时还存在着轴承摩擦及风阻摩擦等引起的机械损耗p_Ω，此外在定子和转子中还存在杂散损耗p_Δ，产生杂散损耗的原因是：电动机定子及转子绕组中流过电流时，除了产生基波磁通外，还产生高次谐波磁通及其它漏磁通，当这些磁通穿过导线、定子及转子铁芯、机座、端盖等金属部件时，会在其中感应电势和电流并引起损耗，这部分损耗就称为杂散损耗，杂散损耗不易计算，通常用经验数据选取，异步电动机满载运行时，对于铜条笼型转子的杂散损耗为：

p_Δ＝0.5％P_N

对于铸铝笼型转子：p_Δ＝(1～3)％P_N

深入的理论分析表明，杂散损耗中的绝大部分是由机械功率供给的，所以从总机械功率中减去机械损耗和杂散损耗后，才能得到异步电动机转轴上所输出的机械功率P₂，即：

P₂＝P_Ω-p_Ω-p_Δ

综合上述各式，可以得到异步电动机的功率平衡方程式如下：

P₁＝p_Cu1+p_Fe+p_Cu2+p_Ω+p_Δ+P₂＝∑p+P₂

式中：∑p——电动机的总损耗，∑p＝p_Cu1+p_Fe+p_Cu2+p_Ω+p_Δ；

      P_M——电磁功率，P_M＝p_Cu2+p_Ω+p_Δ+P₂；

P_Ω——全机械功率，P_Ω＝p_Ω+p_Δ+P₂。

异步电动机的效率为输出功率与输入功率之比，即：

$\mathrm{\η}=\frac{P_2}{P_1}\×100\%=\frac{P_1-\mathrm{\Σp}}{P_1}\×100\%=(1-\frac{\mathrm{\Σp}}{P_1})100\%$

电动机满载时的效率最高，可达到η_N＝(72～93)％之间，电机容量越大，其效率就越高；可以把式(3-15)改写成如下形式，得到转子铜耗与电磁功率的关系，即：

$s=\frac{\sqrt{3}{I}_2^{\′2}{R}_2^{\′}}{P_M}=\frac{p_{\mathrm{Cu}2}}{P_M}$

由式可以看出，转子铜耗与电磁功率之比等于异步电动机的转差率。转子电阻越大时，转子的铜耗便越大，因此转差率也越大，转速便越低；

在实际生产中，不论有用功还是机械损耗，即便是铜铁损耗、杂散损耗都势必要消耗一部分电能，只有有时数值很小而被忽略，因此，节省电能可以从很多角度出发，降低损耗，提高效率是可行的途径；

利用星形-三角形接法的转换，以牺牲功率为代价使得电动机轻载或空载运行时消耗比原来小得多的电能，，根据转差率与电动机定子电流及其转矩的关系，在由三角形接法转换为星形接法之后，电动机的转速基本维持原有速度不变，这样就使两种接法的转换是在一个较平稳的条件下进行的，没有太多的波动，进而也就不会对电网造成过大的影响和损害；

本发明的可靠性，还有一个因素，这就是电动机的发热损耗，对于长时间连续工作的电动机，其发热是由于工作时在其内部产生损耗Δp造成的，其值为：

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{\ΔP}=P_1-P_2=P_2(\frac{1}{\mathrm{\η}}-1)$

Φ＝ΔP＝P₁(1-η)

Φ＝ΔP＝p₀+p_Cu

式中：Φ——热流量(电动机单位时间内发出的热量)(W)；

      P₁——电动机的输入功率(W)；

      P₂——电动机轴上的输出功率(W)；

      η——电动机的效率；

      p₀——不变损耗，即空载损耗，包括铁损与机械损耗，仅与转速有关，而与负载的大小无关；

p_Cu——可变损耗，即铜耗，随负载变化而变化，与负载电流平方成正比，由于上述损耗及输入输出功率的存在，电动机在工作过程中势必要产生热量，而在工作方式即星形-三角形接法转换的过程中，这种发热现象尤为明显，在电动机高速旋转的情况下频繁切换连接方式，其中的发热过程除上式所述之外，还应存在转轴摩擦产生的热量和接触器触点开闭引起的电火花，这些热量对电动机及接入电网都将造成一定的损害，因此，电动机的发热过程中找出一个时间点，在该点上切换星形-三角形连接方式，使热损耗和电火花最小甚至消除；电动机发热的具体情况较为复杂，可把电动机看成是一个在任何时候各部分温度均

相同的均匀整体，其热容量可用一个系数表示，电动机向周围介质散发的热量与二者的温度差(即温升τ)成正比关系；

为了求出表达电动机发热情况的温升变化曲线τ＝f(t)，首先应写出热量平衡的基本方程。在时间dt内，电动机所发出的热量Φdt有两个去向，一部分Cdτ被电动机吸

收，使电动机的温度升高dτ(C为电动机的热容，即使电动机温度升高1℃所需的热量，单位为J/K)，另一部分是向周围介质散发的热量aSτdt或Aτdt，其中A＝aS为电动机的散热系数，即电动机与周围介质温度相差1℃时，单位时间内电动机向周围介质散发的热量，单位为W/K；S为散热表面积，单位为m²；a为传热系数，即温升1℃时，每秒钟从每平方米的面积上散发的热量，单位为W/(m²·K)。这样，可以写出热平衡方程式：

Φdt＝Cdτ+Aτdt

将Adt除以上式，整理后得：

$\mathrm{\τ}+\frac{C}{A}\frac{\mathrm{d\τ}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\Φ}}{A}$

令C/A＝T，Φ/A＝τ_W，得基本形式的微分方程为：

$\mathrm{\τ}+T\frac{\mathrm{d\τ}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\τ}}_W$

其解为下列形式：τ＝τ_W(1-e^-t/T)+τ_Qe^-t/T

式中：τ_Q——发热过程的起始温升。

显然，如发热过程由周围介质温度开始，即τ_Q＝0，则上式变为：

τ＝τ_W(1-e^-t/T)

在图中绘出两条τ＝f(t)曲线如图3-6所示，可见温升按指数规律变化，最终趋于稳定温升τ_W。发热过程开始时，由于温升较小，散发出去的热量较小，大部分热量被电动机吸收，因而温升τ增长较快；随着温度的升高，散发的热量不断增长，而电动机发出的热量则由于负载不变而维持不变，电动机吸收的热量不断减少，温升曲线趋于平缓；最后，发热量与散热量相等，电动机的温度不再升高，温升达到稳定值τ_W(如图13所示)；下面将T称为发热时间常数，它表示电动机温升变化快慢的程度，是一个表征热惯性的时间常数，其单位为s。与前面反映机械惯性及电磁惯性的时间常数相比，发热时间常数T是很大的，它以几十分钟甚至几小时来计量；在得出电动机发热过程温升曲线之后，可得到：电动机平稳运行后其发出的热量并不随时间而变化，而只与电动机所带负载的大小来决定，当负载由重载变化为轻载或空载运行时，实际上电动机是一个发热降低的过程，在此过程中进行星形-三角形接法的转换，由于电动机转速在转换前后基本不变，切换瞬间并不会产生过大波动和热量，对电网及电动机本身仅造成微小的摩擦损耗；接触器部件，由于转换操作非常频繁，一天内有可能达到几百次，对接触器要求很高，零输出情况下，接触器辅助触点可承受的开闭次数一般为80~100万次，经过计算，大约可维持电动机控制系统工作1年左右，这样的结果是我们可以接受的，但是，节能转换的过程要求在电动机正常运转过程中进行星形-三角形接法的转换，由于电动机发热的存在，接触器触点必然会受到大得多的磨损，因此，本发明在运行控制中加入切换时间判断程序，将切换时间控制在交流电压波形的零点附近，可大减少缓解对接触器的磨损，增加其使用。

Claims (3)

1、一种电动机节能转换控制器，其特征在于该控制器包括有信号采集电路、PLC可编程控制器、中间继电器及交流接触器控制电路，信号采集电路包括有信号采集电流互感器、滤波电路的低通滤波器、运算放大电路、A/D转换及信号处理模块，其电路联接：前面为信号采集，由供电电路上的电流互感器其输出联接到低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端联接运算放大器的输入端，运算放大器的模拟输出端联接A/D转换器及信号处理模块的输入端，其输出联接到PLC可编程控制器输入端，PLC可编程控制器输出联接到中间继电器，中间继电器同时与手动控制面板联接，中间继电器经交流接触器直接联接到三相异步电动机M；中间继电器控制电路前面为交流220V，经直流电源24V直接并联三组继电器KA1、KA2、KA3供电线圈，线圈一组输入端分别为手动开关SB1、SB2、SB3；另一组分别为自动控制端Q0.1、Q0.2、Q0.3；与交流电源直接并接的为三组交流接触器KM1、KM2、KM3供电线圈，每个交流接触器线圈上串接一个上述继电器的对应工作接点和热过载继电器FR1、FR2、FR3；交流接触器与电动机M联接是三相交流电源A、B、C分别经交流接触器KM1、KM2、KM3工作接点与电动机M电源输人端连接，供电路A、B、C上分别串接有断路器QF1、QF2和热过载继电器FR1。

2、按权利要求1所述的电动机节能转换控制器，其特征在于该控制器控制电动机的星形-三角形转换是其接入电源连接方式的转换，三个接触器实现整个工作流程的星形-三角形转换，三个接触器分别为KM1、KM2和KM3，每个接触器各带有三相触点，KM1和KM2三相触点对应相短接形成星形连接，KM1和KM3各相触点首尾相接形成三角形连接，按下启动按钮SB1、SB2，KM1与KM2线圈首先得电，其触点闭合，此时KM3成开路状态，电动机在星形连接方式下启动，电流互感器检测电动机工作电流变化发送给PLC控制器，经过一个延迟时间t后，PLC经运算判定该电流达到预设的转换值，则自动控制KA2线圈断电，KA3线圈得电，KM2触点自动断开，KM3导通，此时KM1与KM3连接成三角形连接，完成电动机启动，电动机此时可带重载正常工作；

平稳运行时，KM1与KM3导通，线路连接为三角形，电流互感器Q检测电流发送给PLC，当电流达到转换值，KM3触点自动断开，KM2触点闭合与KM1再次形成星形连接，转换过程结束，电动机处于节能工作状态。

3、权利要求1所述的电动机节能转换控制器的控制方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1).开始：人工按下启动按钮，电动机运行，线路中电流逐渐增大；

2).电流互感器采集电流信号经过滤波、放大、A/D转换送入PLC控制单元；

3).根据检测值进行判断，是否达到转换值，该转换值一般为电动机额定电流的60％，根据实际工作情况判定，转换值在PLC程序模块中设置，应满足电动机能够在星形连接方式下带轻载运行，且转换过程平稳，电动机无较大振动的条件如达到，经延迟时间t，转换为星形省电连接；

4).互感器检测此时电流再次送入PLC控制器；

5).重复上面3进行判断，达到转换值，经延迟时间t，转换为三角形重载连接；

6).循环上一周期。

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