CN101499770A - 数字式大功率绕线异步电动机无功补偿及节能装置 - Google Patents

Abstract

一种数字式大功率绕线异步电动机无功补偿及节能装置，其特征是通过电流传感器检测电机的转子电流，并将电流传感器的检测信号分别经A/D转换器和电流过零检测电路后输入单片机控制电路，同时也将交交变频器电源同步信号输入单片机控制电路，单片机根据系统数学模型和触发时序进行数据处理后输出交交变频器触发脉冲信号，使交交变频器的输出电压频率与异步电动机的转子电流频率相同，相位滞后转子电流90°，且输出电压大小随检测电流的变化而变化。本发明的优点是：1.实现了绕线式异步电动机功率因数补偿的闭环控制，从而达到节能的目的；2.采用了具有高可靠性的交交变频电流过零检测电路。

Description

数字式大功率绕线异步电动机无功补偿及节能装置

技术领域

本发明涉及一种异步电动机无功补偿及节能装置，尤其涉及一种数字式大功率绕线异步电动机无功补偿及节能装置。

背景技术

目前，国内外交流绕线式异步电机无功补偿方式主要有：1)电机定子侧并联电容器；电机定子侧并联电容器只能补偿线路无功功率，不能降低电机定子电流；尤其是对高压电容器的安装场所、控制方式都有特殊要求，其投资往往较高。2)电机转子回路串接旋转式进项装置。由于串接于电机转子回路的旋转式进项装置是一种整流子旋转电机，自身有一定的功耗，且特别怕尘埃，使用寿命短，规格少，难于与异步电机达到最佳匹配。3)90年代初，国内市场出现了一种静止进项器，该装置是在上述两种无功补偿装置上发展起来的一种新型节能装置。它采用了变频技术，不怕尘埃，使用寿命长，维护方便等优点。但由于该系统只采用了开环控制，在变负荷电机中难以应用，因而限制了其推广应用的范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字式大功率绕线异步电动机无功补偿及节能装置，该装置实现了大功率绕线式异步电动机功率因数的自动补偿，提高了电机的效率和过负载能力，具有明显的节能效果，实现了无功补偿的闭环控制。

本发明是这样来实现的，它包括电机、电流传感器、起动柜、A/D转换器、电流过零检测电路、单片机控制电路、变频器触发脉冲驱动电路、变频器主回路电流检测电路、电源同步信号产生电路、温度测量电路、保护输出驱动电路、固态继电器、变压器、交交变频器、继电控制电路，起动柜与电机之间连接电流传感器，其特征是电流传感器的检测信号分别经A/D转换器和电流过零检测电路后输入单片机控制电路，同时也将交交变频器电源同步信号连接单片机控制电路，变频器主回路电流检测电路通过检测线路上的电流信号连接单片机控制电路，单片机的IO口分别连接变频器触发脉冲驱动电路、电源同步信号产生电路、温度测量电路和保护输出驱动电路，保护输出驱动电路连接固态继电器，电流产生同步信号电路连接变压器，变压器连接交交变频器，继电控制电路连接在主电路上。

本发明所述的电流过零检测电路，其特征是电流传感器检测的转子电流信号Ui，经过前端R1、C1、C2和运算放大器组成的低通滤波和积分电路后，经D1送至施密特触发器，经R3、R4分压后输出电流过零检测信号U0。

本发明所述的交交变频器，它包括晶闸管、电抗、变压器，其特征是12个晶闸管形成单相至三相交交变频电路连接变压器，变频后的输出分别串联电抗后连接电机三相转子绕组Ia、Ib、Ic。

本发明的优点是：1、可改变转子电流的相位，经磁偶合，即可改变定子电流与电压的相位关系，从而达到功率因数补偿的目的；2、实现了大功率绕线式异步电动机功率因数的自动补偿，且系统具有故障自查功能，有过流、过温、转子缺相、电源缺相、主电机运行状态监控等保护功能；3、系统采用了具有高可靠性的电流过零检测电路，确保了变频电路晶闸管可靠换相。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明交交变频器的电路图

图3为本发明电流过零检测电路的电路图。

图4为发明的交流电机励磁矢量图。

在图中，1、电机 2、电流传感器 3、起动柜 4、A/D转换器 5、电流过零检测电路6、单片机控制电路7、变频器触发脉冲驱动电路8、变频器主回路电流检测电路9、电源同步信号产生电路10、温度测量电路11、保护输出驱动电路12、固态继电器13、变压器14、交交变频器15、继电控制电路

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，本发明是这样来实现的，它包括电机、电流传感器、起动柜、A/D转换器、电流过零检测电路、单片机控制电路、变频器触发脉冲驱动电路、变频器主回路电流检测电路、电源同步信号产生电路、温度测量电路、保护输出驱动电路、固态继电器、变压器、交交变频器、继电控制电路，起动柜与电机之间连接电流传感器，其特征是电流传感器的检测信号分别经A/D转换器和电流过零检测电路后输入单片机控制电路，同时也将交交变频器电源同步信号输入单片机控制电路，变频器主回路电流检测电路通过检测线路上的电流信号输入到单片机控制电路，单片机的IO口分别连接变频器触发脉冲驱动电路、电源同步信号产生电路、温度测量电路和保护输出驱动电路，保护输出驱动电路连接固态继电器，电流产生同步信号电路连接变压器，变压器连接交交变频器，继电控制电路连接在主电路上。单片机根据系统数学模型和触发时序进行数据处理后输出交交变频器触发脉冲信号，使变频器的输出电压频率与异步电动机的转子电流频率相同，相位滞后转子电流90°，且输出电压大小随检测电流的变化而变化。变频器的输出电压串入绕线式异步电动机的转子绕组上。

本发明所述的交交变频器，它包括晶闸管、电抗、变压器，其特征是12个晶闸管形成单相至三相交交变频电路连接变压器，变频后的输出分别串联电抗后连接电机三相转子绕组Ia、Ib、Ic。

本发明所述的电流过零检测电路，其特征是霍尔电流传感器检测的转子电流信号Ui，经过前端R1、C1、C2和运算放大器组成的低通滤波和积分电路后，经D1送至施密特触发器，经R3、R4分压后输出电流过零检测信号U0。

为实现电机无功功率补偿的闭环控制，必须建立数学模型，找出控制信号与被测量间的关系。

由于交流电机的自感和互感通常都是转子转角θ的周期函数，因此电压方程将是含有时变系数的微分方程，求解比较困难。为了解决这一困难，可采用dq0坐标变换，其变换矩阵为：

为简化分析，假定：忽略定、转子电流高次谐波和定、转子空间磁势高次谐波分量；忽略电机磁路饱和及铁心磁势、涡流的影响；忽略温度和频率变化对电机参数的影响，可得dq0坐标系下的电压与电流矩阵关系表达式：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{d1}\\ u_{q1}\\ u_{d2}\\ u_{q2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-r_1-p{L}_1& {\mathrm{\ω}}_1{L}_1& \mathrm{pM}& -{\mathrm{\ω}}_{1}M\\ -{\mathrm{\ω}}_1{L}_1& -r_1-p{L}_1& {\mathrm{\ω}}_{1}M& \mathrm{pM}\\ -\mathrm{pM}& {\mathrm{\ω}}_{2}M& r_2+p{L}_2& -{\mathrm{\ω}}_2{L}_2\\ -{\mathrm{\ω}}_{1}M& -\mathrm{pM}& {\mathrm{\ω}}_2{L}_2& r_2+p{L}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\\ i_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，下标1和2分别代表定子量和转子量，r为电阻，L为自感，M为互感，ω₁和ω₂分别为电机同步角速度和转子角速度，且ω₂＝sω₁，p为微分算子d/dt，u为电压，i为电流。

采用交流电机的定子磁链Ψ1作为定向矢量，其优点是交叉耦合很少，转矩公式简单，是两个标量之积，在直接通道中不存在非线性，只有一个磁链的分量，形式简单。当忽略定子电阻r1时，其矢量图如图4所示。由图可得：

u_d1＝0   u_q1＝U₁                 (3)

i_d1＝I₁sinΦ₁  i_q1＝I₁cosΦ₁    (4)

式中：I₁和Φ₁分别是定子电流幅值和定子功率因数角。

令p＝0，则由(2)、(3)和(4)式，可得到转子电流和电压的稳态值：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{d2}=({\mathrm{\ω}}_1{L}_1{i}_{d1}+r_1{i}_{q1}+U_1)/\left({\mathrm{\ω}}_{1}M\right)\\ i_{q2}=({\mathrm{\ω}}_1{L}_1{i}_{q1}-r_1{i}_{d1})/\left({\mathrm{\ω}}_{1}M\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{d2}=r_1{i}_{d2}+{\mathrm{\ω}}_{1}M{i}_{q1}-{\mathrm{\ω}}_2{L}_2{i}_{q2}\\ u_{q2}=r_1{i}_{q2}-{\mathrm{\ω}}_{2}M{i}_{d1}+{\mathrm{\ω}}_2{L}_2{i}_{d2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

可见，通过控制转子的电流或电压，可有效地控制定子电流或电压相位。

本系统已在某水泥厂的一台球磨机上试用，该磨机电机型号为JR138-8，电机功率为245kw。试用期间对其使用效果进行了测试，当负载从额定值的50％到100％变化时，测试结果为：无功补偿后不仅电机的功率因数从0.85提高到了0.97，具有良好的无功补偿效果，且定子电流下降了15.5％，提高了电机的效率和过负载能力，具有明显的节能效果。实现了无功补偿的闭环控制。

Claims (2)

1、一种数字式大功率绕线异步电动机无功补偿及节能装置，它包括电机、电流传感器、起动柜、A/D转换器、电流过零检测电路、单片机控制电路、变频器触发脉冲驱动电路、变频器主回路电流检测电路、电源同步信号产生电路、温度测量电路、保护输出驱动电路、固态继电器、变压器、交交变频器、继电控制电路，起动柜与电机之间连接电流传感器，其特征是电流传感器的检测信号分别经A/D转换器和电流过零检测电路后输入单片机控制电路，同时也将交交变频器电源同步信号连接单片机控制电路，变频器主回路电流检测电路通过检测线路上的电流信号连接单片机控制电路，单片机的IO口分别连接变频器触发脉冲驱动电路、电源同步信号产生电路、温度测量电路和保护输出驱动电路，保护输出驱动电路连接固态继电器，电流产生同步信号电路连接变压器，变压器连接交交变频器，继电控制电路连接在主电路上。

2、根据权利要求1所述的数字式大功率绕线异步电动机无功补偿及节能装置，所述的电流过零检测电路，其特征是电流传感器检测的转子电流信号Ui，经过前端R1、C1、C2和运算放大器组成的低通滤波和积分电路后，经D1送至施密特触发器，经R3、R4分压后输出电流过零检测信号UO。

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