CN103326662A - 一种用于三相交流异步电动机的节能控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三相交流异步电动机的节能控制器，包括最小系统外围电路、电压同步信号电路、管压降信号检测电路和晶闸管触发电路。本发明还公开了一种控制用于三相交流异步电动机的节能控制器的控制方法，包括以下步骤：步骤1、通过电压同步信号检测电压过零点的时间；步骤2、通过管压降信号检测电路检测电流过零点的时间；步骤3、最小系统外围电路根据电压电流过零点时间差算出功率因数角；步骤4、STM32查表得到该功率因数角对应的晶闸管触发角，发出触发角的触发脉冲，晶闸管导通，电机运行；步骤5、STM32检测功率因数角的变化，调整触发角的大小。具有成本低和高效节能等优点。

Description

一种用于三相交流异步电动机的节能控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相交流异步电动机的控制技术，特别涉及一种用于三相交流异步电动机的节能控制器及其控制方法。

背景技术

三相交流异步电动机作为最广泛使用的电机能量转换装置，在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。在我国，异步电动机耗用电能占全国耗电总量的55%左右。在实际中，多数电动机处于轻载或空载运行，其效率和功率因素较低，造成很大的电能浪费。电容补偿是较早使用的一种节能方法，它有两种形式，就地补偿和集中补偿。就地补偿是将电容器装在异步电动机附近，就地进行无功补偿，这种补偿形式既能提高功率因数，减少无功损耗，又能改善用电设备的电压质量，但是不能降低电动机本身的有功损耗，而且投资大，成本高。集中补偿，不是每台电机都并联电容进行补偿，而是在总电源端集中进行补偿，这种补偿形式的特点是投资少，但只能减少外部供电线路的损耗，对内部线路的损耗无能为力，效果不如就地补偿，而且不能降低电动机本身的有功损耗。电容补偿属于静态无功补偿，不能解决负载变化状况下的节能问题，因此应用受到很大局限。此外，采用新型的节能电动机也是一种典型的节能方法。该方法从电动机的设计和制造工艺入手，采用新的材料和新的加工工艺来降低电动机的损耗和提高电动机的效率，同时生产一些特殊结构的电动机以提高在特殊使用条件下的效率，例如变极电机，双功率电动机，超高转差电动机和新型绕线式异步电动机等节能电机，实现了一定程度上的节能。新型节能电机主要是通过提高额定负载状况下的运行效率来节约额定状况下的有功电能损耗。在实际应用的电动机系统中，大部分都有调速的要求，以实现流量、功率、速度等的变化，但实际生产中一般是使电动机恒速运行，而认为增加阻力（例如调节阀门）来实现生产要求，使电动机的效率降低。调速技术在当今得到充分的发展和很好的应用。从本质上讲代表性的方案有两类，变频调速和调压调速。从控制性能和控制方法来说，变频调速节能是最优前途的控制方法，发展也较快，例如直接转矩控制和矢量变换等方法的应用使电动机的运行性能得到很大的提高。但是它有一个致命的缺点，就是变频器的价格太贵，且国内的制作技术较低，产品合格率低，故障率高，维修困难。当设备的运行性能要求不高时，变频器节能的优点也难以实现。且它不能解决负载变化状况及不在额定负载状况下的节能问题。而调压调速装置是一个能提供电压变化的电源，自动地改变电源电压以适应负载的要求。本发明就是基于晶闸管调压调速，它线路简单，运行可靠，维护方便。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于三相交流异步电动机的节能控制器，该节能控制器很好地解决了现有技术不能解决的问题，那就是负载变化，尤其是周期性负载变化状况下的节能问题，该节能控制器成本低，可靠性高。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种控制用于三相交流异步电动机的节能控制器的控制方法，该方法通过STM32实时监测功率因数的变化，进而调整晶闸管的触发角，改变电机的输入电压，从而能使电机的工作效率一直工作在一个较高的效率。

本发明的首要目的通过下述技术方案实现：一种用于三相交流异步电动机的节能控制器，包括最小系统外围电路、电压同步信号电路、管压降信号检测电路和晶闸管触发电路；电压同步信号电路与最小系统外围电路相连，管压降信号检测电路与最小系统外围电路相连，晶闸管触发电路与晶闸管和最小系统外围电路相连；还包括变流主电路，变流主电路的输入端与三相电源的进线相连，变流主电路的输出端与三相交流电机的三相接线端相连，变流主电路和最小系统外围电路均与电压同步信号电路相连，变流主电路和最小系统外围电路均与管压降信号检测电路相连，变流主电路和最小系统外围电路均与晶闸管触发电路相连。

所述最小系统外围电路包括STM32、启动配置电路、JTAG下载电路和晶振时钟电路；启动配置电路与STM32相连，JTAG下载电路与STM32相连，晶振时钟电路与STM32相连。

晶闸管触发电路包括第一光耦MOC3023、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D1和第二二极管D2；第一二极管D1和第二电阻R2均与第一电阻R1相连，第二二极管D2和第四电阻R4均与第三电阻R3相连，第二电阻R2、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6均与第一光耦MOC3023相连。

管压降信号检测电路包括第二光耦H11AA1、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14和第三电容C3；第十二电阻R12、第三电容C3、第十三电阻R13和第十四电阻R14均与第十一电阻R11相连，第十三电阻R13和第三电容C3均与第十二电阻R12相连，第十二电阻R12和第十四电阻R14均与第三电容C3相连；第十三电阻R13和第十四电阻R14均匀第二光耦H11AA1相连。

电压同步信号电路包括第三光耦4N25、第一运放CA3130、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一电容C1、第二电容C2、第三二极管D3和第四二极管D4；第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一电容C1、第三二极管D3和第四二极管D4均与第一运放CA3130相连，第一运放CA3130、第九电阻R9、第十电阻R10和第二电容C2均与第三光耦4N25相连。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种控制用于三相交流异步电动机的节能控制器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过电压同步信号检测电压过零点的时间，记为t1；

步骤2、通过管压降信号检测电路检测电流过零点的时间，记为t2；

步骤3、STM32（STM32是一种已知的芯片名称，在行业中用途非常广泛）根据电压电流过零点时间差，即：t2-t1，算出功率因数角，计算功率因数角的公式为：

式中，

为功率因数角，T为电压电流的周期，T的取值可以为0.02s；

步骤4、STM32查表得到该功率因数角对应的晶闸管触发角θ，发出触发角为θ的触发脉冲，晶闸管导通，电机运行；

步骤5、STM32实时检测功率因数角的变化，实时调整触发角的大小。

所述控制方法具体的控制过程如下：

晶闸管通过电压同步信号电路和电流过零点检测电路与STM32相连，另外STM32发出的信号通过晶闸管触发电路传递给晶闸管，从而控制晶闸管的导通时间，改变电动机的输入电压。STM32选择运行速度较高的嵌入式STM32，它能很实时地接收外部信号，并能迅速进行分析，给出相应的输出信号，本技术方案主要利用的是它的中断和输出PWM波的功能。电压同步信号电路能检测出电压的过零点，且能为电流过零点提供一个基准的参考信号。电流过零点检测电路摒弃以往复杂的多元件检测电路，仅采用几个电阻电容和一个光耦便能准确高效地得到电流过零点信号并送入STM32处理。晶闸管触发电路接收来自STM32的PWM波，该PWM波的占空比是由芯片计算出来的功率因数决定的，不同的负载情况有不同的功率因数，从而会发出不同占空比的PWM比，晶闸管的导通时间会变化，从而电动机的输入电压会随之改变，尤其是在空载或者轻载的时候，输入电压降会减小，从而提高了电动机的工作效率。

电压同步信号电路能检测出电压过零点的时间，同时为电流过零点检测提供一个基准信号。管压降信号检测电路是检测电流过零点的时间，然后把这两个时间信号都送入STM32中，主控制器再分析计算功率因数，从而发出相应的晶闸管触发信号，通过晶闸管触发电路控制晶闸管的导通和关断时间，即根据负载情况的变化改变电动机的输入电压，从而提高工作效率。

本发明的工作原理：本发明的三相电源的输入能根据负载的变化情况，通过晶闸管实时调节改变输入电动机的电压，而晶闸管导通和关断的规律则由功率因数的变化决定，功率因数的获得是通过STM32通过接受电压和电流两个过零点的信号时间差计算出来的。在交流电动机运行时，由于电动机负载是电感性负载，电压和电流间就存在一个相位差，电压和电流间的这一相位角就是功率因数角，其电流和电压是同频率正弦量，由于晶闸管是不能强制关断器件，仅当其流过的电流为零时才能自行关断而恢复阻断状态。本发明利用晶闸管可关断的特性，采用一种简单高效的过零检测电路，从线电压过零同步信号跳变的时刻t1开始计时，到晶闸管出现反压的时刻t2为止，所计时间为电流滞后电压的时间，即两者过零点的时间差，从而算出电动机的功率因数。这个计算是实时和高效的。然后利用软测量技术，把功率因数作为检测变量，利用模糊专家系统控制，得出对应的晶闸管触发角的大小，从而改变输入到电动机的输入电压。由于这个过程时实时的，当效率低下，通过减小输入电压，可以提高了电动机的工作效率，很好地解决了当负载状况变化，尤其是轻载或者空载时效率低下的问题。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明经过优化和模块化设计，原理简单，同时电路的结构和所用元件大大简化，节省了资源，具有成本低，维修简单，运行可靠，节能显著的优点。

2、本发明采用运算速度较快的STM32作为控制芯片，算法简单，运行时间短，且能很好地根据电机实际运行状况进行调整。所以有很好的实时性和节能效果。

3、本发明采用了先进的软测量的技术，同时通过电机实际运行的效果反复调整输入和输出参数，得到一组合理的数据，组成模糊专家系统，利用智能控制的方法，提高控制的效率和性能。

4、本发明以晶闸管(SCR)组成的电压变化装置，解决了传统电能变换装置中存在的能耗大、效率低和装置笨重问题，一定程度上控制了工业噪声，装置的寿命也延长了。

5、本发明特别适用于那些经常处于轻载、空载或者周期性负载的电机，很好地避免了“大马拉小车”的情况出现，使电动机始终处在良好的节能状态下工作，节约大量的电能；而对于负载率变化不大的恒定负载，节能效果不明显。

附图说明

图1是本发明的系统组成原理框图。

图2是电压同步信号电路图。

图3是管压降信号检测电路图。

图4是晶闸管触发电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，是本发明的系统的组成原理框图，其中，三相电源，晶闸管主电路和电机组成主电流电路，最小系统及其外围电路、电压同步信号电路、管压降信号检测电路和晶闸管触发电路组成控制电路，也是本发明的研究对象。其中，电压同步信号电路能检测出电压过零点的时间，同时为电流过零点检测提供一个基准信号。显然，管压降信号检测电路是检测电流过零点的时间，然后把这两个时间信号都送入STM32中，STM32再分析计算功率因数，从而发出相应的晶闸管触发信号，通过晶闸管触发电路控制晶闸管的导通和关断时间，即根据负载情况的变化改变电动机的输入电压，从而提高工作效率。

如图2所示，是电压同步信号电路（以U相为例）。电压同步信号取自电源U相电压，经第七电阻R7和第八电阻R8分压，第三二极管D3和第四二极管D4起电压钳位作用，电压信号经过第一运放CA3130后转换为方波信号，经第三光耦4N25进入STM32的I/O口AN2（自定I/O口），作为触发角控制产生晶闸管触发脉冲的基准。图中的第九电阻R9起到了限流作用。该电路的核心器件是高输入阻抗宽带运算放大器CA3130，本发明将第一运放CA3130用作电压过零比较器，使得同相输入端信号过零时，第一运放CA3130输出高电平，负向过零时，第一运放CA3130输出低电平，由此可将正弦波信号变换为相应的方波信号，第十电阻R10为上拉电阻，第二电容C2起滤波作用。

如图3所示，是管压降信号检测电路图。电动机处于节能运行状态，当晶闸管导通时，晶闸管的一端L1和另一端M1之间的压降很小，约为1V，不能使第三光耦H11A11内的发光二极管导通，因此光耦三极管截止，此时STM32的检测信号IC为+5V高电平；当晶闸管截止时，电动机M1线电流为零，电动机运行反电势使第三光耦H11A11内的发光二极管导通发光，从而使光耦三极管饱和导通，此时送入STM32的检测信号为0V低电平。因此送入STM32的采样信号是方波信号，第十一电阻R11为压敏电阻，第十二电阻R12和第三电容C3用于滤波，第十三电阻R13和第十四电阻R14起限流作用。

如图4所示，是晶闸管触发电路图。当装置处于自然状态SW时，VCC电源通过第五电阻R5使第二光耦MOC3023的发光管导通，第二光耦MOV3023的一个管脚4和另一个管脚6视为短路，由第一二极管D1、第二二极管D2以及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4组成的触发电路使晶闸管导通。当开关处于节能位置PC时，第二光耦MOC3023的第一管脚1为STM32输出的方波控制信号PC，其为高电平时，晶闸管能够完全导通；当输出为低电平，第二光耦MOC3023的一个管脚4和另一个教官6视为开路，正向晶闸管的触发角E11或反向晶闸管的触发角E12无信号电平，晶闸管电流过零自动关断，所以，STM32的输出电平控制晶闸管的开通，第五电阻R5和第六电阻R6起限流作用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于三相交流异步电动机的节能控制器，其特征在于，包括最小系统外围电路、电压同步信号电路、管压降信号检测电路和晶闸管触发电路；电压同步信号电路与最小系统外围电路相连，管压降信号检测电路与最小系统外围电路相连，晶闸管触发电路与晶闸管和最小系统外围电路相连。

2.根据权利要求1所述的用于三相交流异步电动机的节能控制器，其特征在于，所述最小系统外围电路包括STM32、启动配置电路、JTAG下载电路和晶振时钟电路；启动配置电路与STM32相连，JTAG下载电路与STM32相连，晶振时钟电路与STM32相连。

3.根据权利要求1所述的一种三相交流电动节能控制器，其特征在于，晶闸管触发电路包括第一光耦（MOC3023）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、第一二极管（D1）和第二二极管（D2）；第一二极管（D1）和第二电阻（R2）均与第一电阻（R1）相连，第二二极管（D2）和第四电阻（R4）均与第三电阻（R3）相连，第二电阻（R2）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）和第六电阻（R6）均与第一光耦（MOC3023）相连。

4.根据权利要求1所述的用于三相交流异步电动机的节能控制器，其特征在于，管压降信号检测电路包括第二光耦（H11AA1）、第十一电阻（R11）、第十二电阻（R12）、第十三电阻（R13）、第十四电阻（R14）和第三电容（C3）；第十二电阻（R12）、第三电容（C3）、第十三电阻（R13）和第十四电阻（R14）均与第十一电阻（R11）相连，第十三电阻（R13）和第三电容（C3）均与第十二电阻（R12）相连，第十二电阻（R12）和第十四电阻（R14）均与第三电容（C3）相连；第十三电阻（R13）和第十四电阻（R14）均匀第二光耦H11AA1相连。

5.根据权利要求1所述的用于三相交流异步电动机的节能控制器，其特征在于，电压同步信号电路包括第三光耦（4N25）、第一运放（CA3130）、第七电阻（R7）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）、第十电阻（R10）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三二极管（D3）和第四二极管（D4）；第七电阻（R7）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）、第一电容（C1）、第三二极管（D3）和第四二极管（D4）均与第一运放（CA3130）相连，第一运放（CA3130）、第九电阻（R9）、第十电阻（R10）和第二电容（C2）均与第三光耦（4N25）相连。

6.根据权利要求1所述的用于三相交流异步电动机的节能控制器，其特征在于，还包括变流主电路，变流主电路的输入端与三相电源的进线相连，变流主电路的输出端与三相交流电机的三相接线端相连，电压同步信号电路与变流主电路和主控制器系统相连，管压降信号检测电路与变流主电路和主控制器系统相连，晶闸管触发电路与变流主电路和主控制器系统相连。

7.一种控制权利要求1所述的用于三相交流异步电动机的节能控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过电压同步信号检测电压过零点的时间，记为t1；

步骤2、通过管压降信号检测电路检测电流过零点的时间，记为t2；

步骤3、STM32根据电压电流过零点时间差，即：t2-t1，算出功率因数角，计算功率因数角的公式为：

式中，

为功率因数角，T为电压电流的周期，T的取值为0.02s；

步骤4、STM32查表得到该功率因数角对应的晶闸管触发角θ，发出触发角为θ的触发脉冲，晶闸管导通，电机运行；

步骤5、STM32实时检测功率因数角的变化，实时调整触发角的大小。

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