CN1059811A - 微电脑控制交流异步电动机的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用微电脑控制交流异步电动机
的方法。该项技术的装置由微电脑1，光电耦合器2，
A/D转换器3，电压过零检测器4，晶闸管摸块5，
电流过零检测器6，光电耦合器7和8构成，它利用
交流异步电动机惯性势能或负载重力势能，在电机空
负载时停止供电；轻负载时有控制地供电。利用本发
明制造的控制器设有软件起动和过流、过压、断相保
护功能，有抗干扰措施。适用于石油、矿山野外的变
力负载的电机控制。
Description
本发明涉及到了电力拖动技术领域，是一种利用微电脑自动控制交流异步电动机，达到节约电能的方法及其控制器。
目前，国内外在电力拖动技术中，为了有效地控制交流异步电动机，达到节电的目的，在交流异步电动机的控制系统上进行了深入的研究和探讨。随着新型的电器元件被利用，微型计算机技术的发展和软、硬件资源的开发，对交流异步电动机的实时控制能力大为提高，把电动机的节电推向一个高潮。现在大多数采用变频调速技术控制交流异步电动机，该技术已日趋完善成熟。在世界上有很多采用变频调速控制技术生产的控制器产品，也有许多专利申请。
中国专利CN86100141，专利名称是“微机控制错位无环流变频调速系统”，就揭示了一种采用变频调速方法控制交流异步电动机的系统。其主要做法是用错位选角度的方法实现无环流，使交流异步电动机的转速在每分钟0-35转的范围内连续可调。这项技术只能用于调整交流异步电动机转速，满足某些工作要求改变电动机转速，如冷拔机等。这项技术不适用于电动机转速变化不大，而负载变化较大的电力拖动系统，如抽油机、往复泵、柱塞泵等。另外变频调速控制器中电路复杂，成本较高，一般需要可控硅管18只到36只。
日本株式会社昭制作所井堀敏志发明的“一种控制异步电动机的方法和装置”，申请了中国专利，专利号是CN85107282，此项技术是采用一种逆变器在改变异步电动机的输出频率的同时，改变异步电动机输入电压的方法。当具有惯性的异步电动机的剩余电压被检测到并认为不足时，则控制系统给异步电动机供电，增加剩余电压，提高电动机的运行效率。实现该项技术，检测剩余电压是比较困难的，需要的控制器结构复杂，包括下列装置：频率检测装置、相位检测装置、剩余电压不足检测装置、速度测定装置、开关控制装置等。制造成本较高，制造工艺复杂。
一种用于抽油机的电动机控制器，中国专利公告号CN2067750U，题目是“节电型抽油机微机控制器”。这种装置可以对电动机的负载进行随时检测，同时根据负载的变化自动调节控制器中可控硅的导通角，使电动机在轻负载或空负载运行时，相应降低电动机的端电压，来提高电动机的运行效率，提高功率因数达到节电的目的。最大的缺点是当电动机空负载运行时，控制器中可控硅导通角过大，会引起电动机振动，直接影响电动机的使用寿命;其次电动机空负载下运行时的惯性势能与抽油机下行程的重力势能没有被利用，相反，这时不需要供电而继续给电动机供电，造成电能的浪费，没有达到空载时最佳节电效果。
本发明的目的是设计一种不同于一般的、简便易行的交流异步电动机控制方法。它能适用于具有周期性变化负载的电力拖动系统，这种方法要能在交流异步电动机运行于空负载时，停止供电，利用电动机的惯性势能和负载的重力势能自己运转，节约电能;在交流异步电动机有负载情况下，保持功率因数恒定在额定值范围。这样交流异步电动机节电就能达到满意效果。克服变频调速控制系统只能调整电动机的转速，而不能用于变力负载的电力拖动系统的缺点;克服检测剩余电压控制方法中的检测控制机构复杂，产品的制造成本高的缺点;克服“节电型抽油机微电脑控制器”工作到电动机空负载时，可控硅导通角过大，引起电动机振动，容易损坏电动机，并克服交流异步电动机空负载工作时，没有充分节约电能的缺点
说明书附图1描述的是通过交流异步电动机的电压、电流与时间的关系。本技术领域的技术人员都知道，交流异步式电动机属于电感性负载，通过交流异步电动机的电流滞后于电压一个相位角，即功率因数角。附图1表示的就是这个关系。横坐标表示时间，从图中可以看出，电流滞后于电压一段时间。滞后的这段时间用角度来表示，即电流滞后于电压的相位角ψ。
本专业的技术人员都知道，交流异步电机的功率因数与相位角ψ有密切的关系。交流异步电动机的功率因数等于相位角的余弦值，即Cosψ。所以相位角也称功率因数角。交流异步电动机功率因数的大小表示电源功率被利用的程度，交流异步电动机的功率因数一般情况下在0.9～0.2范围内，其功率因数越大，则电源发出的电能转化为机械能越多，而与电网之间相互交换的能量就越少。
附图2是本发明交流异步电动机节电控制原理框图。微电脑（1）、光电藕合器（2）、A/D转换器（3）、电压过零检测器（4）、晶闸管模块（5）、电流过零检测器（6）、光电藕合器（7）、光电藕合器（8）。
本发明的内容：
事先设定Cosψ1为功率因数下限值，功率因数下限值的取值范围在0.15～0.3之间，设定Cosψ2为额定负载下的功率因数值，额定负载下的功率因数值的取值范围在0.75～0.95之间。将两个设定好的功率因数值分别存入微电脑（1）中的数据储存器内。
首先利用电压过零检测器（4）将通过交流异步电动机的电压过零信号检测出来，经光电藕合器（2）送入微电脑（1）;同时利用电流过零检测器（6）将通过交流异步电动机的电流过零信号检测出来，经光电藕合器（7）送入微电脑（1）。微电脑（1）进行电压与电流的相位比较，得到电流滞后于电压的相位角ψ，即实测功率因数角，并由微电脑（1）进行计算处理，求出瞬时的实际功率因数值Cosψ。微电脑（1）将瞬时的实际功率因数值Cosψ与数据储存器内存入的功率因数下限值对比。
当微电脑（1）求出的瞬时实际功率因数Cosψ小于或者等于设定的Cosψ1功率因数下限值，为交流异步电动机在空负载情况下工作。微电脑（1）将运行空负载程序，即通过光电藕合器（8）控制晶闸管模块（5）切断交流异步电动机供电电源，停止供电100-3000毫秒时间，停止供电程序结束的同时自动恢复正常供电。微电脑（1）再一次将电压过零检测器（4）和电流过零检测器（6）检测来的两个过零信号进行运算比较，如果求出的实测功率因数值Cosψ仍小于或等于功率因数下限值时，微处理器（1）再次运行空负载程序，控制晶闸管模块（5）切断交流异步电动机供电电源进行停电处理。
当微电脑（1）求出实际的瞬时功率因数值Cocψ大于设定的功率因数下限值Cosψ1，并且小于Cosψ2额定负载下的功率因数值时，认为交流异步电动机是在轻负载情况下进行工作，微电脑（1）根据实际的功率因数值Cosψ大小，也就是根据交流异步电动机负载的大小控制光电藕合器（8）采用移项触发增大晶闸管模块（5）的导通角，降低输出电流和电压，节约电能。实际功率因数Cosψ等于或大于额定负载下的功率因数Cosψ2时，晶闸管模块（5）的导通角不进行调整。使交流异步电动机功率因数保持在事先设定的额定负载下的功率因数值上，提高交流异步电动机的工作效率。
微电脑（1）如此循环检测、控制调整交流异步电动机的供电，每秒钟循环10次到20次。这样交流异步电动机在复杂的变负载工作时，能保持恒定的功率因数。
为了提高微电脑（1）对交流异步电动机的实时控制能力，减少微电脑（1）的内存和运算过程，提高运算速度，可以将事先设定并储存的功率因数下限值Cosψ1和额定负载下的功率因数值Cosψ2，改为电流滞后于电压的相位角所对应的时间。也就是功率因数下限值Cosψ1改为时间最大值t1，时间最大值t1的取值范围是4.5～4毫秒;额定负载下的功率因数值Cosψ2改为时间最小值t2，时间最小值t2的取值范围是2.27～1.38毫秒，储存在微电脑（1）的数据储存器内。
用前面叙述过的方法检测电压、电流过零信号，送入微电脑（1）。微电脑（1）得到电流滞后于电压的相位角ψ，也就是实际电流滞后于电压的时间t。用实际滞后的时间t与存入微电脑（1）数据储存器中的时间值t1、时间值t2进行对比。实际滞后的时间t等于或大于t1时，认为交流异步电动机在空负载下工作，微电脑（1）运行空负载程序。实际滞后的时间t小于t1，并且大于时间值t2时，认为交流异步电动机是在轻负载情况下工作。微电脑（1）控制光电藕合器（8），采用移相触发改变晶闸管模块（5）的导通角，控制供电。实际滞后的时间t小于或等于时间值t2时，晶闸管模块（5）的导通角不进行调整。
为了提高微电脑（1）对交流异步电动机的实时控制能力，提高电压、电流过零信号的准确可靠性，电压过零检测器（4）可以采用380伏交流变压器，初级接在交流电源的A、C相，次级产生2～3伏的交流电，次级交流电接光电藕合器（2），获得电压过零信号，电流过零检测器（6）可以采用电流交流互感器，将交流电电源B相电流变换为2～3伏的交流电压，接光电藕合器（7）获得电流过零信号。
采用本发明方法对交流异步电动机进行实时控制，主要针对交流异步电动机工作在有周期性变力负载的电力拖动系统中。可以在空载情况下停止给交流异步电动机供电;轻负载情况下及时调整晶闸管（5）的导通角，保持交流异步电动机的功率因数恒定在额定负载下的功率因数值上，从而使交流异步电动机在空负载运行时节约电能百分之百，轻负载下运行时节电百分之三十到百分之五十。充分利用了交流异步电动机工作时的惯性势能或负载重力势能，弥补了其它控制方法中没有电动机运行于空负载时断电节电的不足。由于空负载时，实时断电控制，绝不会出现晶闸管（5）导通角过大引起电动机振动。用本发明对交流异步电动机运行实时控制，还可以便于实现异步电动机的软件起动，过流、过压、断相等保护功能。制作的控制器结构简单，成本低，容易推广使用。
实施例1：
本发明主要针对工作负载变化较大的交流异步电动机，如在空负载、轻负载、重负载变化情况下工作的电动机。以油田采油的抽油机为例，抽油机匹配的动力是50KW的三相异步电动机。每分钟抽油机的抽油杆上下行程15次。上行程时电动机提升原油并克服抽油杆重力作功;下行程时不需要电动机作功，抽油杆的重力可以带动抽油机转动，同时也带动电动机转动。这样抽油机上行程是重负载，下行程是空负载，上下行程的交替变化时是轻负载。上行程重负载要保证交流异步电动机有足够的电能，下行程空负载切断电源停止供电，轻负载控制供电，即节约了电能又提高了电动机的工作效率。
具体作法是：事先将Cosψ1＝0.25定为交流异步电动机的功率因数下限值，同时将Cosψ2＝0.9定为交流异步电动机的额定功率因数值，存入微电脑（1）中的数据储存器内。微电脑（1）采用的是MCS-51单片机。电压过零检测器（4）接在三相电源的A、C两相上，检测电压过零信号。电流过零检测器（6）接在三相电源线的B相上，检测电流过零信号。采用50赫兹交流电给交流异步电动机供电，每周期检测一个电流过零信号和一个电压过零信号，即单相脉冲信号。
通过光电藕合器（2）将电压过零信号送入微电脑（1），同样通过光电藕合器（7）将电流过零信号也送入微电脑（1）。微电脑（1）把接收到的两个过零信号进行相位比较处理，得到瞬时电流过零信号滞后于电压过零信号的相位角也就是功率因数角ψ，并计算出实际功率因数值Cosψ。微电脑（1）用实际功率因数值Cosψ和已经存入的Cosψ1进行比较。
如果实际功率因数值Cosψ小于或等于0.25，则认为异步电动机此时正在空负载下工作，微电脑（1）立即发出停电指令，通过光电藕合器（8）控制晶闸管模块（5）切断电动机供电电源，对交流异步电动机实时停电控制700毫秒时间。停电结束后，自动恢复供电。微电脑（1）再次重复对交流异步电动机的功率因数进行实时循环检测。
如果微电脑（1）计算得到的实际功率因数值Cosψ大于0.25（功率因数下限值），小于0.9（额定负载下的功率因数值）则认为电动机此时在轻负载下工作，微电脑（1）发出有控制地供电指令，通过光电藕合器（7）增加晶闸管模块（5）的导通角，降低电流和电压，使得电动机的功率因数能保持在额定负载下的功率因数值0.9上。
微电脑（1）循环检测、控制调整交流异步电动机的供电，每秒钟循环25次。
实施例2：采用的设备和工作原理同实施例1，不同是将Cosψ1和Cosψ2功率因数值改为时间值。事先将t1＝4.16毫秒定为时间最大值，同时将t2＝1.55毫秒定为时间最小值，存入微电脑（1）的数据储存器内。当电压、电流过零信号被检测到，微电脑（1）进行时间对比后，得到电流滞后于电压的时间t。直接用时间t与微电脑（1）内存中的时间t1、t2进行比较。比较结果t大于或等于t1时微电脑（1）运行空负载程序，控制晶闸管模块（5）切断电源;t小于t1并大于t2时，微电脑（1）运行轻负载程序，控制晶闸管模块（5）控制供电;t等于或小于t2时晶闸管模块（5）的导通角不变。其它过程同实施例1。
Claims (5)
1、一种利用微电脑自动控制交流异步电动机的方法，其特征在于：首先在微电脑(1)的数据储存器中，存入交流异步电动机的功率因数下限值Cosψ1和额定负载下的功率因数值Cosψ2，功率因数下限值Cosψ1的范围在0.15～0.30之间，额定负载下的功率因数值Cosψ2的范围在0.75～0.95之间，通过电压过零检测器(4)和电流过零检测器(6)检测交流异步电动机电压和电流的过零信号，通过光电藕合器(2)、(7)将两个过零信号分别送入微电脑(1)，进行电压、电流相位比较，得到电流滞后于电压的相位角ψ，并由微电脑(1)计算出Cosψ的实际功率因数值，即交流异步电动机瞬时实际功率因数值，如果这个实际功率因数值比事先存入微电脑(1)储存器中的功率因数下限值Cosψ1小或相等时，微电脑(1)发出停电指令，这一指令通过光电藕合器(8)控制晶闸管模块(5)切断交流异步电动机电源，对电动机实行断电，然后自动接通电源，断电到接通的时间间隔为100～3000毫秒之间；如果微电脑(1)运算得到Cosψ实际功率因数值大于Cosψ1功率因数下限值并小于额定负载下的功率因数值Cosψ2，微电脑(1)按实际功率因数值Cosψ的大小，通过光电藕合器(8)控制晶闸管(5)的导通角，使交流异步电动机的功率因数调整在额定负载下的功率因数值Cosψ2上，如果实际功率因数值Cosψ等于或大于Cosψ2，晶闸管模块(5)导通角不进行调整，微电脑(1)对交流异步电动机功率因数进行实时控制，每秒钟检测调整10～200次。
2、如权利要求1所述的微电脑自动控制交流异步电动机的方法，其特征在于：首先在微电脑（1）数据储存器内存入的功率因数值Cosψ1、Cosψ2改为所对应的时间值t1、t2，t1的取值范围是4.5～4毫秒，t2的取值范围是2.27～1.38毫秒，微电脑（1）检测到的电流滞后于电压的相位角就是时间t，用滞后的时间t与t1、t2进行比较，t大于t1时微电脑（1）运行空负载程序;t小于t1并大于t2时，微电脑（1）控制光电藕合器（8），改变晶闸管模块（5）的导通角有控制地供电;t小于等于t2时，晶闸管模块（5）的导通角不进行调整。
3、如权利要求1、2所述的微电脑自动控制交流异步电动机的方法，其特征在于：当交流异步电动机空负载时，仅有电动机转子所带拖动的这一系统的惯性势能使之维持转动的条件下，微电脑（1）发出停电指令，空载瞬时断电运行时，晶闸管模块（5）切断交流异步电动机的电源到自动恢复供电的时间间隔在100～500毫秒范围内。
4、如权利要求1、2所述的微电脑自动控制交流异步电动机的方法，其特征在于：当异步电动机空负载时，有电动机转子本身惯性势能，和所带拖动系统具有重力势能对电动机作功使之维持转动时，微电脑（1）发出停电指令，空载瞬时断电运行时，晶闸管模块（5）切断交流异步电动机的电源到自动恢复供电的时间间隔在500～3000毫秒范围内。
5、如权利要求1、2所述的微电脑自动控制交流异步电动机的方法，其特征在于：电压过零检测器（4）采用380伏交流变压器，初级接在交流电源的A、C相上，次级产生2～3伏交流电，次级交流电接光电藕合器（2），获得过零信号，电流过零检测器（6）采用交流电流互感器，通过交流电电源B相，变换为2～3伏的交流电压，接光电藕合器（7）获得电流过零信号。
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| CN 91104139 CN1022155C (zh) | 1991-06-25 | 1991-06-25 | 微电脑控制交流异步电动机的方法 |
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Publications (2)
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| CN1059811A true CN1059811A (zh) | 1992-03-25 |
| CN1022155C CN1022155C (zh) | 1993-09-15 |
Family
ID=4906449
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 91104139 Expired - Fee Related CN1022155C (zh) | 1991-06-25 | 1991-06-25 | 微电脑控制交流异步电动机的方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1022155C (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100461617C (zh) * | 2006-12-18 | 2009-02-11 | 苏州三星电子有限公司 | 空调器交流电机驱动方法及电路 |
| CN101295918B (zh) * | 2007-04-24 | 2011-03-02 | 艾默生网络能源系统有限公司 | 一种三相交流输入电路电控开关软开关方法 |
| CN101663811B (zh) * | 2007-03-14 | 2012-10-10 | 能源效率公司 | 用于控制功率的开环方法 |
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1991
- 1991-06-25 CN CN 91104139 patent/CN1022155C/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN1022155C (zh) | 1993-09-15 |
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