CN109660178B - 一种电动机定频工况的高效运动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电动机定频工况的高效运动控制系统及其控制方法属于电动机控制领域；如何提高电动机的效率；包括多级调压模块包括不同控制需求的若干调压模块，若干调压模块按照级联方式连接；三相电源的输入端与控制模块的电源端子VL、控制模块的电源端子VN及多级调压模块连接，多级调压模块与控制模块连接，控制模块的RS232‑1接口与显示模块连接；控制模块包括电压采集单元、电流采集单元和功率计算单元；电压采集单元、电流采集单元分别与三相电源输入端连接，功率计算单元根据电压采集单元和电流采集单元采集的数据计算出有效功率；本发明能够连续分级调整电动机的输入电压，降低电动机的运行能耗，提高电动机的运行效率。

Description

一种电动机定频工况的高效运动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电动机控制领域，尤其涉及一种电动机定频工况的高效运动控制系统及其控制方法。

背景技术

电动机可用于拖动风机、泵、压缩机等各种设备，被广泛应用于工业、商业、农业、公用设施以及家用电气等多个领域。电动机系统包括电动机、被拖动装置、传动控制系统及管网负荷，用电量占社会总用电量的2/3左右。提高电机系统能效水平对于建设资源节约型、环境友好型社会、推动可持续发展具有重要意义。

目前，我国电机系统的能源利用率约比国际先进水平要低10％～30％，运行效率比国外先进水平低10％～20％，节能潜力巨大。如何提高电动机的效率是一个亟待的问题。

现有的控制电动机的方式有自耦式调节零点控制方式、可控硅斩波和PWM的调压方式；自耦式调节零点控制方式调节输出电压时需要切换自耦变压器的零点，各个零点控制单元不能实现电气和机械互锁，可靠性低安全性差；可控硅斩波和PWM的调压方式自身损耗高输出电压谐波较大，长时间运行对电动机和线路都有不同程度的损害，会对其他电子设备的信号造成干扰使其不能正常工作。

发明内容

本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种电动机定频工况的高效运动控制系统及其控制方法，通过将不同控制需求制作的调压模块按级联方式组成多级调压模块，不同的组合实现多级的电压控制，以检测到的实时功率计算出当前电动机实际功率和电动机额定功率的百分比，根据这个百分比匹配相应的级联组合方式，实现按电动机运行实际状态，动态调节输入电源的电压，提高电动机的效率。

本发明的技术方案：

一种电动机定频工况的高效运动控制系统，包括三相电源、多级调压模块、电动机、控制模块，电流保护模块和显示模块；所述多级调压模块包括不同控制需求的若干调压模块，所述若干调压模块按照级联方式连接；所述三相电源的输入端与电流保护模块及多级调压模块连接，所述电流保护模块与控制模块的电源端子VL、控制模块的电源端子VN连接，所述多级调压模块与控制模块连接，所述控制模块的RS232-1接口与显示模块连接；

所述控制模块包括电压采集单元、电流采集单元和功率计算单元；所述电压采集单元的接口VA、VB、VC、VN-L、电流采集单元的接口+IC、-IC、+IB、-IB、+IA、-IA分别与三相电源输入端连接，所述功率计算单元根据电压采集单元和电流采集单元采集的数据计算出有效功率。

进一步地，所述调压模块包括接触器VT1、继电器1KM、热继电器1FR、电抗器1L、电阻1R1、电阻1R2、电阻1R3、电容1C1、电容1C2和电容1C3；所述三相电源每相均与接触器VT1的每相输入端子1相连，接触器VT1的每相输出端子与继电器1KM的两组串联开点连接，所述接 触器VT1每相输出端子4与继电器1KM的两组串联闭点连接，所述继电器 1KM依次连接热继电器1FR和电抗器1L，所述电抗器分别与电阻1R1、电阻1R2、电阻1R3相连，所述电阻1R1串联电容1C1，电阻1R2串联电容1C2，电阻1R3串联电容1C3，所述电容1C1、电容1C2和电容1C3连接N线。

进一步地，还包括电容器组投切回路，所述电容器组投切回路包括继电器3KM、热继电器3FR、电抗器3L、电阻3R1、电阻3R2、电阻3R3、电容3C1、电容3C2、电容3C3、电容3C4、电容3C5和电容3C6；所述接触器VT1每相输出端子均依次与继电器3KM、热继电器3FR和电抗器3L连接，所述电抗器3L分别与电容3C1、电容3C3和电容3C5连接，所述电阻3R1、电容3C2分别与电容3C1并联，所述电阻3R2、电容3C4分别与电容3C3 并联，所述电阻3R3、电容3C6分别与电容3C5并联，所述电容3C1与电容3C3连接，所述电容3C3与电容3C5连接，所述电容3C5连接电容3C1。

进一步地，所述控制模块还包括温度采集单元，所述温度采集单元用于检测多级调压模块的运行温度和机箱内部的运行温度，所述温度采集单元连接多级调压模块。

一种基于所述一种电动机定频工况的高效运动控制系统实现的控制方法，包括以下步骤：

步骤a、实时采集输入端的电压值和电动机的有用功率值；

步骤b、根据所述电压值标定当前电动机的实际负载能力，设额定电压下的电动机系统负载能力为1,超过或低于所述数值，进行线性标定；

步骤c、根据所述实际负载能力和有用功率值，通过电动机最优工作曲线算法，将实际测得的电动机的负载和额定负载进行比较，并计算出当前实测负载下的最优电压参数；

步骤d、通过多级调压模块输出最接近的所述最优电压控制电动机；

步骤e、重复步骤a-d。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明提供了一种电动机定频工况的高效运动控制系统及其控制方法，通过将不同控制需求制作的调压模块按级联方式组成多级调压模块，不同的组合实现多级的电压控制，以检测到的实时功率计算出当前电动机实际功率和电动机额定功率的百分比，根据这个百分比匹配相应的级联组合方式，实现按电动机运行实际状态，动态调节输入电源的电压，提高电动机的效率，本发明采用二次侧补偿式调节冲击电流小，能够连续多级实时调整电动机的输出电压，降低电动机的运行能耗，提高电动机的运行效率，减少供电线路的损耗。

本发明级联式组合调压模块每一个分组调压模块均具有电气和机械互锁功能，保证主电路在互感和漏感状态下可靠运行，N组的级联组合实时实现2的N次方个电压等级输出。级联式组合调压模块由于采用传统变压器的拓扑结构，所以输出电压为完全正弦波对用电设备无次生损害。用于工频负载波动较慢的交流异步电动机系统的高效节能运行，解决了现有自耦式单变压器多抽头调节零点控制方式的切换可靠性和调节实时性的问题，解决了电网质量要求高不能使用电力电子式调节器电动机系统节能运行的问题。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明控制模块与三相电源输入端连接的电路图；

图3是本发明控制模块未与三相电源输入端连接的电路图；

图4是本发明第一调压模块电路图；

图5是本发明第二调压模块电路图；

图6是本发明第一级电容器组投切回路电路图；

图7是本发明第二级电容器组投切回路电路图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

具体实施方式一

一种电动机定频工况的高效运动控制系统，如图1所示，包括三相电源、多级调压模块、电动机、控制模块，电流保护模块和显示模块；所述多级调压模块包括不同控制需求的若干调压模块，所述若干调压模块按照级联方式连接；所述三相电源的输入端与电流保护模块及多级调压模块连接，所述电流保护模块与控制模块的电源端子VL、控制模块的电源端子VN连接，所述多级调压模块与控制模块连接，所述控制模块的RS232-1接口与显示模块连接；

如图2和图3所示，所述控制模块包括电压采集单元、电流采集单元和功率计算单元；所述电压采集单元的接口VA、VB、VC、VN-L、电流采集单元的接口+IC、-IC、+IB、-IB、 +IA、-IA分别与三相电源输入端连接，所述功率计算单元根据电压采集单元和电流采集单元采集的数据计算出有效功率。

工作原理：通过三相电源供电，电压采集单元和电流采集单元实时采集三相电源输入端的电压值和电流值，功率计算单元实时计算电动机的有用功率值，控制模块实时接收电压值、电流值和有用功率值，并通过显示模块显示，控制模块根据所述电压值标定当前电动机的实际负载能力，设额定电压下的电动机系统负载能力为1,超过或低于所述数值，进行线性标定；根据所述实际负载能力和有用功率值，通过电动机最优工作曲线算法，将实际测得的电动机的负载和额定负载进行比较，并计算出当前实测负载下的最优电压参数；通过多级调压模块输出最接近的所述最优电压控制电动机；实现按电动机运行实际状态，动态调节输入电源的电压，提高电动机的效率。

调压模块是采用三组电感分别控制输入电动机系统的三相电源，通过电磁开关控制其磁路的互感与漏感实现电压的调节。优化了磁通密度和电流密度参数具有低损耗节能的特点。

所述调压模块损耗约为总功率的0.1-0.2％，比如电动机实际功率110KW，由这些设备产生的最大损耗就在110-220W之间，高效率调压模块的铁芯是采用高效率低损耗型硅钢片或非晶合金制造具有低铁损的特点，线圈是采用低电流密度铜导线制造具有低铜损的特点，制造原理同低损耗节能型变压器。将各种按控制需求制作的调压模块，如3％、5％、10％，按级联方式组成多级调压模块，如2的N次方级，通过不同的组合实现多级的电压控制，以检测到的实时功率计算出当前电动机实际功率和电动机额定功率的百分比，根据这个百分比匹配相应的级联组合方式，实现按电动机运行实际状态，动态调节输入电源的电压，提高电动机的效率。

本实施方式采用两组调压模块组成多级调压模块，包括第一级调压模块和第二级调压模块，所述不同控制需求的调压模块结构均相同，如图4和图5所示，所述每个调压模块配备一组电容器组投切回路，每组电容器组投切回路结构均相同，本实施方式采用第一级电容器组投切回路和第二级电容器组投切回路，如图6和图7所示。

具体地，所述第一级调压模块包括接触器VT1、继电器1KM、热继电器1FR、电抗器1L、电阻1R1、电阻1R2、电阻1R3、电容1C1、电容1C2和电容1C3；所述三相电源每相均与接触器VT1的每相输入端子1相连，接触器VT1的每相输出端子与继电器1KM的两组串联开点连接，所述接 触器VT1每相输出端子4与继电器1KM的两组串联闭点连接，所述继电器1KM依次连接热继电器1FR和电抗器1L，所述电抗器分别与电阻1R1、电阻1R2、电阻1R3相连，所述电阻1R1串联电容1C1，电阻1R2串联电容1C2，电阻1R3串联电容 1C3，所述电容1C1、电容1C2和电容1C3连接N线。

接触器VT1组合电压调节模块端子2输出接1KM1的两组串联的开点，控制组合调压模块VT1的电压调节范围1。组合电压调节模块的端子4连接1KM1的两组串联的闭点，控制组合调压模块VT1的二次侧漏感工作状态，此时感性电压降接近于零。1KM1、1KM2、 1KM3分别控制电源的三相，1FR热继电器用来进行三相不平衡保护，电抗器1L用来抑制 1KM吸合时产生的冲击电流，1R1-1R3电阻，用于吸收1KM1吸合时产生的过流能量。电容器1C1-1C3用来吸收1KM1吸合时产生的过电压。

具体地，还包括第一级电容器组投切回路，所述电容器组投切回路包括继电器3KM、热继电器3FR、电抗器3L、电阻3R1、电阻3R2、电阻3R3、电容3C1、电容3C2、电容3C3、电容3C4、电容3C5和电容3C6；所述接触器VT1每相输出端子均依次与继电器3KM、热继电器3FR和电抗器3L连接，所述电抗器3L分别与电容3C1、电容3C3和电容3C5连接，所述电阻3R1、电容3C2分别与电容3C1并联，所述电阻3R2、电容3C4分别与电容3C3 并联，所述电阻3R3、电容3C6分别与电容3C5并联，所述电容3C1与电容3C3连接，所述电容3C3与电容3C5连接，所述电容3C5连接电容3C1。

3KM-6KM组是电容器组投切回路，用于调节无功电流，减小线路压降。

具体地，还包括温度采集单元，所述温度采集单元用于检测多级调压模块的运行温度和机箱内部的运行温度，所述温度采集单元连接多级调压模块。

如图2和图3所示，控制模块的RS232-1连接串口屏，用来与显示模块连接，显示设备运行的状态信息。接口VL、接口VN为控制模块220V电源端子。接口VA、接口VB、接口VC、接口VN-L为控制模块的电压检测输入接口，接口+IC、接口-IC、接口+IB、接口 -IB、接口+IA、接口-IA为控制模块的电流检测输入接口；接口Relay-1用于继电器控制接触器1KM1、1KM2、1KM3的线圈闭合，并被1FR热继电器的闭点进行保护，当有三相不平衡时自动断路，接口Relay-2作用同接口Relay-1，接口Relay-3控制电容回路接触器的线圈，并带有三相不平衡保护。接口Relay-4、接口Relay-5、接口Relay-作用同接口 Relay-3一致，S端是反馈的数字量输入端，S1输入为1KM1、1KM2、1KM3的三个接触器三个开点的串联，用来确认三个接触器的线圈吸合状态。S2输入为1KM1、1KM2、1KM3的三个接触器三个闭点的串联，用来确认三个接触器线圈的断路状态。S3、S4的作用同S1、 S2，C端也是数字量反馈输入端，C1是自动运行信号输入端，C2是旁路运行信号输入端。 C3、C4、C5、C6是电容投切回路反馈端，用来确认电容投切回路的状态；P-T1为VT1的运行温度。P-T2为VT2的运行温度。P-T3为机箱内部的运行温度；B、G、R、为三色指示灯的三种状态，通过三种状态的组合控制所需颜色的指示，24V+为指示灯的电源。

如图2所示，还包括压敏电阻RV1、压敏电阻RV2、压敏电阻RV3和变压器T；压敏电阻RV1两端分别连接三相电流输入端的R线和S线，压敏电阻RV2两端分别连接三相电源输入端的S线和T线，压敏电阻RV3两端分别连接R线和T线；变压器T连接压敏电阻 RV1的两端，变压器T的引脚13和引脚15分别连接控制模块的电源端子VN、控制模块的电源端子VL；所述压敏电阻RV1、压敏电阻RV2、压敏电阻RV3用于过压保护和抑制浪涌电压；

所述图2-图7中的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、 18均为网络标号，图中相同的网络标号相互连接，如1连接1,2连接2,3连接3，4连接 4，5连接5，依次类推，到18连接18。

具体实施方式二

一种基于所述一种电动机定频工况的高效运动控制系统实现的控制方法，包括以下步骤：

步骤a、实时采集输入端的电压值和电动机的有用功率值；

步骤b、根据所述电压值标定当前电动机的实际负载能力，设额定电压下的电动机系统负载能力为1,超过或低于所述数值，进行线性标定；

步骤c、根据所述实际负载能力和有用功率值，通过电动机最优工作曲线算法，将实际测得的电动机的负载和额定负载进行比较，并计算出当前实测负载下的最优电压参数；

步骤d、通过多级调压模块输出最接近的所述最优电压控制电动机；

步骤e、重复步骤a-d，实时动态调节电压。

根据电动机最优工作曲线，电动机最优工作曲线为电动机在某一点运行时总有一个最优的电压和电流，此时的损耗最小电动机的效率最高，进行算法设计，实际测得的电动机的负载和额定负载进行比较，即通过采集参数和计算得出了一个最优电压，参考当前的实际电压值，并计算出当前实测负载下的最佳电压参数，驱动多级模块相应调压模块进行工作，实现最趋近于最优电压的输出值，并根据计算的结果实时动态调节。

Claims (4)

1.一种电动机定频工况的高效运动控制系统，其特征在于，包括三相电源、多级调压模块、电动机、控制模块和显示模块；所述多级调压模块包括不同控制需求的若干调压模块，所述若干调压模块按照级联方式连接；所述三相电源的输入端与控制模块的电源端子VL、控制模块的电源端子VN及多级调压模块连接，所述三相电源的输出端与电动机连接，所述多级调压模块与控制模块连接，所述控制模块的RS232-1接口与显示模块连接；

所述控制模块包括电压采集单元、电流采集单元和功率计算单元；所述电压采集单元的接口VA、VB、VC、VN-L、电流采集单元的接口+IC、-IC、+IB、-IB、+IA、-IA分别与三相电源输入端连接，所述功率计算单元根据电压采集单元和电流采集单元采集的数据计算出有效功率；

所述调压模块包括接触器VT1、继电器1KM、热继电器1FR、电抗器1L、电阻1R1、电阻1R2、电阻1R3、电容1C1、电容1C2和电容1C3；所述三相电源每相均与接触器VT1的每相输入端子1相连，接触器VT1的每相输出端子与继电器1KM的两组串联开点连接，所述接 触器VT1每相输出端子4与继电器1KM的两组串联闭点连接，所述继电器1KM依次连接热继电器1FR和电抗器1L，所述电抗器分别与电阻1R1、电阻1R2、电阻1R3相连，所述电阻1R1串联电容1C1，电阻1R2串联电容1C2，电阻1R3串联电容1C3，所述电容1C1、电容1C2和电容1C3连接N线。

2.根据权利要求1所述一种电动机定频工况的高效运动控制系统，其特征在于，还包括电容器组投切回路，所述电容器组投切回路包括继电器3KM、热继电器3FR、电抗器3L、电阻3R1、电阻3R2、电阻3R3、电容3C1、电容3C2、电容3C3、电容3C4、电容3C5和电容3C6；所述接触器VT1每相输出端子均依次与继电器3KM、热继电器3FR和电抗器3L连接，所述电抗器3L分别与电容3C1、电容3C3和电容3C5连接，所述电阻3R1、电容3C2分别与电容3C1并联，所述电阻3R2、电容3C4分别与电容3C3并联，所述电阻3R3、电容3C6分别与电容3C5并联，所述电容3C1与电容3C3连接，所述电容3C3与电容3C5连接，所述电容3C5连接电容3C1。

3.根据权利要求1所述一种电动机定频工况的高效运动控制系统，其特征在于，所述控制模块还包括温度采集单元，所述温度采集单元用于检测多级调压模块的运行温度和机箱内部的运行温度，所述温度采集单元连接多级调压模块。

4.一种基于权利要求1所述一种电动机定频工况的高效运动控制系统实现的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、实时采集输入端的电压值和电动机的有用功率值；

步骤b、根据所述电压值标定当前电动机的实际负载能力，设额定电压下的电动机系统负载能力为1,超过或低于所述数值，进行线性标定；

步骤c、根据所述实际负载能力和有用功率值，通过电动机最优工作曲线算法，将实际测得的电动机的负载和额定负载进行比较，并计算出当前实测负载下的最优电压参数；

步骤d、通过多级调压模块输出最接近的所述最优电压控制电动机；

步骤e、重复步骤a-d。

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