CN110535400A

CN110535400A - 一种基于能量补偿的节能电动机装置

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Publication number: CN110535400A
Application number: CN201910518616.0A
Authority: CN
Inventors: 戴明途; 褚博
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-06-15
Filing date: 2019-06-15
Publication date: 2019-12-03

Abstract

本发明涉及一种节能电动机装置，适用于交流或直流电动机，通过在电动机中原有线圈的两侧并联补偿电容，形成电感电容储能回路，通过在交流电动机中外加直流电源和相应的控制电路，或者在直流电动机中修改控制电路的方式，为补偿电路产生能量交换条件，并为持续工作提供能量补偿。通过电容收集电感线圈中未被利用的磁场能量，并在下个工作周期中释放，提高了直流、交流电动机的能量利用效率，简化了电动机工作电源要求，适用于多种应用场景。

Description

一种基于能量补偿的节能电动机装置

技术领域

本发明属于电力系统中的节能技术领域，尤其是一种基于能量补偿的节能电动机装置。

背景技术

当前的电动机共有交流、直流两大类，作为交流电动机，需要外部输入三相交流电，通电线圈产生旋转磁场并作用于转子，形成磁电动力旋转扭矩，在这个过程中由于负载网络的电容和电动机中电感线圈之间存在能量存储和交换，产生了并未转化为机械能的无功功率，造成了能量损失，而直流电动机在分时段工作过程中，剩余磁通量没有被有效利用，造成了能量损失。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种节能电动机装置，通过在交流电动机原有线圈两端并联电容，形成电感电容振荡器，并外加电源控制电路，为振荡电路产生初始振荡并提供能量补偿，使交流电动机在直流供电时也可以运转，通过在直流电动机线圈两端并联电容，形成对剩余线圈磁能的收集，在控制器联合作用下，把收集的能量提供给电动机下一个工作过程，提高了电动机的效率，节省了能耗。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种直流节能电动机装置，其改进之处在于：在原有电动机线圈上增加如下电路：

(1)三项星型连接交流电动机的三组线圈分别记为LA，LB，LC；

(2)电感线圈LA两端并联电容CA和开关KA，所述电容CA和所述开关KA 为串联关系；

(3)所述开关KA接入控制器，由控制器控制所述开关KA闭合和断开，同时控制器中的直流电源为所述电感线圈支路提供能量补偿；

(4)电感线圈LB和LC同样按照所述(2)至(3)部分增加对应电路。

其中，步骤(3)中控制器的控制过程如下：

I)电路启动时，开关KA闭合、开关KB、KC断开，此时A点电压相位为0°，控制器内部直流电源供电，电流从A点经CA、LA流入星型节点O；

II)当A点电压相位为90°时，A点控制器内部直流电源断开，停止供电，同时开关KA保持闭合，此时电感LA、电容CA之间进行能量交换，电路维持振荡，控制器内部直流电源为电感电容振荡的能量损失提供能量补偿；

III)当A点电压相位为120°时，B点电压相位为0°，开关KB闭合，B点控制器内部直流电源供电，电流从B点经CB、LB流入星型节点O；

IV)当B点电压相位为90°时，B点控制器内部直流电源断开，停止供电，同时开关KB保持闭合，此时电感LB、电容CB之间进行能量交换，电路维持振荡，控制器内部直流电源为电感电容振荡的能量损失提供能量补偿；

V)当B点电压相位为120°时，C点电压相位为0°，开关KC闭合，C点控制器内部直流电源供电，电流从C点经CB、LC流入星型节点O；

VI当C点电压相位为90°时，C点控制器内部直流电源断开，停止供电，同时开关KC保持闭合，此时电感LC、电容CC之间进行能量交换，电路维持振荡，控制器内部直流电源为电感电容振荡的能量损失提供能量补偿；

VII)当C点电压相位为120°时，A点电压相位为0°，重复Ι至VΙ的步骤，形成周期性的循环。

实施本发明的，具有以下有益效果：

本发明充分利用了电动机的感应线圈，通过外加电容、控制器等元件，并通过外接直流电源实现电感电容的起振和提供振荡过程中的能量补偿，电容器收集了电感线圈剩余能量，提高了电源的利用效率。

本发明利用外部直流电源实现电路的起振，并提供振荡过程中的能量补偿，无需外部输入三相直流电压，简化了工作电源要求，适用于多种应用场景。

附图说明

图1是理想电感电容振荡器电路图；

图2是理想电感电容振荡器的振荡波形；

图3是实际带有能量损失的电感电容振荡器的振荡波形；

图4是星型连接实施例的电动机改进后的电路图；

图5是改进后的电动机的电压波形图；

图6是传统的三相无刷直流电动机电路图；

图7是传统的三相无刷直流电动机波形图；

图8是改进后的三相无刷直流电动机电路图；

图9是相位为0°时的电容极性图；

图10是相位为60°时的电容极性图；

图11是相位为120°时的电容极性图；

图12是相位为180°时的电容极性图；

图13是相位为240°时的电容极性图；

图14是相位为300°时的电容极性图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1—星型连接的异步交流电动机装置

理想情况下，由电感和电容组成的振荡器(如图1)，在起振后电路将会持续维持正弦波振荡(如图2)，而在实际电路中，由于电阻的存在，振荡波形将会逐渐衰减(如图3)，因此需要外部注入能量以补偿其能量损耗并维持振荡。通过对电动机中三组电感线圈并联电容，形成电感电容能量交换振荡器，并外加电源控制电路，为振荡电路产生初始振荡并提供能量补偿。

基于上述技术，本实施例以星型连接为例提出一种直流节能电动机装置，其连接关系如图4所示，详细说明如下：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种直流节能电动机装置，其改进之处在于：如图4所示，在原有电动机线圈上增加如下电路：

(1)电动机的三组线圈分别记为LA，LB，LC；

(4)电感线圈LB和LC同样按照所述(2)至(3)部分增加对应电路。

其中，步骤(3)中控制器的控制过程如下：

I)在电路启动时，开关KA闭合、开关KB、KC断开，A点电压相位为0°，外部电压从A点经CA、LA流入星型节点O；

II)当A点电压相位为90°时，A点外部电源断开，停止供电，同时开关KA保持闭合，此时电感LA、电容CA之间进行能量交换，电路维持振荡，控制器内部直流电源为电感电容振荡的能量损失提供能量补偿；

III)当A点电压相位为120°时，B点电压相位为0，此时开关KB闭合，外部电压从B点经CB、LB流入星型节点O；

IV)当B点电压相位为90°时，B点外部电源断开，停止供电，同时开关KB 保持闭合，此时电感LB、电容CB之间进行能量交换，电路维持振荡，控制器内部直流电源为电感电容振荡的能量损失提供能量补偿；

V)当B点电压相位为120°时，此时C点电压相位为0，此时开关KC闭合，外部电压从C点经CC、LC流入星型节点O；

VI)当C点电压相位为90°时，C点外部电源断开，停止供电，同时开关KC 保持闭合，此时电感LC、电容CC之间进行能量交换，电路维持振荡，控制器内部直流电源为电感电容振荡的能量损失提供能量补偿；

VII)当C点电压相位为120°时，A点电压相位为0°，重复Ι至VΙ的步骤，形成如图5所示的周期性的电压。

综上所述，本发明充分利用了电动机的感应线圈，通过外加电容、控制器等元件，通过外接直流电源的方式实现电感电容的起振，并提供振荡过程中的能量补偿，提高了电源的利用效率。

实施例2—星型无刷直流电机

如图6所示，三相星型连接无刷直流电机的工作原理如下：

当相位为0°时，开关K1、K5导通，电流经电源正端、K1、LA、LB、K5至电源负端；

当相位为60°时，开关K1、K6导通，电流经电源正端、K1、LA、LC、K6至电源负端；

当相位为120°时，开关K2、K6导通，电流经电源正端、K2、LB、LC、K6至电源负端；

当相位为180°时，开关K2、K4导通，电流经电源正端、K2、LB、LA、K4 至电源负端；

当相位为240°时，开关K3、K4导通，电流经电源正端、K3、LC、LA、K4 至电源负端；

当相位为300°时，开关K3、K5导通，电流经电源正端、K3、LC、LB、K5至电源负端；

当相位为360°时，重复相位为0°时的步骤。如此循环往复，维持相应磁极下有两相绕组的线圈加载固定极性的电压，流过固定方向的电流，产生固定方向的转矩，使电机带动负载旋转，A、B、C三相的电压如图7所示。

从以上过程中可以看出，外部直流电源始终工作，线圈在依次导通过程中所存储的能量没有被有效利用，造成了能量损失。本实施例通过采用三组电感线圈并联电容的方式，充分利用电容来存储的电感中未被利用的磁场能量为电路提供周期性的电压，外部直流电源不必始终导通，节省了能耗。

在无刷直流电机各定子线圈分别加入两个电容器(CA1、CA2，CB1、CB2， CC1、CC2)和两个控制器(KA1、KA2，KB1、KB2，KC1、KC2)电容器的主要目的有二个，一是利用电感的特性在外电源断开时保持电流不变，按原电流方向给电容充电，二是电容器把储存的电能释放来保证定子所需的部分能量。以上工作过程都是在控制器的控制下通过控制开关(KA1、KA2，KB1、KB2，KC1、 KC2)来完成。

基于上述技术，本实施例以星型无刷电机为例提出一种直流节能电动机装置，其连接关系如图8所示，详细说明如下：

(1)如图8所示，电动机的三组线圈分别记为LA，LB，LC；

(2)如图9所示，以线圈LA为例，LA两端分别记为a，b，

(3)在a和b之间并联两组电容和开关，记为CA1、KA1，CA2、KA2，其中电容和开关为串联形式；

(4)开关KA1和KA2接入控制器；

(5)电感线圈LB和LC同样按照所述(2)至(4)部分增加对应电路。

其中：步骤(4)中控制器的控制过程如下：

I)在电路启动，相位为0时，星型无刷直流电机电流通路为电源正极、A、LA、 LB、B、电源负极，此时所有开关为断开状态；

II)当外电路通电时长为t1时外部直流电源关断，其中t1≤T，T为图7中传统无刷直流电机单项通电时长，同时闭合开关KA1，KB1；

III)随着KA1、KB1的闭合，LA电感中储存的能量对电容CA1充电，LB电感中储存的能量对电容CB1充电，同时A端、B端电压下降，充电后电容的极性如图9所示；

IV)相位为60°时，星型无刷直流电机电流通路为电源正极、A、LA、LC、C、电源负极，此时所有开关断开；

V)当外电路通电t时外部直流电源关断，其中t1≤T，T为图7中传统无刷直流电机单项通电时长，同时闭合开关KA2、KC1；

VI)随着KA2、KC1的闭合，LA电感中储存的能量对电容CA2充电，LC电感中储存的能量对电容CC1充电，同时A端、C端电压下降，充电后电容的极性如图10所示；

VII)相位为120°时，星型无刷直流电机电流通路为电源正极、B、LB、LC、C、电源负极，此时所有开关断开；

VIII)当外电路通电t时外部直流电源关断，其中t1≤T，T为图7中传统无刷直流电机单项通电时长，同时闭合开关KB2、KC2；

IX)随着KB2、KC2的闭合，LA电感中储存的能量对电容CB2充电，LC电感中储存的能量对电容CC2充电，同时A端、C端电压下降，充电后电容的极性如图11所示；

X)相位为180°时，星型无刷直流电机电流通路为电源正极、B、LB、LA、A、电源负极；

XI)在之前的过程中，各电容均已充电，此时控制器控制开关KB1、KA1闭合， CB1、CA1中存储的能量首先对电感线圈LB、LA放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电，此时CB1、CA1电容极性如图12所示；

XII)相位为240°时，星型无刷直流电机电流通路为电源正极、C、LC、LB、B、电源负极；

XIII)此时断开外部电源，同时控制器控制开关KC1，KA2闭合，CC1、CA2 中存储的能量首先对电感线圈LC、LA放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电，此时CC1、CA2的电容极性如图13所示；

XIV)相位为300°时，星型无刷直流电机电流通路为电源正极、C、LC、LB、 B、电源负极；

XV)此时断开外部电源，同时控制器控制开关KC2、KB2闭合，CC2、CA2中存储的能量首先对电感线圈LC、LB放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电，此时CC2、CB2的电容极性如图14所示。

XVI)相位为360°时，经过前述阶段，各电容均已经存储了能量，与相位为0°时不同，此时断开外部电源，同时控制器控制开关KA1、KB1闭合， CA1、CB1中存储的能量首先对电感线圈LA、LB放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电；

XVII)相位为420°时，断开外部电源，同时控制器控制开关KA2、KC1闭合， CA2、CC1中存储的能量对电感线圈LA、LC放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电；

XVIII)相位为480°时，断开外部电源，同时控制器控制开关KB2、KC2闭合， CB2、CC2中存储的能量对电感线圈LB、LC放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电；

XIX)重复以上180°至480°的循环操作，即可实现电动机的循环运转。

综上所述，本发明充分利用了电动机的感应线圈，通过外加电容、控制器等元件，将电感线圈的能量存储到并联的电容中，并在下次电感线圈导通时提供能量，缩短了外部电源的导通时间，提高了电源的利用效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于能量补偿的节能电动机装置，其特征在于：在原有电动机线圈上增加如下电路：

(1)电动机的三组线圈分别记为LA，LB，LC；

(2)以线圈LA为例，LA两端分别记为a，b；

(4)开关KA1和KA2接入控制器；

(5)电感线圈LB和LC同样按照所述(2)至(4)部分增加对应电路。

2.根据权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于：步骤(4)中控制器的控制过程如下：

I)在电路启动，相位为0时，星型无刷直流电机电流通路为电源正极、A、LA、LB、B、电源负极，此时所有开关为断开状态；；

II)当外电路通电时长为t1时外部直流电源关断，其中t1≤T，T为传统无刷直流电机单项通电时长，同时闭合开关KA1，KB1；

III)随着KA1、KB1的闭合，LA电感中储存的能量对电容CA1充电，LB电感中储存的能量对电容CB1充电，同时A端、B端电压下降；

V)当外电路通电t时外部直流电源关断，其中t1≤T，T为传统无刷直流电机单项通电时长，同时闭合开关KA2、KC1；

VI)随着KA2、KC1的闭合，LA电感中储存的能量对电容CA2充电，LC电感中储存的能量对电容CC1充电，同时A端、C端电压下降；

VII)相位为120°时，星型无刷直流电机电流通路为电源正极、B、LB、LC、C、电源负极，此时所有开关断开。

VIII)当外电路通电t时外部直流电源关断，其中t1≤T，T为传统无刷直流电机单项通电时长，同时闭合开关KB2、KC2；

IX)随着KB2、KC2的闭合，LA电感中储存的能量对电容CB2充电，LC电感中储存的能量对电容CC2充电，同时A端、C端电压下降；

XI)在之前的过程中，各电容均已充电，此时控制器控制开关KB1、KA1闭合，CB1、CA1中存储的能量首先对电感线圈LB、LA放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电；

XIII)此时断开外部电源，同时控制器控制开关KC1，KA2闭合，CC1、CA2中存储的能量首先对电感线圈LC、LA放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电；

XIV)相位为300°时，星型无刷直流电机电流通路为电源正极、C、LC、LB、B、电源负极；

XV)此时断开外部电源，同时控制器控制开关KC2、KB2闭合，CC2、CA2中存储的能量首先对电感线圈LC、LB放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电；

XVI)相位为360°时，经过前述阶段，各电容均已经存储了能量，与相位为0°时不同，此时断开外部电源，同时控制器控制开关KA1、KB1闭合，CA1、CB1中存储的能量首先对电感线圈LA、LB放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电；

XVII)相位为420°时，断开外部电源，同时控制器控制开关KA2、KC1闭合，CA2、CC1中存储的能量对电感线圈LA、LC放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电；

XVIII)相位为480°时，断开外部电源，同时控制器控制开关KB2、KC2闭合，CB2、CC2中存储的能量对电感线圈LB、LC放电，经过时长t2后再闭合外电源开关，为电路供电；

3.根据权利要求1所述的电感两侧并联的开关和电容为串联关系。

4.根据权利要求3所述的开关和电容串联支路，数目可以为大于等于一组。

5.根据权利要求1所述的控制器，其内部含有直流电源，用以补偿电感电容能量交换中的能量损失。