CN1581673A - 一种周期制动异步电动机节能方法及其专用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种周期制动异步电动机节能方法及其专用装置，通过在电动机供电线路中接入数据处理和控制单元、负载率检测单元、同步信号检测单元以及供电执行单元对周期制动异步电动机进行节能控制。当电动机的实测负载率大于零时，供给电动机按实测负载率大小计算出的最佳电压值，以输入最小电功率适应电动机负载的变化，提高电动机的效率和功率因数；而在电动机实测负载率小于或等于零时关断供电回路停止供电，消除空载功耗和发电回馈浪费，对周期制动异步电动机，如驱动游梁抽油机的电动机的供电控制，直接节电率可达25％以上，且具有防止窃电功能。

Description

一种周期制动异步电动机节能方法及其专用装置

所属技术领域：本发明涉及一种周期制动异步电动机节能方法及其专用装置，属于电机用电子节能技术领域，尤其适用于油田用游梁抽油机、打夯机。

现有技术：目前具有周期制动，如游梁抽油机、打夯机等的异步电动机节能方法主要有：

1、电容补偿：优点是可以提高电动机在低负载率下的功率因数，缺点是使电动机在被负载拖动时的发电现象更严重，综合节电率为10％左右。参见“高效电容补偿三相异步电动机”，专利申请号：91227391.7；

2、高转差率电动机：优点是可以提高电动机在低负荷载下的效率和功率因数，缺点是无法解决电动机被负载拖动时的发电问题，综合节电率为15％左右。参见“抽油机变速节能拖动装置”，专利申请号：99251014.7；

3、调压节能控制

优点是可以提高电动机在低负载率下的效率和功率因数，缺点是无法解决电动机被负载拖动时的发电问题，综合节电率为15％左右。参见“电动机自控调压节能装置”，专利申请号：00231099.6；

4、双功率电动机

优点是可以提高电动机在低负载率下的效率和功率因数，缺点是无法解决电动机被负载拖动时的发电问题，综合节电率为15％左右。参见“用于抽油机的绕线式节能电机及控制装置”，专利申请号：97105630.7；

5、超速离合器

优点是用机械方法避免了电动机被负载拖动发电的问题，缺点是无法提高电动机在低负载率下的效率和功率因数，综合节电率为10~20％。参见“一种超越离合器”，专利申请号：01129231.8。

综上所述，虽然还有其他相关方法也在使用，但上述各方法已较为全面地反映了周期制动异步电动机现有节能方法的两种节能原理：一种是通过各种技术手段提高电动机的平均功率因数和效率，另一种是使用各种方法避免电动机被负载拖动发电，所以均无法达到使周期制动异步电动机高效节能的目的。

发明的目的：本发明的目的在于提供一种既能有效提高电动机的平均功率因数和效率，又能避免电动机被负载拖动发电而浪费能量的全面节能方法及其专用装置，用以达到使周期制动异步电动机高效节能的目的。

发明的内容：本发明涉及一种周期制动异步电动机节能方法及其专用装置，通过在电动机供电线路中接入数据处理和控制单元、负载率检测单元、同步信号检测单元以及供电执行单元对周期制动异步电动机进行节能控制。其中数据处理和控制单元完成数据处理、计算和控制信号的发出等项工作；负载率检测单元完成电动机工作电压、电流的实时检测和信号变送工作；同步信号检测单元完成电动机供电电压过零点的检测和同步信号的发出工作；供电执行单元完成对电动机供电回路的通断控制工作。

其节能方法特点是：当电动机的实测负载率大于零时，供给电动机按实测负载率大小计算出的最佳电压值，以输入最小电功率适应电动机负载的变化，提高电动机的效率和功率因数；而在电动机实测负载率小于或等于零时关断供电回路停止供电，消除空载功耗和发电回馈浪费。

上述电动机节能方法包含步骤为：

a、通过负载率检测单元连续测量电动机供电回路中的工作电压和电流，并将测量数据传输给数据处理和控制单元；

b、通过同步信号检测单元连续检测电动机电压信号，在电压出现过零点时向数据处理和控制单元发出同步脉冲信号；

c、数据处理和控制单元用获得的电流、电压数据计算电动机的实际负载率，并根据计算结果自动选择后面的控制步骤：若电动机实际负载率大于零，则执行下述从d至g的步骤：

d、根据电动机的实际负载率，计算出电动机在此负载率下能够获得最高效率的最佳供电电压；

e、根据最佳供电电压计算出供电执行单元应该获得的控制数据；

f、用同步信号检测单元发来的同步脉冲信号作为时间基准，控制供电执行单元按计算的控制数据导通，从而使电动机获得最佳的供电电压。

g、返回上述步骤a循环执行。

若电动机实际负载率等于或小于零，则执行下述从h至k的步骤：

h、停止为供电执行单元提供控制信号，使其处于截止状态，从而关断电动机的供电回路，同时也切断了电动机被负载拖动发电向电网回馈的回路；

i、继续通过负载率检测单元以及数据处理和控制单元检测电动机的负载率；

j、当负载率数值重新大于零时，按软启动方式恢复电动机的供电；

k、返回上述步骤a循环执行。

本发明所提供的电动机节能专用装置，是由数据处理和控制单元、负载率检测单元、同步信号检测单元和供电执行单元连接而成。负载率检测单元和同步信号检测单元的输入端连接在电动机的供电线路上，输出端连接到数据处理和控制单元的输入端口；数据处理和控制单元的输出端口连接到供电执行单元的控制端；供电执行单元串联在电动机的供电线路中。

发明效果：

1.具有全面节电功能：对于象游梁抽油机一类的设备，其拖动电动机具有周期制动的特点。由此而产生了用电浪费的两大原因：

其一、由最大负载决定的电动机容量使得电动机的平均负荷率很低(约在40％左右)，而在低负荷率下电动机的效率低、功率因数低。

其二、电动机在运行中存在空载过程和被拖动发电过程。电动机空载过程中励磁电流不小(如：50KW电动机约为40A)，而输出功率为零，无功损耗很大；电动机被拖动发电过程则产生了电能→机械能  →电能的转换损耗、向电网回馈电能时的线损及所发出的电能与电网的非同步损耗等等。

由于本发明全面解决了上述用电浪费两方面的问题，在电动机的实测负载率大于零时，供给电动机按实测负载率大小计算出的最佳电压值，以输入最小电功率适应电动机负载的变化，起到提高电动机效率和功率因数而节能的作用；而在电动机实测负载率小于或等于零时关断供电回路停止供电，既起到消除空载功耗和发电回馈浪费的作用，又可使电动机及其负载正常运转。所以本发明具有高效节电功能。

2.具有防窃电功能：一般油田专用的游梁抽油机这样的设备遍布田间村寨，从其供电线路上窃电的现象相当普遍，给油田带来了巨大的经济损失。由于本发明已将供给电动机的电能调制成了专用的非连续状态，若在供电线路上窃电的话，其用电设备不但无法正常运转，甚至可能被烧毁。由此可以达到防窃电的目的。

3.具有缺相、过流保护及软启动功能，以及电机电源备用直通旁路。

4.将本发明用于周期制动异步电动机，如驱动游梁抽油机的电动机的供电控制，直接节电率可达25％以上，防止窃电所带来的经济效益则更是大到无法估量的地步。

附图及附图说明：

图1是本发明的结构框图；图2是优选实施例1结构框图。

图3是优选实施例2结构框图；

图4是本发明优选实施例中单片计算机及辅助电路5和11的电气原理图；

图5本发明优选实施例中可控硅组触发电路9和15的电气原理图；

图6是本发明优选实施例中电压检测电路7和13的电气原理图；

图7是本发明优选实施例中同步电路6和12的电气原理图；

图8是本发明优选实施例中电流检测电路8和14的电气原理图；

图9是本发明优选实施例中单片计算机及辅助电路5和11的元器件明细说明；

图10是本发明优选实施例中可控硅组触发电路9和15的元器件以及可控硅组10和16所用晶闸管的明细说明；

图11是本发明优选实施例中电压检测电路7和13的元器件明细说明；

图12是本发明优选实施例中同步电路6和12的元器件明细说明；

图13是本发明优选实施例中电流检测电路8和14的元器件明细说明。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

优选实施例1：

图1、图2、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12和图13构成本发明的优选实施例1，本实施例控制的是三相交流异步电动机。

由图1、图2可知，本发明是通过在电动机供电线路中接入数据处理和控制单元1、负载率检测单元2、同步信号检测单元3以及供电执行单元4对周期制动异步电动机进行节能控制，即当电动机的实测负载率大于零时，供给电动机按实测负载率大小计算出的最佳电压值，以输入最小电功率适应电动机负载的变化，提高电动机的效率和功率因数；而在电动机实测负载率小于或等于零时关断供电回路停止供电，消除空载功耗和发电回馈浪费，其方法步骤如下：

a、通过负载率检测单元2连续测量电动机供电回路中的工作电流和电压，并将测量数据传输给数据处理和控制单元1。负载率检测单元2由电压检测电路7和电流检测电路8组成；数据处理和控制单元1由单片计算机及辅助电路5组成。这样，本步骤可更具体地描述为：通过电压检测电路7和电流检测电路8连续测量电动机供电回路中的工作电压和电流，并将测量数据传输给单片计算机及辅助电路5；

b、通过同步信号检测单元3连续检测电动机电压信号，在电压出现过零点时向数据处理和控制单元1发出同步脉冲信号。同步信号检测单元3由同步电路6组成；通过同步电路6连续检测电动机电压信号，在电压出现过零点时向单片计算机及辅助电路5发出同步脉冲信号；

c、数据处理和控制单元1用获得的电流、电压数据计算电动机的实际负载率，并根据计算结果自动选择后面的控制步骤。即单片计算机及辅助电路5用获得的电流、电压数据计算电动机的实际负载率，并根据计算结果自动选择后面的控制步骤：

计算公式为：

$\mathrm{\β}=\frac{3\×I\×U\×\cos \mathrm{\φ}}{P_N}\×{\mathrm{\η}}_N$

式中：

β——电动机的负载率；

I——电动机的实测工作电流；

U——电动机的实测工作电压；

η_N——电动机的额定效率；

P_N——电动机的额定功率；

φ——电流与电压之间的实测相位角，按下式计算：

φ＝2π×f×(t_U-t_I)

其中：

(t_U-t_I)——实测电压与电流的同向过零时间差；

f——交流电源的频率；

若电动机实际负载率大于零，则执行下述从d至g的步骤：

d、根据电动机的实际负载率，计算出电动机在此负载率下能够获得最高效率的最佳供电电压；

计算公式为：

$U_{1B}=\sqrt{\mathrm{\β}}\×U_N$

式中：

U_1B——电动机的最佳供电电压；

β——电动机的负载率；

U_N——交流电源的供电电压；

e、根据最佳供电电压计算出供电执行单元4应该获得的控制数据，供电执行单元4由可控硅组触发电路9和可控硅组10组成，这样，本步骤可更具体地描述为：根据最佳供电电压计算出可控硅组10应该获得的控制数据：导通角数据：

计算公式为：

式中：

U_1B——电动机的最佳供电电压；

f——交流电源的频率；

——可控硅的导通角；

U_max——非完整正弦交流电压每个周期内的最大电压值；

θ——非完整正弦交流电压的角位移；

f、用同步信号检测单元3发来的同步脉冲信号作为时间基准，由数据处理和控制单元1控制供电执行单元4按计算的控制数据导通，从而使电动机获得最佳的供电电压。在本实施例中，同步信号检测单元3由同步电路6组成；供电执行单元4由可控硅组触发电路9和可控硅组10组成。这样，本步骤可更具体地描述为：用同步电路6发来的同步脉冲信号作为时间基准，经单片计算机及辅助电路5向可控硅组触发电路9输出相应的脉冲序列，触发可控硅组10按计算的导通角导通，以输入最小电功率适应电动机负载的变化，起到提高电动机效率和功率因数而节能的作用；

g、返回上述步骤a循环执行。

若电动机实际负载率等于或小于零，则执行下述从h至k的步骤：

h、数据处理和控制单元1停止为供电执行单元4提供控制信号使其处于截止状态，从而关断电动机的供电回路，同时也切断了电动机被负载拖动发电向电网回馈的回路。在本实施例中，供电执行单元4由可控硅组触发电路9和可控硅组10组成。这样，本步骤可更具体地描述为：停止为可控硅组触发电路9提供控制信号，使可控硅组10处于截止状态，从而关断电动机的供电回路，同时也切断了电动机被负载拖动发电向电网回馈的回路；

i、继续通过负载率检测单元2以及数据处理和控制单元1检测电动机的负载率。这样，本步骤可更具体地描述为：继续通过电压检测电路7、电流检测电路8以及单片计算机及辅助电路5检测电动机的负载率；

j、当负载率数值重新大于零时，按软启动方式恢复电动机的供电。在本实施例中，本步骤可更具体地描述为：当负载率数值重新大于零时，单片计算机及辅助电路5首先以同步电路6发出的同步信号作为时间基准，向可控硅组触发电路9输出一组预定的控制脉冲序列，控制可控硅组10按80度的导通角恢复电动机的供电；

k、返回上述步骤a循环执行。

由图1可知，本周期制动异步电动机节能专用装置由数据处理和控制单元1、负载率检测单元2、同步信号检测单元3和供电执行单元4连接而成。负载率检测单元2和同步信号检测单元3的输入端连接在电动机的供电线路上，输出端连接到数据处理和控制单元1的输入端口；数据处理和控制单元1的输出端口连接到供电执行单元4的控制端；供电执行单元4串联在电动机的供电线路中。

由图1、图2和图4可以看出，本周期制动异步电动机节能专用装置，其数据处理和控制单元1由单片计算机及辅助电路5构成。图4是单片计算机及辅助电路5的电气原理图，由图4可知，单片计算机及辅助电路5由串行通讯接口U1、单片计算机U2、外部存储器U3、限流二极管U7、串行通讯芯片U8、外部晶体振荡器U9、复位按键U15、电阻排U20、地址兼数据锁存器U21、以及匹配电容U4、U5、U6、U11、U12、U13、U14、U16、U17、U18、U19和匹配电阻U10连接而成；单片计算机及辅助电路5的输入端口VA、IA、IB、IC连接负载率检测单元2的输出端，输入端口TA、TB、TC连接同步信号检测单元3的输出端，输出端口CA、CB、CC连接供电执行单元4的控制输入端。图4中所用元器件明细说明见图9。数据处理和控制单元1完成数据处理、计算和控制信号的发出工作。

由图1、图2、图6和图8可以看出，本周期制动异步电动机节能专用装置，其负载率检测单元2由电压检测电路7和电流检测电路8构成。图6是电压检测电路7的电气原理图，由图6可知，电压检测电路7由集成运算放大器U35B、U39C、钳位二极管U40、U43和匹配电阻U33、U34、U36、U37、U38、U41、U42连接而成；电压检测电路7的输入端VA+连接电压传感器，输出端VA连接单片计算机及辅助电路5的输入端口VA。图6中所用元器件明细说明见图11；图8是电流检测电路8的电气原理图，由图8可知，电流检测电路8由集成运算放大器U56B、U59C、钳位二极管U51、U61、匹配电阻U48、U49、U50、U53、U55、U57、U58、U60和匹配电容U52、U54连接而成；电流检测电路8的输入端IA+、IA-连接电流互感器，输出端IA连接单片计算机及辅助电路5的输入端口IA。图8中所用元器件明细说明见图13。在本优选实施例中，图6和图8所示的电路结构并联使用了三组，分别检测A、B、C三根相线上的电压和电流。负载率检测单元2完成电动机工作电压、电流的实时检测和信号变送工作。

由图1、图2和图7可以看出，本周期制动异步电动机节能专用装置，其同步信号检测单元3由同步电路6构成。图7是同步电路6的电气原理图，由图7可知，同步电路6由钳位二极管U45、光电隔离器U46、负载电阻U47和输入电阻U44连接而成。同步电路6的输入端KA2连接电压传感器，输出端TA连接单片计算机及辅助电路5的输入端口TA。图7中所用元器件明细说明见图12。同步信号检测单元3完成电动机供电电压过零点的检测和同步信号的发送工作。

由图1、图2和图5可以看出，本周期制动异步电动机节能专用装置，其供电执行单元4由可控硅组触发电路9和可控硅组10连接而成。图5是可控硅组触发电路9的电气原理图，由图5可知，可控硅组触发电路9由光电隔离器件U24、场效应开关三极管U27和脉冲变压器U30、开关二极管U29、U31、U32和匹配电阻U22、U23、U25、U26、U28连接而成；可控硅组触发电路9的输入端CA连接单片计算机及辅助电路5的输出CA，输出端口GA1、GA2连接可控硅组10的控制端，KA1、KA2连接到可控硅组10前端的供电线路上。图5中所用元器件以及可控硅组10所用晶闸管的明细说明见图10。可控硅组10由三组反向并联的晶闸管组成，分别串联在电动机的三根供电线路上。在本优选实施例中，图5所示的电路结构并联使用了三组，分别控制可控硅组10中的三组反向并联的晶闸管。供电执行单元4完成对电动机供电回路的通断控制工作。

本优选实施例中的专用装置的具体工作过程详见前述从a至k的步骤。

优选实施例2：

图1、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12和图13构成本发明的优选实施例2。本优选实施例实现的是对单相交流异步电动机的节能控制。

由图1可知，本周期制动异步电动机节能专用装置由数据处理和控制单元1、负载率检测单元2、同步信号检测单元3和供电执行单元4连接而成。负载率检测单元2和同步信号检测单元3的输入端连接在电动机的供电线路上，输出端连接到数据处理和控制单元1的输入端口；数据处理和控制单元1的输出端口连接到供电执行单元4的控制端；供电执行单元4串联在电动机的供电线路中。

由图1和图3可知，本周期制动异步电动机节能专用装置，其数据处理和控制单元1由单片计算机及辅助电路11构成；负载率检测单元2由电压检测电路13和电流检测电路14构成；同步信号检测单元3由同步电路12构成；供电执行单元4由可控硅组触发电路15和可控硅组16构成。同步电路12、电压检测电路13和电流检测电路14的输入端与电动机供电线路连接；单片计算机及辅助电路11的输入端分别连接同步电路12、电压检测电路13和电流检测电路14的输出端，其输出端连接可控硅组触发电路15的输入端；可控硅组触发电路15的输出端连接可控硅组16的控制端；可控硅组16串联在被控电动机的供电回路中。

在本优选实施例中，由于控制对象是单相异步交流电动机，供电线路只有一根，串联在供电线路上的可控硅组16只有一组反向并联的晶闸管；其电压检测电路13只使用了一组图6所示的电路；其电流检测电路14只使用了一组图8所示的电路；其可控硅组触发电路15只使用了一组图5所示的电路。

其具体工作过程同优选实施例1步骤a至k。

Claims (6)

1.一种周期制动异步电动机节能方法及其专用装置，通过在电动机供电线路中接入数据处理和控制单元(1)、负载率检测单元(2)、同步信号检测单元(3)以及供电执行单元(4)对周期制动异步电动机进行节能控制，其特征在于：当电动机的实测负载率大于零时，供给电动机按实测负载率大小计算出的最佳电压值，以输入最小电功率适应电动机负载的变化，提高电动机的效率和功率因数；而在电动机实测负载率小于或等于零时关断供电回路停止供电，消除空载功耗和发电回馈浪费，其方法步骤如下：

a、通过负载率检测单元(2)连续测量电动机供电回路中的工作电压和电流，并将测量数据传输给数据处理和控制单元(1)；

b、通过同步信号检测单元(3)连续检测电动机电压信号，在电压出现过零点时向数据处理和控制单元(1)发出同步脉冲信号；

c、数据处理和控制单元(1)用获得的电流、电压数据计算电动机的实际负载率，并根据计算结果自动选择后面的控制步骤：

若电动机实际负载率大于零，则执行下述从d至g的步骤：

d、根据电动机的实际负载率，计算出电动机在此负载率下能够获得最高效率的最佳供电电压；

e、根据最佳供电电压计算出供电执行单元(4)应该获得的控制数据；

f、用同步信号检测单元(3)发来的同步脉冲信号作为时间基准，由数据处理和控制单元(1)控制供电执行单元(4)按计算的控制数据导通，从而使电动机获得最佳的供电电压；

g、返回上述步骤a循环执行；

若电动机实际负载率等于或小于零，则执行下述从h至k的步骤：

h、数据处理和控制单元(1)停止为供电执行单元(4)提供控制信号，使其处于截止状态，从而关断电动机的供电回路，同时也切断了电动机被负载拖动发电向电网回馈的回路；

i、继续通过负载率检测单元(2)以及数据处理和控制单元(1)检测电动机的负载率；

j、当负载率数值重新大于零时，按软启动方式恢复电动机的供电；

k、返回上述步骤a循环执行。

2、如权利要求1所述方法的一种周期制动异步电动机节能方法的专用装置，由数据处理和控制单元(1)、负载率检测单元(2)、同步信号检测单元(3)和供电执行单元(4)连接而成，其特征在于：负载率检测单元(2)和同步信号检测单元(3)的输入端连接在电动机的供电线路上，输出端连接到数据处理和控制单元(1)的输入端口，数据处理和控制单元(1)的输出端口连接到供电执行单元(4)的控制端，供电执行单元(4)串联在电动机的供电线路中。

3、如权利要求2所述的一种周期制动异步电动机节能方法的专用装置，其特征在于：数据处理和控制单元(1)由单片计算机及辅助电路(5)构成，由串行通讯接口U1、单片计算机U2、外部存储器U3、限流二极管U7、串行通讯芯片U8、外部晶体振荡器U9、复位按键U15、电阻排U20、地址兼数据锁存器U21、以及匹配电容U4、U5、U6、U11、U12、U13、U14、U16、U17、U18、U19和匹配电阻U10连接而成；单片计算机及辅助电路(5)的输入端口VA、IA、IB、IC连接负载率检测单元(2)的输出端，输入端口TA、TB、TC连接同步信号检测单元(3)的输出端，输出端口CA、CB、CC连接供电执行单元(4)的控制输入端。

4、如权利要求2所述的一种周期制动异步电动机节能方法的专用装置，其特征在于：负载率检测单元(2)由电压检测电路(7)和电流检测电路(8)构成，电压检测电路(7)由集成运算放大器U35B、U39C、钳位二极管U40、U43和匹配电阻U33、U34、U36、U37、U38、U41、U42连接而成，电压检测电路(7)的输入端VA+连接电压传感器，输出端VA连接单片计算机及辅助电路(5)的输入端口VA；

电流检测电路(8)由集成运算放大器U56B、U59C、钳位二极管U51、U61、匹配电阻U48、U49、U50、U53、U55、U57、U58、U60和匹配电容U52、U54连接而成电流检测电路(8)的输入端IA+、IA-连接电流互感器，输出端IA连接单片计算机及辅助电路(5)的输入端口IA。

5、如权利要求2所述的一种周期制动异步电动机节能方法的专用装置，其特征在于：同步信号检测单元(3)由同步电路(6)构成，同步电路(6)由钳位二极管U45、光电隔离器U46、负载电阻U47和输入电阻U44连接而成，同步电路(6)的输入端KA2连接电压传感器，输出端TA连接单片计算机及辅助电路(5)的输入端口TA。

6、如权利要求2所述的一种周期制动异步电动机节能方法的专用装置，其特征在于：供电执行单元(4)由可控硅组触发电路(9)和可控硅组(10)连接而成，可控硅组触发电路(9)由光电隔离器件U24、场效应开关三极管U27和脉冲变压器U30、开关二极管U29、U31、U32和匹配电阻U22、U23、U25、U26、U28连接而成，可控硅组触发电路(9)的输入端CA连接单片计算机及辅助电路(5)的输出CA，输出端口GA1、GA2连接可控硅组(10)的控制端，KA1、KA2连接到可控硅组(10)前端的供电线路上；可控硅组(10)由反向并联的晶闸管组成，串联在电动机的供电线路上。

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