CN201294470Y - 三相异步电动机相控智能节电控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为三相异步电动机相控智能节电控制器，涉及电动机附件领域，传统的起动运行设备，其起动电流和运行转矩很难与负载正配，在切换瞬间会产生很高的电流尖峰，由此产生的机械振动会损害电机转子、轴连接器、中间齿轮及负载，为此本实用新型采用了低压全自动相控智能节电的电路，并在节电控制电路中连接了单片机控制电路，电压自动检测电路、电流检测电路、负载跟踪电路和电机反馈的功率因素电路，使电机在低功损耗状态下实现最佳的运行，并具有电机起动电流低、安全性能高、对负载的损害小的有益效果。

Description

三相异步电动机相控智能节电控制器

技术领域

本实有新型涉及电动机附件领域，尤其是智能节电控制器。

背景技术

三相交流异步电动机以其低成本，高可靠性和易维护等优点在各行业中广泛应用。但是，它在直接起动及运行时，存在着很大的缺点：首先，它的起动电流高达额定电流的5-7倍，这需要电网有很大的裕量，而且降低了电器控制设备的使用寿命，增加维护成本，甚至影响了其它电气设备的正常运行；其次，运行转矩可达正常转矩的3倍，这会对负载产生冲击，增加传动部件的磨擦和额外维护。

传统的起动运行方式如下：

①.在电动机定子回路中串入电抗器，使一部分电压降在电抗器上；

②.星形-三角形转换降压起动(Y-Δ)。电机起动时接成星形，起动结束后，通过一个转换器变成三角形接法；

③.起动补偿器起动(自耦变压器起动)。

传统的起动运行设备体积庞大，与负载匹配的电机转距很难控制，也就是说很难得到合适的起动电流和运行转距；而且在切换瞬间会产生很高的电流尖峰，由此产生的机械振动会损害电机转子、轴连接器、中间齿轮以及负载。

发明内容

本实用新型的目的为提供一种能克服传统起动运行缺点，运行时节能节电，并具有过流保护、过压保护、缺相保护功能的三相异步电动机相控智能节电控制器。

实现上述目的的技术方案如下：

三相异步电动机相控智能节电控制器，该控制器的输入端和输出端接入三相异步电动机的主回路，输入端经短路开关，与鉴相路电路、恒流软启动电路、缺相及过载保护电路相继连接，最后与输出端连接，同步信号取样电路与方波整形电路、电压检测电路、及所述鉴相器电路相继连接，所述同步信号取样电路还与负载跟踪电路、电流检测电路及所述缺相反过载保护电路连接，所述同步信号取样电路还与单片机控电路、功率放大电路相继连接，功率放大电路还分别与所述鉴相器电路、恒流软启动电路、缺相及过载保护电路和双稳态触发器电路连接，另外还有限载旁路电路一端与所述鉴相器电路连接，另一端与所述恒流软启动电路连接。

各个电信号采样电路与主回路连接，其中电流采样电路通过三个互感器连接，电压采样电路通过三个同步变压器连接，并经光偶合隔离器接入控制电路，方波整形电路与相位比较电路连接，负载跟踪电路分别与相位比较电路和单片机控制电路连接，高频信号发生器与功率放大电路，大功率信集成模块，主回路相继连接，电动机保护电路分别与电流采样电路和信号发生器连接，限载旁路电路与负载跟踪电路连接、运行及故障显示电路分别与电动机保护电路功率放大电路和电源连接。

上述方案中具有单片机控制电路，该控制电路的核心甘情愿单片机，控制模块，这种模块采用数码管显示、按键控制，整个起动过程全部由单片机按照预先设定自动完成，所以操作起来极其方便。

方案的技术特性

①.电压斜坡起动特性

首先加一个电压Us到电机上，之后电压线性上升，从Us增加到最大电压Umax。此时，加到电动机端子上的电压等于电网输入电压。Us可选择的电压为80-300V。Ts由用户设定，可以在1-90秒中选择。例如电机功率大小、负载大小等，选择合适的参数，达到最佳起动效果。这种起动方式的特点是起动平稳，可减少起动电流对电网的冲击，同时大大减轻起动力矩对负载带来的机械振动。全电压硬启动经常损坏电动机和设备，相控节电技术装置能检测电动机的负荷与提供给电动机的功率，在不减少启动力矩的前提下，仅提供给电动机启动过程中所需要的功率，且启动时间可在0秒-30秒范围内根据需要设定，启动过程是平滑无级的，可有效地降低电动机的启动电流，其启动电流仅为标准电机硬启动电流的50％，高效的限流特性可有效限制浪涌电流，避免不必要的冲击力矩以及对配电网络的电流冲击，可有效控制电动机的温升，大大延长电动机的寿命。

②.电压突跳功能

负载具有很大的静摩擦力；在电压斜坡起动方式中，电压是由小到大逐渐上升的。如果直接使用电压斜坡方式起动，在起动开始的一段时间内，因所加电压太小，克服不了负载的静摩擦力，造成因发热而损坏电机的情况。电压突跳功能则解决了这个问题。在电机起动前，先输出一电压Ut，且持续一段时间Tt，用以克服静摩擦力，待电机转动之后，再按照原有方式起动，从而比较好地保护了电机。

③.节能特性

交流感应电动机通常消耗的电能大于其实际需要的电能，特别是当其运行在欠载状态，该多余的电能以震动、发热、噪音和铁磁损耗等的形式耗散掉。相控技术的柔性化能量管理模式，在配电系统和交流电机之间建立有效的电机能量监控控制方式，实时将电机的运行电流、电压和功率调整在最佳状态，实现节能运行的目的。

④.优化运行特性

依据负荷来提供功率的特性，可有效提高电动机的效率、生产力和使用寿命，同时节省能源和费用。能对单相和三相交流电动机进行极优控制，以满足优化安全运行模式。

⑤.保护特性

共有三种保护功能：过流保护，过热保护，缺相保护。在起动或者运行过程中如果出现上述三种故障之一，模块会自动断电，控制盒上的数码管会闪烁显示故障原因，待排除故障以后，按复位键即可恢复正常。可适用于要求比较严格的应用场合，具有过流和缺相自动保护切入旁路运行的功能。

⑥.消减三相电压的不平衡度的节电

从三相不平衡电压按对称分量法分解出负序分量电压U2，是一个反时针方向的序量，它可使电动机产生附加的反方向旋转的制动力矩，如果要克服它并且按正方向保持原速度，就要额外增加相对于一倍负序分量的正序能量才能保持原速度，如果U2＝1.5％U1，则要增加2×1.5％的功率，对于零序分量就是由于电压的不平衡产生电压中心点偏移导致的零序电压或电流分量，所以本实用新型能将不平衡电压的程度消减因而可带来显著的节电效应。

⑦.降低运行电流节电

电动机在起动时阻抗ZL极小，电机起动电流一般为(3.5～5.5)IA，感性灯具起动电流一般为(1.5～2.0)IA，加入节电器后，等于接入了一定数量的等值抗阻ZF，可将大大降低起动电流，同时可降低轻负载电机及感性灯具的运行电流，如果有很多台的电机或群控电机的负荷，就有很大的节电收益。

⑧.抑制瞬变浪涌节电

瞬变和浪涌是正弦交流波电路上电流与电压的一种瞬时态的畸变。概括性地说，瞬流会使用户的用电成本增加，同时，瞬流会破坏设备的安全运行。本技术可消减高次谐波分量，起到一定程度的节电效果。这是由于本技术采用了最理想的磁性材料和特殊的控制技术来平稳了电流或电压的瞬间变动。du/dt得以抑制使工作线路上的电压得到稳定，这对用电设备起到了一定程度的保护作用，使用电设备免受了系统中的浪涌电压的损害。

具有的技术功能如下：

①.降低电动机起动电流(一般交流电动机直接起动时，冲击电流是额定电流的5-7倍)；

②.避免电动机起动时供电线路产生瞬间电压跌落，造成设备、仪表误动作；

③.防止起动时产生力矩冲击，而使机械断轴或产生废品；

④.可以较频繁地起动电动机(软起动装置一般允许10次/小时，而使电动机不致过热)；

⑤.对泵类负载可以防止水锤效应，防止管道破裂；

⑥.对某些工艺应用(如染纱机械)，可防止由于起动过快而产生染色不匀造成质量问题；

⑦.对某些易碎的容器灌浆生产线，可防止容器破损；

⑧.需要控制起动电流，减少对机械的冲击，同时也可适应较低容量供电变压器的场合(如注塑机)；

⑨.可以降低电网适配容量，节省增容费开支；

⑩.数字式智能控制模块结构、节能运行、保护于一体。突出特点是体积小、功能强、安装方便、操作简单、免维护、可靠性高，是传统起动设备的理想换代产品。

本实用新型具有以下有益效果：

1.在配电网和用电负载之间提供了“柔性化”的用电智能管理功能；

2.具备完善的软启动和软停车功能，可保证电机连续平滑地启动，消除了常规启动方式伴随电机启动所产生的机械冲击和大启动电流，有效降低轴承和皮带的磨损，普遍减少链条及齿轮的机械应力，从而延长电机的使用寿命；

3.采用智能化的微处理器控制，实时调节，在轻负载情况下电机电压自动降至最低需求而转速保持恒定，因此降低了不必的损耗。如果负荷增加，电压将自动上升以防止电机失速

4.选用导磁系数很高的铁氧体铁芯作为电感器的铁芯主体，提高了整机工作效率，自身功耗下降；

5.采用独特的机箱内散热设计，在箱内温度达到55℃时，三台高速风机进行箱内换气，确保工作正常。

附图说明：

图1是本实用新型三相异步电动机相控智能节电控制器的组成框图；

图2为主电路构成原理图；

图3为单片机模块构成原理图

具体实施方式

现结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

主电路与相控电路及单片机共同封装于同一壳体内，同时内置多个电流、电压传感器。用接插件将模块与控制盒连接在一起，实现各种功能的设置和显示。

主电路为6只玻璃钝化方形直流模块芯片，通过一体化焊接技术，将其贴在DBC(陶瓷覆铜板)上，并与导热铜板焊接在一起。模块使用时，导热铜板与散热片通过导热硅脂紧密接触。这种结构使模块具有很高的绝缘性能和散热性能。

相控节电技术移相电路部分是为SOP28封装，5V单一电源供电，全数字化处理方式，具有很高的移相精度、对称度。对控制端加0-10V电平信号，即可控制移相角度。

同步变压器输出同步信号给移相电路，其中一路另外分给单片机，作为单片机采集电压、电流信号的基准。这样，就克服了如果交流电频率变化带来的计算误差，提高了计算精度。

电压传感器和电流传感器。两种传感器中均使用了霍尔元件，具有体积小、反应快、线形度高的特点，通过与模块结构的一体化设计方便地置于模块内部。两种传感器将电压模拟量、电流模拟量传给12位高速A/D转换器，通过A/D转换，将相应的数字量传给单片机，以备单片机进行处理。显示、控制部分采用串行口与单片机进行通讯，这种通讯方式大大减少了该部分与模块内部的连线。5个数码管显示、8个按键控制，使显示与控制直观、方便。

本实用新型是采用最新的集成电路芯片控制技术配合电动机相序调整技术，不断地检测电动机的功率因数及运行功况，实时改变电动机的输入电压和电流。当检测到电动机从空载→轻载→满载多种负荷变化的情况下，保持电动机恒定转速不变，能自动监测电动机电压和电流之间的相位角a，根据负载的变化状况，在几毫秒时间内自动调整相位角a。通过专用的大功率开关元件，对电压电流波形进行“切口”控制，自动调整了供给电动机的电压，减少电动机磁滞损耗，降低电动机的铜损和铁损，保证电动机的输出功率与实时负载达到最佳匹配。提高了电能的使用效率，达到了节电降损的目的。

相控节电技术采用闭环反馈系统进行优化控制，通过实时测量电动机的电压与电流波形，由于电动机为一感性负载，其电流与电压波形通常存在一相位差，该相位差的大小与其负载的大小有关。达到实际相位差与依据电动机特性的理想相位差进行比较，并依此来控制整流桥触发角以给电动机提供优化的电流和电压，及时调整输入电机的功率，实现电动机“所供即所需”。

相控技术采用了大功率半导体与集成电路芯片检测与控制触发系统来实现无触点智能控制功能，其检测和控制集成电路芯片的高速处理特性和快速反应特点，使得相控节电技术装置能自动处理各种工况下的电动机动态特性，具有软启动、节能节电、优化运行及保护等特性。

相控技术在设计上完全不同于传统的变频调速节能技术，它采用了电流电压矢量传感动态监控独特控制技术，不改变电机原有的一切运行特性，从而避免了变频器因调低速度而导致生产效率下降的弊端，填补了变频器所不能及的空白。

Claims (2)

1、三相异步电动机相控智能节电控制器，其特征为所述控制器的输入端和输出端接入三相异步电动机的主回路，输入端经短路开关，与鉴相路电路、恒流软启动电路、缺相及过载保护电路相继连接，最后与输出端连接，同步信号取样电路与方波整形电路、电压检测电路、及所述鉴相器电路相继连接，所述同步信号取样电路还与负载跟踪电路、电流检测电路及所述缺相反过载保护电路连接，所述同步信号取样电路还与单片机控电路、功率放大电路相继连接，功率放大电路还分别与所述鉴相器电路、恒流软启动电路、缺相及过载保护电路和双稳态触发器电路连接，另外还有限载旁路电路一端与所述鉴相器电路连接，另一端与所述恒流软启动电路连接。

2、根据权利要求1所述的三相异步电动机相控智能节电控制器，其特征为各个电信号采样电路与主回路连接，其中电流采样电路通过三个互感器连接，电压采样电路通过三个同步变压器连接，并经光偶合隔离器接入控制电路，方波整形电路与相位比较电路连接，负载跟踪电路分别与相位比较电路和单片机控制电路连接，高频信号发生器与功率放大电路，大功率信集成模块，主回路相继连接，电动机保护电路分别与电流采样电路和信号发生器连接，限载旁路电路与负载跟踪电路连接、运行及故障显示电路分别与电动机保护电路功率放大电路和电源连接。

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