CN202455301U - 电动机程控节能装置 - Google Patents

Abstract

电动机程控节能装置，涉及电动机的挖制技术领域。本实用新型包括直流电源电路、负载跟踪电路、故障检测电路、欠压补偿电路和电机控制电路；直流电源电路为电路提供5V和12V电压，保证其他各电路良好运作；在负载跟踪电路中，通过电流互感器监测电机电流从而判断电机为轻载或满载；故障检测电路中三只电流互感器检测是否有过流、缺相等问题出现；欠压补偿电路的信号输出接电机控制电路的输入端，电机控制电路通过光耦控制可控硅的导通角，从而控制电机电压。直流电源电路为电路提供5V和12V电压，保证其他各电路良好运作。

Description

电动机程控节能装置

技术领域

本实用新型涉及电动机的挖制技术领域。

背景技术

经检索，目前的电机节能技术主要是通过改进启动控制方式进行节能，主要有以下三种：1、直接起动方式，也叫全压起动。起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压直接加到电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。2、传统减压起动方式。减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，起动后，再把电压恢复到额定值。常见的减压启动有以下四种：(1)星形-三角形(Y-△)起动，(2)串电抗起动，(3)自耦变压器起动，(4) 延边三角形起动。3、软起动方式。现代的电子式软起动设备，采用晶闸管调压电路，该电路组成情况是：六只晶闸管，两两反向并联，串联到电动机的三相电源线路上，系统发出启动指令后，启动器微机控制系统就会进行数据据运算，使得输出晶闸管发出触发信号，控制晶闸管的导通角，按照设定的模式，调节输出的电压，达到控制电动机起动的目的。

现有技术的缺点：

1、直接起动的起动线路是最简单的，然而对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流将造成电动机的发热，影响电动机的寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路，进而烧毁电动机；另外过大的起动电流，会使线路压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。

2、减压起动虽然可以减小起动电流，但是起动转矩也会同时减小。因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况下起动。

3、软起动由于在起动前设定了一个不对电网产生影响的起动电流，电流是缓慢增大至设定电流，故无冲击电流，所以对电网的影响最小，并且消除起动力矩的冲击。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型目的在于提出一种电动机程控节能装置，在电机空载时为了达到节能的目的，节能器可以自动地将电动机的电压降低，使电机的空载电流减小。

本实用新型技术方案是：本实用新型包括直流电源电路、负载跟踪电路、故障检测电路、欠压补偿电路和电机控制电路；直流电源电路分别为负载跟踪电路、故障检测电路、欠压补偿电路和电机控制电路提供工作电源；负载跟踪电路的电流互感器的源端接电机电源电路两端，故障检测电路的三只电流互感器的源端分别和三相交流电一一相相连，欠压补偿电路的信号输出接电机控制电路的输入端，电机控制电路的三相输出端分别各自连接一只光耦。

本实用新型中，直流电源电路为电路提供5V和12V电压，保证其他各电路良好运作；在负载跟踪电路中，通过电流互感器监测电机电流从而判断电机为轻载或满载；故障检测电路中三只电流互感器检测是否有过流、缺相等问题出现；欠压补偿电路的信号输出接电机控制电路的输入端，电机控制电路通过光耦控制可控硅的导通角，从而控制电机电压。直流电源电路为电路提供5V和12V电压，保证其他各电路良好运作。

本实用新型电动机节能的工作原理主要是通过限制电动机的起动电流以及根据负载的情况调节电压，目前的电机节电器普遍采用软启动方式限制电动机的起动电流进行节能，但是没有根据电机运行时的负载情况实时调节电压。达到节能的目的，本实用新型在电机空载时，可以自动的将电动机的电压降低，使电机的空载电流减小。可以实现节能状态和满载状态的互相转换，在节能状态时突然加重负载时，可以满足电动机的端电压升到全压的要求，避免过电流现象的发生。本节电器具有电机保护和报警功能，电机保护包括：晶闸管保护、低电压保护、接地保护、断相保护、过载保护和过流保护。同时具有自诊断和自恢复功能，能防止软件出错跑飞，工作比较可靠，可有效防止工作人员误操作造成的初始设定的改变。

本实用新型可以与各种电机匹配，适用面广，方便安全。在启动时采用软启动方式，节省电能的同时延长电机寿命。电机工作过程中，实时跟踪电机负载，并调整电机工作电压，最大限度的节省电能；故障检测电路可以有效检测电机电路的各种故障，一旦故障发生，自动断开电源，确保电机不受损坏；欠压补偿电路在电机电源电压不稳定的情况下可以有效的对电机工作电压进行调整，确保电机正常工作。同时，本智能电机节电器具有抗浪涌的功能，最大限度的减小电压不稳定对电机造成的伤害。

本实用新型所述负载跟踪电路主要由单片机U1、电流互感器TL1、高频抑制电容C3、运算放大器U4B、微调电阻R46、节能指示灯LED1、设置指示灯LED2、整流二极管D5和滤波电解电容C12组成；电流互感器T1初级的两个输入端连接在电机工作电流上，次级与运算放大器U4B的同相端、反相端分别连接，运算放大器U4B为反相放大器，运算放大器U4B的输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D5，在整流二极管D5的输出端连接高频抑制电容C3；微调电阻R46的两端并联在高频抑制电容C3的两端，微调电阻R46的调节端连接单片机U1的GP4端；节能指示灯LED1和设置指示灯LED2分别通过分压电阻连接在单片机U1的输出端。

微调电阻R46将放大后的直流电流转换成直流电压；运算放大器U4B（LM358）被接成反相放大器，当电机开始工作时，感应的交流电压信号输入运算放大器U4B（LM358）进行放大，运算放大器U4B输出放大的交流电压信号，通过整流二极管D5整流，高频抑制电容C3滤波将交流电压信号平均为直流电平信号，连接单片机U1的GP4端采样端口部分。在设置时，调节微调电阻R46直至设置指示灯LED2亮，表示调整到理想位置；单片机采样判断若电机为轻载，则调节电机电压进行节能，此时节能指示灯LED1亮。

本实用新型所述故障检测电路包括单片机U2、三只电流互感器TL2、TL3、TL4、电压取样电阻R28、R29、R30、整流二极管D8、D9、D11、滤波电容C4、C6、C7和故障报警指示灯D13；三只电流互感器TL2、TL3、TL4的两个输入端分别连接在电机工作电流的三相输入端，三只电流互感器TL2、TL3、TL4的次级分别与电压取样电阻R28、R29、R30连接，整流二极管D8和滤波电容C4串联后并联在电压取样电阻R28的两端，整流二极管D9和滤波电容C6串联后并联在电压取样电阻R29的两端，整流二极管D11和滤波电容C7串联后并联在电压取样电阻R30的两端，整流二极管D8、D9、D11的负极端分别与单片机U2的GP1、GP2、GP4端连接；故障报警指示灯D13连接在单片机U2的输出端。

单片机U2的Vcc端连接在5V三端稳压器SWDZ1的输出端，单片机U2的GP1、GP2、GP4端分别为电机三相交流电的感应直流电平信号采样输入端，该单片机使用内置的4M晶振，R43、C22串联接单片机GP3的上电复位端口， D13为故障报警指示灯，当电机正常运转时指示灯熄灭，出现缺相、过流等故障时指示灯亮。 

本实用新型欠压补偿电路包括单片机U3、电压互感器T2、运算放大器U4A、整流二极管D10、滤波电解电容C5以及欠压指示灯D14；电流互感器T2初级的两个输入端连接在电机工作电流上，次级与运算放大器U4A的同相端、反相端分别连接，运算放大器U4A输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D10的正极端，在整流二极管D10的负极端分别连接滤波电解电容C5和单片机U3的GP4端采样端口，欠压指示灯D14连接在单片机U3的GP1端。

当单片机U3经过采样、运算、判断之后，如发现电机电压低，令欠压指示灯亮D14，同时控制进行电压补偿。

本实用新型所述电机控制电路包括光电耦合器JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6、JP7、JP8、JP9、晶闸管Q1、Q2、Q3，满载指示灯D12、三极管Q4、Q5、Q6、延时电容C9、C13、C14、压敏电阻R8、R23、R24、限流电阻R31、R32、R2以及滤波电容C10、C15、C16；直流电源电路的输出端分别通过限流电阻R31、R32、R2分别对应接光电耦合器JP3、JP2、JP1的1脚，光电耦合器JP3、JP2、JP1的2脚分别接光电耦合器JP4、JP8、JP5的1脚，其中光电耦合器JP1的 2脚和光电耦合器JP5的1脚之间连接满载指示灯D12，光电耦合器JP4、JP8、JP5的1脚分别接光电耦合器JP9、JP7、JP6的1脚；三极管Q4、Q5、Q6的发射极接地，三极管Q4、Q5、Q6的集电极分别与光电耦合器JP6、JP7、JP9的2脚相连；晶闸管Q1、Q2、Q3的阳极分别接光电耦合器JP3、JP4、JP9的6脚；晶闸管Q1的阴极经延时电容C9及电阻R5接JP3的4脚，晶闸管Q2的阴极经延时电容C13及电阻R17接JP4的4脚，晶闸管Q3的阴极经延时电容C14及电阻R18接JP9的4脚；在晶闸管Q1、Q2、Q3的两端分别接压敏电阻R8、R23、R24；滤波电容C10和电阻R9相连之后，连接到晶闸管Q1的两端，滤波电容C15和电阻R25相连之后，连接到晶闸管Q2的两端，滤波电容C16分别和电阻R26相连之后，连接到晶闸管Q3的两端。

光电耦合器信号单向传输，光电耦合器输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定；晶闸管可以进行可控整流，当负载跟踪电路监测到电机负载发生变化时通过控制三极管Q4的通或断控制晶闸管，就可以改变电机电流。同样，故障检测电路检测到故障发生则断开三极管Q6，晶闸管停止工作，保证电机安全；欠压补偿电路发现电路欠压时，通过控制三极管Q5的通或断进行调节和补偿。

附图说明

图1为本实用新型的电路框图；

图2为本实用新型电路原理图；

图3为本实用新型中直流电源电路原理图；

图4为本实用新型中负载跟踪电路原理图；

图5为本实用新型中故障检测电路原理图； 

图6为本实用新型中欠压补偿电路原理图；

图7 为本实用新型中电机控制电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型设有负载跟踪电路1、故障检测电路2、欠压补偿电路3、电机控制电路4和为各以上电路提供工作电源的直流电源电路5。

如图2所示，负载跟踪电路1的电流互感器的源端接电机电源电路两端，监测电机电流从而判断电机为轻载或满载；故障检测电路2的三只电流互感器的源端分别和三相交流电一一相相连，检测是否有过流、缺相等问题出现；欠压补偿电路3的信号输出接电机控制电路的输入端，电机控制电路4的三相输出端分别各自连接一只光耦，电机控制电路通过光耦控制可控硅的导通角，从而控制电机电压。直流电源电路5为各电路提供5V和12V电压，保证其他各电路良好运作。

如图3所示，12V直流供电电路由变压器T1、二极管D1—D4组成的整流桥、12V稳压管DW1和滤波电解电容C1组成，变压器T1的两个输入端与交流输入电压两端连接，变压器T1的两个输出端连接整流桥的两个输入端，12V稳压管DW1连接在整流桥的两个输出端，滤波电解电容C1并联在12V稳压管DW1的两端。5V直流供电电路是在12V直流供电电路基础上采用三端稳压器SWDZ1产生。12V电源接三端稳压器SWDZ1输入端，滤波电解电容C2、C8接在三端稳压器SWDZ1和地之间。直流电源电路为后续电路提供低电压工作电源。

如图4所示，负载跟踪电路主要由PIC12F675单片机U1、电流互感器TL1、高频抑制电容C3、LM358运算放大器U4B、微调电阻R46、节能指示灯LED1、设置指示灯LED2、整流二极管D5和滤波电解电容C12组成。

电流互感器T1初级的两个输入端连接在电机工作电流上，次级与运算放大器U4B的同相端、反相端分别连接，运算放大器U4B为反相放大器，运算放大器U4B的输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D5，在整流二极管D5的输出端连接高频抑制电容C3；微调电阻R46的两端并联在高频抑制电容C3的两端，微调电阻R46的调节端连接单片机U1的GP4端；节能指示灯LED1和设置指示灯LED2分别通过分压电阻连接在单片机U1的输出端。

在设置时，调节R46直至指示灯LED2亮，表示调整到理想位置；单片机采样判断若电机为轻载，则调节电机电压进行节能，此时节能知识等LED1亮。

如图5所示，故障检测电路包括PIC12F675单片机U2、三只电流互感器TL2、TL3、TL4、电压取样电阻R28、R29、R30、整流二极管D8、D9、D11、滤波电容C4、C6、C7和故障报警指示灯D13。

PIC12F675单片机U2的Vcc端连接在5V三端稳压器SWDZ1的输出端，三只电流互感器TL2、TL3、TL4的两个输入端分别连接在电机工作电流的三相输入端，三只电流互感器TL2、TL3、TL4的次级分别与电压取样电阻R28、R29、R30连接，整流二极管D8和滤波电容C4串联后并联在电压取样电阻R28的两端，整流二极管D9和滤波电容C6串联后并联在电压取样电阻R29的两端，整流二极管D11和滤波电容C7串联后并联在电压取样电阻R30的两端，整流二极管D8、D9、D11的负极端分别与单片机U2的GP1、GP2、GP4端连接；故障报警指示灯D13连接在单片机U2的输出端。

PIC12F675单片机U2的GP1、GP2、GP4端为电机三相交流电的感应直流电平信号采样输入端，该单片机使用内置的4M晶振，R43、C22串联接单片机GP3的上电复位端口， D13为故障报警指示灯，当电机正常运转时指示灯熄灭，出现缺相、过流等故障时指示灯亮。 

如图6所示，欠压补偿电路包括PIC12F675单片机U3、电压互感器T2、UA741运算放大器U4A、整流二极管D10、滤波电解电容C5以及欠压指示灯D14。

电流互感器T2初级的两个输入端连接在电机工作电流上，次级与运算放大器U4A的同相端、反相端分别连接，运算放大器U4A输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D10的正极端，在整流二极管D10的负极端分别连接滤波电解电容C5和单片机U3的GP4端采样端口，欠压指示灯D14连接在单片机U3的GP1端。

电流互感器T2初级的两个输入端连接在电机工作电流上，次级与运算放大器U4A的同相端、反相端分别连接，运算放大器U4A输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D10，在整流二极管D10的输出端连接滤波电解电容C5，然后连接到单片机U3的GP4端采样端口部分，当单片机经过采样、运算、判断之后发现电机电压低，欠压指示灯亮，同时控制进行电压补偿。电阻R36为释放电阻，用于电容C5中的电能。

如图7所示，所述电机控制电路包括光电耦合器JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6、JP7、JP8、JP9、晶闸管Q1、Q2、Q3，满载指示灯D12、三极管Q4、Q5、Q6、延时电容C9、C13、C14、压敏电阻R8、R23、R24、限流电阻R31、R32、R2以及滤波电容C10、C15、C16；在12V直流电源VCC1的输出端分别通过限流电阻R31、R32、R2分别对应接光电耦合器JP3、JP2、JP1的1脚，光电耦合器JP3、JP2、JP1的2脚分别接光电耦合器JP4、JP8、JP5的1脚，其中光电耦合器JP1的 2脚和光电耦合器JP5的1脚之间连接满载指示灯D12，光电耦合器JP4、JP8、JP5的1脚分别接光电耦合器JP9、JP7、JP6的1脚；三极管Q4、Q5、Q6的发射极接地，三极管Q4、Q5、Q6的集电极分别与光电耦合器JP6、JP7、JP9的2脚相连；晶闸管Q1、Q2、Q3的阳极分别接光电耦合器JP3、JP4、JP9的6脚；晶闸管Q1的阴极经延时电容C9及电阻R5接JP3的4脚，晶闸管Q2的阴极经延时电容C13及电阻R17接JP4的4脚，晶闸管Q3的阴极经延时电容C14及电阻R18接JP9的4脚；在晶闸管Q1、Q2、Q3的两端分别接压敏电阻R8、R23、R24；滤波电容C10和电阻R9相连之后，连接到晶闸管Q1的两端，滤波电容C15和电阻R25相连之后，连接到晶闸管Q2的两端，滤波电容C16分别和电阻R26相连之后，连接到晶闸管Q3的两端。

光电耦合器信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定；晶闸管可以进行可控整流，当负载跟踪电路监测到电机负载发生变化时通过控制三极管Q4的通或断控制晶闸管，就可以改变电机电流。同样，故障检测电路检测到故障发生则断开三极管Q6，晶闸管停止工作，保证电机安全；欠压补偿电路发现电路欠压时，通过控制三极管Q5的通或断进行调节和补偿。

本实用新型中，当负载跟踪电路中单片机采样到电机工作电流的直流电平高于设定值时，说明电机满载，负载跟踪电路中单片机GP1脚输出高电平经电阻R13到三极管Q4的基极，三极管Q4导通，电机控制电路不进行降压，电机全压运行；反之，当采样到电机工作电流的直流电平低于设定值时，负载跟踪电路中单片机的GP1脚输出低电平，三极管Q4截止，电机控制电路进行降压操作，电机降压运行，从而达到实时跟踪负载，动态调节电机电压到最节电状态。同时，负载跟踪电路中可以智能匹配各种电机，适用范围广。智能匹配成功后单片机GP0脚输出高电平经电阻R12连接到设置指示灯LED2, 设置指示灯亮；节能方式工作时，单片机GP5脚经电阻R11连接到节能指示灯LED1，节能指示灯亮。

当故障检测电路中的单片机采样到GP1、GP2、GP4三个脚中任意两个的电压差值超过预设值时，或者发现其中一相电流过大和过小时，说明出现过流、缺相或电路断路等故障，单片机GP0脚输出低电平经电阻R38到三极管Q6的基极，三极管Q6截止，电机控制电路中光耦JP3、JP4、JP9停止工作，达到自动断电的功能，从而控制电机停止工作，保护电机安全。同时，当单片机检测到故障发生时，单片机GP1脚输出高电平经电阻R45连接到故障报警指示灯D14, 故障报警指示灯亮。

当欠压补偿电路中的单片机采样到GP4脚的电压信号，判断电机工作电源电压不足380V时，欠压补偿电路中的单片机GP0脚输出高电平，经电阻R37到三极管Q5的基极，三极管Q5导通，电机控制电路中光耦JP2工作，进行补偿，将电机两端电压补偿到设定值。

本实用新型中，当点击轻载启动时，通过电容C9、C13、C14延时供电，光耦JP1、JP2不工作，晶闸管的导通角较小，电机降压启动；满载启动时，光耦JP1工作，不进行延时，电机全压启动。压敏电阻R8、R23、R24耐压值为470V，当电压过高时自动短路，具有抗浪涌的功能，有效保护晶闸管和电机。

Claims (5)

1.电动机程控节能装置，其特征在于：包括直流电源电路、负载跟踪电路、故障检测电路、欠压补偿电路和电机控制电路；直流电源电路分别为负载跟踪电路、故障检测电路、欠压补偿电路和电机控制电路提供工作电源；负载跟踪电路的电流互感器的源端接电机电源电路两端，故障检测电路的三只电流互感器的源端分别和三相交流电一一相相连，欠压补偿电路的信号输出接电机控制电路的输入端，电机控制电路的三相输出端分别各自连接一只光耦。

2.根据权利要求1所述电动机程控节能装置，其特征在于：所述负载跟踪电路主要由单片机U1、电流互感器TL1、高频抑制电容C3、运算放大器U4B、微调电阻R46、节能指示灯LED1、设置指示灯LED2、整流二极管D5和滤波电解电容C12组成；电流互感器T1初级的两个输入端连接在电机工作电流上，次级与运算放大器U4B的同相端、反相端分别连接，运算放大器U4B为反相放大器，运算放大器U4B的输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D5，在整流二极管D5的输出端连接高频抑制电容C3；微调电阻R46的两端并联在高频抑制电容C3的两端，微调电阻R46的调节端连接单片机U1的GP4端；节能指示灯LED1和设置指示灯LED2分别通过分压电阻连接在单片机U1的输出端。

3.根据权利要求1所述电动机程控节能装置，其特征在于：所述故障检测电路包括单片机U2、三只电流互感器TL2、TL3、TL4、电压取样电阻R28、R29、R30、整流二极管D8、D9、D11、滤波电容C4、C6、C7和故障报警指示灯D13；三只电流互感器TL2、TL3、TL4的两个输入端分别连接在电机工作电流的三相输入端，三只电流互感器TL2、TL3、TL4的次级分别与电压取样电阻R28、R29、R30连接，整流二极管D8和滤波电容C4串联后并联在电压取样电阻R28的两端，整流二极管D9和滤波电容C6串联后并联在电压取样电阻R29的两端，整流二极管D11和滤波电容C7串联后并联在电压取样电阻R30的两端，整流二极管D8、D9、D11的负极端分别与单片机U2的GP1、GP2、GP4端连接；故障报警指示灯D13连接在单片机U2的输出端。

4.根据权利要求1所述电动机程控节能装置，其特征在于：所述欠压补偿电路包括单片机U3、电压互感器T2、运算放大器U4A、整流二极管D10、滤波电解电容C5以及欠压指示灯D14；电流互感器T2初级的两个输入端连接在电机工作电流上，次级与运算放大器U4A的同相端、反相端分别连接，运算放大器U4A输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D10的正极端，在整流二极管D10的负极端分别连接滤波电解电容C5和单片机U3的GP4端采样端口，欠压指示灯D14连接在单片机U3的GP1端。

5.根据权利要求1所述电动机程控节能装置，其特征在于：所述电机控制电路包括光电耦合器JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6、JP7、JP8、JP9、晶闸管Q1、Q2、Q3，满载指示灯D12、三极管Q4、Q5、Q6、延时电容C9、C13、C14、压敏电阻R8、R23、R24、限流电阻R31、R32、R2以及滤波电容C10、C15、C16；直流电源电路的输出端分别通过限流电阻R31、R32、R2分别对应接光电耦合器JP3、JP2、JP1的1脚，光电耦合器JP3、JP2、JP1的2脚分别接光电耦合器JP4、JP8、JP5的1脚，其中光电耦合器JP1的 2脚和光电耦合器JP5的1脚之间连接满载指示灯D12，光电耦合器JP4、JP8、JP5的1脚分别接光电耦合器JP9、JP7、JP6的1脚；三极管Q4、Q5、Q6的发射极接地，三极管Q4、Q5、Q6的集电极分别与光电耦合器JP6、JP7、JP9的2脚相连；晶闸管Q1、Q2、Q3的阳极分别接光电耦合器JP3、JP4、JP9的6脚；晶闸管Q1的阴极经延时电容C9及电阻R5接JP3的4脚，晶闸管Q2的阴极经延时电容C13及电阻R17接JP4的4脚，晶闸管Q3的阴极经延时电容C14及电阻R18接JP9的4脚；在晶闸管Q1、Q2、Q3的两端分别接压敏电阻R8、R23、R24；滤波电容C10和电阻R9相连之后，连接到晶闸管Q1的两端，滤波电容C15和电阻R25相连之后，连接到晶闸管Q2的两端，滤波电容C16分别和电阻R26相连之后，连接到晶闸管Q3的两端。

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