CN204168198U - 负载跟踪型节电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种负载跟踪型节电装置，其中，电源电路单元和输出电流检测电路单元分别与比较控制器电路单元电连接，比较控制器电路单元通过驱动电路单元与串联连接在单相交流电输出端的逆变器电路单元电连接，在单相交流电的输出端与负载电机之间串联连接有热保护器FR。有益效果是，采用输出电流检测电路通过模/数转换后，直接驱动光电耦合器，使双向可控硅通过移相控制逆变电路中的大功率单向可控硅，根据电动机负载伏/安特性曲线的实时变化，在满足电动机负载转矩的同时，使输入电动机负载的电流值和电压值最小，进而达到节电目的；该装置不影响电机正常工作使用，结构简单、故障率低、能够全自动运行、适用范围较为广泛，节能效果明显。
Description
技术领域
本实用新型涉及节电装置专业技术领域；特别是涉及一种实时检测，实时反馈，实时控制的电动机的负载跟踪型节电装置。
背景技术
能源的有效利用是一个世界性的课题，它直接关系到人类的生存和发展，没有哪个国家不在奋力寻求解决能源问题的有效方案。石化能源的储量是有限的，解决能源问题的重点自然就落到了新能源的开发和现有能源的节能上。电能是应用最广泛的能源之一，也是能源消耗中最重要的组成部分，节电是节能的最主要的课题。
现在三相交流异步电动机已经成为全球最为常用的工业生产设备之一，因为它结构简单、成本低及高效能等种种优点，在未来，它仍然会被广泛的应用。可是，它存在的最大问题是高启动电流及它未能在启动和运行时将电机扭矩配合负荷扭矩。在电机启动时，电机会产生150-200%的扭矩方可于瞬间将转速提升至最高速，这样容易导致电机受损，且启动时它要耗用高达8倍的额定电流，会影响供电电压的稳定性，它也是电机耗能最高的因素之一。
在电机作为动力的机械设备中，普遍按照机械设备可能产生的最大功率来配置电机，在实际使用的过程中满载的情况很少，大多数情况电机都在轻载情况下运行，造成了电能的浪费，而电机在运行过程中，对与需要变速运行的电机，人们普遍采用变频器来解决变速运行和节能的问题，而对于负载大小不断变化的电机，变频器并不适用，为解决工作在这种情况下的电机节能问题，普遍采用轻载降压重载升压的方式解决，但在如何检测电机轻、重载状态，并自动升、降电压方面，方式很多，效果也不是很理想。
工业电机常见的节电装置大部分是采用可控硅对电机进行电压调节。传统的电机电压节电技术是将电机的电源电压用可控硅进行斩波调节，人为的造成周期性的瞬间停电，降低电机功率，达到给电机节电的目的。这种方式将造成电机带载能力下降。传统的电机电压节电技术是静态的调功技术，只能根据额定的电机参数设置输出数据。没有考虑到按电机实际负载伏/安特性曲线输出电机功率，无法使电机始终稳定运行在效率最高点，每台电机都有一套额定参数和实际参数，实际参数会随着电机运行时间和工况产生变化，并且差距越来越大。因此，仅仅依靠额定参数来对电机进行调功节电，效果会越来越差。
另外，传统的电机电压节电技术在调功的同时，将给电网带来电流谐波，引起电能损耗，并对电网产生危害。
图1是本实用新型所述的三相电动机负载的伏/安特性曲线图；随着电机负载率变化的不同，电机在不同的电压输入时，所耗费的功率是不同的。并且随着电机的使用时间不同，电机会发生老化，相应参数也会随着变化。如果能给电机动态的按负载伏/安特性曲线输出最优的匹配电力参数，电机将运行在耗费功率最小的状态下。当电机处于负载大小经常变换，有一定的轻载运行时间状态时，节电效果将十分显著。
发明内容
本实用新型的目的是，克服现有技术存在的缺陷，提供一种结构简单实用、节能效果明显的电动机负载跟踪型节电装置。
本实用新型所采用的技术方案是，一种负载跟踪型节电装置，包括，电源电路单元、振荡电路单元、比较控制器电路单元、驱动电路单元、输出电流检测电路单元和逆变器电路单元，所述的电源电路单元和输出电流检测电路单元分别与比较控制器电路单元电连接，比较控制器电路单元通过驱动电路单元与串联连接在单相交流电输出端的逆变器电路单元电连接，在单相交流电的输出端与负载电机之间串联连接有热保护器FR。
所述的振荡电路单元，由集成电路74LS04和电阻R1、电阻R2、电容C1通过串、并联电连接的方式组成反相器；所述的比较控制器电路单元采用模拟/数字转换集成电路ADC0804及霍尔电流互感器LH组成数字信号检测、比较控制电路；所述驱动电路单元采用4只光电耦合器TLP3082完成在不同负载电流状态下，使电阻R9、电阻R10、电阻R11和电阻R12的串联等效电阻值产生变化，并通过触发二极管DB9触发控制双向可控硅KS的导通，双向可控硅KS的移相触发电路，由触发二极管DB9、电容C4、电阻R13、电阻R14、电阻R11、电阻R10和R9构成；所述的输出电流检测电路单元由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、霍尔电流互感器LH及电阻R15、电阻R16和电容C3构成交流输出端的输出电流信号线性检测器；所述的逆变器电路单元由两只单向可控硅KP1和KP2极性相反的并联连接后，再串联连接在交流电的相线中。
所述的霍尔电流互感器LH采用的型号是，LF305-S，热保护器FR采用的型号是，JUC-31F，单向可控硅KP1和KP2采用高速度响应的IGBT型号是CM75TF-24H。
所述的负载跟踪型节电装置，能够应用到三相交流电的每一相上去，组成三相交流电的负载跟踪型节电装置。
本实用新型的有益效果是，采用输出电流检测电路通过模/数转换后，直接驱动光电耦合器，使双向可控硅通过移相控制逆变电路中的大功率单向可控硅的技术方案，根据电动机负载伏/安特性曲线的实时变化，在满足电动机负载转矩的同时，使输入电动机负载的电流值和电压值最小，进而达到节约电能的目的；不仅可以给电机动态的按负载伏/安特性曲线输出最优的匹配电力参数，同时，本实用新型不影响电机正常工作使用，而且结构简单、故障率低、能够全自动运行、适用范围较为广泛，节能效果明显。
附图说明
图1是本实用新型所述的三相电动机负载的伏/安特性曲线图；
图2是本实用新型电路组成的方框图；
图3是本实用新型电路组成的电原理图。
图中：
10、电源电路单元 20、振荡电路单元
30、比较器电路单元 40、驱动电路单元
50、输出电流检测电路单元 60、逆变器电路单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：
如图2、图3所示，本实用新型一种负载跟踪型节电装置，包括，电源电路单元10、振荡电路单元20、比较控制器电路单元30、驱动电路单元40、输出电流检测电路单元50和逆变器电路单元60，其中输出电流检测电路单元50，用于实时获取电动机的相关参数；其中所述相关参数包括，电动机的三相输入电流，三相输入电压，电相位角及转速，比较器电路单元30，用于实时获取电动机的负载率，并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何频率下始终以最高效率运行的电压，电流及频率的控制量，驱动电路单元40，用于根据获取的电压及频率的控制量，实时调整电动机的输入电压和频率，以使电动机的输入功率始终与电动机的负载率相适应。
所述的电源电路单元10和输出电流检测电路单元50分别与比较控制器电路单元30电连接，比较控制器电路单元30通过驱动电路单元40与串联连接在单相交流电输出端的逆变器电路单元60电连接，在单相交流电的输出端与负载电机之间串联连接有热保护器FR。
电源电路单元10，由变压器B1、二极管D5/D6、电解电容C5/C6及三端稳压器7805构成，用来为集成电路ADC0804及光电耦合器TLP3082提供稳定的+5V工作电压。电阻R3和电阻R4为集成电路ADC0804提供1/2的参考工作电压，以保证模拟/数字转换集成电路ADC0804稳定的工作。振荡电路单元20，由集成电路74LS04和电阻R1、电阻R2、电容C1通过串、并联电连接的方式组成反相器；所述的输出电流检测电路单元50由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、霍尔电流互感器LH及电阻R15、电阻R16和电容C3，构成交流输出端的输出电流信号线性检测器；通过可调电阻器W1输入给集成电路ADC0804直流电压信号，用于分析、判断电动机M电流的工作状态。所述的比较控制器电路单元30采用模拟/数字转换集成电路ADC0804及霍尔电流互感器LH组成数字信号检测、比较控制电路；所述驱动电路单元40采用4只光电耦合器TLP3082完成在不同负载电流状态下，使电阻R9、电阻R10、电阻R11和电阻R12的串联等效电阻值产生变化，并通过触发二极管DB9触发控制双向可控硅KS，双向可控硅KS移相触发电路由触发二极管DB9、电容C4、电阻R13、电阻R14、电阻R11、电阻R10和电阻R9构成；电动机M的负载电流工作状态通过模拟/数字转换集成电路ADC0804转换成8位二进制数DB0、DB1、DB3、DB4、DB5、DB6及DB7，其中，DB4至DB7为高四位的二进制代码值，用于驱动4只光电耦合器TLP3082；从而完成在不同负载电流状态下电阻R9、电阻R10、电阻R11和电阻R12等效电阻值的变化，以触发控制双向可控硅KS导通，从而使双向可控硅KS的移相跟随负载电流的变化，驱动单相可控硅KP1和单相可控硅KP2导通，使电动机的端电压发生变化，从而达到节电的目的。所述的逆变器电路单元60由两只单向可控硅KP1和KP2极性相反的并联连接后，再串联连接在交流电的相线中。所述的霍尔电流互感器LH采用的型号是，LF305-S，单向可控硅KP1和KP2采用高速度响应的IGBT型号是CM75TF-24H。FR为热保护器，采用的型号是JUC-31F，当设备发生过流过载时，能适时切断单相可控硅KP1和单相可控硅KP2电压输出，从而保护电动机。电动机额定功率的大小取决于单相可控硅KP1和单相可控硅KP2的电流电压的参数值。
本实用新型负载跟踪型节电装置，可以应用到三相交流电的每一相上去，组成三相交流电的负载跟踪型节电装置。
本实用新型负载跟踪的特点在于，实时获取电动机的负载率，并通过优化演算获取使电动机在不同的负载率及任何的频率下始终以最高效率运行的电压及频率的控制量。根据获取的负载电流参数，实时调整电动机的输入电压，以使电动机的输入功率始终与电动机的负载率相适应。本装置采用高速度响应的IGBT模块、霍尔电流互感器，通过霍尔电流互感器快速检测负载电流并把它传送给比较控制器电路单元，使驱动电路单元迅速作出反应，自适应响应速度可达200V/0.1s。
通过电机负载伏/安特性曲线以及获得的电流参数，分别获取电动机的以下参数值，包括：运行功率因数，磁通电流分量，转矩电流分量及转速控制量；
将获取的电动机的运行功率因数与预设功率因数进行比较，获取偏差，对所述偏差进行比较积分微分运算，求得功率因数控制系数；其中，所述预设功率因数为0.98~1；
将获取的电动机的磁通电流分量与预设磁通电流分量进行比较，获取偏差，对所述偏差进行模糊推论运算，求得励磁电流控制系数；其中，所述预设磁通电流分量等于0；
求得的功率因数控制系数与励磁电流控制系数项城，求得负载率系数，
将获取的电动机的转矩电流分量与转速控制量进行比较，获取偏差，对所述偏差进行比例积分运算，求得频率的控制量；
根据下式求得电压控制量：Ud=Fd×K1×Pk
式中，Ud为电压控制量，Fd为频率的控制量，K1为V/F比系数，Pk为负载率系数。
磁通电流分量及转矩电流分量通过Clark变换求得。
转速控制量是通过对实时获取的电动机的转速与给定转速进行比较获取的偏差进行比例积分运算求得。使得本实用新型负载跟踪型节电装置的功率因数始终保持在较高值，最大0.95以上。
本实用新型负载跟踪型节电装置，采用输出电流检测电路通过模/数转换后，直接驱动光电耦合器，使双向可控硅通过移相控制逆变电路中的大功率单向可控硅的技术方案，根据电动机负载电流的实时变化，在满足电动机负载转矩的同时，使输入电动机负载的电流值和电压值最小，进而达到节约电能的目的，本装置结构简单、故障率低、成本低廉、能够全自动运行，并且使用方便，适于大规模推广应用。还可以实现在线谐波治理，消除谐波产生的电能损耗，从而相对于现有节电技术，将额外增加10％～25％的节电效果。
值得指出的是，本实用新型的保护范围并不局限于上述具体实例方式，根据本实用新型的基本技术构思，也可用基本相同的结构，可以实现本实用新型的目的，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种负载跟踪型节电装置，其特征在于，包括，电源电路单元（10）、振荡电路单元（20）、比较控制器电路单元（30）、驱动电路单元（40）、输出电流检测电路单元（50）和逆变器电路单元（60），所述的电源电路单元（10）和输出电流检测电路单元（50）分别与比较控制器电路单元（30）电连接，比较控制器电路单元（30）通过驱动电路单元（40）与串联连接在单相交流电输出端的逆变器电路单元（60）电连接，在单相交流电的输出端与负载电机之间串联连接有热保护器FR。
2.根据权利要求1所述的负载跟踪型节电装置，其特征在于，所述的振荡电路单元（20），由集成电路74LS04和电阻R1、电阻R2、电容C1通过串、并联电连接的方式组成反相器；所述的比较控制器电路单元（30）采用模拟/数字转换集成电路ADC0804及霍尔电流互感器LH组成数字信号检测、比较控制电路；所述驱动电路单元（40）采用4只光电耦合器TLP3082完成在不同负载电流状态下，使电阻R9、电阻R10、电阻R11和电阻R12的串联等效电阻值产生变化，并通过触发二极管DB9触发控制双向可控硅KS的导通，双向可控硅KS的移相触发电路，由触发二极管DB9、电容C4、电阻R13、电阻R14、电阻R11、电阻R10和R9构成；所述的输出电流检测电路单元（50）由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、霍尔电流互感器LH及电阻R15、电阻R16和电容C3构成交流输出端的输出电流信号线性检测器；所述的逆变器电路单元（60）由两只单向可控硅KP1和KP2极性相反的并联连接后，再串联连接在交流电的相线中。
3.根据权利要求2所述的负载跟踪型节电装置，其特征在于，所述的霍尔电流互感器LH采用的型号是，LF305-S，热保护器FR采用的型号是，JUC-31F，单向可控硅KP1和KP2采用高速度响应的IGBT型号是CM75TF-24H。
4.根据权利要求1或2或3所述的负载跟踪型节电装置，其特征在于，所述的负载跟踪型节电装置，能够应用到三相交流电的每一相上去，组成三相交流电的负载跟踪型节电装置。
Priority Applications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104333292A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-02-04 | 柯润能（天津）科技发展有限公司 | 一种负载跟踪型节电装置 |
| CN105656383A (zh) * | 2016-03-09 | 2016-06-08 | 王振铎 | 全自动交流电动机节电装置 |
-
2014
- 2014-11-19 CN CN201420696810.0U patent/CN204168198U/zh not_active Expired - Fee Related
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