CN2230064Y - 交流异步电动机节能控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种利用8051单片机的特殊功能，在电动机的启动和运行过程中实行节能控制和保护作用的装置，由主回路，控制回路电源，电压取样回路，电流取样回路，过流信号取样回路，零序保护信号取样回路，微电脑和输出接口回路共同组成。本实用新型的节能效果明显，对电动机不同的使用工况节电效率可达10％～50％，并具有设计合理，无高次谐波造成的电网公害，使用方便，安全可靠，经济耐用，能有效地提高电动机寿命等显著特点。

Description

交流异步电动机节能控制器

本实用新型属于电动机节能技术领域，特别涉及以微电脑控制的交流电动机节能装置。

交流异步电动机是目前使用最多，耗能最大的动力设备，在我国它的年耗电量约占总发电量的60～70％。在电动机的实际应用中，总会有多数时间是工作在轻负载或频繁变换负载的情况下的，而异步电动机无论负载多大，都是在全电压下运行的，电动机负载减轻时，功率因数下降，大量的电能空耗，造成了很大的能源浪费。为解决电动机能源的浪费问题，电动机节能装置应运而生。目前国内生产的电动机节能装置主要有，电抗降压转换节能器，双向可控硅调压节能器等，但它们却存在着适应范围窄，稳定性较差，生产调试复杂，成本较高等不同程度的缺点和不足。CN2093465U实用新型专利说明书公开了一种异步电动机节能器，具有系统稳定性较好，生产时不用调试，节能效果显著等特点，但仍存在下述缺陷：①、不能控制电动机的起动电流，故不能实现起动节能；②、其过流保护电路不是保护电动机，而是保护该节能器本身的可控硅，并仍使用有触点的接触器旁路过电流，故体积大，成本高，运行不可靠；③、其缺相保护电路由主回路用电阻人为的制造一个中性点来进行取样，主回路和控制回路没有隔离措施，故不安全可靠；④、使用导通角控制电动机的电压对电网造成谐波公害，谐波本身还影响电动机的使用寿命，并增加损耗，特别是对大功率电动机更严重，故不宜推广使用。

本实用新型目的就在于提供了一种用微电脑来控制电动机的启动过程和正常运行工况的，能够实现启动时降压限流的，可保证电压调节为正弦波，不产生高次谐波的，取样电路与主回路及控制回路隔离良好的，过载保护和零序保护由微电脑自动控制的交流异步电动机节能控制器。从而可实现电动机始终工作在最佳功率因数和效率工况下，功率因数随负载的变化而变化，微电脑根据变化的功率因数随时计算出最佳工作电压值并发出相应的触发脉冲，使工作电压随之调整变化，达到节能之目的。

本实用新型的目的是通过下述技术方案而得以实现的，由主回路，控制回路电源，电压取样回路，电流取样回路，过流信号取样回路，零序保护信号取样回路，微电脑和输出接口回路共同组成的交流异步电动机节能控制器。主回路串联在电源和电动机之间，主可控硅的触发极与输出接口电路连接；电压取样回路由控制回路电源变压器B的次级直接取样，连接在控制回路电源和微电脑的P_1.4接口之间；电流取样回路由电流传感器TA取样，连接在控制回路电源和微电脑的P_1.5接口之间；过流信号取样电路也由电流传感器TA取样，电流传感器TA经全桥整流电路、直流偏置比较电路连接在微电脑的中断申请口P_3.3；零序保护信号取样回路由零序互感器TA₀取样，与微电脑的中断申请口P_3.2连接；微电脑是单片机IC₃8051，其P_1.1、P_1.2、P_1.3接口与输出接口电路连接。

本实用新型的节能效果明显，对单相家用电器，如电冰箱和空调器可节电10％～15％左右，对高级宾馆的集中空调机组可节电30％左右，对金属切削机床可节电20％～40％左右，冲床最高可节电50％。并具有设计合理，无高次谐波造成的电网公害，使用方便，安全可靠，经济耐用，能有效地提高电动机寿命等显著特点。

本实用新型附图的图面说明如下：

图1是本实用新型的电路原理框图；

图2是本实用新型的电路图。

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详述：根据电动机原理可知，电动机的功率因数COSφ是电动机负载扭距的正相关函数，当电动机在满负载运行时，功率因数和效率最高，但当电动机在轻载或空载运行时，功率因数和效率就都会降低。一般情况下满负载时交流异步电动机的效率可达95％，半负载时的效率为70％，而1/4负载时的效率仅为30％，此时若降低电动机的输入电压可有效的提高电动机的效率。本实用新型就是根据此原理，充分利用了微电脑迅速、准确的功能，以微电脑监视、检测、调整和控制电动机变化着的功率因数，当电动机的功率因数随着负载发生变化而变化时，微电脑根据所测得的功率因数，计算出电动机的最佳工作电压，并发出相应的电脉冲，使电动机的工作电压随之变化，实现电动机在空载或轻载时也能工作在最佳的效率工况下，从而达到节能之目的。本实用新型的原理如附图1所示，由主回路(1)，控制回路电源(2)，电压取样回路(3)，电流取样电路(4)，过流信号取样回路(5)，零序保护信号取样回路(6)，微电脑(7)和输出接口回路(8)共同组成。

主回路(1)由可控硅T₁、T₂、T₃，压敏电阻R_v1、R_v2、R_v3，阻容保护电路C₁R₁、C₂R₂、C₃R₃和触发电阻R₄、R₅、R₆组成。主回路(1)串联在电源(9)和电动机(10)之间，主可控硅T₁、T₂、T₃的阳极1、3、5通过输出接口电路(8)的R₂₇、R₂₉、R₃₁接至光耦可控硅IC₅、IC₆、IC₇的阳极，主可控硅的触发极2、4、6则直接接至IC₅、IC₆、IC₇的阴极。

控制回路电源(2)由电源变压器B，整流二极管D₁、D₂，三端稳压集成块IC₇和滤波电容C₄、C₅组成。电源变压器接在电源(9)的A、B相间，IC₁输出的直流电源则送至各控制回路。

电压取样回路(3)由控制回路电源变压器B的次级直接取样，经阻容耦合电路C₆、R₇输入到比较器IC_2a，R₈～R₁₂是IC_2a的偏置电阻，当电压取样信号过零时，IC_2a反转，发出过零脉冲，输出到微电脑(7)即IC₃的P_1.4接口。

电流取样电路(4)由接在C相上的电流互感器TA取样，经阻容耦合电路C₇、R₁₃输入到比较器IC_2b，R₁₄、R₁₅、R₁₆是IC_2b的偏置电阻，当电流取样信号过零时，IC_2b反转，发出过零脉冲，输出到微电脑(7)即IC₃的P_1.5接口。

过流信号取样回路(5)也由电流互感器TA取样，其过流信号经全桥D₃～D₆整流、C₈滤波后，与电位器W上的给定直流偏置进行比较，然后输入到比较器IC_2c，当过流信号超过给定的直流偏置，即相当于超过额定电流的三倍或由用户特定值时，IC_2c会输出中断申请信号，输送到微电脑(7)即IC₃的中断申请口P_3.3，此时微电脑就会发出指令，关断主可控硅T₁、T₂、T₃，以保护电动机和可控硅本身。

零序保护信号取样回路(6)由零序互感器TA₀取得零序不平衡电流信号，经稳压二极管D₁₀，电阻R₂₃、R₂₄加在比较器IC_2d上，当电动机由于缺相，二相短路，单相对地短路，电动机绕组局部短路或漏电等原因而产生不平衡电流事故时，在TA₀的负载R₂₅上产生的不平衡电压会超过稳压二极管D₁₀的击穿电压，此时比较器IC_2d反转，发出中断申请信号，输送到微电脑(7)即IC₃的中断申请口P_3.2，此时微电脑发出指令关断主可控硅T₁、T₂、T₃，从而起到保护和防止事故扩大的作用。而电动机由于制造工艺所产生的不平衡电流在负载R₂₅上的压降因小于D₁₀的击穿电压，IC_2d不会反转，不会发出中断申请脉冲，微电脑(7)IC₃会正常工作，电动机可正常运行。

微电脑(7)由单片机IC₃8051组成，其程序设计成当电压过零信号和电流过零信号从P_1.4口和P_1.5口输入时，微电脑可自动检测出其相位差值φ，并据此计算出电动机的最佳工作电压和发出相应的触发信号，以控制可控硅的输出电压。三相触发信号分别从微电脑(7)IC₃的P_1.1、P_1.2、P_1.3口输出至输出接口回路(8)的IC₄的三个驱动器。

输出接口回路(8)是将从微电脑(7)输入的三相触发信号分别加在IC₄的三个驱动器上加以放大，以分别推动三个光电耦合器IC₅、IC₆、IC₇，经这三个光电耦合器输出的三相触发信号，分别加在主回路(1)的三个可控硅T₁、T₂、T₃的触发极上。

本实用新型电路构成体现了如下功能特性：

1、充分利用了微电脑的监测、控制和调整功能，不仅能控制电动机正常运行时的工况，还能控制电动机的起动过程。微电脑的程序设计成在电动机起动时能降压限流，起动电流一般控制在三倍额定电流以下，也可对起动力矩有特殊要求的用户作特殊设计，所以它可以取代如自耦变压器降压起动、Y-Δ降压起动等其它有触点的电动机起动装置，故本实用新型本身也是一种无触点的电子起动器，既能达到起动节能的目的，又可简化起动系统，实现无触点降压运行，且安全可靠，降低成本，提高电动机的使用寿命。

2、电压调节可采用占空比控制方式，可保证电动机电压为正弦波，无高次谐波造成的电网公害和对电动机寿命的影响。

3、全部取样电路和控制电路都与主回路有良好的隔离，保证了系统的安全可靠性。电压取样采用变压器隔离，单相或小型三相电动机的电流取样采用电流互感器隔离，大中型三相电动机采用霍尔传感模块LEM隔离，输出的触发信号则采用光电耦合器隔离。

4、电动机的过载和零序保护由微电脑自动控制，超过三倍或任意给定电动机额定电流的过载可使微电脑发出关断可控硅的指令，超过电动机允许的不平衡电流的任何故障零序电流，包括缺相、二相短路、单相对地短路、电动机绕组局部短路和漏电等故障电流的出现，都会使微电脑发出关断可控硅的指令。

Claims (1)

1、一种交流异步电动机节能控制器，主要是由微电脑(7)和主回路(1)，控制回路电源(2)，电压取样回路(3)，电流取样回路(4)，过流信号取样回路(5)，零序保护信号取样回路(6)，输出接口回路(8)共同组成的，其特征在于主回路(1)串联在电源(9)和电动机(10)之间，主可控硅的触发极与输出接口回路(8)连接；电压取样回路(3)由控制回路电源(2)变压器B的次级直接取样，连接在控制回路电源(2)与单片机(7)的P_1.4接口之间；电流取样回路(4)由电流传感器TA取样，连接在控制回路电源(2)与微电脑(7)的P_1.5接口之间；过流信号取样回路(5)也由电流传感器TA取样，电流传感器TA经全桥整流电路、直流偏置比较电路连接在微电脑(7)的中断申请口P_3.3；零序保护信号取样回路(6)由零序互感器TA₀取样，与微电脑(7)的中断申请口P_3.2连接；微电脑(7)是单片机IC₃8051，其P_1.1、P_1.2、P_1.3接口与输出接口回路(8)连接。

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