CN2472386Y - 电动机节能保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种控制三项交流电动机实现安全经济运行的节能保护器。它由线电流采样,数—模、智能控制,执行级电子开关电路组成。它基于对电动机负荷动态跟踪,根据其采样信号,设定对电动机供电做星/三角切换。具体地说,通常负载轻时信号电平低,控制执行电路将电机供电置于星接法运行,只有负载超出星接法的拖动能力时,信号电平也达到某设定值,则才转换到三角形接法运行,从而实现高效节能。另外,当缺相、过载等异常信号出现时,则指令及时执行断电,可靠保护电机。

Description

电动机节能保护器

本实用新型提供一种电动机智能全自动控制装置，电动机节能保护器。它较好地解决了现有电动机的合理运用，节能增效和多项保护功能结合于一体的问题，使电动机的经济运行得到全方位的智能协调控制。

电能是动力的母亲，当今世界把电能转换成机械能，基本上都是通过电动机来实现的，由此可见电动机耗电所占总电量的比重是很大的。因此，使电动机增效节能，无疑是具有重大意义的。电动机在运行中，往往由于过压、欠压、过载、过流、缺相等原因烧坏绕组，因此，对电动机施行各项保护又是十分必要的。而以往的各种保护器、节能控制器，大多是功能单一，又多为分离元件组装成，其性能欠佳并配套安装使用多有不便。

本实用新型，采用了三套电压互感器，用其对三相供电电压取样，向控制中心提供是否过压或欠压的信息识另；采用了四套电流互感器对线电流取样。其中三套用作对三相电源的线电流取样，传感电流信息供控制中心识别是否过流过载，是否缺相；其中一套电流传感器用作节电控制项对线电流取样，给控制中心提供信息识别作星——三角转换控制。本实用新型采用了两路执行级开关电子电路，一路是执行保护功能，另一路是专完成星——三角转换功能。本实用新型所采用的控制中心站有两种方式：其一方式是分项模拟一数字电路组合式控制中心站。其另一种方式是采用单片机做智能控制中心站。另外，设立三组低压直流稳压电源，以供电路工作电压。

为改善电动机经济运行的问题，尤其是近些年来人们进行了许多卓有成效的研究，研制出了具有先进技术水平的节能产品。如“JN—1系列三相异步电动机高效节电器”其功能很强，但该技术产品的成本和售价均较高，当前我国的国情要普遍推广还是很不容易；另外JN—1系列产品是基于控制晶闸管通角，既是调节输入电动机的平均功率，实际上其电流波形是断裂的，给电网电压波形带来畸变。又如，国内研制的一种“WJ—4型电动机星/三角转换节电仪“其原理采用线电流取样，信号与设定的基准电压送入比较器，输出信号控制执行级的电子开关，通过中间继电器实现星/三角转换实现节能控制，该技术产品成本与售价不高，人们容易接收，但是由于它是采用简单的控制方法，其产品性能难以完善，还有其功能仅此星/三角转换，较为单一。又如：一种发明名称为《轻载节能星角自动转换起动器》(专利号为：91203449，授权号为：2091041)文摘介绍：它是“一种能随负载变化，自动转换电机星角运行方式的轻载节能星角自动转换起动器，是在已有的箱柜式外壳，交流接触器，热继电器，控制按钮电连接构成的星三角起动器中，增加电流检测控制电路，电压继电器，工作状态选择开关组成，能在电机轻载或空载时自动由角接转入星接，节省电能消耗……”从文摘所知该转换起动器也是采用一般的电路的单一控制。此外，现有的许多电动机节能器、保护器多为各自独立的单一功能的产品，有的原理也很不先进，使其产品性能难以保证，安装使用配套都很不便。

本实用新型的目的：在于给现有的电动机安全经济运行提供一种节电控制功能与多项保护功能兼备的一体化、智能化、系列化的多功能、高性能、低成本的电动机智能全自动控制节电保护器。

本实用新型是通过如下方法实现的：该节能保护器大体上可以分为三大部分。第一部分是信号取样器件与电路：执行级器件与电路；直流低压稳压电源器件与电路。其中信号取样所采用的电压、电流传感器都是本实用新型设计的专用器件。第二大部分，它包括两个单元：其一是信号处理单元，由相应各项目的信号处理电路组成，经其处理的各路信息分别送入控制中心；其二是执行级单元，它有两路电子开关，从控制中心输出指令信号由相应的电子开关来完成执行功能。第三大部分，它是本节能保护器的主体控制电路。主控电路有两种方式：其一方式是分项的模拟及数字电路组合成的主控电路，如图(3)、图(4)所示。这一组合式主控电路的电子元器件，以及第二大部分的部分元器件特制成了一个专用厚膜电路集成块，其型号为KDJB—9906。其二方式是采用单片机原理编程控制做智能控制中心站，如图(5)所示。

本电动机节能保护器，整机制作成一种电子仪器，调整机构与显示置于前面板上，与电动机以及电网连接的若干接线端子置于后面板上。

附图及实施例：

图1为电动机节能保护器整机原理框图

图2为电动机节能保护器与电动机连接工作示意图

图3为电动机节能保护器分项组合式数模主控电路原理方框图

图4为电动机节能保护器分项组合式主控电路原理图

图5为电动机节能保护器单片机控制原理图

图1所描述的节能保护器，是一台控制三相电动机安全经济运行，具有星—三角自动转换节电控制功能；具有缺相、过载、过流、过压、欠压保护功能的智能全自动控制装置。其整体电路是由8031芯片组成的单片机智能控制中心电路组件(1)，分项模拟—数字电路汇集特制的厚膜集成电路控制模块KDJB—9906(16)为核心的主控电路组件(2)，三套电压传感器和三组电源变压器(3)，四套电流传感器(4)，过压和欠压电压取样信号变换电路(5)，过载、过流取样信号变换电路(6)，星—三角转换节电控制执行级电路(8)，过压、欠压、过载过流、缺相四路报警显示及显示保持电路(9)，

双基准电压转换电路(10)，三组直流低压电源(15)组成。整个电路的所有电子组件以及全部电子元器件均组装在一个印制电路板(36)上，该电路板紧固在一只带安装脚扣的小型机壳(18)内。电路的可调参数调节旋纽，及显示屏均布置在壳体的前面板(19)上；而将本仪器与电动机、三相电源、设备配电箱及其电器开关连接的若干接线端子均布置于壳体的后面板(20)上，它是一台外形尺寸约160mm×150mm×70mm的小型仪器(17)，整个仪器可以利用壳体上的安装脚扣固定于动力设备上或电动机的配电箱内。

本电路的特制厚膜集成电路模块KDJB—9906(16)，是一片陶瓷扁平封装的24条功能引出线的单列直插式集成块，它是通过插入安装在印制电路板(36)上的24线插座内与整体电路连接的。

图2所示意的节能保护器同三相电动机匹配工作系统，它包括本节能保护器(17)，受控三相电动机(21)，一只中间继电器J，它的电磁线圈(22)静触点(23)动触点(24)，星/三角转换两只交流接触器，一只是做星形接法的交流接触器J_Y，它的电磁线圈(25)和它的三组动触点(26)，另一只是做三角接法的交流接触器J_Δ，它的电磁线圈(27)和它的三组动触点(28)，以及一般的动力设备与电动机配电箱的电力开关器件(29)组成。其中本节能保护器(17)的机体是由带安装脚扣的机箱(18)，带调节及显示器的前面板(19)，以及带若干接线端子的后面板(20)组成。图2中还将转换执行级执行继电器J₁一组接点既转换接点(30)，常开接点(31)，常闭接点(32)，以及保护功能执行级继电器J₂的一组接点既是转换接点(33)，常开接点(34)，常闭接点(35)示意绘出。本节能保护器是通过设置在后面板(20)上的若干接线端子分别与A、B、C三相电源，电动机(21)，配电箱电器(29)以及一只中间继电器J_Z和星—三角转换两只交流接触器J_Y、J_Δ相连接的工作系统。中间继电器J_Z的电磁线圈(22)与节电控制执行级电路中的继电器J₁的常开触点J_1b-K(31)相连，J₁的转换触点_J1b(30)与保护执行级电路中的继电器J₂的转换接点J_2a(33)是相连接的，J₂的常闭接点J_2a-b(35)通过后面板的某接线端子与C相电源接通。

设工作系统正常运作，电动机正常运行，正常情况下，保护执行级继电器J₁的转换接点J_1b(33)掷于常闭接点J_1b-b(32)。当电动机(21)处于轻载运行时，由于星三角转换执行级继电器J₁的转换触点J_1b(30)置于常闭触点J_1b-b(32)，则J_Z电磁线圈(22)断电，其动触点(24)脱开，静触点(23)闭合既是使作三角形接法的交流接触器J_Δ的电磁线圈(27)断电，它的三组动触头(28)掉闸，同时使作星形接法的交流接触器J_Y的电磁线圈(25)通电，它的三组动触头(26)合闸，电动机处于星形接法运行；当电动机处于重载运行时，J₁的转换触点J_1b(30)转掷于常开接点J_1b-K(31)，J_Z的电磁线圈(22)通电，其静触点(23)脱开，动触点(24)闭合，既是使J_Y的电磁线圈(25)断电，它的三组动触点(26)掉闸，同时J_Δ的电磁线圈(27)通电，它的三组动触点(28)合闸，使电动机置于三角形接法运行。整个过程反之亦反，由此实现了使电动机的运行是跟随负载量的大小变化相应做星—三角，三角—星供电接法的自动转换，从而收到了良好的节电效果。

当电动机处于异常条件下非正常运行时，包括电源电压过高或过低超出±10％。或三相电压严重不平衡，或缺相，或超载、过流或电动机绕组有断相，既是电动机发生非正常运行时，本节能保护器控制中心及时发出保护指令信号，使接在保护执行级电路中的J₂的转换接点J_2a(33)转掷于常开接点J_2a-K(34)，切断C相电源，使中间继电器J_Z的电磁线圈(22)，做星形接法的交流接触器J_Y的电磁线圈(25)，做三角形接法的交流接触器J_Δ的电磁线圈(27)，均被断电；其动触头(28)、(29)均同时掉闸，使电动机的三相绕组均断电，从而可靠的保护了电机，亦避免了事故的发生，切实保护了系统的安全。

图3所描述的分项组合式数模主控电路，功能框图包括过压、欠压保护(I)单元电路(11)，过载过流保护(II)单元电路(12)，缺相保护(III)单元电路(13)，星—三角转换节能控制(IV)单元电路(14)，以及低压直流电源(V)单元电路(15)。

图4为节能保护器分项组合式主控电路原理图：

(I)单元，欠压保护与过压保护电路(11)。此电路作用是当三相电源的任何一相或三相电压值高于或低于标称值±10％的情况下延续120s时间，即执行过压或欠压自动保护跳闸，报警并保持显示。过、欠压越深执行跳闸越快。

过压保护：二次电压取样负极性信号U_H输入1IC1反相输入端，经倒相得到正极性波形，经1R₈、1R₁₀分压后送到1IC2的同相端，1IC2的反相端为整定电压，调1W₁设定。当1IC2的同相输入端正极性波峰值高于反向端整定电压值时，其输出为+12V的阶跃脉冲，经1R₁₄、1D₄送入12C₁积分，当积分电压达到123BG开启电平时，继电器J₂动作执行跳闸保护，其方波信号经1C₃，1R₂₂微分触发1BG₁，导通1BG₂，过压显示并显示保持。

欠压保护：电压在正常范围时1IC1正极U_H电压信号，经1R₁₅、1D₅、1C₂积分，在1IC₃的反相输入端累计正电位，使其封锁，当出现欠压状态时，累计电位降低，封锁解除，则1IC3有方波输出，经1R₂₁，1D₇送入12C₁积分，电平升高使123BG导通，通过J₂继电器，进行电源跳闸，同时方波经1C₄、1R₂₉微分触发1BG₃导通1BG₄，欠压保护显示，并显示保持。

II单元过流保护电路(12)。此单元电路的作用是：当送给电动机的线电流I_A、I_B、I_C任何一相或多相电流超过额定电流的20％且持续120s，即执行过流保护跳闸，显示报警，并保持显示。

电流取样信号I_H1经三路半波整流后的正极性电压信号送入跟随器2IC1的同相输入端，其输出端跟随输入端，在正常的情况下2D₄正极的波形跟随负极波形，但正端的电位高于负端0.7V，所以2IC2的输出端为0状态。当过流发生时，过升脉动电压经2R₆、2C₁加至2IC2的同相输入端，输出正方波，经2D₅、2R₁₂在2C₄电容上积分加于2IC3的同相输入端。而反向端由于2C₂、2C₃的积分惯性，其电压低于同相输入端脉动峰顶电平时，2IC3的反相输入端加的是来自2W₁整定电压，在正常情况下，反相端电位高于同相端电位，比较器被封锁，其输出端为0状态。而当过流发生进入到一定深度，使同相端积分电位高于反向端电位时则输出为1状态的高电位，经2D₆在12C₁上积分，其电位使123BG导导通，通过J₂执行过流保护跳闸。同时其正阶跃电压经2C₅，2R₁₇微分触发2BG₁，导通2BG₂，显示报警，并显示保持。

III单元缺相保护电路(13)。此单元电路的作用是，当电动机三相电源有缺相或断相时，为防止烧坏电动机事故的发生，在故障发生的2s之内，立即执行缺相保护跳闸，并显示保持。

电流取样信号I_H2经三路整流滤波后的直流正电压分别经3R_1-3加至3IC1、3IC2、3IC3三个比较器的同相输入端，而此三路整流电压又经3D₄～3D₆与3W₁整定基准电压正端并接一起叠加送入三个比较器的反向输入端。平时，此三比较器的反相输入端比同相输入端电位低0.7V，输出端均为1状态。使3IC4的输出端为0状态。当有缺相情况发生时，则该比较器的同相输入端电位为0，其输出为1状态，使3IC4的输出跳到高电位，通过3D₁₀到123BG基极使其立即导通，执行缺相保护跳闸。同时，此信号经3C₄、3R₁₄微分触发3BG₁，导通3BG₂，显示报警并显示保持。

IV单元，星—三角转换节能控制电路(14)。此单元电路的功能与作用：

根据电动机的工作原理，三角形接法比星形接法负载能力大，同一种接法下负载重耗电大，同一负载下星形接法比三角形接法耗电小，电机在额定负载附近其效率最高，在低负载下运行其效率很低。使其效力降低的原因在于电机自身的损耗，其电损与通过电动机的电流的平方成正比，其铁损耗与施加于电动机的电压的平方成正比，电动机起动电流一般为额定电流的5～7倍，这一电流与外施电压成正比。为了得到满负荷时的拖动能力，通常三相交流电动机总是采用三角形接法，而在电动机的起动及运行中处于轻载、空载的情况占多数。如果我们使电机在空载起动及空载和轻载运行时间采用星形接法供电，而在重载时采用三角形接法，这将会显著提高电动机的效率，同时收到节能的显著效果，并使起动电流减小，降低因起动电流对电网和电机的冲击，还能提高电网的功率因数。

本实用新型的电动机节能控制就是依据上述原理基于星—三角，三角—星的自动切换。具体说来是这样实现的：采用对电动机负载量动态跟踪，利用电流传感器对运行中的电动机的供电作线电流取样(负载轻时电流降低，负载重时电流升高)控制中心将依据这一取样信息的大小给执行级指令，当电机处于空载和轻载运行时使电机星形接法供电，而当负载由轻到重增加到额定负载的某一百分比值时则供电接法由星转三角；而负载由重减轻降到额定负载的另某一百分比值时，则供电接法又由三角转星。俱此，实现了负载量跟踪进行星转三角，三角转星两种接法的程序控制自动转换；当电机处于接电起动时，控制指令中心闭锁10s，这时电机以星接法供电，待起动过程结束后再进入程控段，这样就保证了电机的以星接法起动，而且避免了程控受到起动时的干扰；再有，三角转星设置了2～40s的可调延迟，星转三角设置为2s固定延迟，这是为抗外界干扰所必要的。

这一星转三角—三角转星动态自控转换的实现，收到了上述予见的良好效果。经测试，使其功率因数提高了0.1～0.2；起动电流从7倍降到4倍；在空载、轻载运行时节电率为50％～30％，轻载至重载运行时节电率为30％～10％。

本单元数、模控制电路工作原理。由电流互感器4L_H获得电流取样信号IH₃，经IV转换送入白分比值整定电路，其整定的信号电压送入比较器4IC1的反相输入端，它的同相输入端加的是

转换比例变化的固定基准电压，因此4ICI信号端电压高于基准电压时，则输出为1状态，反之则为0状态。4IC1的输出经4R₅、4W₃、4R₆、4D₆组成的正反向不等延时电路送到第二级比较器4IC2的反相输入端，由于4IC2的同相输入端加的是固定基准电压，因此其输出端的状态取决于反相输入端电压的大小，且与之相反而与4IC1的反相输入端信号电压状态相同。当4IC2输出端为0状态时，4BG₁截止，当为1状态时4BG₁导通，通过J₁继电器的吸合与释放去接通或断开中间继电器，对做星形或三角形接法的两组交流接触器的工作交替转换。到此，从而完成了根据负载轻重进行星或三角接法的控制过程。

转换延时电路，电动机在运行中，会因为电网电压的波动或负载抖动等偶然原因而使电动机的工作电流发生瞬间的跳变，为排除这种干扰避免频繁的误动转换，在4IC1的输出至4IC2的信号输入端间接入了4C₄、4D₆、4R₅、4R₆、4W₃组成的延时转换抗干扰电路，电路中由于4D₆的单向性，使三角转星的延时大于星转三角。星转三角设计1s的固定延时，三角转星则设置为1～40s的可调延时，由4W₃电位器调节设定，调节旋纽置于前面板上。

起动延时转换电路，电动机起动电流比额定电流大几倍，而且起动过程电流起落变化很大，为使电动机稳定在星形接法下软起动，为消除起动过渡过程中出现紊乱转换，本IV单元节能控制电路中纳入了起动延迟转换电路，它是由4IC3、4W₄、4R₁₅、4C₅、4D₇组成的时间闭琐开关电路，它的作用与单片机智能控制中心(1)，在上电后延迟10s后程序才进入主控段是一致的。具体说来，接通电源，电动机起动时间内4C₅电容器上的电压需要充电建立的时间，当4IC3同相端电位低于反相端时间内，其输出端为0状态，二极管4D₇导通将4BG₁基极箝位在低电位，使4BG₁截止，中间继电器通电，电动机稳定在星形接法起动。当起动完毕，进入正常运转后，4C₅上电压升高也到使4IC3输出为1状态。以后4BG₁的导通与截止，仅取决于4IC2输出端的状态，换言之，既星—三角转换取决于负载大小。这一延时设计为0～35s可调，由4W₄设定。调节旋纽置于前面板上。

双基准信号电压设定电路(10)，该电路由4W₂、4R₁₂、4R₁₃及转换执行级继电器J₁的另一组接点的常开接点J_1B-K和转换接点J_1B组成。4W₂、4R₁₂、4R₁₃串联，上端接在由4WD稳压的稳定电压源＋端，电位器4W₂下端接公共地，电位器4W₂中间抽头上的分压值作为基准信号输入比较器4IC2的同相输入端。当电动机运行在三角形接法时4BG₁导通，J₁吸合J_1b掷向J_1b-K，4R₁₃被短接，4IC1基准电压升高；当电动机运行在星接法时4BG₁截止，J₁释放J_1b离开J_1b-K，4R₁₃解除短路4IC1基准电压降低，从而给4IC1比较器形成两个比较基准电压值，它们分别对应星转三角和三角转星的两个取样信号电压值，既形成一定的转换宽度S，这样既不影响星—三角的转换的稳定，又能最大限度提高节电效果。这里必然存在一个最佳宽度S佳的选择。由于电动机星接法时线电流约为三角接法时的57％，近乎 又由于星接法下电动机的负载能力只有三角形接法的57％左右，这就必须做到星转三角的信号白分比值要选得比57％低，即提前转换，实践证明应选在

以下为宜，而三角转星选在稍低于57％即可，本实用新型最佳转换宽度S佳的选择是(4R₁₂＋4W₂)与(4R₁₂＋4R₁₃＋4W₂)的电阻值之比为1∶

经应用实验表明这一参数选择是合适的。4W₂电位器的调节旋纽置于前面板上。

综上所述，本单元的工作机理可以概括为：双基准

；双双延时(起动延时与转换延时；转换延时的正、反差延时)；双双转换(星—三角接法转换；接法转换同时基准转换)的全自动控制电路。

图5为节能保护器单片机控制原理图。

本节能保护器采用单片机作为智能控制中心，它的功能比分项组合式数模控制电路更佳，功能更强同时也使本实用新型步入到智能控制的先进技术水准。本智能控制中心，主要由8031单片机，ADC0809为A/D转换芯片，74LS373完成低八位地址锁存，2764块为程序固化地，74LS245为数据驱动，GAL16V8地址译码组成。

对过压、欠压、过流过载、缺相各项保护功能以及星—三角转换，编程智能全自动控制。试以星形—三角形转换控制为例陈述控制程序。

上电后延时10s，防止上电过程中误动作。10s后控制程序进入主控段，主控段工作程序如下：

1.从图中IN0处读入数据进行A/D转换

2.从图中IN1处读入数据进行A/D转换

3.IN0、IN1处数据进行比较，将比较结果从P₁₃处输出，电压为0V或5V；

4.P_1.3处输出经延迟环节从IN2处输入，启动A/D转换将IN2处模拟量转换为数字量；

5.将步骤4中数据与6V电压的数字量进行比较，结果从P_1.2处输出；

6.根据P_1.2处电压量置4BG₁导通或截止，置”红“，”绿“状态，即星—三角、三角—星接法转换，在这里

7.程序返回步骤1。

本电动机节能保护器，建立了数—模电路主控与单片机智能监控相结合的双重控制制式，是使本实用新型功能强，性能更臻完善适应广泛的基础。其实，只要将控制程序作以新的编程，就可以用于控制单相电动机和直流电机的场合；只要将程控稍加调整，将执行级电路(8)中的J₁、J₂直流继电器改用一只4N35，两只4N28光电耦合器取代，将图2中外接受控的两只交流接触器J_Y、J_Δ，改用两只随机型的三相交流固态继电器(SSR)，并去掉中间继电器J_Z，它就是一种完全采用弱电控制强电的无触点全自动智能控制装置，在需要防火防爆的场合，如油田炼油厂、天然气厂，都可以广泛应用。

Claims (4)

1.一种电动机节能保护器，其特征在于：它采用数/模—智能化相结合的控制方式，将电动机供电做星/三角自动切换的节电控制功能与缺相、过载、过压、过流、欠压故障情况下对电动机断电的保护功能结合于一体。它由单片机智能控制中心(1)，分项组合式数/模主控电路(2)，电压传感器(3)，电流传感器(4)，电压取样信号变换电路(5)，保护电流取样信号变换电路(6)，星/三角切换取样信号变换电路(7)，星/三角切换控制及保护控制执行级电路(8)，故障报警显示电路(9)，以及电源电路(15)组成。它是采用电压传感器(3)和电流传感器(4)，对供电网、电动机、以及负载状况，既是影响电动机安全经济运行的主要因素做全方位的探测进行连续信号取样，同时将各路信号分别送入相应的信号变换电路(5)、(6)、(7)，经模/数变换的信号数字量输入数/模主控电路(2)进行判别，同时该信号送进单片机智能控制中心(2)进行确认，然后将指令信号送给执行级(8)，在正常情况下，对运行中受控的电动机依据负载量的轻重变化，通过执行电子开关(8)上外接的中间继电器来控制供电电路中的交流接触器或晶闸管固态继电器相应做星/三角或三角/星自动切换以进行节能控制；当异常情况发生，则及时进行断电控制可靠保护电机与电网的安全。

2.根据权利要求1所述的分项组合式主控电路(2)，其特征在于由欠压与过压保护电路(11)，过载过流保护电路(12)，缺相保护电路(13)，星/三角转换节能控制电路(14)组成。它的功能：一是对前端既信号变换电路(5)、(6)、(7)送来的数字量进行判别，二是将特定的数字量转换成模拟量，送入执行级(8)进行控制操作。

3.根据权利要求1所述电动机节能保护器其特征在于，其主控电路已制成型号为KDJB—9906的厚模集成电路块(25)，它采用单列直插式24条功能引脚与外接电路相连。

4.根据权利要求1所述电动机节能保护器，其特征在于：星一三角转换控制电路中采用了

双基准信号电压设定电路(10)。

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