專利名稱：三相異步電動(dòng)機(jī)相控智能節(jié)電控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)有新型涉及電動(dòng)機(jī)附件領(lǐng)域，尤其是智能節(jié)電控制器。
背景技術(shù)：
三相交流異步電動(dòng)機(jī)以其低成本，高可靠性和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)在各行業(yè)中廣 泛應(yīng)用。但是，它在直接起動(dòng)及運(yùn)行時(shí)，存在著很大的缺點(diǎn)首先，它的起動(dòng) 電流高達(dá)額定電流的5 — 7倍，這需要電網(wǎng)有很大的裕量，而且降低了電器控制 設(shè)備的使用壽命，增加維護(hù)成本，甚至影響了其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行；其次， 運(yùn)行轉(zhuǎn)矩可達(dá)正常轉(zhuǎn)矩的3倍，這會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生沖擊，增加傳動(dòng)部件的磨擦和 額外維護(hù)。
傳統(tǒng)的起動(dòng)運(yùn)行方式如下
① .在電動(dòng)機(jī)定子回路中串入電抗器，使一部分電壓降在電抗器上；
② .星形一三角形轉(zhuǎn)換降壓起動(dòng)(Y _△)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)接成星形，起動(dòng)結(jié)束 后，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換器變成三角形接法；
③ .起動(dòng)補(bǔ)償器起動(dòng)(自耦變壓器起動(dòng))。
傳統(tǒng)的起動(dòng)運(yùn)行設(shè)備體積龐大，與負(fù)載匹配的電機(jī)轉(zhuǎn)距很難控制，也就是 說(shuō)很難得到合適的起動(dòng)電流和運(yùn)行轉(zhuǎn)距；而且在切換瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電流尖 峰，由此產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)會(huì)損害電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸連接器、中間齒輪以及負(fù)載。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的為提供一種能克服傳統(tǒng)起動(dòng)運(yùn)行缺點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)節(jié)能節(jié)電， 并具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)功能的三相異步電動(dòng)機(jī)相控智能節(jié)電控 制器。
實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下
三相異步電動(dòng)機(jī)相控智能節(jié)電控制器，該控制器的輸入端和輸出端接入三 相異步電動(dòng)機(jī)的主回路，輸入端經(jīng)短路開(kāi)關(guān)，與鑒相路電路、恒流軟啟動(dòng)電路、 缺相及過(guò)載保護(hù)電路相繼連接，最后與輸出端連接，同步信號(hào)取樣電路與方波 整形電路、電壓檢測(cè)電路、及所述鑒相器電路相繼連接，所述同步信號(hào)取樣電 路還與負(fù)載跟蹤電路、電流檢測(cè)電路及所述缺相反過(guò)載保護(hù)電路連接，所述同 步信號(hào)取樣電路還與單片機(jī)控電路、功率放大電路相繼連接，功率放大電路還
3分別與所述鑒相器電路、恒流軟啟動(dòng)電路、缺相及過(guò)載保護(hù)電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器電路連接，另外還有限載旁路電路一端與所述鑒相器電路連接，另一端與所 述恒流軟啟動(dòng)電路連接。
各個(gè)電信號(hào)采樣電路與主回路連接，其中電流采樣電路通過(guò)三個(gè)互感器連 接，電壓采樣電路通過(guò)三個(gè)同步變壓器連接，并經(jīng)光偶合隔離器接入控制電路， 方波整形電路與相位比較電路連接，負(fù)載跟蹤電路分別與相位比較電路和單片 機(jī)控制電路連接，高頻信號(hào)發(fā)生器與功率放大電路，大功率信集成模塊，主回 路相繼連接，電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路分別與電流采樣電路和信號(hào)發(fā)生器連接，限載旁 路電路與負(fù)載跟蹤電路連接、運(yùn)行及故障顯示電路分別與電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路功率 放大電路和電源連接。
上述方案中具有單片機(jī)控制電路，該控制電路的核心甘情愿單片機(jī)，控制 模塊，這種模塊采用數(shù)碼管顯示、按鍵控制，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程全部由單片機(jī)按照 預(yù)先設(shè)定自動(dòng)完成，所以操作起來(lái)極其方便。
方案的技術(shù)特性
① .電壓斜坡起動(dòng)特性
首先加一個(gè)電壓Us到電機(jī)上，之后電壓線性上升，從Us增加到最大電壓 Umax。此時(shí)，加到電動(dòng)機(jī)端子上的電壓等于電網(wǎng)輸入電壓。Us可選擇的電壓為 80—300V。 Ts由用戶設(shè)定，可以在1一90秒中選擇。例如電機(jī)功率大小、負(fù)載 大小等，選擇合適的參數(shù)，達(dá)到最佳起動(dòng)效果。這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)平 穩(wěn)，可減少起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)大大減輕起動(dòng)力矩對(duì)負(fù)載帶來(lái)的機(jī)械 振動(dòng)。全電壓硬啟動(dòng)經(jīng)常損壞電動(dòng)機(jī)和設(shè)備，相控節(jié)電技術(shù)裝置能檢測(cè)電動(dòng)機(jī) 的負(fù)荷與提供給電動(dòng)機(jī)的功率，在不減少啟動(dòng)力矩的前提下，僅提供給電動(dòng)機(jī) 啟動(dòng)過(guò)程中所需要的功率，且啟動(dòng)時(shí)間可在0秒-30秒范圍內(nèi)根據(jù)需要設(shè)定，啟 動(dòng)過(guò)程是平滑無(wú)級(jí)的，可有效地降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，其啟動(dòng)電流僅為標(biāo)準(zhǔn) 電機(jī)硬啟動(dòng)電流的50%，高效的限流特性可有效限制浪涌電流，避免不必要的沖 擊力矩以及對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的電流沖擊，可有效控制電動(dòng)機(jī)的溫升，大大延長(zhǎng)電動(dòng) 機(jī)的壽命。
② .電壓突跳功能
負(fù)載具有很大的靜摩擦力；在電壓斜坡起動(dòng)方式中，電壓是由小到大逐漸
4上升的。如果直接使用電壓斜坡方式起動(dòng)，在起動(dòng)開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，因所加 電壓太小，克服不了負(fù)載的靜摩擦力，造成因發(fā)熱而損壞電機(jī)的情況。電壓突
跳功能則解決了這個(gè)問(wèn)題。在電機(jī)起動(dòng)前，先輸出一電壓ut，且持續(xù)一段時(shí)間
Tt，用以克服靜摩擦力，待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之后，再按照原有方式起動(dòng)，從而比較好 地保護(hù)了電機(jī)。
③ .節(jié)能特性
交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通常消耗的電能大于其實(shí)際需要的電能，特別是當(dāng)其運(yùn)行 在欠載狀態(tài)，該多余的電能以震動(dòng)、發(fā)熱、噪音和鐵磁損耗等的形式耗散掉。 相控技術(shù)的柔性化能量管理模式，在配電系統(tǒng)和交流電機(jī)之間建立有效的電機(jī) 能量監(jiān)控控制方式，實(shí)時(shí)將電機(jī)的運(yùn)行電流、電壓和功率調(diào)整在最佳狀態(tài)，實(shí) 現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的目的。
④ .優(yōu)化運(yùn)行特性
依據(jù)負(fù)荷來(lái)提供功率的特性，可有效提高電動(dòng)機(jī)的效率、生產(chǎn)力和使用壽 命，同時(shí)節(jié)省能源和費(fèi)用。能對(duì)單相和三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行極優(yōu)控制，以滿足 優(yōu)化安全運(yùn)行模式。 保護(hù)特性
共有三種保護(hù)功能過(guò)流保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)，缺相保護(hù)。在起動(dòng)或者運(yùn)行過(guò) 程中如果出現(xiàn)上述三種故障之一，模塊會(huì)自動(dòng)斷電，控制盒上的數(shù)碼管會(huì)閃爍 顯示故障原因，待排除故障以后，按復(fù)位鍵即可恢復(fù)正常?？蛇m用于要求比較 嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合，具有過(guò)流和缺相自動(dòng)保護(hù)切入旁路運(yùn)行的功能。
⑥ .消減三相電壓的不平衡度的節(jié)電
從三相不平衡電壓按對(duì)稱分量法分解出負(fù)序分量電壓U2，是一個(gè)反時(shí)針?lè)?br> 向的序量，它可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生附加的反方向旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)力矩，如果要克服它并 且按正方向保持原速度，就要額外增加相對(duì)于一倍負(fù)序分量的正序能量才能保
持原速度，如果112=1.5%111，則要增加2X1.5X的功率，對(duì)于零序分量就是由 于電壓的不平衡產(chǎn)生電壓中心點(diǎn)偏移導(dǎo)致的零序電壓或電流分量，所以本實(shí)用 新型能將不平衡電壓的程度消減因而可帶來(lái)顯著的節(jié)電效應(yīng)。
⑦ .降低運(yùn)行電流節(jié)電
電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)阻抗ZL極小，電機(jī)起動(dòng)電流一般為(3.5 5.5) IA,感
5性燈具起動(dòng)電流一般為(1.5 2.0) IA，加入節(jié)電器后，等于接入了一定數(shù) 量的等值抗阻ZF，可將大大降低起動(dòng)電流，同時(shí)可降低輕負(fù)載電機(jī)及感性燈具 的運(yùn)行電流，如果有很多臺(tái)的電機(jī)或群控電機(jī)的負(fù)荷，就有很大的節(jié)電收益。 ⑧.抑制瞬變浪涌節(jié)電
瞬變和浪涌是正弦交流波電路上電流與電壓的一種瞬時(shí)態(tài)的畸變。概括性 地說(shuō)，瞬流會(huì)使用戶的用電成本增加，同時(shí)，瞬流會(huì)破壞設(shè)備的安全運(yùn)行。本技 術(shù)可消減高次諧波分量，起到一定程度的節(jié)電效果。這是由于本技術(shù)采用了最 理想的磁性材料和特殊的控制技術(shù)來(lái)平穩(wěn)了電流或電壓的瞬間變動(dòng)。du/dt得以 抑制使工作線路上的電壓得到穩(wěn)定，這對(duì)用電設(shè)備起到了一定程度的保護(hù)作用， 使用電設(shè)備免受了系統(tǒng)中的浪涌電壓的損害。
具有的技術(shù)功能如下
① .降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流(一般交流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，沖擊電流是額定電 流的5 — 7倍)；
② .避免電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)供電線路產(chǎn)生瞬間電壓跌落，造成設(shè)備、儀表誤動(dòng)作；
③ .防止起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生力矩沖擊，而使機(jī)械斷軸或產(chǎn)生廢品；
④ .可以較頻繁地起動(dòng)電動(dòng)機(jī)(軟起動(dòng)裝置一般允許10次/小時(shí)，而使電動(dòng) 機(jī)不致過(guò)熱)；
⑤ .對(duì)泵類負(fù)載可以防止水錘效應(yīng)，防止管道破裂；
對(duì)某些工藝應(yīng)用(如染紗機(jī)械)，可防止由于起動(dòng)過(guò)快而產(chǎn)生染色不勻造 成質(zhì)量問(wèn)題；
⑦ .對(duì)某些易碎的容器灌漿生產(chǎn)線，可防止容器破損；
⑧ .需要控制起動(dòng)電流，減少對(duì)機(jī)械的沖擊，同時(shí)也可適應(yīng)較低容量供電變 壓器的場(chǎng)合(如注塑機(jī))；
⑨ .可以降低電網(wǎng)適配容量，節(jié)省增容費(fèi)開(kāi)支；
⑩ ，數(shù)字式智能控制模塊結(jié)構(gòu)、節(jié)能運(yùn)行、保護(hù)于一體。突出特點(diǎn)是體積小、 功能強(qiáng)、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、免維護(hù)、可靠性高，是傳統(tǒng)起動(dòng)設(shè)備的理想換 代產(chǎn)品。
本實(shí)用新型具有以下有益效果
l.在配電網(wǎng)和用電負(fù)載之間提供了 "柔性化"的用電智能管理功能；2. 具備完善的軟啟動(dòng)和軟停車功能，可保證電機(jī)連續(xù)平滑地啟動(dòng)，消除了 常規(guī)啟動(dòng)方式伴隨電機(jī)啟動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械沖擊和大啟動(dòng)電流，有效降低軸承和 皮帶的磨損，普遍減少鏈條及齒輪的機(jī)械應(yīng)力，從而延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命；
3. 采用智能化的微處理器控制，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，在輕負(fù)載情況下電機(jī)電壓自動(dòng) 降至最低需求而轉(zhuǎn)速保持恒定，因此降低了不必的損耗。如果負(fù)荷增加，電壓 將自動(dòng)上升以防止電機(jī)失速
4. 選用導(dǎo)磁系數(shù)很高的鐵氧體鐵芯作為電感器的鐵芯主體，提高了整機(jī)工 作效率，自身功耗下降；
5. 采用獨(dú)特的機(jī)箱內(nèi)散熱設(shè)計(jì)，在箱內(nèi)溫度達(dá)到55'C時(shí)，三臺(tái)高速風(fēng)機(jī)進(jìn) 行箱內(nèi)換氣，確保工作正常。


圖1是本實(shí)用新型三相異步電動(dòng)機(jī)相控智能節(jié)電控制器的組成框圖2為主電路構(gòu)成原理圖3為單片機(jī)模塊構(gòu)成原理圖具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。
主電路與相控電路及單片機(jī)共同封裝于同一殼體內(nèi)，同時(shí)內(nèi)置多個(gè)電流、 電壓傳感器。用接插件將模塊與控制盒連接在一起，實(shí)現(xiàn)各種功能的設(shè)置和顯 示。
主電路為6只玻璃鈍化方形直流模塊芯片，通過(guò)一體化焊接技術(shù)，將其貼 在DBC (陶瓷覆銅板)上，并與導(dǎo)熱銅板焊接在一起。模塊使用時(shí)，導(dǎo)熱銅板與 散熱片通過(guò)導(dǎo)熱硅脂緊密接觸。這種結(jié)構(gòu)使模塊具有很高的絕緣性能和散熱性 能。
相控節(jié)電技術(shù)移相電路部分是為S0P28封裝，5V單一電源供電，全數(shù)字化 處理方式，具有很高的移相精度、對(duì)稱度。對(duì)控制端加0-10V電平信號(hào)，即可 控制移相角度。
同步變壓器輸出同步信號(hào)給移相電路，其中一路另外分給單片機(jī)，作為單 片機(jī)采集電壓、電流信號(hào)的基準(zhǔn)。這樣，就克服了如果交流電頻率變化帶來(lái)的
7計(jì)算誤差，提高了計(jì)算精度。
電壓傳感器和電流傳感器。兩種傳感器中均使用了霍爾元件，具有體積小、 反應(yīng)快、線形度高的特點(diǎn)，通過(guò)與模塊結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)方便地置于模塊內(nèi)部。
兩種傳感器將電壓模擬量、電流模擬量傳給12位高速A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)A/D轉(zhuǎn) 換，將相應(yīng)的數(shù)字量傳給單片機(jī)，以備單片機(jī)進(jìn)行處理。顯示、控制部分采用 串行口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，這種通訊方式大大減少了該部分與模塊內(nèi)部的連線。 5個(gè)數(shù)碼管顯示、8個(gè)按鍵控制，使顯示與控制直觀、方便。
本實(shí)用新型是采用最新的集成電路芯片控制技術(shù)配合電動(dòng)機(jī)相序調(diào)整技 術(shù)，不斷地檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及運(yùn)行功況，實(shí)時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓和 電流。當(dāng)檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)從空載一輕載一滿載多種負(fù)荷變化的情況下，保持電動(dòng) 機(jī)恒定轉(zhuǎn)速不變，能自動(dòng)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)電壓和電流之間的相位角a，根據(jù)負(fù)載的變 化狀況，在幾毫秒時(shí)間內(nèi)自動(dòng)調(diào)整相位角a。通過(guò)專用的大功率開(kāi)關(guān)元件，對(duì)電 壓電流波形進(jìn)行"切口"控制，自動(dòng)調(diào)整了供給電動(dòng)機(jī)的電壓，減少電動(dòng)機(jī)磁 滯損耗，降低電動(dòng)機(jī)的銅損和鐵損，保證電動(dòng)機(jī)的輸出功率與實(shí)時(shí)負(fù)載達(dá)到最 佳匹配。提高了電能的使用效率，達(dá)到了節(jié)電降損的目的。
相控節(jié)電技術(shù)采用閉環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的電 壓與電流波形，由于電動(dòng)機(jī)為一感性負(fù)載，其電流與電壓波形通常存在一相位 差，該相位差的大小與其負(fù)載的大小有關(guān)。達(dá)到實(shí)際相位差與依據(jù)電動(dòng)機(jī)特性 的理想相位差進(jìn)行比較，并依此來(lái)控制整流橋觸發(fā)角以給電動(dòng)機(jī)提供優(yōu)化的電 流和電壓，及時(shí)調(diào)整輸入電機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)"所供即所需"。
相控技術(shù)采用了大功率半導(dǎo)體與集成電路芯片檢測(cè)與控制觸發(fā)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 無(wú)觸點(diǎn)智能控制功能，其檢測(cè)和控制集成電路芯片的高速處理特性和快速反應(yīng) 特點(diǎn)，使得相控節(jié)電技術(shù)裝置能自動(dòng)處理各種工況下的電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性，具有 軟啟動(dòng)、節(jié)能節(jié)電、優(yōu)化運(yùn)行及保護(hù)等特性。
相控技術(shù)在設(shè)計(jì)上完全不同于傳統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，它采用了電流電 壓矢量傳感動(dòng)態(tài)監(jiān)控獨(dú)特控制技術(shù)，不改變電機(jī)原有的一切運(yùn)行特性，從而避 免了變頻器因調(diào)低速度而導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降的弊端，填補(bǔ)了變頻器所不能及的 空白。
8
權(quán)利要求1、三相異步電動(dòng)機(jī)相控智能節(jié)電控制器，其特征為所述控制器的輸入端和輸出端接入三相異步電動(dòng)機(jī)的主回路，輸入端經(jīng)短路開(kāi)關(guān)，與鑒相路電路、恒流軟啟動(dòng)電路、缺相及過(guò)載保護(hù)電路相繼連接，最后與輸出端連接，同步信號(hào)取樣電路與方波整形電路、電壓檢測(cè)電路、及所述鑒相器電路相繼連接，所述同步信號(hào)取樣電路還與負(fù)載跟蹤電路、電流檢測(cè)電路及所述缺相反過(guò)載保護(hù)電路連接，所述同步信號(hào)取樣電路還與單片機(jī)控電路、功率放大電路相繼連接，功率放大電路還分別與所述鑒相器電路、恒流軟啟動(dòng)電路、缺相及過(guò)載保護(hù)電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路連接，另外還有限載旁路電路一端與所述鑒相器電路連接，另一端與所述恒流軟啟動(dòng)電路連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相異步電動(dòng)機(jī)相控智能節(jié)電控制器，其特征為 各個(gè)電信號(hào)采樣電路與主回路連接，其中電流采樣電路通過(guò)三個(gè)互感器連接， 電壓采樣電路通過(guò)三個(gè)同步變壓器連接，并經(jīng)光偶合隔離器接入控制電路，方 波整形電路與相位比較電路連接，負(fù)載跟蹤電路分別與相位比較電路和單片機(jī) 控制電路連接，高頻信號(hào)發(fā)生器與功率放大電路，大功率信集成模塊，主回路 相繼連接，電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路分別與電流采樣電路和信號(hào)發(fā)生器連接，限載旁路 電路與負(fù)載跟蹤電路連接、運(yùn)行及故障顯示電路分別與電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路功率放 大電路和電源連接。
專利摘要本實(shí)用新型為三相異步電動(dòng)機(jī)相控智能節(jié)電控制器，涉及電動(dòng)機(jī)附件領(lǐng)域，傳統(tǒng)的起動(dòng)運(yùn)行設(shè)備，其起動(dòng)電流和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩很難與負(fù)載正配，在切換瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電流尖峰，由此產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)會(huì)損害電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸連接器、中間齒輪及負(fù)載，為此本實(shí)用新型采用了低壓全自動(dòng)相控智能節(jié)電的電路，并在節(jié)電控制電路中連接了單片機(jī)控制電路，電壓自動(dòng)檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、負(fù)載跟蹤電路和電機(jī)反饋的功率因素電路，使電機(jī)在低功損耗狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)最佳的運(yùn)行，并具有電機(jī)起動(dòng)電流低、安全性能高、對(duì)負(fù)載的損害小的有益效果。
文檔編號(hào)H02H7/085GK201294470SQ200820178669
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月6日
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