本發(fā)明涉及一種模塊式智能高效節(jié)能控制型異步電動機，在傳統(tǒng)電動機基礎上，將雙閉環(huán)控制的降壓節(jié)能、軟啟動及綜合保護控制融入電動機本體，使電動機具有自帶軟起動、自帶負載跟蹤降壓節(jié)能及綜合保護的一種新型電動機。

背景技術：

由于能源緊缺，我國也從70年代開展了節(jié)電技術的研究，但這些傳統(tǒng)的節(jié)電技術主要功能局限在變頻、調整電壓以及無源濾波上。由于傳統(tǒng)的節(jié)電技術存在很多局限性，如只針對可調速電機，產(chǎn)生大量的奇次諧波，對客戶的用電安全存在隱患，所以一直沒有得到大面積的推廣。目前，國內電動機節(jié)電產(chǎn)品的研究非?；钴S，但真正形成規(guī)模和品牌、具有技術實力的企業(yè)并不多，在產(chǎn)業(yè)化方面也不是很理想，好多都是代理國外公司的產(chǎn)品，市場的大部分被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內節(jié)電產(chǎn)品的發(fā)展，在國家“十一五”計劃中，電動機系統(tǒng)節(jié)能方面的投入高達500億元左右，重點推廣高效節(jié)能電動機、稀土永磁電動機，在煤炭、電力、有色、石化等行業(yè)實施高效節(jié)能風機、水泵、壓縮機系統(tǒng)優(yōu)化改造，推廣變頻調速、自動化系統(tǒng)控制技術,如果使電動機運行效率提高2%，年節(jié)電就可達200億千瓦時。由系統(tǒng)節(jié)電技術和專用節(jié)電技術組成的新型節(jié)電技術以其安全、經(jīng)濟、有效的特點逐漸取代了傳統(tǒng)節(jié)電產(chǎn)品，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，得到了大量客戶的認可。

國際上技術領先的國家已大量采用電力電子技術、計算機技術、傳感技術改造電動機節(jié)能產(chǎn)品，開發(fā)出一批機電一體化、智能化的電動機專用節(jié)能產(chǎn)品。隨著微處理器性能的提高和工業(yè)應用的日益成熟，使用一套裝置同時對電動機的啟動降耗及節(jié)能經(jīng)濟運行進行智能控制有了實現(xiàn)的可能，且智能化控制更能適應現(xiàn)代工業(yè)自動控制的要求，因此，電動機節(jié)能產(chǎn)品與控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是：集成化、智能化、通用化和信息化，為此本發(fā)明提出一種模塊式智能高效節(jié)能控制型異步電動機，在傳統(tǒng)電動機設計基礎上，將雙閉環(huán)控制的降壓節(jié)能、軟啟動及綜合保護控制融入電動機本體，使電動機具有自帶軟起動、自帶負載跟蹤降壓節(jié)能及綜合保護的新型電動機。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供在傳統(tǒng)電機基礎上實現(xiàn)一體式的節(jié)能控制電動機，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種模塊式智能高效節(jié)能控制型異步電動機,包括電機主體、智能控制板、保護罩、三組可控硅、風扇及主電源接線盒；所述智能控制板、保護罩、三組可控硅、風扇和主電源接線盒均安裝在電機主體上，所述智能控制板包括三相電流檢測電路、顯示電路、看門狗電路、按鍵電路、微處理器電路、溫度檢測電路、三相可控硅驅動電路、三組可控硅、同步信號電路、三相電壓輸入電路、起停控制電路；三相電流檢測電路的輸入端與微處理器電路的A/D端連接；溫度檢測電路輸入端與微處理器電路的A/D端連接；顯示電路的輸入端與微處理器電路的I/O口連接；看門狗電路和按鍵電路的輸出端分別與微處理器電路的I/O口連接；三相可控硅驅動電路的輸入端與微處理器電路的I/O口連接；三相可控硅驅動電路的輸出端與三組可控硅對應的觸發(fā)端連接；同步信號電路的輸入端與三相電壓輸入電路的輸出端連接；同步信號電路的輸出端與微處理器電路的I/O口連接；三相電壓輸入電路的輸出端同時與三組可控硅輸入端連接；三相電壓輸入電路的輸入端與三相電源連接；三組可控硅的輸出端與異步電動機的電源端連接。

優(yōu)選的，溫度檢測電路采用溫度繼電器，固定在可控硅散熱面上，當可控硅表面大于85℃時，停止電機運行。

優(yōu)選的，智能控制板嵌入在所述電機本體上，采用電流環(huán)和功率因數(shù)環(huán)，將實測功率因數(shù)值，并結合實測電流值作為控制參量，通過模糊自整定PID控制算法，用于變載時，快速抑制電流波動，時間小于80毫秒，實現(xiàn)電流值的穩(wěn)定控制，電流波動小于1%，使模塊式智能高效節(jié)能控制型異步電動機具備自帶電機降壓控制、軟啟動控制及綜合保護控制于一體。

優(yōu)選的，三組可控硅采用雙并聯(lián)反向連接，利用雙窄脈沖控制雙向反并聯(lián)可控硅快速觸發(fā)，解決電機交流調壓問題。

優(yōu)選的，風扇固定在電機端部，電機主體和三組可控硅公用專用散熱通道，確保電機及功率器件散熱充分，延長電動機使用壽命。

優(yōu)選的，智能控制板采用三相電流檢測電路可獲得電機運行的實際電流值，并借助鉗型電流表測得的實際電流值，將鉗型電流表測得的電流值通過按鍵電路輸入到微處理器電路，利用電流設定值與測量值比對，實現(xiàn)智能控制板對電動機負載的識別，使智能控制板適用于15-315KW任意功率大小的異步電機控制。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明的模塊式智能高效節(jié)能控制型異步電動機，是將電機主體與智能控制板進行一體化設計，將降壓節(jié)能、軟啟動及綜合保護控制融入電動機本體，使電動機具有自帶軟起動、自帶負載跟蹤降壓節(jié)能及綜合保護的新型電動機。

（2）本發(fā)明的模塊式智能高效節(jié)能控制型異步電動機，智能控制板適用于15-315KW任意功率大小異步電機的控制，電機節(jié)電率高達15-50%。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的模塊式智能高效節(jié)能控制型異步電動機原理結構圖；

圖2為本發(fā)明的智能控制板原理結構圖；

圖3為本發(fā)明的可控硅調壓時輸出電壓、電流波形圖；

圖4為本發(fā)明的模糊自整定PID控制器的結構圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1，本發(fā)明提供一種技術方案：本實施例的一種本發(fā)明提供了一種模塊式智能高效節(jié)能控制型異步電動機，包括電機主體1、智能控制板2、保護罩3、三組可控硅4、風扇5、主電源接線盒6；智能控制板2、保護罩3、三組可控硅4、風扇5和主電源接線盒6均安裝在電機主體2上，構成一體式異步電動機。

見圖2所示，智能控制板2包括三相電流檢測電路、顯示電路、看門狗電路、按鍵電路、微處理器電路、溫度檢測電路、三相可控硅驅動電路、三組可控硅、同步信號電路、三相電壓輸入電路、起?？刂齐娐?；三相電流檢測電路的輸入端與微處理器電路的A/D端連接；溫度檢測電路輸入端與微處理器電路的A/D端連接；顯示電路的輸入端與微處理器電路的I/O口連接；看門狗電路和按鍵電路的輸出端分別與微處理器電路的I/O口連接；三相可控硅驅動電路的輸入端與微處理器電路的I/O口連接；三相可控硅驅動電路的輸出端與三組可控硅4對應的觸發(fā)端連接；同步信號電路的輸入端與三相電壓輸入電路的輸出端連接；同步信號電路的輸出端與微處理器電路的I/O口連接；三相電壓輸入電路的輸出端同時與三組可控硅4輸入端連接；三相電壓輸入電路的輸入端與三相電源連接；三組可控硅4的輸出端與異步電動機的電源端連接。

見圖3所示，由于異步電動機是感性類負載，從電力電子學相關知識中我們知道，當交流調壓電路帶感性類負載時，只有當移相角(即可控硅的觸發(fā)角)大于感性負載的功率因數(shù)角時，才能起到調壓的作用。因為當時，電流導通時間 (即可控硅的導通角)將始終保持在180°，相位控制不起任何調壓作用，甚至在可控硅觸發(fā)脈沖不夠寬的情況下，還可能出現(xiàn)只有一個方向的可控硅在工作，負載上將出現(xiàn)直流分量，危及可控硅的安全。因此在使用相控調壓技術時可控硅電路的移相范圍應當限制在<180°的范圍內,觸發(fā)角、導通角、功率因數(shù)角三者之間的關系為:

在可控硅調壓電路中，可控硅可以借助負載電流過零自行關斷，而不需要外加換流電路，所以具有電路簡單、調壓裝置體積小、價格低廉、使用及維護方便等優(yōu)點。

由圖3可以看出，交流調壓電路的輸出電壓有效值取決于可控硅導通角的大小，所以通過改變的大小，就可調節(jié)輸出到電動機的端電壓。

由可控硅相控調壓的原理得出：可控硅的導通角的大小決定了可控硅的輸出電壓，即加載在電動機端的電壓。一般對雙向可控硅正負半周的觸發(fā)是對稱的，所以可控硅的輸出電壓有效值可由下式計算得到。

其中，為三相電源相電壓的有效值。

通常對于恒定的負載阻抗，是常量，只要調整可控硅的觸發(fā)角就可以改變可控硅的導通角，達到控制可控硅的輸出電壓有效值的目的。但對于電機類負載，由于擾動時刻存在，負載阻抗總有些微小的變化，所以電動機的功率因數(shù)角是不斷變化的，此時可控硅的輸出電壓有效值就與可控硅的觸發(fā)角和電動機的功率因數(shù)角均有關。

可見，可控硅的輸出電壓有效值是觸發(fā)角和功率因數(shù)角的函數(shù)。原來按恒定的負載阻抗得出的控制規(guī)律就不再適用，三者相互之間的關系給系統(tǒng)的降壓節(jié)能控制帶來了困難，導致控制規(guī)律變得復雜。如果對可控硅觸發(fā)角的調節(jié)沒有及時跟隨功率因數(shù)角的變化，就有可能導致異步電動機電磁轉矩的振蕩，進而引起電動機電樞電流和輸出電壓的振蕩。

溫度檢測電路采用溫度繼電器，固定在可控硅散熱面上，當可控硅表面大于85℃時，停止電機運行。

見圖4所示，智能控制板嵌入在異步電動機本體上，采用電流環(huán)和功率因數(shù)環(huán)，將實測功率因數(shù)值，并結合實測電流值作為控制參量，通過模糊自整定PID控制算法，用于變載時，快速抑制電流波動，時間小于80毫秒，實現(xiàn)電流值的穩(wěn)定控制，電流波動小于1%，使模塊式智能高效節(jié)能控制型異步電動機具備自帶電機降壓控制、軟啟動控制及綜合保護控制于一體。

模糊自整定PID控制算法是在傳統(tǒng)的PID控制算法的基礎上，通過計算當前系統(tǒng)誤差信號和誤差變化率信號，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數(shù)調整。

模糊自整定PID控制器通常以系統(tǒng)誤差信號和誤差變化率信號作為輸入。在系統(tǒng)運行過程中通過不斷檢測誤差，從而計算出誤差變化率，找出PID三個參數(shù)、、與誤差和誤差變化率之間的模糊關系，根據(jù)模糊控制原理來對、、三個參數(shù)進行在線修改，從而滿足不同時刻的和對PID參數(shù)自整定的要求，使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。

利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改，便構成了模糊自適應PID控制器。由于模糊控制器的結構對受控系統(tǒng)的性能有很大影響，因而必須根據(jù)受控對象的具體情況，合理地選擇模糊控制器的結構。

模糊控制器結構的選擇就是確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量，在本設計中，模糊控制器的結構采用二輸入，三輸出結構，選取誤差信號和誤差變化率信號作為模糊控制器的輸入變量，PID控制器的三個調節(jié)參數(shù)、、作為模糊控制器的輸入變量。輸入變量和經(jīng)量化和模糊化后，查詢模糊控制規(guī)則表，得到輸出量、、，再經(jīng)解模糊和量化因子輸出精確量，并將該輸出量與傳統(tǒng)PID控制器相結合，就可以輸出系統(tǒng)的控制量。

根據(jù)上述原則，在本發(fā)明中，輸入語言變量和的模糊集論域均設為{-3，-2，-1，0，1，2，3}；輸出語言變量的模糊集論域設為{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，的模糊集論域設為{-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，的模糊集論域設為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，取相應論域上的語言值為：{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。考慮到對論域的覆蓋程度及靈敏度、魯棒性和穩(wěn)定性等原則，各模糊子隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)。

模糊控制規(guī)則采用“If (e is A) and (ec is B) then (kp is C)(ki is D)(kd is E)”的方式，根據(jù)PID參數(shù)調整原則，輸出變量PID三個調整參數(shù)、、的一輪決策將最多涉及147條推理規(guī)則?？紤]系統(tǒng)實時性要求，以及考慮微處理器電路的運算速度和內存空間的限制，本系統(tǒng)最終只選取49條推理規(guī)則。

三組可控硅采用雙并聯(lián)反向連接，利用雙窄脈沖控制雙向反并聯(lián)可控硅快速觸發(fā)，解決電機交流調壓問題。

風扇固定在電機端部，電動主體和三組可控硅公用專用散熱通道，確保電機及功率器件散熱充分，延長電動機使用壽命。

智能控制板采用三相電流檢測電路可獲得電機運行的實際電流值，并借助鉗型電流表測得的實際電流值，將鉗型電流表測得的電流值通過按鍵電路輸入到微處理器電路，利用電流設定值與測量值比對，實現(xiàn)智能控制板對電動機負載的識別，使智能控制板適用于15-315KW任意功率大小的異步電機控制。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。