專利名稱：數(shù)字式大功率繞線異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償及節(jié)能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償及節(jié)能裝置，尤其涉及一種數(shù)字式 大功率繞線異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償及節(jié)能裝置。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外交流繞線式異步電機(jī)無功補(bǔ)償方式主要有1)電機(jī)定子側(cè) 并聯(lián)電容器；電機(jī)定子側(cè)并聯(lián)電容器只能補(bǔ)償線路無功功率，不能降低電機(jī)定 子電流；尤其是對(duì)高壓電容器的安裝場(chǎng)所、控制方式都有特殊要求，其投資往 往較高。2)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接旋轉(zhuǎn)式進(jìn)項(xiàng)裝置。由于串接于電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的 旋轉(zhuǎn)式進(jìn)項(xiàng)裝置是一種整流子旋轉(zhuǎn)電機(jī)，自身有一定的功耗，且特別怕塵埃， 使用壽命短，規(guī)格少，難于與異步電機(jī)達(dá)到最佳匹配。3) 90年代初，國內(nèi)市 場(chǎng)出現(xiàn)了一種靜止進(jìn)項(xiàng)器，該裝置是在上述兩種無功補(bǔ)償裝置上發(fā)展起來的一 種新型節(jié)能裝置。它采用了變頻技術(shù)，不怕塵埃，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便等優(yōu) 點(diǎn)。但由于該系統(tǒng)只采用了開環(huán)控制，在變負(fù)荷電機(jī)中難以應(yīng)用，因而限制了 其推廣應(yīng)用的范圍。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字式大功率繞線異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償及節(jié) 能裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了大功率縛線式異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償，提高了 電機(jī)的效率和過負(fù)載能力，具有明顯的節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制。 本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，它包括電機(jī)、電流傳感器、起動(dòng)柜、A/D轉(zhuǎn)換器、 電流過零檢測(cè)電路、單片機(jī)控制電路、變頻器觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路、變頻器主回 路電流檢測(cè)電路、電源同步信號(hào)產(chǎn)生電路、溫度測(cè)量電路、保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)電路、 固態(tài)繼電器、變壓器、交交變頻器、繼電控制電路，起動(dòng)柜與電機(jī)之間連接電流傳感器，其特征是電流傳感器的檢測(cè)信號(hào)分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器和電流過零檢測(cè) 電路后輸入單片機(jī)控制電路，同時(shí)也將交交變頻器電源同步信號(hào)連接單片機(jī)控 制電路，變頻器主回路電流檢測(cè)電路通過檢測(cè)線路上的電流信號(hào)連接單片機(jī)控 制電路，單片機(jī)的10 口分別連接變頻器觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路、電源同步信號(hào)產(chǎn) 生電路、溫度測(cè)量電路和保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)電路連接固態(tài)繼電 器，電流產(chǎn)生同步信號(hào)電路連接變壓器，變壓器連接交交變頻器，繼電控制電 路連接在主電路上。
本發(fā)明所述的電流過零檢測(cè)電路，其特征是電流傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子電流信 號(hào)Ui，經(jīng)過前端R1、 Cl、 C2和運(yùn)算放大器組成的低通濾波和積分電路后，經(jīng) Dl送至施密特觸發(fā)器，經(jīng)R3、 R4分壓后輸出電流過零檢測(cè)信號(hào)U0。
本發(fā)明所述的交交變頻器，它包括晶閘管、電抗、變壓器，其特征是12 個(gè)晶閘管形成單相至三相交交變頻電路連接變壓器，變頻后的輸出分別串聯(lián)電 抗后連接電機(jī)三相轉(zhuǎn)子繞組Ia、 Ib、 Ic。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、可改變轉(zhuǎn)子電流的相位，經(jīng)磁偶合，即可改變定子 電流與電壓的相位關(guān)系，從而達(dá)到功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)哪康模?、實(shí)現(xiàn)了大功率繞 線式異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償，且系統(tǒng)具有故障自査功能，有過流、過 溫、轉(zhuǎn)子缺相、電源缺相、主電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等保護(hù)功能；3、系統(tǒng)采用了 具有高可靠性的電流過零檢測(cè)電路，確保了變頻電路晶閘管可靠換相。
圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明交交變頻器的電路圖
圖3為本發(fā)明電流過零檢測(cè)電路的電路圖。
圖4為發(fā)明的交流電機(jī)勵(lì)磁矢量圖。
在圖中，1、電機(jī)2、電流傳感器3、起動(dòng)柜4、 A/D轉(zhuǎn)換器5、電流過零檢測(cè)電路6、單片機(jī)控制電路7、變頻器觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路8、變頻器主回 路電流檢測(cè)電路9、電源同步信號(hào)產(chǎn)生電路10、溫度測(cè)量電路11、保護(hù)輸出 驅(qū)動(dòng)電路12、固態(tài)繼電器13、變壓器14、交交變頻器15、繼電控制電路
具體實(shí)施例方式
如圖l、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，它包括電機(jī)、電 流傳感器、起動(dòng)柜、A/D轉(zhuǎn)換器、電流過零檢測(cè)電路、單片機(jī)控制電路、變頻 器觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路、變頻器主回路電流檢測(cè)電路、電源同步信號(hào)產(chǎn)生電路、 溫度測(cè)量電路、保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器、變壓器、交交變頻器、繼電 控制電路，起動(dòng)柜與電機(jī)之間連接電流傳感器，其特征是電流傳感器的檢測(cè)信 號(hào)分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器和電流過零檢測(cè)電路后輸入單片機(jī)控制電路，同時(shí)也將交 交變頻器電源同步信號(hào)輸入單片機(jī)控制電路，變頻器主回路電流檢測(cè)電路通過 檢測(cè)線路上的電流信號(hào)輸入到單片機(jī)控制電路，單片機(jī)的10 口分別連接變頻 器觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路、電源同步信號(hào)產(chǎn)生電路、溫度測(cè)量電路和保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng) 電路，保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)電路連接固態(tài)繼電器，電流產(chǎn)生同步信號(hào)電路連接變壓器， 變壓器連接交交變頻器，繼電控制電路連接在主電路上。單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué) 模型和觸發(fā)時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出交交變頻器觸發(fā)脈沖信號(hào)，使變頻器的輸 出電壓頻率與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流頻率相同，相位滯后轉(zhuǎn)子電流90°，且輸 出電壓大小隨檢測(cè)電流的變化而變化。變頻器的輸出電壓串入繞線式異步電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上。
本發(fā)明所述的交交變頻器，它包括晶閘管、電抗、變壓器，其特征是12 個(gè)晶閘管形成單相至三相交交變頻電路連接變壓器，變頻后的輸出分別串聯(lián)電 抗后連接電機(jī)三相轉(zhuǎn)子繞組Ia、 Ib、 Ic。
本發(fā)明所述的電流過零檢測(cè)電路，其特征是霍爾電流傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子電流信號(hào)Ui，經(jīng)過前端R1、 Cl、 C2和運(yùn)算放大器組成的低通濾波和積分電路后，經(jīng)Dl送至施密特觸發(fā)器，經(jīng)R3、 R4分壓后輸出電流過零檢測(cè)信號(hào)U0。
為實(shí)現(xiàn)電機(jī)無功功率補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制，必須建立數(shù)學(xué)模型，找出控制信號(hào)與被測(cè)量間的關(guān)系。
由于交流電機(jī)的自感和互感通常都是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角9的周期函數(shù)，因此電壓方程將是含有時(shí)變系數(shù)的微分方程，求解比較困難。為了解決這一困難，可采用dq0坐標(biāo)變換，其變換矩陣為
c = J一
cos 0cos(0 -120。)cos(0 +120°)-sin^ - sin(<9-，) - sin(6>-120°)丄 丄 丄
(1)
為簡(jiǎn)化分析，假定忽略定、轉(zhuǎn)子電流高次諧波和定、轉(zhuǎn)子空間磁勢(shì)高次諧波分量；忽略電機(jī)磁路飽和及鐵心磁勢(shì)、渦流的影響；忽略溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響，可得dqO坐標(biāo)系下的電壓與電流矩陣關(guān)系表達(dá)式
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，下標(biāo)1和2分別代表定子量和轉(zhuǎn)子量，r為電阻，L為自感，M為互感，",和"2分別為電機(jī)同步角速度和轉(zhuǎn)子角速度，且"產(chǎn)s" p p為微分算子d/dt，u為電壓，i為電流。
采用交流電機(jī)的定子磁鏈W1作為定向矢量，其優(yōu)點(diǎn)是交叉耦合很少，轉(zhuǎn)矩公式簡(jiǎn)單，是兩個(gè)標(biāo)量之積，在直接通道中不存在非線性，只有一個(gè)磁鏈的分量，形式簡(jiǎn)單。當(dāng)忽略定子電阻rl時(shí)，其矢量圖如圖4所示。由圖可得
"gl=", (3)^",si, ",cos^ (4)
式中^和①i分別是定子電流幅值和定子功率因數(shù)角。
令卩=0,則由(2)、 (3)和(4)式，可得到轉(zhuǎn)子電流和電壓的穩(wěn)態(tài)值
卩:2 = + + " ( 5 )
、2 -。^)/(一)
f"^ =化2 + 02M9l - 2丄2!;2 (6 )
L" 2 =化2 _ 2碼1 +fiWd2 可見，通過控制轉(zhuǎn)子的電流或電壓，可有效地控制定子電流或電壓相位。
本系統(tǒng)已在某水泥廠的一臺(tái)球磨機(jī)上試用，該磨機(jī)電機(jī)型號(hào)為JR138-8， 電機(jī)功率為245kw。試用期間對(duì)其使用效果進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)負(fù)載從額定值的50% 到100%變化時(shí)，測(cè)試結(jié)果為無功補(bǔ)償后不僅電機(jī)的功率因數(shù)從0.85提高到了 0.97，具有良好的無功補(bǔ)償效果，且定子電流下降了15.5%，提高了電機(jī)的效 率和過負(fù)載能力，具有明顯的節(jié)能效果。實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字式大功率繞線異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償及節(jié)能裝置，它包括電機(jī)、電流傳感器、起動(dòng)柜、A/D轉(zhuǎn)換器、電流過零檢測(cè)電路、單片機(jī)控制電路、變頻器觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路、變頻器主回路電流檢測(cè)電路、電源同步信號(hào)產(chǎn)生電路、溫度測(cè)量電路、保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器、變壓器、交交變頻器、繼電控制電路，起動(dòng)柜與電機(jī)之間連接電流傳感器，其特征是電流傳感器的檢測(cè)信號(hào)分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器和電流過零檢測(cè)電路后輸入單片機(jī)控制電路，同時(shí)也將交交變頻器電源同步信號(hào)連接單片機(jī)控制電路，變頻器主回路電流檢測(cè)電路通過檢測(cè)線路上的電流信號(hào)連接單片機(jī)控制電路，單片機(jī)的IO口分別連接變頻器觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路、電源同步信號(hào)產(chǎn)生電路、溫度測(cè)量電路和保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)電路連接固態(tài)繼電器，電流產(chǎn)生同步信號(hào)電路連接變壓器，變壓器連接交交變頻器，繼電控制電路連接在主電路上。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式大功率繞線異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償及節(jié)能 裝置，所述的電流過零檢測(cè)電路，其特征是電流傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子電流信號(hào)Ui ， 經(jīng)過前端R1、 Cl、 C2和運(yùn)算放大器組成的低通濾波和積分電路后，經(jīng)D1送至 施密特觸發(fā)器，經(jīng)R3、 R4分壓后輸出電流過零檢測(cè)信號(hào)U0。
全文摘要
一種數(shù)字式大功率繞線異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償及節(jié)能裝置，其特征是通過電流傳感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，并將電流傳感器的檢測(cè)信號(hào)分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器和電流過零檢測(cè)電路后輸入單片機(jī)控制電路，同時(shí)也將交交變頻器電源同步信號(hào)輸入單片機(jī)控制電路，單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和觸發(fā)時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出交交變頻器觸發(fā)脈沖信號(hào)，使交交變頻器的輸出電壓頻率與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流頻率相同，相位滯后轉(zhuǎn)子電流90°，且輸出電壓大小隨檢測(cè)電流的變化而變化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.實(shí)現(xiàn)了繞線式異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制，從而達(dá)到節(jié)能的目的；2.采用了具有高可靠性的交交變頻電流過零檢測(cè)電路。
文檔編號(hào)H02M5/257GK101499770SQ20091011483
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者柴明鋼, 肖慧榮, 鄒文棟 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)