負載跟蹤型節(jié)電裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種負載跟蹤型節(jié)電裝置，其中，電源電路單元和輸出電流檢測電路單元分別與比較控制器電路單元電連接，比較控制器電路單元通過驅(qū)動電路單元與串聯(lián)連接在單相交流電輸出端的逆變器電路單元電連接，在單相交流電的輸出端與負載電機之間串聯(lián)連接有熱保護器FR。有益效果是，采用輸出電流檢測電路通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，直接驅(qū)動光電耦合器，使雙向可控硅通過移相控制逆變電路中的大功率單向可控硅，根據(jù)電動機負載伏/安特性曲線的實時變化，在滿足電動機負載轉(zhuǎn)矩的同時，使輸入電動機負載的電流值和電壓值最小，進而達到節(jié)電目的；該裝置不影響電機正常工作使用，結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、能夠全自動運行、適用范圍較為廣泛，節(jié)能效果明顯。
【專利說明】 負載跟蹤型節(jié)電裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及節(jié)電裝置專業(yè)【技術(shù)領(lǐng)域】；特別是涉及一種實時檢測，實時反饋，實時控制的電動機的負載跟蹤型節(jié)電裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]能源的有效利用是一個世界性的課題，它直接關(guān)系到人類的生存和發(fā)展，沒有哪個國家不在奮力尋求解決能源問題的有效方案。石化能源的儲量是有限的，解決能源問題的重點自然就落到了新能源的開發(fā)和現(xiàn)有能源的節(jié)能上。電能是應(yīng)用最廣泛的能源之一，也是能源消耗中最重要的組成部分，節(jié)電是節(jié)能的最主要的課題。
[0003]現(xiàn)在三相交流異步電動機已經(jīng)成為全球最為常用的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備之一，因為它結(jié)構(gòu)簡單、成本低及高效能等種種優(yōu)點，在未來，它仍然會被廣泛的應(yīng)用?？墒?，它存在的最大問題是高啟動電流及它未能在啟動和運行時將電機扭矩配合負荷扭矩。在電機啟動時，電機會產(chǎn)生150-200%的扭矩方可于瞬間將轉(zhuǎn)速提升至最高速，這樣容易導(dǎo)致電機受損，且啟動時它要耗用高達8倍的額定電流，會影響供電電壓的穩(wěn)定性，它也是電機耗能最高的因素之一。
[0004]在電機作為動力的機械設(shè)備中，普遍按照機械設(shè)備可能產(chǎn)生的最大功率來配置電機，在實際使用的過程中滿載的情況很少，大多數(shù)情況電機都在輕載情況下運行，造成了電能的浪費，而電機在運行過程中，對與需要變速運行的電機，人們普遍采用變頻器來解決變速運行和節(jié)能的問題，而對于負載大小不斷變化的電機，變頻器并不適用，為解決工作在這種情況下的電機節(jié)能問題，普遍采用輕載降壓重載升壓的方式解決，但在如何檢測電機輕、重載狀態(tài)，并自動升、降電壓方面，方式很多，效果也不是很理想。
[0005]工業(yè)電機常見的節(jié)電裝置大部分是采用可控硅對電機進行電壓調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的電機電壓節(jié)電技術(shù)是將電機的電源電壓用可控硅進行斬波調(diào)節(jié)，人為的造成周期性的瞬間停電，降低電機功率，達到給電機節(jié)電的目的。這種方式將造成電機帶載能力下降。傳統(tǒng)的電機電壓節(jié)電技術(shù)是靜態(tài)的調(diào)功技術(shù)，只能根據(jù)額定的電機參數(shù)設(shè)置輸出數(shù)據(jù)。沒有考慮到按電機實際負載伏/安特性曲線輸出電機功率，無法使電機始終穩(wěn)定運行在效率最高點，每臺電機都有一套額定參數(shù)和實際參數(shù)，實際參數(shù)會隨著電機運行時間和工況產(chǎn)生變化，并且差距越來越大。因此，僅僅依靠額定參數(shù)來對電機進行調(diào)功節(jié)電，效果會越來越差。
[0006]另外，傳統(tǒng)的電機電壓節(jié)電技術(shù)在調(diào)功的同時，將給電網(wǎng)帶來電流諧波，引起電能損耗，并對電網(wǎng)產(chǎn)生危害。
[0007]圖1是本實用新型所述的三相電動機負載的伏/安特性曲線圖；隨著電機負載率變化的不同，電機在不同的電壓輸入時，所耗費的功率是不同的。并且隨著電機的使用時間不同，電機會發(fā)生老化，相應(yīng)參數(shù)也會隨著變化。如果能給電機動態(tài)的按負載伏/安特性曲線輸出最優(yōu)的匹配電力參數(shù)，電機將運行在耗費功率最小的狀態(tài)下。當電機處于負載大小經(jīng)常變換，有一定的輕載運行時間狀態(tài)時，節(jié)電效果將十分顯著。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實用新型的目的是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單實用、節(jié)能效果明顯的電動機負載跟蹤型節(jié)電裝置。
[0009]本實用新型所采用的技術(shù)方案是，一種負載跟蹤型節(jié)電裝置，包括，電源電路單元、振蕩電路單元、比較控制器電路單元、驅(qū)動電路單元、輸出電流檢測電路單元和逆變器電路單元，所述的電源電路單元和輸出電流檢測電路單元分別與比較控制器電路單元電連接，比較控制器電路單元通過驅(qū)動電路單元與串聯(lián)連接在單相交流電輸出端的逆變器電路單元電連接，在單相交流電的輸出端與負載電機之間串聯(lián)連接有熱保護器FR。
[0010]所述的振蕩電路單元，由集成電路74LS04和電阻R1、電阻R2、電容Cl通過串、并聯(lián)電連接的方式組成反相器；所述的比較控制器電路單元采用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路ADC0804及霍爾電流互感器LH組成數(shù)字信號檢測、比較控制電路；所述驅(qū)動電路單元采用4只光電耦合器TLP3082完成在不同負載電流狀態(tài)下，使電阻R9、電阻R10、電阻Rll和電阻R12的串聯(lián)等效電阻值產(chǎn)生變化，并通過觸發(fā)二極管DB9觸發(fā)控制雙向可控硅KS的導(dǎo)通，雙向可控硅KS的移相觸發(fā)電路，由觸發(fā)二極管DB9、電容C4、電阻R13、電阻R14、電阻R11、電阻RlO和R9構(gòu)成；所述的輸出電流檢測電路單元由二極管Dl、二極管D2、二極管D3、二極管D4、霍爾電流互感器LH及電阻R15、電阻R16和電容C3構(gòu)成交流輸出端的輸出電流信號線性檢測器；所述的逆變器電路單元由兩只單向可控硅KPl和KP2極性相反的并聯(lián)連接后，再串聯(lián)連接在交流電的相線中。
[0011]所述的霍爾電流互感器LH采用的型號是，LF305-S，熱保護器FR采用的型號是，JUC-31F，單向可控硅KPl和KP2采用高速度響應(yīng)的IGBT型號是CM75TF-24H。
[0012]所述的負載跟蹤型節(jié)電裝置，能夠應(yīng)用到三相交流電的每一相上去，組成三相交流電的負載跟蹤型節(jié)電裝置。
[0013]本實用新型的有益效果是，采用輸出電流檢測電路通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，直接驅(qū)動光電耦合器，使雙向可控硅通過移相控制逆變電路中的大功率單向可控硅的技術(shù)方案，根據(jù)電動機負載伏/安特性曲線的實時變化，在滿足電動機負載轉(zhuǎn)矩的同時，使輸入電動機負載的電流值和電壓值最小，進而達到節(jié)約電能的目的；不僅可以給電機動態(tài)的按負載伏/安特性曲線輸出最優(yōu)的匹配電力參數(shù)，同時，本實用新型不影響電機正常工作使用，而且結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、能夠全自動運行、適用范圍較為廣泛，節(jié)能效果明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型所述的三相電動機負載的伏/安特性曲線圖；
[0015]圖2是本實用新型電路組成的方框圖；
[0016]圖3是本實用新型電路組成的電原理圖。
[0017]圖中:
[0018]10、電源電路單元20、振蕩電路單元
[0019]30、比較器電路單元40、驅(qū)動電路單元
[0020]50、輸出電流檢測電路單元 60、逆變器電路單元。

【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細說明:
[0022]如圖2、圖3所示，本實用新型一種負載跟蹤型節(jié)電裝置，包括，電源電路單元10、振蕩電路單元20、比較控制器電路單元30、驅(qū)動電路單元40、輸出電流檢測電路單元50和逆變器電路單元60，其中輸出電流檢測電路單元50，用于實時獲取電動機的相關(guān)參數(shù)；其中所述相關(guān)參數(shù)包括，電動機的三相輸入電流，三相輸入電壓，電相位角及轉(zhuǎn)速，比較器電路單元30，用于實時獲取電動機的負載率，并通過優(yōu)化演算獲取使電動機在不同的負載率及任何頻率下始終以最高效率運行的電壓，電流及頻率的控制量，驅(qū)動電路單元40，用于根據(jù)獲取的電壓及頻率的控制量，實時調(diào)整電動機的輸入電壓和頻率，以使電動機的輸入功率始終與電動機的負載率相適應(yīng)。
[0023]所述的電源電路單元10和輸出電流檢測電路單元50分別與比較控制器電路單元30電連接，比較控制器電路單元30通過驅(qū)動電路單元40與串聯(lián)連接在單相交流電輸出端的逆變器電路單元60電連接，在單相交流電的輸出端與負載電機之間串聯(lián)連接有熱保護器FR。
[0024]電源電路單元10，由變壓器B1、二極管D5/D6、電解電容C5/C6及三端穩(wěn)壓器7805構(gòu)成，用來為集成電路ADC0804及光電耦合器TLP3082提供穩(wěn)定的+5V工作電壓。電阻R3和電阻R4為集成電路ADC0804提供1/2的參考工作電壓，以保證模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路ADC0804穩(wěn)定的工作。振蕩電路單元20，由集成電路74LS04和電阻R1、電阻R2、電容Cl通過串、并聯(lián)電連接的方式組成反相器；所述的輸出電流檢測電路單元50由二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、霍爾電流互感器LH及電阻R15、電阻R16和電容C3，構(gòu)成交流輸出端的輸出電流信號線性檢測器；通過可調(diào)電阻器Wl輸入給集成電路ADC0804直流電壓信號，用于分析、判斷電動機M電流的工作狀態(tài)。所述的比較控制器電路單元30采用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路ADC0804及霍爾電流互感器LH組成數(shù)字信號檢測、比較控制電路；所述驅(qū)動電路單元40采用4只光電耦合器TLP3082完成在不同負載電流狀態(tài)下，使電阻R9、電阻R10、電阻Rll和電阻R12的串聯(lián)等效電阻值產(chǎn)生變化，并通過觸發(fā)二極管DB9觸發(fā)控制雙向可控硅KS，雙向可控硅KS移相觸發(fā)電路由觸發(fā)二極管DB9、電容C4、電阻R13、電阻R14、電阻Rl1、電阻RlO和電阻R9構(gòu)成；電動機M的負載電流工作狀態(tài)通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路ADC0804轉(zhuǎn)換成8位二進制數(shù)DBO、DBU DB3、DB4、DB5、DB6及DB7，其中，DB4至DB7為高四位的二進制代碼值，用于驅(qū)動4只光電耦合器TLP3082 ;從而完成在不同負載電流狀態(tài)下電阻R9、電阻R10、電阻Rll和電阻R12等效電阻值的變化，以觸發(fā)控制雙向可控硅KS導(dǎo)通，從而使雙向可控硅KS的移相跟隨負載電流的變化，驅(qū)動單相可控硅KPl和單相可控硅KP2導(dǎo)通，使電動機的端電壓發(fā)生變化，從而達到節(jié)電的目的。所述的逆變器電路單元60由兩只單向可控硅KPl和KP2極性相反的并聯(lián)連接后，再串聯(lián)連接在交流電的相線中。所述的霍爾電流互感器LH采用的型號是，LF305-S，單向可控硅KPl和KP2采用高速度響應(yīng)的IGBT型號是CM75TF-24H。FR為熱保護器，采用的型號是JUC-31F，當設(shè)備發(fā)生過流過載時，能適時切斷單相可控硅KPl和單相可控硅KP2電壓輸出，從而保護電動機。電動機額定功率的大小取決于單相可控硅KPl和單相可控硅KP2的電流電壓的參數(shù)值。
[0025]本實用新型負載跟蹤型節(jié)電裝置，可以應(yīng)用到三相交流電的每一相上去，組成三相交流電的負載跟蹤型節(jié)電裝置。
[0026]本實用新型負載跟蹤的特點在于，實時獲取電動機的負載率，并通過優(yōu)化演算獲取使電動機在不同的負載率及任何的頻率下始終以最高效率運行的電壓及頻率的控制量。根據(jù)獲取的負載電流參數(shù)，實時調(diào)整電動機的輸入電壓，以使電動機的輸入功率始終與電動機的負載率相適應(yīng)。本裝置采用高速度響應(yīng)的IGBT模塊、霍爾電流互感器，通過霍爾電流互感器快速檢測負載電流并把它傳送給比較控制器電路單元，使驅(qū)動電路單元迅速作出反應(yīng)，自適應(yīng)響應(yīng)速度可達200V/0.1s。
[0027]通過電機負載伏/安特性曲線以及獲得的電流參數(shù)，分別獲取電動機的以下參數(shù)值，包括:運行功率因數(shù)，磁通電流分量，轉(zhuǎn)矩電流分量及轉(zhuǎn)速控制量；
[0028]將獲取的電動機的運行功率因數(shù)與預(yù)設(shè)功率因數(shù)進行比較，獲取偏差，對所述偏差進行比較積分微分運算，求得功率因數(shù)控制系數(shù)；其中，所述預(yù)設(shè)功率因數(shù)為0.98^1 ;
[0029]將獲取的電動機的磁通電流分量與預(yù)設(shè)磁通電流分量進行比較，獲取偏差，對所述偏差進行模糊推論運算，求得勵磁電流控制系數(shù)；其中，所述預(yù)設(shè)磁通電流分量等于O ;
[0030]求得的功率因數(shù)控制系數(shù)與勵磁電流控制系數(shù)項城，求得負載率系數(shù)，
[0031]將獲取的電動機的轉(zhuǎn)矩電流分量與轉(zhuǎn)速控制量進行比較，獲取偏差，對所述偏差進行比例積分運算，求得頻率的控制量；
[0032]根據(jù)下式求得電壓控制量:Ud=FdXKlXPk
[0033]式中，Ud為電壓控制量，F(xiàn) d為頻率的控制量，Kl為V/F比系數(shù)，P k為負載率系數(shù)。
[0034]磁通電流分量及轉(zhuǎn)矩電流分量通過Clark變換求得。
[0035]轉(zhuǎn)速控制量是通過對實時獲取的電動機的轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進行比較獲取的偏差進行比例積分運算求得。使得本實用新型負載跟蹤型節(jié)電裝置的功率因數(shù)始終保持在較高值，最大0.95以上。
[0036]本實用新型負載跟蹤型節(jié)電裝置，采用輸出電流檢測電路通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，直接驅(qū)動光電耦合器，使雙向可控硅通過移相控制逆變電路中的大功率單向可控硅的技術(shù)方案，根據(jù)電動機負載電流的實時變化，在滿足電動機負載轉(zhuǎn)矩的同時，使輸入電動機負載的電流值和電壓值最小，進而達到節(jié)約電能的目的，本裝置結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、成本低廉、能夠全自動運行，并且使用方便，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。還可以實現(xiàn)在線諧波治理，消除諧波產(chǎn)生的電能損耗，從而相對于現(xiàn)有節(jié)電技術(shù)，將額外增加10%?25%的節(jié)電效果。
[0037]值得指出的是，本實用新型的保護范圍并不局限于上述具體實例方式，根據(jù)本實用新型的基本技術(shù)構(gòu)思，也可用基本相同的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)本實用新型的目的，只要本領(lǐng)域普通技術(shù)人員無需經(jīng)過創(chuàng)造性勞動，即可聯(lián)想到的實施方式，均屬于本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種負載跟蹤型節(jié)電裝置，其特征在于，包括，電源電路單元(10)、振蕩電路單元(20),比較控制器電路單元(30)、驅(qū)動電路單元(40)、輸出電流檢測電路單元(50)和逆變器電路單元(60)，所述的電源電路單元(10)和輸出電流檢測電路單元(50)分別與比較控制器電路單元(30)電連接，比較控制器電路單元(30)通過驅(qū)動電路單元(40)與串聯(lián)連接在單相交流電輸出端的逆變器電路單元(60 )電連接，在單相交流電的輸出端與負載電機之間串聯(lián)連接有熱保護器FR。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負載跟蹤型節(jié)電裝置，其特征在于，所述的振蕩電路單元(20)，由集成電路74LS04和電阻R1、電阻R2、電容C1通過串、并聯(lián)電連接的方式組成反相器；所述的比較控制器電路單元(30)采用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路ADC0804及霍爾電流互感器LH組成數(shù)字信號檢測、比較控制電路；所述驅(qū)動電路單元(40)采用4只光電耦合器TLP3082完成在不同負載電流狀態(tài)下，使電阻R9、電阻R10、電阻Rl 1和電阻R12的串聯(lián)等效電阻值產(chǎn)生變化，并通過觸發(fā)二極管DB9觸發(fā)控制雙向可控硅KS的導(dǎo)通，雙向可控硅KS的移相觸發(fā)電路，由觸發(fā)二極管DB9、電容C4、電阻R13、電阻R14、電阻R11、電阻R10和R9構(gòu)成；所述的輸出電流檢測電路單元(50 )由二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、霍爾電流互感器LH及電阻R15、電阻R16和電容C3構(gòu)成交流輸出端的輸出電流信號線性檢測器；所述的逆變器電路單元(60)由兩只單向可控硅KP1和KP2極性相反的并聯(lián)連接后，再串聯(lián)連接在交流電的相線中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負載跟蹤型節(jié)電裝置，其特征在于，所述的霍爾電流互感器LH采用的型號是，LF305-S，熱保護器FR采用的型號是，JUC-31F，單向可控硅KP1和KP2采用高速度響應(yīng)的IGBT型號是CM75TF-24H。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的負載跟蹤型節(jié)電裝置，其特征在于，所述的負載跟蹤型節(jié)電裝置，能夠應(yīng)用到三相交流電的每一相上去，組成三相交流電的負載跟蹤型節(jié)電裝置。
【文檔編號】H02P27/06GK204168198SQ201420696810
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】鄭鎮(zhèn)朋 申請人:柯潤能（天津）科技發(fā)展有限公司