一种异步电动机节能器的制作方法

文档序号:7497635阅读:242来源:国知局
专利名称:一种异步电动机节能器的制作方法
技术领域
本发明属于交流异步电动机技术领域,具体涉及一种基于DSP模糊控制的异步电 动机节能器。
背景技术
交流异步电动机,由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、很 少需要维护及可用于恶劣环境等优点,在工业、农业和日常生活中得到了广泛的应用,当前 的大部分的工业拖动都是以交流异步电动机作为动力。这些异步电动机一般都是按照设计 的负载进行选择的,但在实际使用中,大都经常处在轻载甚至在空载下运行。因此,"大马拉 小车"的现象几乎是很普通的,电动机的负载率低,效率不高,电能的浪费现象十分严重。
目前,市场上使用的异步电动机节电器大多采用Y/ A启动技术,由于它不能随电 动机负载变化而变化,因而节电效率不高。而采用晶闸管调压技术的电动机软启动器,主要 是进行调节,但它的控制方法单一,难以对电动机的各种参数进行调整和控制。

发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处,提供了一种异步电动机节能器,该异步电
动机节能器有效的解决了传统的数学解析方法对电动机及负载适应能力不强的问题,能适
用于各种不同工况下异步电动机运行状态,获得较为高效的节能(功效)效果。 本发明提供的异步电动机节能器,其特征在于它包括电源电路、电压同步信号检
测电路、DSP主控器、触发电路、主电路控制模块、保护电路、端电压检测电路、功率因数角检
测电路和输入输出电路; 电源电路为节能器各部件提供电源; 电压同步信号检测电路与三相电网电压相连,用于检测三相电网电压同步信号, 并将该三相电压同步信号送入DSP主控器; 保护电路与异步电动机的输入端相连,用于检测异步电动机的电压、电流信号,对 其波形进行转换,再将转换后的数字信号送入DSP主控器;保护电路在接收到DSP主控器反 馈的控制信号时断开主电路; 端电压检测电路与异步电动机的定子端电压相连,用于检测异步电动机定子的端
电压信号,并对该信号进行波形转换,转换成数字信号,再送入DSP主控器; 功率因数角检测模块的一端与异步电动机的输入端相连,用于检测异步电动机的
功率因数角信号,并对该信号进行波形转换,转换成数字信号,再送入DSP主控器; DSP主控器用于判断电压、电流是否超过设定的阈值,在电压电流值超过阈值时,
DSP主控器向保护电路发送控制信号;DSP主控器还根据接收到的功率因数角信号、端电压
信号和三相电压同步信号,进行模糊规则优化处理,计算得到实时触发角,并将该实时触发
角信号发送给触发电路;DSP主控器还与输入输出电路连接,二者进行信号交互; 触发电路接收DSP主控器发出的实时触发角信号,对主电路控制模块发出实时触
4发角脉冲控制信号; 主电路控制模块的输入端与三相电网电压相连,其输出端与异步电动机输入端相 连,其控制端接收来自触发电路的实时触发角脉冲控制信号,主电路控制模块中的开关器 件被触发导通,并按照实时触发角脉冲控制信号实时确定开关器件输出电压的大小,将该 输出电压加载在异步电动机端口 。 本发明提供的异步电动机节能器结构简单、性能可靠、成本较低,并且能够自动检 测三相电网电压同步信号和异步电动机功率因数角信号以及异步电动机端电压信号。具体 而言,本发明具有以下技术特点 (1)本发明采用DSP控制技术能实时的对异步电动机的端电压和功率因数角信号 进行动态检测和控制。 (2)本发明采用模糊控制技术,它不依赖精确的数学模型,对参数的变化不敏感, 适应性强,具有很好的鲁棒性。 (3)本发明的检测方法是,通过比较器把异步电动机的电压、电流过零信号转换成 方波信号,最后转换为功率因数角数字信号供DSP主控器采集。 (4)本发明利用三相电网电压同步的基本特性,通过比较器能精确测量三相电网 同步电压信号的过零信息转换成方波数字信号,供DSP主控器采集。 (5)本发明说采用数字信号处理器DSP芯片特别适用于异步电动机的实时数字信 号处理。它具有速度快、运算精度高、系统设计简单、功耗低、控制指令灵活等特点。


图1是本发明的硬件系统结构框图。 图2是本发明的DSP主控器实时控制原理图。 图3是本发明的功率因数角检测电路A相的结构示意图。 图4是本发明的DSP主控器控制主流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。 如图1所示,本发明提供的异步电动机节能器包括电源电路1、电压同步信号检测 电路2、 DSP主控器3、触发电路4、主电路控制模块5、保护电路6、端电压检测电路7、功率 因数角检测电路8和输入输出电路9。
电源电路1为该节能器各部件提供电源。 电压同步信号检测电路2 —端与三相电网电压相连,另一端与DSP主控器3的输 入端相连。电压同步信号检测电路2用于检测三相电网电压同步信号,并将该同步信号送 入DSP主控器3输入端。 保护电路6用于检测异步电动机10的电压、电流信号,对其进行波形转换,再将转 换后的数字信号送入DSP主控器3输入端。 端电压检测电路7 —端与异步电动机10的定子端电压相连,另一端与DSP主控器 3的输入端相连。它用于检测异步电动机定子的端电压信号,并对该信号进行波形转换,转 换成数字信号后,再送入DSP主控器3输入端。
功率因数角检测电路8的一端与异步电动机的输入端相连,另一端与DSP主控器3 的输入端相连。它用于检测异步电动机10的功率因数角信号,并对该信号进行波形转换, 转换成数字信号,再送入DSP主控器3输入端。 DSP主控器3用于判断电压、电流是否超过设定的阈值,若没有超过阈值,节能控 制器继续运行。若超过阈值,DSP主控器3向保护电路6发送控制信号,保护电路6断开主 电路,起到保护异步电动机的作用。DSP主控器3还根据采集到的功率因数角、端电压和电 压同步数字信号,进行模糊规则优化处理,计算得到触发角的实时值,并将该实时值发送给 触发电路4。 DSP主控器3还与输入输出电路9进行交互,将检测到的各种信号的分析处理 后的结果发送给输入输出电路9,同时接收用户通过输入输出电路9输入的控制信号。
如图2所示,DSP主控器3接收电压同步信号检测的三相电网电压同步信号、异步 电动机10的功率因数角检测信号、异步电动机10的端电压检测信号、输入输出电路9发出 的各种接收信号。DSP主控器3对采集到的各种信号根据模糊规则进行优化运算处理,得 到实时的触发角值。此时DSP主控器3对触发电路4发出实时的触发角信号,由触发电路 4对主电路控制模块5中的开关器件发出触发角脉冲控制信号。主电路控制模块5中的开 关器件接收到的触发角脉冲控制信号,使开关器件导通,并按照实时触发角脉冲控制信号 实时确定其输出电压的大小,将该输出电压加载在异步电动机端口 ,使三相异步电动机按 照所需的功率运行。从而达到实时调节控制异步电动机定子端电压,节能降耗的目的。
触发电路4接收DSP主控器3发出的实时触发角信号,对主电路控制模块5发出 实时触发角脉冲控制信号。 主电路控制模块5的输入端与三相电网电压相连,输出端与异步电动机10输入端 相连。主电路控制模块5的控制端接收来自触发电路4的实时触发角脉冲控制信号,主电路 控制模块5中的开关器件被触发导通,并按照实时触发角脉冲控制信号实时确定其输出电 压的大小,将该输出电压加载在异步电动机端口 ,使三相异步电动机按照所需的功率运行。
节能控制器对输出电压的控制实质上就是对主电路控制模块5中的开关器件通 断时刻的严格控制来实现的。因此各个触发脉冲产生的时间,持续的长度,互相之间的间隔 及顺序十分重要,必须要与三相电网电压保持一致。电压同步信号检测电路2主要完成脉 冲触发角时间起点的定位,每次电压过零时刻被记录下来,以此作为触发角脉冲信号的基 准。 输入输出电路9用于接收DSP主控器3输出的各种数字信号,实时进行显示与传 输,同时输入输出电路9也可对DSP主控器3输入端发出的各种控制信号;输入输出电路9 还可以包括通讯电路,与计算机进行双向数据通讯。 异步电动机运行时,根据所带负载大小的不同,异步电动机的功率因数角、电网电 压和电动机定子端电压等性能指标会有较大的变化。该节能控制器通过对异步电动机功 率因数角信号、三相电网电压同步信号和异步电动机定子端电压信号等关键指标的实时测 量,并通过模糊控制算法及时的调整控制器系统的性能指标,使其达到较理想的实时控制 要求,与此同时对控制器系统的运行状况及故障信息进行显示和处理。 主电路控制模块5采用开关器件实现,主要用来控制异步电动机10运行,主电路 控制模块5的开关器件可采用KS200A(或PK55F-120)双向晶闸管,也可采用绝缘门级双极 型晶体管IGBT(如M57957L)。
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本发明的功率因数角检测电路包括结构相同的A、 B和C相检测电路,下面以A相 检测电路为例,说明其具体结构。 如图3所示,A相检测电路包括第一、第二比较器U11、U12,光电耦合器U2,异或门 U3,互感器T1。 对A相电压采样,A相电压信号与电阻R1的一端相连,电阻R1的另一端与反并联 的二极管D1、D2的一端相连并且与第一比较器U11的一个输入端连接,反并联的二极管D1、 D2的另一端接地。第一比较器Ull的另一输入端与电阻R3的一端相连,电阻R3的另一端 接地。第一比较器Ull输出端与电阻R2的一端相连,电阻R2的另一端分别与二极管D3的 阴极端和光电耦合器U2的一个输入端相连,二极管D3的阳极端和光电耦合器U2的另一个 输入端接地。光电耦合器U2的一个输出端Va分别与异或门U3的一个输入端和稳压二极 管W3的阴极端以及DSP主控器3的一个输入端相连,稳压二极管W3的阳极端和光电耦合 器U2的另一个输出端接地。异或门U3的输出端与DSP主控器3的另一个输入端相连。
同理,对A相电流采样,A相电流信号与电流互感器T1的一个输入端相连,电流互 感器T1的另一个输入端与电源的零线相连,电流互感器T1的一个输出端与电阻R4的一端 相连,电流互感器T1的另一个输出端接地;电阻R4的另一端分别与电容C1的一端、反串稳 压二极管W1、W2的一端和第二比较器U12的一个输入端相连,电容C1的另一端和反串稳压 二极管Wl、 W2的另一端分别接地,第二比较器U12另一个输入端与电阻R5 —端相连,电阻 R5的另一端接地。第二比较器U12的一个输出端与电阻R6的一端相连,电阻R6的另一端 Ia分别与稳压二极管W4的阴极端和异或门U3的另一个输入端相连,稳压二极管W4的阳极 端接地。异或门U3的输出端与DSP主控器3的另一个输入端相连。 功率因数角检测过程为通过对异步电动机相电压与相电流的过零点进行检测。 以A相为例,对A相电压采样,相电压通过Dl 、D2稳压,进入第一 比较器Ul 1与地进行比较, 若是在波形的正半周,则第一比较器U11输出高电平信号,若是在负半周,则输出为低电平 信号;在输出信号为高电平信号时,使光电耦合器U2导通,进入DSP主控器3的一个输入端 的电压信号Va就为高电平信号,此时电压正方波信号与异或门U3 —个输入端相联;如图3 所示,实现了对电压信号Va过零点检测。同理,对异步电动机电流信号过零点的检测,相电 流通过电流互感器T1对电流信号进行采样,通过第二比较器U12把电流过零点的相位信息 转换成方波信号,此电流正方波信号与异或门U3另一个输入端相联;异或门U3输出即为反 映电压与电流相位差的正方波信号(它与功率因数角信号成正比),此相位差信号与DSP主 控器3的另一个输入端相联,此时DSP主控器3可测出此相位差数值并计算出功率因数角 的大小。 本发明的DSP主控器控制主流程图如图4所示,它包括开始、开机自检、初始化、电 压同步信号检测、端电压、功率因数角检测、模糊查询、触发时序子程序、故障检测、故障判 断、有故障停车、无故障继续执行等待中断模块。 本发明的DSP主控器控制主流程如下首先开机DSP主控器对各功能模块进行自 检,自检正常后进入初始化设定程序。在初始化过程中,模糊控制的离线处理是初始化的关 键所在,由于系统每10ms就要对主电路控制模块5中的开关器件进行一次触发,而且还要 完成模数转换、状态显示等功能,因此对实时的要求比较高,而模糊算法要经过大量的数学 运算,对处理器资源占用很大,因此采样离线处理,就是将模糊控制的复杂计算在初始化程序中完成,把根据不同情况下所需的输出量制作成对应的表格存储在RAM中,对采集到的功率因数角、电压同步信号和端电压进行模糊计算后,通过查表得到相应的实时触发角的输出量,大大减少了数据处理中的复杂运算,节省了DSP主控器3的资源,保证了系统运行时的实时性。 初始化完成后,DSP主控器3同时对电压同步信号、端电压和功率因数角信号进行采样检测,DSP主控器3把以上信号作相应的数字处理和存储。 模糊查询的工作过程为DSP主控器3利用模糊规则对以上检测的各种数据进行模糊优化处理,即根据电压同步信号、功率因数角信号和端电压信号的变化情况进行模糊计算并查询对应表格得到所需的实时触发角。 触发时序子程序完成的过程为需计算各个触发脉冲信号产生的时间,持续的长度,互相之间的间隔及顺序,并与三相电网电压同步信号保持一致。计算后得到的各个触发角脉冲控制信号提供给触发电路4,并通过触发电路4的触发角脉冲控制信号来控制主电路控制模块5中的开关器件触发导通,并按照实时触发角脉冲控制信号实时确定开关器件输出电压的大小,将该输出电压加载在异步电动机10端口 。即控制主电路开关器件导通使异步电动机运行。 故障检测的过程为保护电路6用于检测异步电动机的电压、电流信号,经波形转换后的数字信号送入DSP主控器3,由DSP主控器3判断电压、电流是否超过设定的阈值,若超过阈值,DSP主控器3向保护电路6发送控制信号,保护电路6断开主电路,达到保护异步电动机的作用。 若没有超过阈值,则继续执行等待中断。中断子程序包括显示、键盘中断、通讯中断等子程序。主要为DSP主控器3与外设的通讯。
应用实例 本发明异步电动机节能器,它的硬件电路可采用如下元件电源电路1它主要由整流桥、+12V、 -12V、 +5V、 +3. 3V四组直流控制电源由集成稳压模块7812、7912及7805等组成,提供给各单元电路作为控制电源。电压同步信号检测电路2它由电压互感器、放大器及相应的电阻和电容组成,放大器可共同采用一种运算放大器(如LM324等);DSP主控器3它可采用DSP芯片TMS320LF2407或LF2812,各单元电路A/D转换器可共同采用DSP芯片自身的A/D转换器;触发电路4可采用ULN2003芯片(或三极管)来驱动;主电路控制模块5它由开关器件及相应的辅助电路组成;开关器件可采用KS200A(或PK55F-120)双向晶闸管,也可采用绝缘门级双极型晶体管IGBT(如M57957L);保护电路6它由电压互感器、电流互感器、接触器、放大器及相应的电阻和电容组成;端电压检测电路7和功率因数角检测电路8它们主要由电压互感器、电流互感器、光电耦合器、放大器、集成电路及相应的电阻和电容组成,光电耦合器可采用TLP521-2芯片;异或门可采用CD4030芯片,输入输出电路9主要包括有集成电路、排阻、电容、二极管、通讯电路、键盘、显示器等组成。显示器可采用液晶或数码管显示,(显示可采用HC595三态8位移位寄存器和ULN2003驱动器来驱动数码管或液晶显示),键盘可采用标准键盘64键和普通按键组成;通讯电路可采用串行口和并行口通讯芯片(如串口芯片可采用RS232或SN65LBC184等)。DSP主控器3可通过输入输出电路9与计算机相连接,进行双向数据通讯。
权利要求
一种异步电动机节能器,其特征在于它包括电源电路(1)、电压同步信号检测电路(2)、DSP主控器(3)、触发电路(4)、主电路控制模块(5)、保护电路(6)、端电压检测电路(7)、功率因数角检测电路(8)和输入输出电路(9);电源电路(1)为节能器各部件提供电源;电压同步信号检测电路(2)与三相电网电压相连,用于检测三相电网电压同步信号,并将该三相电压同步信号送入DSP主控器(3);保护电路(6)与异步电动机(10)的输入端相连,用于检测异步电动机(10)的电压、电流信号,对其波形转换,再将转换后的数字信号送入DSP主控器(3);保护电路(6)在接收到DSP主控器(3)反馈的控制信号时断开主电路;端电压检测电路(7)与异步电动机(10)的定子端电压相连,用于检测电动机定子的端电压信号,并对该信号进行波形转换,转换成数字信号,再送入DSP主控器(3);功率因数角检测模块(8)的一端与异步电动机(10)的输入端相连,用于检测异步电动机(10)的功率因数角信号,并对该信号进行波形转换,转换成数字信号,再送入DSP主控器(3);DSP主控器(3)用于判断电压、电流是否超过设定的阈值,在电压电流值超过阈值时,DSP主控器(3)向保护电路(6)发送控制信号;DSP主控器(3)还根据接收到的功率因数角信号、端电压信号和三相电压同步信号,进行模糊规则优化处理,计算得到实时触发角,并将该实时触发角发送给触发电路(4);DSP主控器(3)还与输入输出电路(9)连接,二者进行信号交互;触发电路(4)接收DSP主控器(3)发出的实时触发角,对主电路控制模块(5)发出实时触发角脉冲控制信号;主电路控制模块(5)的输入端与三相电网电压相连,其输出端与异步电动机(10)相连,其控制端接收来自触发电路(4)的实时触发角脉冲控制信号,主电路控制模块(5)中的开关器件被触发导通,并按照实时触发角脉冲控制信号实时确定开关器件输出电压的大小,将该输出电压加载在异步电动机(10)端口。
2. 根据权利要求1所述异步电动机节能器,其特征在于功率因数角检测电路包括结 构相同的A、B和C相检测电路,均包括第一、第二比较器(U11、U12),光电耦合器(U2),异或 门(U3),互感器(Tl);反并联的第一、第二二极管(D1、D2)的一端相连通过第一电阻R1接对应的单相电压信 号,并与第一比较器(U11)的一个输入端连接,反并联的第一、第二二极管(D1、D2)的另一 端接地;第一比较器(U11)的另一输入端与电阻R3的一端相连,电阻R3的另一端接地;第 一比较器(U11)输出端与电阻R2的一端相连,电阻R2的另一端分别与第三二极管(D3)的 阴极端和光电耦合器U2的一个输入端相连,第三二极管(D3)的阳极端和光电耦合器(U2) 的另一个输入端接地;光电耦合器(U2)的一个输出端分别与异或门(U3)的一个输入端和 第三稳压二极管(W3)的阴极端以及DSP主控器(3)的一个输入端相连,第三稳压二极管 (W3)的阳极端和光电耦合器(U2)的另一个输出端接地;异或门(U3)的输出端与DSP主控 器(3)的另一个输入端相连;电流互感器(Tl)的一个输入端接对应相的电流信号,电流互感器(Tl)的另一个输入 端与电源的零线相连,电流互感器(Tl)的一个输出端与电阻R4的一端相连,电流互感器(Tl)的另一个输出端接地;电阻R4的另一端分别与电容C1的一端、反串联的第一、第二稳 压二极管(W1、W2)的一端以及第二比较器(U12)的一个输入端相连,电容C1的另一端和第 一、第二稳压二极管(W1、W2)的另一端分别接地,第二比较器(U12)另一个输入端与电阻R5 一端相连,电阻R5的另一端接地;第二比较器(U12)的一个输出端与电阻R6的一端相连, 电阻R6的另一端分别与第四稳压二极管(W4)的阴极端和异或门(U3)的另一个输入端相 连,第四稳压二极管(W4)的阳极端接地;异或门(U3)的输出端与DSP主控器(3)的另一个 输入端相连。
全文摘要
本发明涉及交流电动机领域,具体为一种异步电动机节能器。它包括电源电路、电压同步信号检测电路、DSP主控器、触发电路、主电路控制模块、保护电路、端电压检测电路、功率因数角检测电路和输入输出电路;主电路控制模块的输入端与三相电网电压相连,其输出端与异步电动机相连,其控制端接收来自触发电路的实时触发角脉冲控制信号,主电路控制模块中的开关器件被触发导通,并按照实时触发角脉冲控制信号实时确定开关器件输出电压的大小,将该输出电压加载在异步电动机端口。本发明可广泛应用于工业生产各个领域的三相异步电动机全数字节能控制器,它具有软启动、过载和短路保护功能,可自动测量显示电动机电压、电流、功率、功率因数角等参数。
文档编号H02P25/16GK101694984SQ20091027242
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者何仁平, 魏伟 申请人:华中科技大学;
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