电机节能控制系统及节能方法与流程

文档序号：12750479阅读：969来源：国知局

本发明涉及一种电调节系统，具体涉及一种电机节能控制系统及节能方法。

背景技术：

随着我国工农业生产的迅速发展，电能的需求量越来越大，开发和节约能源已成当务之急。作为一种重要的动力设备，异步电动机的用电量是非常大的。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。

目前，在我国工业生产不断发展，能源日趋紧张，环保要求日趋高涨的情况下，提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况，提高国民经济效益，具有十分重要的现实意义。为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。其中从电机的设计制造方面入手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高，可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合，其节能效果能达到最佳。但对大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为现实。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种电机节能控制系统及节能方法，能够实时检测电机效率，使得电机输入功率跟随电机输出功率的变化而变化，保证电机始终工作在高效率区，降低能耗。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

所述电机节能控制系统，包括调节单元，电源通过调节单元为电机线圈供电，电机线圈对应设有隔离电流取样电路和隔离电压取样电路，隔离电流取样电路采集的电流信号的正向波形和负向波形分别经电流整流电路整流为正值后分两路输出至控制器内部A/D转换的TI+、TI-引脚，隔离电压取样电路采集的电压信号的正向波形和负向波形分别将电压整流电路整流为正值后分两路输出至控制器内部A/D转换的TU+、TU-引脚，控制器输出管脚连接至调节单元。

本发明电源通过调节单元为电机线圈供电，调节单元可以调节电机的输入电压，工作状态下，电机线圈的工作电流和端电压分别通过隔离电流取样电路和隔离电压取样电路进行采集，采集到的电流和电压信号包括正向信号也包括负向信号，如果，直接将采集的电流或电压信号发送至控制器，控制器需要识别电流或电压的正负需要耗费大量的时间，为节约数据传输和计算时间，在电流和电压信号送入控制器之前，先分别通过电流整流电路和电压整流电路将电流和电压信号全部整流为正向信号，并将正、负向信号通过不同的管脚进行采集离散采集，具体为：

控制器对代表电压正值的数值进行离散采样，获得数值Un+,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；控制器对代表电压负值的数值进行离散采样，获得数值Un-,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；控制器对代表电流正值的数值进行离散采样，获得数值In+,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；控制器对代表电流负值的数值进行离散采样，获得数值In-,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；其中，采样周期Tp＝20ms/N(N＝32、64、128、256)；控制器完成下面的计算：

S＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(UN+)(IN+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(UN-)(IN-)+(U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(UN+)(IN-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(UN-)(IN+),其中(N＝32、64、128、256)；

P＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(UN+)(IN+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(UN-)(IN-)-((U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(UN+)(IN-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(UN-)(IN+)),其中(N＝32、64、128、256)；

电机效率η＝K·COSφ+X1＝K·P/S+X1，其中K表示等效系数，X1表示修正值；获得电机效率后，通过PID调节调节单元对电机的输入电压，进而使得电机的输入功率与输出功率相匹配，节约能耗。

其中，优选方案为：

所述调节单元包括反向并联的晶闸管T1和晶闸管T2、反向并联的晶闸管T3和晶闸管T4以及反向并联的晶闸管T5和晶闸管T6，电源端R、S、T分别通过晶闸管T1和晶闸管T2、晶闸管T3和晶闸管T4、晶闸管T5和晶闸管T6顺次连接至电机的三相线圈，对应晶闸管T1-T6设置驱动电路，驱动电路输入端连接至控制器输出端，控制器通过驱动电路调节晶闸管输出电压，进而调节电机线圈的输入电压，采用数字触发技术，三相平衡度高，驱动调节电路采用现有电路结构即可实现，此处不再详述。

所述还包括触摸显示屏，所述触摸显示屏于控制器相连接，可通过触摸显示屏显示当前电机效率，输入电压，工作电流，视在功率，有功功率，无功功率，功率因数等，也可以通过触摸显示屏对电机各工作参数进行调整，为保证电机平稳启动，可采用软启动。

所述电源通过调节单元或接触器为电机线圈供电，调节单元与接触器并联，在调节单元故障时，可通过接触器接通电机供电回路，保证电机能够正常运行。

还包括控制按键，所述控制按键于控制器相连，控制按键包括数字按键、启停键等，可通过控制按键设定电机各项参数，电机节能量设定，最小工作电压设定，PID各项参数设定等。

所述电源对应设有同步取样电路，同步取样电路输出端连接至控制器，控制器可实时检测外部电网电压参数，并可根据外部电网参数，对用户设定的最低电压进行自动调整，具体为，当检测到外部电网电压上升时，按照外部电网电压上升的比例，对用户设定的最低电压进行同比例的下降；反之，当检测到外部电压下降时，按照外部电网电压下降的比例，对用户设定的最低电压进行同比例的上升，以保证实际输出值的不变，同步取样电路采用现有电路结构。

本发明还提供一种基于上述电机节能控制系统的节能方法，具体为：

第一步，电源通过调节单元为电机供电，通过电流取样电路和电压取样电路采集电机线圈的实时电流和电压；

第二步，采集到的实时电流的正向波形和负向波形经过电流整流电路整为正值后分别输出至控制器内部A/D转换的TI+、TI-引脚；采集到的实时电压的正向波形和负向波形经过电压整流电路整为正值后分别输出至控制器内部A/D转换的TU+、TU-引脚；

第三步，控制器通过接收到的电流和电压信号计算电机效率；

第四步，根据电机效率，通过PID调节调节单元为电机提供的输入电压，使其与电机输出功率相匹配。

所述第三步执行过程为：

控制器对代表电压正值的数值进行离散采样，获得数值Un+,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；控制器对代表电压负值的数值进行离散采样，获得数值Un-,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；控制器对代表电流正值的数值进行离散采样，获得数值In+,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；控制器对代表电流负值的数值进行离散采样，获得数值In-,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；其中，采样周期Tp＝20ms/N(N＝32、64、128、256)；控制器完成下面的计算：

S＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(Un+)(In+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(Un-)(In-)+(U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(Un+)(In-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(Un-)(In+),其中(n＝32、64、128、256)；

P＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(Un+)(In+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(Un-)(In-)-((U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(Un+)(In-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(Un-)(In+)),其中(n＝32、64、128、256)；

电机效率η＝K·COSφ+X1＝K·P/S+X1，其中K表示等效系数，X1表示修正值。

所述调节单元包括反向并联的晶闸管T1和晶闸管T2、反向并联的晶闸管T3和晶闸管T4以及反向并联的晶闸管T5和晶闸管T6，电源端R、S、T分别通过晶闸管T1和晶闸管T2、晶闸管T3和晶闸管T4、晶闸管T5和晶闸管T6顺次连接至电机的三相线圈，对应晶闸管T1-T6设置驱动电路，驱动电路输入端连接至控制器输出端，控制器通过驱动调节电路调节电机的输入电压至目标调节值。

如果检测到负功率因数，即电机倒发电情况下，可以自动切换到调节单元全导通，避免了电机对调节单元中各器件的冲击。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够实时检测电机效率，通过调节电机端电压，调整电机输入功率，使电机输入功率始终跟随电机输出功率的变化而变化，从而使电机始终工作在高效率区，达到节能目的；经验证，电机空载节电可达50％～70％左右，总体节电可达15％～35％左右，电机功率等级从几千瓦到几千千瓦，电压等级从380VAC到10千伏以上。

附图说明

图1是实施例1原理图。

图2是调节单元与电机连接电路图。

图3是电流整流电路和电压整流电路电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，本发明所述电机节能控制系统，包括调节单元，电源通过调节单元为电机线圈供电，电机线圈对应设有隔离电流取样电路和隔离电压取样电路，隔离电流取样电路采集的电流信号的正向波形和负向波形分别经电流整流电路整流为正值后分两路输出至控制器内部A/D转换的TI+、TI-引脚，隔离电压取样电路采集的电压信号的正向波形和负向波形分别将电压整流电路整流为正值后分两路输出至控制器内部A/D转换的TU+、TU-引脚，控制器输出管脚连接至调节单元。

如图2所示，图中左侧虚线框表示调节单元，右侧虚线框表示电机线圈，调节单元包括反向并联的晶闸管T1和晶闸管T2、反向并联的晶闸管T3和晶闸管T4以及反向并联的晶闸管T5和晶闸管T6，电源端R、S、T分别通过晶闸管T1和晶闸管T2、晶闸管T3和晶闸管T4、晶闸管T5和晶闸管T6顺次连接至电机的三相线圈，对应晶闸管T1-T6设置驱动电路，驱动电路输入端连接至控制器输出端，控制器通过驱动电路调节晶闸管输出电压，进而调节电机线圈的输入电压，采用数字触发技术，三相平衡度高，驱动调节电路采用现有电路结构即可实现，此处不再详述。

本实施例还包括触摸显示屏和控制按键，所述触摸显示屏于控制器相连接，可通过触摸显示屏显示当前电机效率，输入电压，工作电流，视在功率，有功功率，无功功率，功率因数等，也可以通过触摸显示屏对电机各工作参数进行调整，为保证电机平稳启动，可采用软启动；所述控制按键于控制器相连，控制按键包括数字按键、启停键等，可通过控制按键设定电机各项参数，电机节能量设定，最小工作电压设定，PID各项参数设定等；电源通过调节单元或接触器为电机线圈供电，调节单元与接触器并联，在调节单元故障时，可通过接触器接通电机供电回路，保证电机能够正常运行；电源对应设有同步取样电路，同步取样电路输出端连接至控制器，控制器可实时检测外部电压电网参数，并可根据外部电网参数，电源对应设有同步取样电路，同步取样电路输出端连接至控制器，控制器可实时检测外部电网电压参数，并可根据外部电网参数，对用户设定的最低电压进行自动调整，具体为，当检测到外部电网电压上升时，按照外部电网电压上升的比例，对用户设定的最低电压进行同比例的下降；反之，当检测到外部电压下降时，按照外部电网电压下降的比例，对用户设定的最低电压进行同比例的上升，以保证实际输出值的不变，同步取样电路采用现有电路结构；为方便本设备于外部设备之间的数据通信，可为控制器设置外设的RS485接口，也可以设置无线通信模块进行数据传输，例如，2/3/4G模块。

如图3所示，Iin为调节单元输出到电机的电流经隔离后的输入，Uin为调节单元输出到电机的电压经隔离后的输入，U1,U2,U3,U4,U5,U6为6个运算放大器，R，R1为电阻，R＝2R1,D1-D8为二极管，Iin输入经如图电路处理后，分别输出2路，称为In-,In+；Uin输入经如图电路处理后，分别输出2路，称为Un-,Un+；M1为控制器，可以选择内部具备A/D转换器的MCU或DSP芯片；In-,In+,Un-,Un+分别连接到M1内部A/D转换的TI-,TI+,TU-,TU+引脚，上述整流电路将电流和电压分别整流为两路正值信号，直接发送至控制器进行处理，加速控制器的处理速度。