本实用新型属于电气控制领域，涉及一种采用可控硅的三相交流异步电动机控制柜。
因为三相电路中的每一相在结构上都是相同的，为叙述的简便和图形的清晰，以下凡没有特别指出的地方，所述的电路和所绘的图形都代表三相电路中的任一相；此外，本新型行文中的电动机均指三相交流异步电动机。
普通电动机控制柜(附图1)由空气开关(KK)、电压互感器(B1)及指示电表、电流互感器(B2)及指示电表、交流接触器(JK)组成。空气开关(KK)的左端作为本节电控制柜的电源相线输入端L1，右端与电压互感器(B1)的上输入端、电流互感器(B2)的左输入端相连；电压互感器(B1)的下输入端与电源的零线N相接、既连到本节电控制柜的输入端也连到输出端No；电流互感器(B2)的右输入端与交流接触器(JK)的左端相接，交流接触器(JK)的右端是本节电控制柜的相线输出端，与负载电动机(D)的一个相线端L相连。工作时，空气开关始终是接通的，当要启动或停止电动机时，人工通过中间继电器来操纵交流接触器，图中为简单没有画出中间继电器。可以看出，无论电动机的工作状况如何，加在电动机上的电压总是电网的输入电压。
目前我国油田用量极大的抽油机，功率一般在40～200KW，由于其工作特性，经常处于轻载或空载的状态，但电动机在轻载或空载时功率因数和效率都很低，因此电力损耗相当大。解决此类问题的最好方法是采用变频调速技术，但由于如此大功率的变频电源价格相当高，普遍应用还不现实。
本实用新型的目的是提供一种价格低廉的控制装置，减少三相异步电动机在轻载或空载时的能量消耗。
本实用新型是这样实现的：
在每相电源进线上串联一个可控硅，通过监控电路，在重载时使可控硅的导通角大，在轻载时导通角较小，从而调整加到电机上的电压的大小和流过的电流，达到减少电动机在空载和轻载时的能量消耗。
本实用新型的节电控制柜在普通控制柜的基础上增加了输入电压同步采样器(VIB)、双向可控硅(TRIAC)、驱动电路(QDQ)、电流采样器(CB)、输出电压采样器(VB)、电机功率输入器(PD和监控器(JKQ)。输入电压同步采样器(VIB)有两个输入端AC、一个公共端COM和一个输出端Vo3。驱动电路(QDQ)有一个输入端A、一个公共端COM和两个输出端A1、A2；电流采样器(CB)有两个输入端AC和一个输出端Vo2、一个公共端COM；输出电压采样器(VB)有两个输入端VL、VN和一个输出端Vo1、一个公共端COM；电机功率输入器(PI)有一个输出端Po和一个公共端COM；监控器(JKQ)有四个输入端Vi1、Vi2、Vi3、Vi4和一个输出端Vo，还有一个公共端COM。
输入电压同步采样器(VIB)的两个输入端AC与电压互感器(B1)次级的两端相连，输出端Vo3与监控器(JKQ)的输入端Vi4相连。双向可控硅(TRIAC)的阳极A与交流接触器(JK)的左端相连，阴极K与交流接触器(JK)的右端相连，在阴极K与控制极G之间并联一个电阻R3。驱动电路(QDQ)的一个输出端A1与电阻R4的下端相连，电阻R4的右端与双向可控硅(TRIAC)的阳极A相连，另一个输出端A2与可控硅的控制极G相连；输入端A与监控器(JKQ)的输出端Vo相连。电流采样器(CB)的两个输入端AC分别和电流互感器(B2)的两个次级相连，输出端Vo2与监控器(JKQ)输入端Vi3相连。输出电压采样器(VB)的输入端VL与交流接触器(JK)的右端相连，另一输入端VN与电源零线相连；输出端Vo1与监控器(JKQ)的输入端Vi2相连。电机功率输入器(PI)的输出端Po与监控器(JKQ)的输入端Vi1相连。各电路的公共端COM都是连在一起的。
输入电压同步采样器(VIB)由整流桥D3构成，整流桥D3的两个交流端是输入电压同步采样器(VIB)的输入端AC，直流端DC+是输出端Vo3，直流端DC-是公共端COM。输入电压同步采样器(VIB)的作用是采集输入交流电的过零信号，使监控器(JKQ)以此时为标准来确定双向可控硅(TRIAC)的导通角。
驱动电路(QDQ)由双向可控硅型光电耦合器构成，它的作用是发出驱动信号，开通双向可控硅(TRIAC)。
电流采样器(CB)由整流桥D2、电容C2和电阻R2、R22组成；整流桥D2的直流输出端DC+和电阻R22的左端相连，电阻R22的右端和电容C2的上端、电阻R2的上端相连后作为采样器的输出端Vo2，整流桥D2的直流输出端DC-和电容C2的下端、电阻R2的下端相连后作为采样器的公共端COM；整流桥D2的两个交流端作为采样器的输入端AC。电流采样器(CB)的作用是检测电路的相电流，送往监控器(JKQ)，判断电动机的实际工作状态。
输出电压采样器(VB)由电压互感器B3、整流桥D1、电容C1、电阻R1和R11组成；电压互感器B3的初级两端分别为电压采样器的输入端VL和VN，次级两端接整流桥D1的两个交流端AC，整流桥D1的直流输出端DC+和电阻R11的左端相连，电阻R11的右端和电容C1的上端、电阻R1的上端相连后作为采样器的输出端Vo1，整流桥D1的直流输出端DC-和电容C1的下端、电阻R1的下端相连后作为采样器的公共端COM。输出电压采样器(VB)采集实际加在电动机上的电压，可以作为显示值用，也可以供监控器(JKQ)反馈调整用，在本新型附图2的实施例中没有实际用到。
电机功率输入器(PI)由电位器构成，电位器的下端点为公共端点COM，中心端为输出端Po，上端接一个固定的参考电压。电机功率输入器(PI)的作用是模拟输入电动机的额定功率，以供监控器(JKQ)当作判断电动机实际工作状态的基准值。
监控器(JKQ)由A/D转换器、CPU及其外围元件组成，A/D转换器A/D1、A/D2和A/D3的三个输入端分别是监控器(JKQ)的三个输入端Vi1、Vi2和Vi3，A/D转换器A/D1、A/D2和A/D3的三个输出端分别与CPU的三个数据端DD1、DD2和DD3相连，CPU的一个数据口DD4为监控器(JKQ)的输出端Vo。监控器中的除法器X/Y实际表示的是CPU的运算功能Z＝X/Y，表格Z/a是CPU中程序存储器里储存的负载率Z和导通角a的成对数据。监控器(JKQ)是本新型控制的核心，在轻载或空载是它发出指令，减小双向可控硅(TRIAC)的导通角，达到节电的目的。
驱动电路(QDQ)也可以使用变压器隔离的形式，由变压器B4、三极管T1、二极管D4和D5构成。三极管T1的发射极为驱动器(QDQ)的公共端COM，基极为输入端A，集电极与二极管D4的阳极和变压器B4初级的一端相连。二极管D4的阴极和变压器B4初级的另一端相连后接到一个固定的电压Vcc上。变压器B4次级的一端为驱动器(QDQ)的输出端Ak，另一端与二极管D5的阳极相连。二极管D5的阴极为驱动器的另一个输出端Ag。驱动器(QDQ)的输入端A与监控器(JKQ)的输出端Vo相连，输出端Ak与双向可控硅(TRIAC)的阴极相连，另一个输出端Ag与可控硅(TRIAC)的控制极K相连。当监控器(JKQ)的输出端Vo输出高电平的脉冲信号时，三极管T1导通，电压Vcc加在变压器B4的初级上，次级也感应上正下负的电压，通过二极管D5，送到可控硅(TRIAC)的控制极G，开通可控硅。脉冲结束，三极管截止，变压器次级的信号也消失，但可控硅继续导通，直到交流电过零时才停止导通。
电机功率输入器(PI)也可由数字按键面板组成，直接由使用者输入电机功率的数字信号，并通过它的一组输出信号线DPI与监控器(JKQ)输入端Vi1相连，此时输入端Vi1表示一组输入端。因为已经是数字信号了，所以不必再用A/D转换器A/D1了。
本实用新型提供的节电控制柜，成本低廉，能有效地降低三相电动机在轻载和空载时的功率损耗，提高了电网的利用率，尤其适于在油田大面积推广应用。
图1是普通控制柜的原理图。
图2是本使用新型提供的节电控制柜的一个实施例。
图3电流采样器(CB)原理。
图4输出电压采样器(VB)原理。
图5是用光电耦合器构成的驱动器(QDQ)。
图6是变压器耦合的驱动器(QDQ)。
图7是监控器(JKQ)原理图。
图8是另一种电机功率输入器(PI)。
图9是输入电压同步采样器(VIB)的原理图。
最后结合附图2的非限定性实施例进一步说明节电控制柜的工作工程，有助于对本新型的理解。
图2实施例中的驱动器(QDQ)实际用的是图5的光电耦合器，当监控器(JKQ)的输出端Vo输出高电平的脉冲信号时，光电耦合器中的发光二极管导通，激发光控可控硅导通，于是有电流经电阻R4、光控可控硅阳极A1、阳极A2和电阻R3流过，在电阻R3上产生一定的电压，因为R3是并接在双向可控硅(TRIAC)的阴极K和控制极G之间，这个电压触发双向可控硅(TRIAC)导通，于是双向可控硅(TRIAC)的阳极A与阴极K之间的电压只有1V，使得光控可控硅的两个阳极A1、A2间的电流接近于零。当监控器(JKQ)输出端Vo的高电平脉冲结束，光控可控硅截止，但双向可控硅(TRIAC)继续导通，直到交流电过零时才停止导通。
图2实施例中的电机功率输入器(PI)用的是一个电位器，其下端接公共端COM，上端接固定的参考电压，这里是5V，中心端是输出端Po。本新型提供的节电控制柜的额定控制功率是30～200KW，因此这里用电机功率输入器(PI)的输出端Po＝5V代表200KW，额定控制功率和Po端的电压是线性关系，所以在控制柜的控制面板上电位器旋纽的功率刻度也要按此规律确定。
考虑输入交流电压变动不太大的一般情况、并暂时不讨论功率因数的影响，则电动机消耗的功率与电流基本成正比，因此电流采样器(CB)采集到的电流有效值就代表了实际输入到电动机的功率。在节电控制柜接入电动机后，需要首先将电动机的额定功率通过电机功率输入器(PI)输入到监控器(JKQ)中。工作时，电流采样器(CB)采集到的电流有效值送到监控器(JKQ)中的A/D3转换器里变换成数字量X，电动机的额定功率、也相当于额定电流由电机功率输入器(PI)送入监控器(JKQ)中的A/D转换器A/D1里变换成数字量Y；再由CPU进行除法运算X/Y，得到负载率Z＝X/Y。Z代表了电动机的实际消耗的功率与额定功率的比值，如果是轻载或空载，Z的值就较小，重载或满载时Z就较大。为了节电，轻载或空载时需要降低加在电动机上的电压，这由减小可控硅(TRIAC)的导通角a来达到。在CPU的程序存储器里储存有负载率Z和导通角a的表格，CPU根据电动机实际工作时负载率Z值的大小，查表确定双向可控硅的导通角a，达到节电的目的。显然，Z＝1代表满载，但是空载的Z值则与电动机的形式和品牌有很大关系，对于50KW级的三相异步四极电动机，转速约为1450转/分钟，空载Z值在0.3左右。表格中，满载时导通角为180度，空载时为130度、此时对应电动机上的电压约为70％额定电压，对于中间的负载率Z值，本实施例采用了简单的平均差分法来确定，当然也可以按其它规律来确定。空载时负载率的确定主要决定于电机额定功率和转速，是业内的一般知识；控制程序的编制也是计算机硬件工作的一般技术，本实施例中用的CPU是ATMEL公司的8951单片机。
实际上电动机在轻载时的功率因数是比较低的，但本新型所说的节电既包括电力能量的节省，也包括电力容量、也就是无功功率的减少，并且经验表明：运行时无功功率的减少实际也要产生节电的结果。因此在设计负载率Z和导通角a的表格是可以不考虑功率因数的影响。
如果智能控制部分发生问题，本新型仍然具备普通控制柜的功能，只要关闭智能控制部分的供电电源即可。