专利名称：电动机经济运行控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电动机经济运行控制器，它适应于低压电力系统中电 力拖动领域与三相异步电动机单机配套，将电动机及其工作系统纳入智能全自 动控制，实现其最佳经济运行，使供用电企业都获得增效、降耗、髙效节电的 双重效益。
技术背景能源，不但是国民经济发展的基础资源，人类生存之源，社会发展生息之 源，而且可以说，如果没有能源，那么今天世界的一切文明都即将失落。因此， 节约能源，提髙现有能源的利用效益是当今人类的头等大事，电能是以宝贵的 一次能源为代价升化的优质能源，"用电"是今天能源消耗的主要形式之一，因 此，节电及提髙电力的整体电效能就成为了节能的重要环节。电动机是将电能 转变成机械能的枢纽，当今世界上一切电力拖动基本上都是通过这一形式来完成的。电动机问世120年来推动了社会生产力的髙速发展，同时它的耗电量(世 界各国)都占到了国家总电量的70%。电动机的能耗效益比，虽然远比蒸气机 和内燃机优越，但是由于其原理上的"本征特性"，它在实际工作运行中还滋生 着各种负面效应；它是低压电力系统中主要的感性无功源；谐波源；以及特种 工况的发电机效应；A接法过大的起动电流，A接法在实际工作中许多工况处 于"大马拉小车"其电效益很低；强电系统中电弧烧损器件…….这些因素造 成对电力的极大浪费，降低了设备的效力，是系统整体电效能严重下降的根本 原因。然而，这一系列课题百年来"甚解难求",是使得三相异步电动机应用技 术领域节电的整体目标"大成难得"，是电动机应用技术领域阻碍实用电动机实 现经济运行的"百年天堑"。诚然，破解这一系列课题，实现三相异步电动机及 其工作系统最佳经济运行是关系到当今节电技术领域的"半壁江山"问鼎沉浮 的大事。 实用新型内容本项实用新型的出发点与目的，就在于采用切实可行的技术途径全面破解 系列难题，给实用中的各类现型三相异步电动机提供一种广泛适应的高效节能产品综合技术，以开发适应各种场合运行的三相异步电动机配套的系列型号的 节能技术产品。使百年依旧的电力拖动进入智能全自动控制实现电动机及其工 作系统的最佳经济运行。本实用新型采用的技术方案是 一种电动机经济运行控制器，它是由多种 以模拟电路为主结合数字电路制成了多种特定功能的集成电路芯片而形成的多 个单元控制组件聚合的，对三相异步电动机及其工作系统的运行状况，施行多 元监控的智能全自动控制系统。其特征在于各单元组件控制电路都分别制成 了专用的电路芯片，它是由中央控制器l; Y/A转换组件的控制器前置级2和执 行前置级3;就地无功补偿的前置级4和执行级5;抑制发电机效应单元组件控 制级6和信息形成处理级7;消弧电路组件8;综合保护单元控制前置级9和执 行前置级10;全息取样信息处理电路ll;多元传感器12;终端执行级13组合 接电电路14;工作全息显示器15;多路电源16组成对受控的三相异步电动机 及其工作系统17施行全方位的经济运行监控。本实用新型与现有技术相比不同之处在于首先建立了实现现型实用电动 机及其工作系统经济运行"新理念"，以提髙系统"整体电效能"作为主体目标， 透视到影响现型电动机及其工作系统电效能降低的根本因素是电动机自身的 "本征特性"。从而针对其"本征特性"的各项具体内容，采取了切实可行的技 术途径，通过大量的应用试验在分别破解了各项课题的基础上确立了统筹全局 的"整体方案"，从而实现的一项具有综合节电性能的技术成果。它不同于现有 的各种单项功能的技术，如本项技术的前身"ZL99 2 35013.1电动机节能保护 器"，只有Y/A双向转换和综合保护功能。而本"电动机经济运行控制器"，是 在该新型专利技术的基础上发展的对三相异步电动机由其"本征特性"，所固有 的各种"负效应"进行全局性的综合治理，将多项节能技术集成于一体，为使 电动机及其工作系统达到"最佳经济运行"而研发的具有多选项全功能的控制 系统。本实用新型与现有技术相比在节电效果与应用性能方面具有明显的优势。 (1)当前在中国驰名的外国技术与产品如美国的"英福特"技术，它是 一项以优化管理来获得提髙供用电系统"整体电效益"的技术措施。又如国 际资讯图书出版集团公司，2006年出版的，国家发展和改革委员会国际合作中 心汇编的《国际招标与合作》 一书中(77 ~ 80面)，北京润得堡科贸有限公司在《节电领域中电力电子新技术的应用》 一文中介绍说"针对异步电动机的结构 和特点，英国EMS公司的研究人员研制出了......新一代电动机智能化的节能与控制装置-"电动机优化器"，及"自动电压调节器"......."节电比已达到IO%~20%....."。文章指明它是英、美、德、曰都肯定的成熟技术与高效节能产 品。我们从介绍的原理可知它是一项釆用双向可控硅调整自耦变压器抽头来调 节电动机供电电压的自动控制的调压设备，其意图通过对电压的适当调节来优 化电动机运行而收到节电的效果。上述两类技术产品，在它们适应的场合都有 可能体现一定的节电效果，但效果不会显著，特别要指出的是后者，它把大功 率可控硅接入三相动力回路中，给电网造成电力污染是不容忽视的，这些都是 事物本质决定的，因为两者所选择的技术途径，都没有认识到"本征特性"这 一根本问题，因而适应的场合也不多。(2) 关于无功补偿，德国的"法兰克盖姆谱"，荷兰的"洛基雅"集中无 功补偿全自动控制装置，在欧洲已有数十年的研究及应用实践的经历了。近十 年来，我国电力系统中已广泛地釆纳了 "无功集中补偿自动控制"设备，它对"阻断"低压电网的感性无功通过变压器反馈到高压电网起到了 "屏障"的作 用，这对于保障高压电力系统的供电质量具有重大的意义。但是，它对于低压 电力系统的作用甚微。关于低压系统最适宜的是"单机就地无功补偿"以及"动 态Y/A双向转换"和"跟踪Y/A转换的准量调节"的全自动控制技术，只有这种就地无功补偿，才是让供电部门和电力用户双收益的最佳补偿方式。但也是 实施技术难度最高的，如电动机的就地无功全额补偿量控制，尤其是电动机 Y/A两种运行方式下，动态转换时补偿量的跟随，以及如何卸除集中补偿袭入 过补量的骚扰等等，仍是当今科技攻关的课题，本项实用新型的无功补偿技术 已将这一课题迎刃而解，将单机功率因数提高到趋近于"1",将系统无功电流 抵偿到趋近于"0"，这在国内外是没有先例的。(3) 关于抑制"发电机效应"，三相异步电动机运用在某些特种工况中(如 抽油机)，会频频产生"发电机效应"，发电机效应产生的"负"电力是电网的 祸患。目前，中外油田的抽油机都是釆用各式各样的配重平衡的方法来从程度 上予以减轻，却都不能消除。本实用新型的"抑制发电机效应"的控制技术是 采用"信息探测指令执行的自动控制"，当电动机即将进驻发电机效应非正常状 态的瞬间，则即行断开三相供电；而当电动机即将回到正常运行前的瞬间，则即行接通三相供电。这样就使电动机不可能发生"发电机效应"，其危患也就彻 底根治。本项技术已通过实用检验是完全成功的，它是本课题上具有重大意义 的创新性技术之一。(4) 关于电力开关消弧技术。百年来，电动机配电系统中都是采用有触点 的磁力开关，如交流接触器，它是一种自身耗电少，功能与性能都久经应用证 实的"良性"器件，美中不足之处是强电电路中电弧烧蚀继电"触头"影响有 效寿命。由于可控硅的出现，近年来它已涉入到强电系统中作无触点开关取代 交流接触器，解决了电弧烧蚀触头的寿命问题，其实也未必然，因为可控硅在 电力系统中，由它瞬断电流的特性同电动机及变压器的感性参量的匹配形成的 AV = di/dt的髙脉冲电压反馈回来造成自毁，也对其他器件都带来危害，在运用了可控硅的系统中，这类现象是常见的。并且可控硅自身的耗电比交流接触 器大许多倍，由于它费电大引起自身发热还必须配备恰当冷却设施(散热器风 冷或水冷)，因此，可控硅在低压电力系中不是"良性"器件，也不是低耗器件。 由它给电力系统带来的负面效应是致命的缺陷，把它应用在低压电力系统大电 流回路上作为常通器件是不合适的。本经济运行控制器中仍然是釆用磁力开关(交流接触器)，因为我们已成功 地开发了消除磁力开关触点电弧的"消弧技术"。它是本实用新型的又一个创新 点。(5) 综合保护，电动机长期安全经济运行是企业效益的保证。为此，电动 机配电系统中需要加装多种功能的保护器。当前普遍应用的各种单一功能的保 护器难以配套。本实用新型的综合保护器是一种将十项保护功能融于一体的电 子电路原理的综合保护器。(6) Y/A、 Y-A、 A多程式起动。关于电动机的起动性能，单从电动机自身以及尽快进入额定转速运行角度，那是电动机起动过程愈快越好。但是由 于在A形接法时其起动电流一般都达到额定电流的5至7倍。由其起动电流冲击电网以及造成IR的大幅度线压降，给在线的用电器都带来骚扰或造成事故。为此，自来在大功率电动机工作系统中就发展了 "自耦变压器软起动"、"频敏软起动"，这些设备体积重量都大，不便于广泛釆用；近些年来出现了 "可控硅控流软起动"，看起来这种软起动十分自如地减缓了电动机的起动速度，也降低了起动时的起冲电流。但是，其实质上是把50周的正弦波形的电流变成了方波脉冲，控制脉冲电流的占空比来实现控制平均流的，由这一原理就可以认识到它对低压电力系统的负面作用是不言而喻的；上世纪80年代在一种新的机床配 电柜上，Y/A软起动技术问世，它有效地抑制了过大的起动电流，而且不会给电网带来任何负效作用，它是一种先进适用的技术途径.今天在许多电动机配电柜 上都可以见到它的广泛应用，但是它的推广与应用也存在如下问题，一是旧式的 设备不便于加装，二是它的Y-A的时间控制是釆用旧式的时间继电器来设定 的。这些都有待改进。本电动机经济运行控制器中的Y/A、 Y—△、 A多程式起 动，就是在自身动态Y/A双向转换的基础上结合上述Y/ A软起动的方式开发出 来的性能更臻完善的新型软起动装置。本项软起动的功能是纳入动态Y/A双向 转换单元控制组件兼容实现的。(7)消除电网谐波。通常处理谐波的方法是将对象(网络)电压与电流的波形测绘，用傅立叶级数式展开，分析谐波的频谱与各次谐波的幅度然后设计 相应的消谐槽路与以消除，这是被人们普遍采用的消谐方法。当前可见到的消 谐电路基本上都是实现这一技术途径的标准模式。这种消谐槽路其理论原理是 正确的。但是在电动机及其工作系统中往往是多次谐波以及开关、可控硅通断 形成的高频谱信号交混一起，而且其成份与参量是随电力系统各种参量的变化 而浮游变化的，因此在这样的系统中釆用标准模式消谐很不现实，而且这种消 谐槽路都要损失部分基波能量，从节电角度来衡量，其效果会是实得其反。本 实用新型中的"消谐"功能不采用这类标准模式，而是将其纳入无功补偿控制 单元兼容，因为补偿电容对于高于基波(50Hz)的谐波本来有更佳的吸收能力。 这里要分析的问题是为什么中外的无功补偿都没有二者并举的兼容设计 呢，相反地都是类同地在电容器的前端设置抗谐波的电抗器阻止谐波电流进入 电容器这是因为几乎所有补偿电容器的设计标准都只按照补偿电容来确定的， 如电压标准是使用电压的1. 1倍，(低压380V ~系统中使用的自愈式补偿电容标 称电压为400V ，最大耐压则为440V，在380V 三相电网中作A连接则每luF 电流值为180mA)其耐电压以及允许通过的电流都没有潜在i，基于这一标准电 容器的无功补偿，不可能兼容消谐功能而且必须在电容的前端加抗谐波的"电 抗器"。否则电容器就会被损坏。由于电抗器是一种耗能器件，使得补偿的效果 大幅度地折扣，这是通常的就地无功补偿最高节电效果局限于8%以下的主要原 因。本项实用新型中的就地无功补偿，不采用电抗器的设计模式，而是采取将补偿电容的标称电压大幅度提高，如380V 三相交流补偿电容的标称电压提高到 630V一， VB/Vs-1.25倍即是实际耐电压与过电流的强度都达到2倍的富余量，能 够承受电网谐波电压与电流的冲击。使得本项设计成功地实现了无功补偿与消 谐两项功能的兼备。通过应用实践证实本无功补偿的节电率通常稳定在20%以 上，同时消谐的效果十分良好。(8)近十年来，许多商家把"调频调速"技术，以引进外国髙科技产品的 名义滲入到我国电动机应用领域充当高效节电器， 一度风起云涌，至今仍有"巿 场"。其实调频调速这一技术产品用于电动机是为了平稳地调节速度，并且在调 速的同时是以降低电动机整体电效能为代价的。无论是从理论推导，还是对安 装了调频调速装置的电动机工作系统进行实测，其结果与结论是一致的"调频 调速"技术不是电动机节电技术，而且调频调速这一产品用于电动机调速的同 时给电网带来电力污染。从上述事例，不管各方人士的目的千差万别，但说明 了电动机节电这一目标在节能事业中居重中之重的地位。本电动机经济运行控制器，不是从外国引进的高科技，是我们自已开发出 来的真真切切的电动机高效节能产品技术。为此申报实用新型专利。
图1为本实用新型电动机经济运行控制器原理框图。 图2为本实用新型消除磁力开关触点电弧的原理电路图。 图3a为本实用新型Y/A转换节电理论依据的电流工作特性曲线图。 图3b为本实用新型Y/ A转换节电理论依据的效率工作特性曲线图。 图3c为本实用新型Y/A转换节电理论依据的功率因数工作特性曲线图。 图4为本实用新型动态Y/A双向转换组件原理电路图。 图5为本实用新型就地无功补偿节电理论依据-补偿原理图。 图6为本实用新型就地无功补偿原理电路图。 图7为游梁式抽油机(在理想平衡)的扭矩曲线图。 图8为抑制电动机"发电机效应"自动控制及控制系统原理电路图。
具体实施方式
图1为电动机经济运行控制器原理框图。该图从整体轮廓上表明了本实用 新型的主体组成内容及各部分的主要功能和作用关系。本经济运行控制器是由 多种模拟电路为主结合数字电路，分别制成了多种特定功能的集成电路芯片为核心器件形成的多选项的单元控制。它们是电动机"动态Y/A双向转换"及 "Y/A软起动"控制单元；"就地无功补偿"及消除谐波控制单元；抑制电动机"发电机效应"控制单元；根除强电下磁力开关触点电弧控制单元；多功能综 合保护控制单元；以及全息显示等单元聚合，对三相异步电动机及其工作系统 施行多元全方位的监控的智能全自动控制系统。其特征在于各单元集成电路 芯片型号为KDJN9906.※(※为1.2.3.4.5);它是由中央控制器1; Y/A转换 组件的控制前置级控制器负荷跟踪节电控制和执行前置级节电控制转 换器；就地无功补偿的控制前置级C控制器就地无功补偿准量控制和执 行级无功补偿调整执行级；抑制发电机效应控制组件E控制器抑制发电 机效应执行级和信息形成处理级传感探测电路；消弧电路组件8D控制 器消弧执行级组件；综合保护单元控制前置级9B控制器综合保护和执行 前置级IO综合保护执行级；全息取样信息处理ll;多元传感器1传感器 多级；终端执行级13;组合接电电路14;全息显示器15;多路电源16组成， 对授控的三相异步电动机及其工作系统17施行全方位的监控实现其最佳经济运 行。图2为消除磁力开关触点电弧原理电路图。电力开关触点消弧电路原理， 该电路包括两个部分(l)执行电路，它是由磁力开关30 (交流接触器)和无 触点开关31组成，二者电力回路同相并联；控制回路分别接至控制器的相应接 口。 (2)控制电路，它是一个双路信息输入，五路信号输出，设置有固定延时 的电子开关29。当接通电源时无触点开关31先导通，磁力开关30后合闸；当 切断电源时，触点开关30先分断，无触点开关31后截止。二者时间差约20ms。 这样就做到了触点开关"分"、"合"都不会产生电弧了。开关触点消除了电弧 的烧灼，其接触安全可靠，器件有效寿命大为延长。其无触点开关电力回路每 次只工作20ms，器件经久耐用。电力系统中开关分、合电弧烧蚀触头，历来令 人无奈，并认为是一种不可避免的结局。本技术的难点在于控制电路的设计要 做到洽到好处。图2拟以Y/A双向转换中Y接和A接两路交流接触器触点消弧为例。三角 接交流接触器JCS-3K的三相触头同3SSR-S模块的三相回路分别并联；星接交 流接触器KX-3K的三相触头同3SSR-X模块的三相回路分别并联；Y/A两交流 接触器的磁力线圈JCS、 JCX以及3SSR-S、 3SSR-X的控制极均授控双路消弧电路按既定的"四步"控制，图中以虛线双箭头表示的"1 — 4"或"4 — 1"的圆 弧控制程序来完成双边消弧的。如Y转A，则第一步是JCX-3K分断；第二步是 3SSR-X截止；第三步是3SSR-S导通；第四步是JCS - 3K合闸，既完成①、②、 ③、④的控制程序；当A转Y则按4、 3、 2、 l程序完成。Y转A，或A转Y， 是由Y/A双向转换电路KDJN9906. 1的11号和8号输出的信号指令来决定的。 图中"6"字头的电路部分是控制Y接运行；"7"字头的电路部分是控制A接运 行；"8"字头的电路是Y/A转换连锁电路，图中JCZ、 SSR-Y/A、 JCS-fb、 JCX-fk、 JCX-fb、 JCS-fk都是为双路消弧设立的"故障安全保护"电路器件。 图3a、图3b、图3c分别为Y/A转换节电理论依据的电流、效率、功率因 数工作特性曲线。图中Ii，P,为电动机不同负载电流及功率值.I" Pa为电动机额 定电流及额定功率值。动态Y/A转换实现节电的理论依据电动机的设计，都 以额定功率条件下工作，其综合经济指标才能达到最高，即是才能实现其经济 运行。经典著作和教科书指出"合理选择电动机是相当重要的，它关系到生产 机械的安全运行和经济指标的改善......电动机选型以选择额定功率最为主要……使电动机的负载一般为0.7~0.9左右的额定功率"。然而，在实际工况 中电动机工作在这一 "选型"负载量只是少数的工态，如大多数金属切削机械 加工中，其负载率是在5%~50%区间变化，偶有重载，"大马拉小车"使电动 机效率严重下降。十九世纪末，欧洲的电磁理论家们发现并提出"交流电动机Y形接法和A 形接法可以适应不同负载"的节电理论。从此三相异步电动机的设计有六个端 子，Y/A两种接法并立。多种电工理论书籍指出"电动机在轻载时，Y形连接可以使网路功率因数 与效率都获得提髙"，本图试绘出电动机从空载至5(P/。额定负载下Y接法、A接 法的工作电流、效率、功率因数特性曲线。由三组工作特性曲线表明，当电动 机负载率为0~50%的区间时，釆用Y连接比A连接其线电流显著降低，将使馈 电线损以12率减少；电动机自身的效率获得明显提髙；工作系统的功率因数得 到改善，它表明无功分量带来的无益耗电随之减少。以上事实说明在电动机"大 马拉小车"的情况下，将A接法转换到Y接法是实现电动机增效、降耗、节电 减排的有效技术途径。图4为动态Y/A双向转换组件原理电路图。它是一个由多级运放组成的双基准、双路延时，双向稳态、双与门输出的电动机动态Y/A双向转换的控制电路，其集成电路型号为KDJN9906. 1;准负荷跟踪参量取样电路中釆用了 5: 6000 的特种电流传感器18;负载信号处理电路19是一种桥式全波二端输入多路输出 的二重积分电路，它的输出一路送到综合保护器9过载保护输入端，即 KDJN9906. 5的5和11脚， 一路送到显示器15， 一路送给控制器2即KDJN9906. 1 的l脚信号输入端，它的终端接有一电位器W1是用来作"动力域调节"的，使 得本电路实应于4KW 630KW范围额定功率的电动机都可匹配。双基准整定电路20是由一光电耦合器4N35同R12及"基准锁定"电位器 W2组成，它的两功能输出端一端通过R13，另一端直接送入控制器(2)KDJN9906. 1 的10和9输入端，使得本电路在实现Y/A转换的同时其转换基准电平同步变换， 即是Y转A和A转Y形成的双基准，二者差值可在+ 12y。 ~ -5。/。范围由选择R12 阻值来确定，"基准锁定"是采用一电位器W2可在0 100y。的范围调节，以方 便各种场合的实用中Y/A转换的最佳转换点的锁定，双基准的实现即提高了转 换的稳定性，又扩展了 Y接法工作的节电区间；"转换延时"电路21，它是由电位器W3、电阻R6、 二极管D14、电容器C8 构成的单向可变延时和双向固定延时，电路其两功能端分别接到KDJN9906. 1的 7、 5输入端组成。Y/A转换的双向固定延时是由R6xC8的时间常数确定的，它 的作用是抗电网上高压脉冲电压的干扰，如调频调速产品产生的频谱脉冲信号 引起的误动，但是这一固定延时不宜过长，如机械加工场合宜设定在0.25~ 0. 3s,鼓风机类宜设定在0. ls以下；A转Y的单向可调延时是R(W3) xC8的时 间常数来确定的，调节W3可使延时在0.2s至40s范围锁定，以适应各种场合的使用，同时避免无必要的频繁转换；起动延时电路22是由电位器W4、电容器C7接入KDJN9906. 1的2、 3、 4端组成，它的功能与作用， 一是抗电动机起动负荷的冲击引起转换振荡，二是 使Y/A转换控制兼容Y/A、 YA、 A多程式软起动功能。本电路中的继电器JD、 JA及JCX-Fk、 b、 JCS-Fk、 b辅助触点，都是为 Y/A转换及消弧电路的"故障安全保护"设立的。本控制电路使电动机轻载转到Y接运行LED1 "绿色"发光管亮，重载转接 A运行LED2 "黄色"发光管亮，理想地实现了动态Y/A双向转换的节电控制。图5为无功补偿原理图。图中U-电源电压向量，I，-补偿前负荷电流(线电流)向量，①r^滞后于U的相位角，图中0>产45.57° (cos①产0.7)， Il广朴 偿前It的感性无功分量，Ir-I，、 12的有功分量，Ic-电容器电流，超前U卯。(I产 (-Iu-Iu)， Ir补偿后线电流，①r补偿后l2滞后于U的相位角，图中0)2=8丄 (COSO>2=0.99),"在电力系统中先天性地存在着大量的无功负荷，系统中大量 的无功功率，将降低系统的功率因数，增大线路的电压损失和电能损失，严重 的影响着电力企业的经济效益，造成对电能的无形浪费。解决这一问题的有效 方法就是进行无功补偿"(摘自《无功补偿岗位培训教材》)。"电动机是低压电网中主要的感性设备，造成无功损耗占低压电网中无功 损耗的70%以上"。(摘自《发电厂变电所及电力系统的无功功率》)合理实施无 功就地补偿，是企业获得更大经济效益的重要途径。由无功补偿原理图表明无功补偿有效地提高了功率因数。于下将无功补偿 的意义作概要分析。A、改善设备的利用率 S V^//，可见在一定的电压U和一定的电流I的情况下，提髙coscj)其输出的有功功率越大，是提高设备有效利用率的方 法。船附广xc)B、 减少电压损失电压损失 " ，可见补偿电容的容抗 Xc的引入电路，使AU减小，改善了电压质量。C、 提高电力网的传输能力P-ScosO，可见在传送一定有功功率P的条件 下，cos①越髙，所需视在功率越小。D、 减少线路损耗在电路上流过电流I时，线路的有功线损t/"cos2(^ ,可见线路上有功损耗AP与c0s2①成反比，cos①越高，AP越小。下面，就原理图中所表述的coscl)从0.7，补偿提髙到0.99作计算， 0.72=0.49， 0. 992=0. 98，由两式的数值，明确知道功率因数从0. 7提髙到0. 99， 在R不变的情况下，其线路损耗就减小了然而线路电阻并非是不变的，输电线路的电阻R是随温度变化的。线温升髙，电阻值增大。无补偿时线温比有 补偿时高，在补偿以后其线路损耗一定会减少50%以上。经实际测试补偿使得馈 电损耗减少了75%以上，AP值只为原来的1/4以下。可见，合理实现电动机就 地无功补偿，是给低压电力系统实现增效、节电、减少电力污染提高供电质量 的重要技术途径。图6为就地无功补偿原理电路图。电容补偿方式很多，交流电动机就地无功补偿是让供电部门和电力用户双 收益的最佳补偿方式。但也是实施技术难度最髙的，如电动机的就地全无功补 偿的准量控制，尤其是电动机Y/A两种运行方式下，动态转换时补偿量的跟随， 以及如何御除集中补偿袭入过补量的骚扰等等，都是必须周全应对的。本无功 补偿控制技术，这些方面都获得了较好的解决。本无功补偿控制组件，其主体 电路是由比较器、门电路、双基电路、多级运放、双桥式鉴相输入电路和SSR 输出电路组成的模拟控制电路。集成芯片型号为KDJN9906.2。它的控制前置级 4中设置有无功分量比例取样及双桥鉴相检识电路23,当电网呈现感性或容性 无功还是无功已全抵偿，则它的输出信息参量相应为正或为负，或为零。主控集成电路输出端可衔接多路程控电路24，它的执行级5的输出端可衔 接多路设置有电抗导前缓充电电路25。以实现多路调节以及一台控制器控制补 偿多台电动机。本无功补偿自动控制，不但实现了就地无功准量补偿自动调节和同时投切， 以及有效地抑制了过补的发生，并且能够做到将电动机及其工作系统无功电流 抵偿到趋近于"0"，使功率因数提高到趋近于"1"。此外，本无功补偿不采用 中外无功补偿通常都釆用的为了防护补偿电容被谐波电流和高频谱电压冲击损 坏，在电容三相回路中接常通电抗器的"模式"，而是釆用将电容器的耐压标准 提髙到实际工作电压的二倍以上，这样就使得电容器有经受谐波及高频谱电压 与电流冲击的足够富余量，从而确保了其长期可靠的有效寿命。还有，本项无 功补偿中，设置有电抗L-3导前缓充电路即图中JZ0导前电路32，它只在接电 的瞬间工作约10-20ms，随之退出工作，与常通电抗器相比由此带来的无益耗电 减少到接近于O，由于釆用了上述技术措施，使得本无功补偿节电效果是通常就 地无功补偿(最髙节电率4~8% )的三倍以上，通常达到22%。又由于电容回 路不设"电抗器"，使得本无功补偿有良好的吸收谐波的功能，无须另设消谐网络，关于消除电网谐波可靠纳入本补偿控制组件兼容，经测试与应用检验效果 良好。图7为常规型游梁式抽油机(在理想平衡)的扭矩曲线图，e为曲柄转角， 实线为复合载荷扭矩曲线，虛线为悬点载荷扭矩曲线，点画线平衡块载荷扭矩 曲线。(1) 三相异步电动机其定子旋转磁场的转动速率是每分钟(50 x 60 x 2/极 数)转。转子受到旋转磁场的牵引而转动，其转速稳定在一个略低于旋转磁场 转速的"额定转数"正常运行。在特种工况中，当受到负载惯量顺势拖动的情 况下，则转子的转速会超过旋转磁场转速，使电动机进驻"发电机效应"非正 常运行。电动机"发电机效应"产生的电力，其频率、电压都不稳定，电压、 电流的相位与供电原方的相位是相反的。严重损坏供电质量，造成电力的浪费。(2) 抽油机系统的负荷特性，频频激发电动机进驻周而复现的"发电机效 应"。图7绘出了常规型游梁式抽油机(在理想平衡)的扭矩曲线，由曲线清楚 表明(a)如果不设平衡块则整个下冲程悬点负荷扭矩为负值。(b)在加设平衡 块即使在最理想平衡状态时，上冲程在"a"、 "b"区间，下冲程在"c"、 "d" 区间，其复合载荷扭矩为负值。载荷扭矩呈现负值，既促使电动机运行进驻"发 电机效应"非正常运行状态。中外油田的抽油机，运行系统上都是背负着几吨 或几十吨重的平衡配重在井架上运行旋转，以对应抽油泵上、下冲程作重力平 衡，并减小"发电机效应"。由图中三条扭矩曲线就很明了平衡块载荷扭矩曲 线是重物按极坐标旋转形成的Sin曲线，抽油泵上下冲程形成的悬点载荷曲线 基本上是按直角坐标y轴变化的"方波"曲线。二者不可能达到理想的动平衡， 这点由复合载荷扭矩曲线做了真实的描绘。由于油井下面的情况总是不断的变 化......影响到悬点载荷扭矩也是不断变化的，这就需要将平衡块及时进行调整，然而这是广大的油田难以做到的。因此实际上抽油机电动机的"发电机效应" 比图中描述的情况更为严重。图8为"抑制电动机发电机效应"自动控制原理及控制系统原理电路图。 本项"抑制发电机效应"的控制原理是"采用磁力定位将转数传感探测器 (光电探测器或霍尔效应探测器)定位于电动机主轴上，旋转光栏调制光电探 测(或霍尔效应磁力探测)，获取发电机效应本征信息，全自动控制对电动机三 相电源即行"通"、"断"，即电动机运行转数n低于旋转磁场转数n。的电动机状态运行。则三相电源接通，而当电动机运行转数n髙于额定转数ne (电动机即 将进驻发电机状态运行)，则电动机三相供电电源即行断电，这就使得原本进驻 发电机状态运行的时间内，转子是在无定子磁场的情况下空转，并且端子与电 网开路，这样就可靠地抑制了发电机效应的发生。本图中，电路图上方的一览 表，列出了 KDJN9906. 4芯片相关引脚的电参量的波形以及本项控制逻辑关系， 第一栏中，T为电机转子实际转动的周期，Te为电机额定转数的周期。T。为电 动机旋转磁场的周期。由表左起第一栏和右末第一栏对应看到当T<Te时，JCZ、 3SSR-Z都"关闭"，则电动机断电；T^T。时，JCZ、 3SSR-Z都"开启"，则电 动机电源接通。本抑制发电机效应单元是由控制级6和信息处理形成级7两部分电路组成， 其集成电路芯片型号分别为KDJN9906. 3和KDJN9906. 4;控制级6的9脚输出 端设置有5BG1、 5R4~7、 5D4、 5D5的开关电路,JCZ - Fk辅助接点及3SSR - Z 组成的单路消弧电路26;信息形成处理级是由霍尔器件"H"(或光电器件)和 旋转磁环"C"(或调制光栏)组成的转速探测传感器27;以及由W1、 Cl、 W2、 C2同KDJN9906. 4的3~ 8脚内部电路构成的二重积分与双微分形成的特征信号 分选电路28组成；KDJN9906. 3芯片组成的控制电路6的第7脚得到KDJN9906. 4 芯片第8脚送来的特征信号指令，通过SSR-Z、 JCZ对电动机施行断电或供电。本抑制发电机效应控制原理设计的试验产品，在抽油机上的应用实践检验， 其性能与效果都很好。
权利要求1. 一种电动机经济运行控制器，它是由多种以模拟电路为主结合数字电路制成的集成电路芯片，而形成的多个单元控制组件聚合的智能全自动控制系统，其特征在于各单元组件控制电路都分别制成了专用的电路芯片，它是由中央控制器(1)；Y/Δ转换组件的控制器前置级(2)和执行前置级(3)；就地无功补偿的前置级(4)和执行级(5)；抑制发电机效应单元组件控制级(6)和信息形成处理级(7)；消弧电路组件(8)；综合保护单元控制前置级(9)和执行前置级(10)；全息取样信息处理电路(11)；多元传感器(12)；终端执行级(13)组合接电电路(14)；工作全息显示器(15)；多路电源(16)组成对受控的三相异步电动机及其工作系统(17)施行全方位的经济运行监控。
2、 根据权利要求1所述的电动机经济运行控制器，其特征在于所述Y/ A转换组件，它是一个多级运放组成的双基准、双路延时，双向转换，双与门 输出的控制电路，它的控制前置级(2)的外接电路中设置有准负荷跟踪 M=6000:5的特征电流传感器(18);负载信号处理电路是采用桥式全波二端输入 多路输出的二重积分电路(19);双基准整定电路(20),是由一光电耦合器电 路，在实现Y/A转换的同时，其转换基准电平同步变换，即Y转A和A转Y形 成双基准，二者差额可在+ 12% ~ -5%范围选择，基准整定是采用一电位器可 在0~100%范围调节到最佳转换点；它的执行前置级(3)的外接电路中设置有 转换延时电路(21)和起动延时电路(22)。
3、 根据权利要求l所述的电动机经济运行控制器，其特征在于所述就地 无功补偿控制组件的主体电路是由多级运放同双基输入电路和SSR输出电路组 成的控制电路，它的控制前置级(4)中设置有无功分量取样及比例参量变换 电路(23);多路输出程控电路(24);它的执行级(5 )外接电路中设置有电抗 导前缓充电电路(25)和导前接电电路(32)。
4、 根据权利要求l所述的电动机经济运行控制器，其特征在于所述抑制 发电机效应单元组件控制级(6)的9脚输出端接有单路消弧控制电路(26); 信息形成处理级(7 )是由霍尔器件和光电器件作传感探测器(27 )及二次积分 与双微分组成的分选电路(28)组成。
5、 根据权利要求l所述的电动机经济运行控制器，其特征在于所述消弧 电路组件(S)中的消除磁力开关触点电弧原理电路中，有触点开关(30)与无触点开关(31) 二者的电力回路同相并联，而二者的控制回路置于程控电路(") 的程序控制，当断电时，程序①有触点开关(30)先脱电，程序②无触点开关 (31)后截止，当接通电源时，程序③无触点开关(31)先导通；程序④有触 点开关(30)后合闸。
专利摘要本实用新型公开了一种电动机经济运行控制器，它是由多种以模拟电路为主结合数字电路制成的集成电路芯片，而形成的多个单元控制组件聚合的智能全自动控制系统，各单元组件控制电路都分别制成了专用的电路芯片。本实用新型具有综合保护功能；减少电网谐波；消除磁力开关触点电弧，多选项汇成一体，多课题全面破解，使电动机及其工作系统“整体电效能”得到显著提高。使得电动机及其工作系统在增效、降耗、节能、降低电力污染、提高供电质量方面都获得了良好的效果。它是一种实现电动机及其工作系统最佳经济运行的智能全自动控制装置。它适应于低压电力系统的电力拖动领域中，同现型各类三相异步电动机单机配套。
文档编号H02P1/32GK201118514SQ200720032249
公开日2008年9月17日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者邹希圣, 邹晨光 申请人:邹晨光