专利名称：综合节电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及节电技术领域，尤其涉及综合节电器。
背景技术：
在工农业生产中，离心风机和水泵广 泛采用三相交流异步电机作为驱动源，在实际中配套电机的设计裕量较大。而电机在额定转速下运行，为满足工艺需求，大都采用控制风机的风门或者水泵的阀门开度来调节风量或流量。此时电机功率因数和效率低下，造成能量的极大浪费，目前利用变频技术调节电机的转速，从而改变电机的输入功率，使之处于较佳效率状态。但上述方法也带来了新的突出问题，根据低压变频器的结构和工作原理，由于它采用不可控整流方式，其输入电流中存在大量的5次、7次、11次等谐波频率分量，对电网及周围用电设备产生严重干扰。当前解决该问题普遍采用的办法是在变频器输入端串联交流电抗器和输入滤波器，或被动式地在被干扰设备的电源输入端加装隔离变压器或滤波设备。虽然这些措施对部分谐波频率分量有削弱或抑制作用，但由于滤波设备和输入交流电抗器大多都是购买市场上的成品，而这种滤波设备主要针对IKHz以上的谐波频率才有效果，对于低次谐波没有作用。输入电抗器也仅能将原谐波含量的低次分量降低约50%左右，对电网和系统用电设备的干扰仍然较为严重，抑制谐波的能力受到局限。
发明内容
本发明的目的在于提出综合节电器，能够有效抑制和滤除削弱因高次谐波及低次谐波所产生的干扰，提高系统功率因数，有效削弱由于采用不可控整流所产生的输出谐波，使节电状态下系统产生的综合谐波在允许范围，减小线路的传输电流和损耗。为达此目的，本发明采用以下技术方案
综合节电器，包括第一运行接触器、节电控制模块、第二运行接触器和输出电抗器，节电控制模块进一步包括中央控制单元、输入电流采样单元、输入电压采样单元、整流单元、功率单元、输出电流采样单元、输出电压采样单元、SPWM控制驱动单元、保护电路、电源单元、PID控制仪和传感器，输出电抗器进一步包括三个电感元件，其中，
第一运行接触器的输入端与三相交流电源连接；
节电控制模块的输入端与第一运行接触器的主触头连接；
节电控制模块的输出端依次通过第二运行接触器的主触头、输出电抗器的三个电感元件与电机的三相交流电源输入端连接，
节电控制模块中，输入电流采样单元连接在节电控制模块的输入端的三相交流电源配电线上，用于采样输入端的电流，并通过中央控制单元的输入电流采样端反馈给中央单元处理；
输入电压采样单元连接在节电控制模块的输入端的三相交流电源配电线上，用于采样输入端的电压，并通过中央控制单元的输入电压采样端反馈给中央单元处理；整流单元连接在三相交流电源配电线上，用于对三相交流电源进行整流后输出；
功率单元的输入端与整流单元的一路整流输出连接，功率单元的输出端是节电控制模块的输出端；
输出电流采样单元连接在节电控制模块的输出端的配电线上，用于采样输出端的电流，并通过中央控制单元的输出电流采样端反馈给中央单元处理；
输出电压采样单元连接在节电控制模块的输出端的配电线上，用于采样输出端的电压，并通过中央控制单元的输出电压采样端反馈给中央单元处理；
保护电路的输入端与中央控制单元的调频控制输出端连接，保护电路的输出端与SPWM控制驱动单兀的控制输入〗而连接，SPWM控制驱动单兀的控制输出〗而与功率单兀的控制输入立而连接，用于控制功率单兀实现变频功率输出；
电源单元输入端与整流单元的另一路整流输出连接，电源单元输出端与中央控制单元 和SPWM控制驱动单元连接，用于提供工作电源；
PID控制仪的信号输入端与传感器连接，PID控制仪的信号输出端通过中央控制单元的PID控制输入端与中央控制单元连接，用于PID控制仪将传感器采集反馈的系统实时需求信号发送到中央控制单元处理，实现PID闭环控制；
中央控制器用于实现变频节电控制。节电控制模块进一步还包括模拟调速单元和数字调速单元，模拟调速单元和数字调速单元分别与中央控制单元连接，用于实现电机的调速。节电控制模块进一步还包括控制端子单元，控制端子单元设置有启动控制端子、暂停控制端子、复位控制端子、多段速控制端子和故障输出控制端子，与中央控制单元的对应控制输入端连接，用于实现变频节电的手动控制。节电控制模块进一步还包括键盘显示单元和输出频率显示单元，键盘显示单元和输出频率显示单元分别与中央控制单元连接，键盘显示单元用于进行系统参数设定，输出频率显示单元用于实时显示输出频率。还包括谐波抑制单元和滤波单元，谐波抑制单元进一步包括三个电感元件，滤波单元进一步包括三个电感元件和三个电容元件，谐波抑制单元和滤波单元位于第一运行接触器与节点控制模块输入端之间，谐波抑制单元用于抑制节电控制模块产生的回馈电网的IKHz以上高次谐波，滤波单元的输入端与谐波抑制单元的输出端连接，用于滤除节电控制模块输入端的5次、7次和11次低次谐波。还包括市电旁路单元,市电旁路单元跨接在三相交流电源与电动机的三相交流电源输入端之间，市电旁路单元进一步包括旁路接触器，用于在节电控制模块发生故障时，实现市电旁路。谐波抑制单元的三个电感元件和滤波单元的三个电感元件集成在一个田字型铁心上。采用了本发明的技术方案，产生以下技术效果
I、节电器的输入端加装高次谐波抑制单元与低次谐波滤波单元，可通过元件参数的优化组合，有效抑制和滤除削弱因高次谐波及5次、7次、11次等低次谐波所产生的干扰，并可提闻系统功率因数。2、节电控制模块采用最小谐波SPWM控制技术，有效削弱由于采用不可控整流所产生的输出谐波，从而使节电状态下系统产生的综合谐波在允许范围，减小线路的传输电流和损耗。3、采用变频控制技术实现了风机或水泵的软启动、软停车，减小对电网及设备的冲击。4、克服了传统变频调速系统功率因数较低的问题，使系统功率因数达到0. 98左右，减少对电网无功的消耗，进一步提闻电能的利用效率。5、采用内置PID闭环控制，系统动态检测负载状况，实时优化调整电机的输入功率，达到所供即所需，实现节电的目的。
图I是本发明具体实施方式
中综合节电器的结构示意图。·
具体实施例方式下面结合附图并通过具体实施方式
来进一步说明本发明的技术方案。本发明技术方案中，节电控制模块采用最小谐波SPWM控制技术，根据5次、7次、11次等谐波的产生机理建立数学模型，并根据由此模型产生的程序发出控制信号，通过SPWM控制驱动单元来控制功率单元中开关器件的导通规律，主动抑制削弱由于采用不可控整流所产生的谐波。在节电控制模块输入端设置了高次谐波抑制单元和低次谐波滤波单元，通过对谐波抑制单元中电抗元件参数和滤波器件中元件参数的优化组合，可以更好地对5次、7次、11次等低次谐波进行抑制和滤除，并且可以提高输入端的功率因数。节电控制模块采用内置PID闭环控制，通过电压、电流传感器实时检测系统参数，与设定值进行比较，其差值信号经过内置PID控制仪处理后再传输给中央控制单元，实时的发出功率调整信号，由SPWM控制驱动单元来控制功率单元对电机的输出功率,达到所供即所需，节省传统的阀门、风门调节所损失的能量，从而达到节电目的。图I是本发明具体实施方式
中综合节电器的结构示意图。如图I所示，该综合节电器包括第一运行接触器I、谐波抑制单元2、滤波单元3、节电控制模块4、第二运行接触器
5、输出电抗器6和市电旁路单元7。节电控制模块进一步包括中央控制单元、输入电流采样单元、输入电压采样单元、整流单元、功率单元、输出电流采样单元、输出电压采样单元、正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)控制驱动单元、保护电路、电源单元、比例积分微分(Proportion Integration Differentiation, PID)控制仪、传感器、模拟调速单元、数字调速单元、控制端子单元、键盘显示单元和输出频率显示单元。输出电抗器进一步包括三个电感元件。第一运行接触器的输入端与三相交流电源连接。谐波抑制单元和滤波单元位于第一运行接触器与节点控制模块输入端之间，谐波抑制单元进一步包括三个电感元件LI,三个电感元件分别连接在三相交流电源的三根配电线上，该组电感元件前端串联有第一运行接触器KMl的主触头，谐波抑制单元抑制节电控制模块产生的回馈电网的IKHz以上高次谐波。滤波单元进一步包括三个电感元件L2和三个电容元件c,滤波单元的输入端与谐波抑制单元的输出端连接,其参数经过优化组合,不仅能够有效滤除节电控制模块输入端的5次、7次和11次等低次谐波，还能兼顾无功补偿的需要，提高系统功率因数。谐波抑制单元的三个电感元件和滤波单元的三个电感元件集成在一个田字型铁心上，利用互感可有效减小电抗器的体积。节电控制模块的输入端通过谐波抑制单元和滤波单元与第一运行接触器的主触头连接，节电控制模块的输出端依次通过第二运行接触器KM2的主触头、输出电抗器的三个电感元件与电机的三相交流电源输入端连接。节电控制模块中，中央控制器是实现变频节电控制的核心单元。输入电流采样单元连接在节电控制模块的输入端的三相交流电源配电线上，输入电流采样单元采样输入端的电流，并通过中央控制单元的输入电流采样端反馈给中央单元处理。
输入电压采样单元连接在节电控制模块的输入端的三相交流电源配电线上，输入电压采样单元采样输入端的电压，并通过中央控制单元的输入电压采样端反馈给中央单元处理。整流单元连接在三相交流电源配电线上，整流单元对三相交流电源进行整流后输出。功率单元的输入端与整流单元的一路整流输出连接，功率单元的输出端是节电控制模块的输出端。输出电流采样单元连接在节电控制模块的输出端的配电线上，输出电流采样单元采样输出端的电流，并通过中央控制单元的输出电流采样端反馈给中央单元处理。输出电压采样单元连接在节电控制模块的输出端的配电线上，输出电压采样单元采样输出端的电压，并通过中央控制单元的输出电压采样端反馈给中央单元处理。保护电路的输入端与中央控制单元的调频控制输出端连接，保护电路的输出端与SPWM控制驱动单元的控制输入端连接，SPWM控制驱动单元的控制输出端与功率单元的控制输入端连接，用于控制功率单元实现变频功率输出。电源单元输入端与整流单元的另一路整流输出连接，电源单元输出端与中央控制单元和SPWM控制驱动单元连接，电源单元向其他单元电路提供工作电源。PID控制仪的信号输入端与传感器连接，PID控制仪的信号输出端通过中央控制单元的PID控制输入端与中央控制单元连接，PID控制仪将传感器采集反馈的系统实时需求信号(实际需求的压力、温度或流量信号等)发送到中央控制单元处理，实现PID闭环控制。模拟调速单元和数字调速单元分别与中央控制单元连接，实现电机的调速。控制端子单元设置有启动控制端子、暂停控制端子、复位控制端子、多段速控制端子和故障输出控制端子，与中央控制单元的对应控制输入端连接，实现变频节电的手动控制。 键盘显示单元和输出频率显示单元分别与中央控制单元连接，键盘显示单元进行系统参数设定，输出频率显示单元实时显示输出频率。市电旁路单元跨接在三相交流电源与电动机的三相交流电源输入端之间，市电旁路单元进一步包括旁路接触器，市电旁路单元在节电控制模块发生故障时，实现市电旁路。节电运行通过第一运行接触器KMl和第一运行接触器KM2来控制，同时市电旁路与节电回路在系统二次控制回路进行互锁。节电运行时，由第一运行接触器KMl和第二运行接触器KM2主触头闭合接通相应的主回路，同时对内部参数进行设置实现节电控制，操作人员可通过输出频率显示单元和键盘显示单元的操作实现对系统状态的监视和控制，从而改变电机的输入功率。节电状态首次投入运行时，需先通过键盘显示单元对系统进行参数设定。具体如下设置H)-02为0，键盘控制；设置R)-03为1，开关量控制；设置H)-12为48，上限控制点；设置H)-14为32，下限控制点；根据电机参数设置Fl组参数；设置F4-00 F4-04完成控制端子相应功能；设置F4-11 F4-20参数，完成模拟调节或者数字调节功能设置；设置 F5-02输出参数，设置F5-07输出频率显示参数；设置FA组参数的PID功能；通过主控板上跳线的选择模拟输入信号0 IOV或4 20mA的类型。其中R)-02、R)-03、R)-12、R)-14、FI、F4-00 F4-04、F4-11 F4-20、F5-02、F5-07、FA表示功能代码。由整流单元提供的电源为整个综合节电器主控部分提供控制电源，中央控制单元通过外部传感器采样信号或者节电控制模块内部实时采样单元从输出端采样的电压、电流信号，并将功率控制信号提供给功率单元，从而控制功率开关器件的通断实现功率输出，以最大限度减少和削弱输出谐波。而输入端串入的谐波抑制单元可以抑制和削弱变频器产生的回馈电网的IKHz以上的高次谐波，输入端的低次谐波滤波单元可很好的对5次、7次、11次等低次谐波进行抑制，使节电器实现低谐波、低干扰，具体实际效果见表I。表I应用本发明的一实例中节电和谐波抑制效果实测值对比表。
S目* E a 功无 Si Sj宰.5次I次Il次B g含
( ) CA) CCTi (Kw)因数 mm 遺波驗 it* m 372.0 33.71 16224 B.145 <0742 192 CL42 QJl2,26%
15 电 372—47 23.50 1136 1551 0.9S56 66.84 43.94 9,01 77 7 $129%
无 鑛
节 371.08 18,0 11 53 0；J81 09P94 M2 3,76 2.83 L S 獻08%有滤波注表格内的5次、7次、11次、13次谐波均指对应谐波占基波的百分比。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.综合节电器，其特征在于，包括第一运行接触器、节电控制模块、第二运行接触器和输出电抗器，节电控制模块进一步包括中央控制单元、输入电流采样单元、输入电压采样单元、整流单元、功率单元、输出电流采样单元、输出电压采样单元、SPWM控制驱动单元、保护电路、电源单元、PID控制仪和传感器，输出电抗器进一步包括三个电感元件，其中， 第一运行接触器的输入端与三相交流电源连接； 节电控制模块的输入端与第一运行接触器的主触头连接； 节电控制模块的输出端依次通过第二运行接触器的主触头、输出电抗器的三个电感元件与电机的三相交流电源输入端连接， 节电控制模块中，输入电流采样单元连接在节电控制模块的输入端的三相交流电源配电线上，用于采样输入端的电流，并通过中央控制单元的输入电流采样端反馈给中央单元处理； 输入电压采样单元连接在节电控制模块的输入端的三相交流电源配电线上，用于采样输入端的电压，并通过中央控制单元的输入电压采样端反馈给中央单元处理； 整流单元连接在三相交流电源配电线上，用于对三相交流电源进行整流后输出； 功率单元的输入端与整流单元的一路整流输出连接，功率单元的输出端是节电控制模块的输出端； 输出电流采样单元连接在节电控制模块的输出端的配电线上，用于采样输出端的电流，并通过中央控制单元的输出电流采样端反馈给中央单元处理； 输出电压采样单元连接在节电控制模块的输出端的配电线上，用于采样输出端的电压，并通过中央控制单元的输出电压采样端反馈给中央单元处理； 保护电路的输入端与中央控制单元的调频控制输出端连接，保护电路的输出端与SPWM控制驱动单兀的控制输入〗而连接，SPWM控制驱动单兀的控制输出〗而与功率单兀的控制输入立而连接，用于控制功率单兀实现变频功率输出； 电源单元输入端与整流单元的另一路整流输出连接，电源单元输出端与中央控制单元和SPWM控制驱动单元连接，用于提供工作电源； PID控制仪的信号输入端与传感器连接，PID控制仪的信号输出端通过中央控制单元的PID控制输入端与中央控制单元连接，用于PID控制仪将传感器采集反馈的系统实时需求信号发送到中央控制单元处理，实现PID闭环控制； 中央控制器用于实现变频节电控制。
2.根据权利要求I所述的综合节电器，其特征在于，节电控制模块进一步还包括模拟调速单元和数字调速单元，模拟调速单元和数字调速单元分别与中央控制单元连接，用于实现电机的调速。
3.根据权利要求I所述的综合节电器，其特征在于，节电控制模块进一步还包括控制端子单元，控制端子单元设置有启动控制端子、暂停控制端子、复位控制端子、多段速控制端子和故障输出控制端子，与中央控制单元的对应控制输入端连接，用于实现变频节电的手动控制。
4.根据权利要求I所述的综合节电器，其特征在于，节电控制模块进一步还包括键盘显示单元和输出频率显示单元，键盘显示单元和输出频率显示单元分别与中央控制单元连接，键盘显示单元用于进行系统参数设定，输出频率显示单元用于实时显示输出频率。
5.根据权利要求I至4中任一权利要求所述的综合节电器，其特征在于，还包括谐波抑制单元和滤波单元，谐波抑制单元进一步包括三个电感元件，滤波单元进一步包括三个电感元件和三个电容元件，谐波抑制单元和滤波单元位于第一运行接触器与节点控制模块输入端之间，谐波抑制单元用于抑制节电控制模块产生的回馈电网的IKHz以上高次谐波，滤波单元的输入端与谐波抑制单元的输出端连接，用于滤除节电控制模块输入端的5次、7次和11次低次谐波。
6.根据权利要求I所述的综合节电器，其特征在于，还包括市电旁路单元，市电旁路单元跨接在三相交流电源与电动机的三相交流电源输入端之间，市电旁路单元进一步包括旁路接触器，用于在节电控制模块发生故障时，实现市电旁路。
7.根据权利要求5所述的综合节电器，其特征在于，谐波抑制单元的三个电感元件和滤波单元的三个电感元件集成在一个田字型铁心上。
全文摘要
本发明公开了综合节电器，包括第一运行接触器、节电控制模块、第二运行接触器和输出电抗器，节电控制模块进一步包括中央控制单元、输入电流采样单元、输入电压采样单元、整流单元、功率单元、输出电流采样单元、输出电压采样单元、SPWM控制驱动单元、保护电路、电源单元、PID控制仪和传感器，输出电抗器进一步包括三个电感元件。采用了本发明的技术方案，能够有效抑制和滤除削弱因高次谐波及低次谐波所产生的干扰，提高系统功率因数，有效削弱由于采用不可控整流所产生的输出谐波，使节电状态下系统产生的综合谐波在允许范围，减小线路的传输电流和损耗。
文档编号H02M1/12GK102810976SQ201110149328
公开日2012年12月5日 申请日期2011年6月4日 优先权日2011年6月4日
发明者范传伟 申请人:深圳市万禧节能科技有限公司