专利名称：电机运行参数优化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机运行参数优化系统。
背景技术：
众所周知，国民生产及居民生活使用的低压电均是通过变压器把发电站输出的高电压变成低电压，采用高压传送可减少电力远距离输送中的损耗和输电线路的直径，降压后的低压电输送到用户设备端还有不等的距离，还要损耗不等的电能，因此在配电输电的整个过程中，为降低线损、防止高峰时的电压过低，电压很难控制在适合的理想值，终端用电处的电压经常远高于国标的允许偏差值，用电器具经常在电压超额的状态下运行。一般电器设备的铭牌上均标有额定电压、额定电流、额定功率，功率=电压X电流X功率因数，电压超额，电流、功率跟随超额，电流、功率的超额还使电机的温度升高、绝缘老化，故用户端电压超标偏高，既浪费电能，又对电器造成损伤，缩短了使用寿命。一般而言拖动机械旋转的电动机的能量损失包括轴承的机械摩擦损失和电能转变成机械能的电能损失，电机效率n为输出功率P2与电机输入功率Pii比的百分数，n=(P2A31 ) X ιοο%，电机效率与拖动的负载、电机转速和电源的电压、频率等因素直接相关，运行在设计值范围内时效率最高，电源电压高于额定电压时，铁损和铜损均会增加，效率降低。根据电功原理式W=P*T，耗电量等于有功功率乘时间，而P=U*I*C0S(j5 (有功功率等于电压电流功率因数乘积)，故W=U*I*cos φ *τ，所以在时间不变的条件下，削除超标的有害电压、就能达到减少浪费的效果。公式显示，减少耗电量，必须在保证负荷实际所需出力的前提下，消除过高电压引起的额外电流、额外功耗，减少过剩功率Ρ(若不能保证负荷实际出力，不是真正意义上的节能)。基于对这一基本现象和原理的思考，综合生产现场大量存在的三相不平衡、大马拉小车、工艺参数不协调等因素导致电机电能利用效率低下等问题，本发明源于基本，奉献自然，独创出典简单、方案明晰、功能模块化既可全部又可单项实施的不利因素消除思路，具改善电机运行环境，优化电机运行参数，使电机全程、全工况运行于设计高效率区域，动态保持最小有功功率之基本特征，效果远优于当前国际国内低压电机节电技术产品。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供实现思路和一种实现方式削除外部影响因素，动态协调并优化电机运行参数，使得异步拖动电机免受超额、不平衡电压的伤害，保持和机械及工艺状态的呼应，从而消除额外做功、减少传输有功能量、动态在设计参数范围经济运行，既减少由此产生的电能浪费，又保护用电设备，起到节省电能、延长设备寿命的双重作用，并有降低线损、优化周边环境的迭加效应。为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:所述的发明是由相互独立的4项优化功能模块化构成，每项功能均可单独或n项综合应用，与电机和负荷设备或电机构成有机整体；4项功能分别由过压感知元件、平衡感知元件、功率感知元件、工艺感知元件结合运算部件和电力器件模块式实现，可自由组合；过压感知元件优选为FP系列电压变送器部件；平衡感知元件优选为FP系列三个单相电压变送器部件；功率感知元件优选为FP系列有功功率(正弦)变送器部件；工艺感知元件按被拖动设备工艺需要选温度、压力、流量、位移、速度、气味之任意工艺参数传感器部件；运算部件优选单片机或计算机；电力器件优选双向可控硅或固态模块；4项功能的实现思路分别为:
0.消除过高有害电压:在运算部件的内存(设a区)中储存电机经济运行某电压设计值或范围区间，来自电力器件输出端的过压感知元件的输出信号以< 400ms的速率送入运算部件与该设计值或范围区间进行比较运算，若过压感知元件送入的信号值高于该设计值或范围区间某值，就输出-信号至电力器件的控制端，减小电力器件的导通角或进行斩波等处理以0.8v步长降低输出到电机中的电压，依此循环，直至由过压感知元件送入至运算部件的信号值等于储存在运算部件内存a区中的设计值或范围区间某值(精度< 0.8v);当过压感知元件的送入信号值低于运算部件中储存的电机经济运行某电压设计值或范围区间时不作调整；
2).消除相间不平衡电压差:来自电力器件输出端的平衡感知元件的三个单相电压输出信号以< 400ms的速率送入运算部件中进行三个·电压的差值运算，最低相信号值存入内存(设b区)作基准，其它某相信号值若高于此基准值，就输出该相的-信号至电力器件的控制端，减小电力器件中该相调整部件的导通角或进行斩波等处理以0.Sv步长降低该相输出到电机的电压，依此循环，直至其他2相输入至运算部件的电压信号值均等于基准(精度< 0.8v)，三相保持平衡；若三个信号值无数量差异则不作调；
3).有功功率寻优:功率感知元件之有功功率采样信号以<400ms的速率送入运算部件，运算部件中的内存(设c区)η单元动态储存按需更新功率信号瞬时值作为参照值，动态变化的即时值与参照值动态进行比较运算，若即时值高于参照值，就输出+信号至电力器件的控制端，增大电力器件的导通角或作减小斩波等处理以0.8ν步长提高输出到电机的电压，并将提高值存入c区替换前次储存值作为新的参照值，每上调3次执行一次下调，下调后的值与参照值比较，若仍高于参照值继续上调，若即时值低于参照值，就输出-信号至电力器件的控制端，减小电力器件的导通角或作加大斩波等处理以同等步长降低输出到电机的电压，同时将降低值存入c区替换前次储存值作为新的参照值，若即时值等于参照值(精度彡2w)则不作调整和替换；
4).使拖动系统运行于任意工艺最佳状态:工艺感知元件的工艺参数采样信号以变送器速率送入运算部件，运算部件的内存(设h X区)中存有相应的工艺参数最佳值表，动态变化的工艺信号值与参数表的相应最佳值动态进行对照比较，若信号值高于最佳值，就输出-信号至电力器件的控制端，减小电力器件的导通角或进行斩波等处理以0.Sv步长降低输出到电机中的电压；若信号值低于最佳值则输出+信号作反向调整；当输入至运算部件的信号值等于最佳值(精度< 0.2%)时不作调整；若工艺需要按曲线变化，则按相应的规则读取相应的参数表内容，控制参数作相应的变化。上述由过压感知元件、平衡感知元件、功率感知元件、工艺感知元件中的全部或η元件有机结合运算部件、电力器件模块式完成4项优化功能，综合或单项应用于电机及负荷设备或应用于电机，分别构成性能不等的电机运行参数优化系统，故本发明实质上是4项发明的综合应用与一体申报。
实现思路是唯一的，实现方式或方法可有N种，本发明完全可按某方式、某分辨率、某速率、某步长、某精度进行综合或单项优化应用于电机和负荷设备或应用于单电机构成性能不等的电机运行参数优化系统，因此，本发明包含全部或η项应用，或改换名称、变换元件、以u方式V分辨率X速率y步长ζ精度进行处理的应用。本发明的有益效果:是从源头和本质上优化了电机的运行参数且保持全程最优，不但可节省大量的电能消耗，且能有效保护设备的安全，延长设备使用寿命，从原理上满足电机拖动恒功率型、恒转矩型、离心机型等各类不同负荷力矩机械特性动力设备的各种要求，有功功率根据被拖动设备的瞬时负荷功率动态调整，运行功率随设备负荷的改变同步变换，自动调整至电机机械特性与负载转矩特性的最佳平衡点，电能消耗始终处于有功功率最适状态，动态运行于电机设计参数值能达到之最高效率区域，此外，还可有效减少电机温升和机械噪声，保护周边环境。本发明的另一意义，是替换当前大量安装但未调速或工艺不允许调速之电机设备上的变频器，不但可明显提高此类设备的电能转换效率，从另一角度减少电力浪费，还可消除或减少因变频设备大量投用而生成并混入电网的高幅谐波，优化电网电源质量，改善接在同电网的其他用电设备的电源品质，提高同网用电设备的电能利用率，延长同网设备的使用寿命；因而，本发明具广泛的、深远的多种意义，能源效益、经济效益、综合效益十分显著，还将有助于在电力拖动设备领域建立正确的节能概念。
图1为本发明4项功能六大部件所构成的全部功能应用于电机及荷载设备上的系统不意图。图中:1-电网电源，2-过压感知元件，3-平衡感知元件，4-功率感知元件，5-工艺感知元件，6-运算部件，7-电力器件，8-电机，9-荷载设备。
具体实施例方式下面结合附图1对本发明的具体实施方式
做一个详细的说明。系统框架构成说明:
过压感知并消除:优化电机经济运行的第一要素，自动跟踪电网供电电压并进行控制调节，消除过高有害电压，将输入到电机端的电源电压始终控制在国家标准范围内的某一设定值或范围区间，保障电机始终动态经济运行于设计额定电压值之高效区域范围；与此同时在电网过电压控制调节过程中，同步削减过压谐波成份，减少了电机输入电源中的高次谐波含量，从另一内涵改善了电能质量，减少了因多数谐波转矩方向与基波转矩方向相反而引起的电机磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗等多种损耗的增加因素。平衡感知并消除:动态测量三相电压不平衡度，消除相间不平衡电压差，以电压最低一相的值为基准，将其他2相调整到此值，达到三相平衡；从另一方面提高供电质量，使其符合电机经济运行条件，消除电机运行中的电能损耗第二上升因素和不安全因素，进一步提高电机运行效率，保障电机安全、经济运行。功率感知和寻优:自动跟踪有功功率并动态调节，始终将运行有功功率保持在与负荷相应值，从第三层次提高电机运行效率，保障电机安全运行，并且使电机能适应负荷设备不同功率、满足恒力矩、恒功率、变功率等不同负荷类型机械的不同要求，并动态于高效率区域经济运行，从根本上解决了电机额定功率与设备出力不相称问题，从过程上优化了电机的运行参数、从性质上消除了电感电路电流与有功电能非线性相关运行电流值不佳而导致的额外能源浪费内因，从最大程度上节约了电力资源，有效地提高了从供电线路一电动机一被拖动机械设备的由若干设备和部件构成的的整个电力拖动系统的电能利用效率。工艺感知及优化:在电力拖动控制之电子电力器件非变频领域应用温度、压力、流量、位移、速度、气味等各种工艺参数，根据被拖动之机械设备的生产工艺需求将传感器工艺信号经运算后进行调节 ，使电机运行于任意工艺要求最佳状态，此功能在可控制工艺参数的设备上使用，可使装有本优化器的电机替换现大量使用的变频调速电机，解决变频调速的实质是降频运行使电机偏离设计参数因而系统效率下降电机损耗实际值呈现上升的本质不足，既可提高原使用变频器调速之相当数量电机和安了变频器不调速或不能调速之电机的工作效率，从另一范围减少电力損耗，并可消除这部分变频源产生的高含量高次谐波，净化电网，从而改善接在同电网的其他用电设备的电源质量，提高其他用电设备的电能利用效率，社会能源效益显著。下面以应用FP系列变送器为例，论述本系统的实施方案:
功能一，消除过高有害电压:思路实现图框中的过压感知元件2采用FP系列电压变送器(特制变送器厚膜电路，采用ASIC芯片、配套超线性电压互感器等进口散件，集成化程度高，工作可靠，具优异的温度特性和长期稳定性，良好的抗电冲击性能和过载能力，准确度等级0.2%，长期稳定度彡±0.2%/年，无累计误差，温度影响:彡100ppm/°C，响应时间< 400ms，工作频率标称频率±10%，电压最大2倍连续，不需经常校验和维护、符合IEC、ANS1、BEAMA等相关标准要求)，变送器输入来自图框中的电力器件7由双向可控硅或固态模块等调压器件构成的电力调整部件的输出端，输出的2mA 5mA高水准精确度高线性度的电压采样信号送入图框中的运算部件6，运算部件6为工业级单片机或计算机确保长期稳定高可靠性运行，在单片机或计算机中储存有国家电网供电技术标准电压偏差允许值土5 %范围内的某一设定值或区间范围，例380v或375v 385v，该设定值或区间范围某值与以< 400ms的速率输入的电压采样信号进行比较运算，若电压信号值高于设定值或区间范围的某值，就输出-信号至图框的电力器件7调整部件(由双向可控硅或固态模块等调压器件构成)的控制端，减小电力器件7的导通角或进行斩波等处理以0.Sv步长降低输出到图框中电机8的电压，如此循环，直至输入至运算部件6的信号值等于运算部件6中的设定值或区间范围某值(精度< 0.8v);在电网电压低于设定值的时段不作调整，保证输入到电机电源端的工作电压在任意时间内均在设计参数的最佳经济运行范围；
同理，在电网过电压的消除过程中，同时消除了混入电网的过压谐波成份。功能二，消除相间不平衡电压差:图框中的平衡感知元件3采用3个FP系列单相电压变送器，将FP系列单相电压变送器的输入接自图框中的电力器件7由双向可控硅或固态模块等调压器件构成的电力调整部件的输出端，3个相电压信号送入图框中运算部件6的由单片机或计算机构成的运算部件6，进行3个电压的差运算，最低相值存入内存(设b区)作基准，若其它某相信号值高于此基准值，就输出该相的-信号至图框电力器件7的由双向可控硅或固态调压模块等调压器件构成的电力调整部件的控制端，减小电力器件7中该相调整部件的导通角或进行斩波等处理以0.Sv步长降低该相输出到图框中电机8的该相电压，直至输入至6的其他2个信号值均等于基准(精度< 0.8v);三相保持平衡；若3个信号无数量差异则不作调整，依此循环，保证输入到电机电源端的电压量值在任意时间内均保持二相平衡。功能三，自动寻优有功功率:将图框中的功率感知元件4采用FP系列有功功率(正弦)变送器，采样信号送入图框中运算部件6的由单片机或计算机构成的运算部件，运算部件6中辟一储存单元动态储存功率信号瞬时值，并以前次储存值为参照值，动态变化的即时值与参照值不断进行比较运算，若即时值高于参照值，就输出+信号至电力器件7的控制端，增大电力器件7的导通角或减小斩波等处理以0.8v步长提高输出到电机8的电压，并将此值替换前次储存值作为新的参照值，每上调3次执行一次下调操作，下调后的值与参照值比较，若仍高于参照值继续上调，若即时值低于参照值，就输出-信号至电力器件7的控制端，减小电力器件7的导通角或加大斩波等处理按同一步长降低输出到电机8的电压，将降低值替换前次储存值作为新的参照值，若即时值等于参照值则不作调整(精度< 2w)，值不替换，依此循环，使电机运行有功功率在任一时间、任一工况下均在最相宜状态。功能四，使系统运行于任意工艺最佳状态，将图框中工艺感知元件5采用温度、压力、流量、位移、速度、气味等具体的工艺参数传感器，采样信号按变送器速率送入图框中的运算部件6，运算部件6中的相应内存区中存有相应的工艺参数最佳值表，动态变化的信号值与参数表进行对照比较，若信号 值高于最佳值，就输出-信号至图框中电力器件7的控制端，减小电力器件7的导通角或进行斩波等处理以0.8v步长降低输出到图框电机8中的电压，若即时值低于最佳值则输出+信号作反向调整；输入至运算部件(6)的信号值等于最佳值时(精度< 0.2%)不作调整；依此循环，使电机与任意工艺的任意参数要求动态匹配，且电机效率动态最高。工艺需要按曲线变化的设备，则按相应的规则读取相应的参数表内容，控制参数作相应的变化。运用电机运行参数优化系统(单项功能一)后的一些数据说明实例:
搭接了功能一所述的消除过高电压，将输入电机的电源电压控制在国标设定值，保障电机运行于额定电压设计值之高效区范围的过电压优化控制电路；在额定功率为55kw、实际功率在40.5 45.78kw范围，负荷率为0.74 0.83的真空泵拖动电机上，采用有功电能表为计量表进行了实际节电效果测试，对网电、优化二种工况状态以生产相同产品、不间断连续运行为条件分别记录各72小时，结果值为网电状态累计电量3296kwh，平均功率45.78kw ;优化状态累计电量2916kwh，平均功率40.51^，节电率11.452 % ;又在额定功率为75kw、实际功率在64.97 71.56kw范围，电机负荷率为0.86 0.85的设备上以单位产品电耗为标准进行记录对比，结果值为网电状态下电耗为30.707 kwh / t;优化状态下电耗为28.101 kwh / t ;节电率为8.49 % ;由此，本发明的节能价值可见一斑；从客观实际角度，目前为止出现的电机类节电装置，在电机负荷率> 0.7的状况下，已基本失去节电能力，若安装使用会因自身损耗因素而使电能消耗只增不减。可以预计，本优化系统的4项功能全部应用后，实际效果将更为显著。本优化系统的4项优化功能，实质上是4个单项发明的综合应用与一体申报，它们的实现思路是本发明的价值核心；实现思路是唯一性的，实现方式或方法可有N种，本发明权利要求书中所述的元件、速率、步长、精度等仅为优选，不为必选，不论以何种方式或方法实现所述思路，包括仅采用实现思路其中之一，不使用优选元件的技术方案或产品，均在本发明的保护范畴之列；包括即使将本发明的名称彻底变换，只要是采用了本发明公布的4项实现思路之一项的技术方案或产品，均不脱离本发明的专有范畴，仍为法律的有效保护范围；运用电机运行参数优化系统(单项功能一)后的一些数据说明实例，清楚地表明了这个定义。
权利要求
1.电机运行参数优化系统，其特征是由相互独立的4项优化功能模块化构成，每项功能均可单独或η项综合应用，与电机(8)和负荷设备(9)或单独电机(8)构成有机整体；4项功能分别由过压感知元件(2)、平衡感知元件(3)、功率感知元件(4)、工艺感知元件(5)结合运算部件(6)和电力器件(7)模块式实现，可自由组合；过压感知元件(2)优选为FP系列电压变送器部件；平衡感知元件(3)优选为FP系列三个单相电压变送器部件；功率感知元件(4)优选为FP系列有功功率(正弦)变送器部件；工艺感知元件(5)按被拖动设备工艺需要选温度、压力、流量、位移、速度、气味之任意工艺参数传感器部件；运算部件(6)优选单片机或计算机；电力器件(7)优选双向可控硅或固态模块；4项功能的实现思路分别为: 0.消除过高有害电压:在运算部件(6)的内存(设a区)中储存电机经济运行某电压设计值或范围区间，来自电力器件(7)输出端的过压感知元件(2)的输出信号以< 400ms的速率送入运算部件(6)与该设计值或范围区间进行比较运算，若过压感知元件(2)送入的信号值高于该设计值或范围区间某值，就输出-信号至电力器件(7)的控制端，减小电力器件(7)的导通角或进行斩波等处理以0.8v步长降低输出到电机(8)中的电压，依此循环，直至由过压感知元件(2)送入至运算部件(6)的信号值等于储存在运算部件(6)内存a区中的设计值或范围区间某值(精度< 0.8v);当过压感知元件(2)的送入信号值低于运算部件(6)中储存的电机经济运行某电压设计值或范围区间时不作调整； 2).消除相间不平衡电压差:来自电力器件(7)输出端的平衡感知元件(3)的三个单相电压输出信号以< 400ms的速率送入运算部件(6)中进行三个电压的差值运算，最低相值存入内存(设b区)作 基准，其它某相信号值若高于此基准值，就输出该相的-信号至电力器件(7)的控制端，减小电力器件(7)中该相调整部件的导通角或进行斩波等处理以0.Sv步长降低该相输出到电机(8)的电压，依此循环，直至其他2相输入至运算部件(6)的电压信号值均等于基准(精度< 0.8v)，三相保持平衡；若三个信号值无数量差异则不作调整； 3).有功功率寻优:功率感知元件(4)之有功功率采样信号以<400ms的速率送入运算部件(6)，运算部件(6)中的内存(设c区)η单元动态储存按需更新功率信号瞬时值作为参照值，动态变化的即时值与参照值动态进行比较运算，若即时值高于参照值，就输出+信号至电力器件(7)的控制端，增大电力器件(7)的导通角或作减小斩波等处理以0.Sv步长提高输出到电机(8)的电压，并将提高值存入c区替换前次储存值作为新的参照值，每上调3次执行一次下调，下调后的值与参照值比较，若仍高于参照值继续上调，若即时值低于参照值，就输出-信号至电力器件(7)的控制端，减小电力器件(7)的导通角或作加大斩波等处理以同等步长降低输出到电机(8)的电压，同时将降低值存入c区替换前次储存值作为新的参照值，若即时值等于参照值(精度< 2w)则不作调整和替换； 4).使拖动系统运行于任意工艺最佳状态:工艺感知元件(5)的工艺参数采样信号以变送器速率送入运算部件(6)，运算部件(6)的内存(设h X区)中存有相应的工艺参数最佳值表，动态变化的工艺信号值与参数表的相应最佳值动态进行对照比较，若信号值高于最佳值，就输出-信号至电力器件(7)的控制端，减小电力器件(7)的导通角或进行斩波等处理以0.Sv步长降低输出到电机(8)中的电压；若信号值低于最佳值则输出+信号作反向调整；当输入至运算部件(6)的信号值等于最佳值(精度< 0.2%)时不作调整；若工艺需要按曲线变化，则按相应的规则读取相应的参数表内容，控制参数作相应的变化。
2.根据权利要求1所述的电机运行参数优化系统，其特征是由过压感知元件(2)、平衡感知元件(3)、功率感知元件(4)、工艺感知元件(5)中的全部或η元件有机结合运算部件(6)、电力器件(7 )模块化综合或单项构成优化系统。
全文摘要
本发明涉及一种电机运行参数优化系统。所述的发明是由相互独立的4项优化功能模块化构成，4项功能分别由过压感知元件、平衡感知元件、功率感知元件、工艺感知元件结合运算部件和电力器件模块式实现，可自由组合；过压感知元件优选为FP系列电压变送器部件；平衡感知元件优选为FP系列三个单相电压变送器部件；功率感知元件优选为FP系列有功功率(正弦)变送器部件；工艺感知元件按被拖动设备工艺需要选温度、压力、流量、位移、速度、气味之任意工艺参数传感器部件；运算部件优选单片机或计算机；电力器件优选双向可控硅或固态模块。本发明不但可节省大量的电能消耗，且能有效保护设备的安全，延长设备使用寿命。
文档编号H02J3/12GK103151778SQ201310114318
公开日2013年6月12日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者鲍其新 申请人:鲍其新