一种模块式智能高效节能控制型异步电动机的制作方法

本发明涉及一种模块式智能高效节能控制型异步电动机，在传统电动机基础上，将双闭环控制的降压节能、软启动及综合保护控制融入电动机本体，使电动机具有自带软起动、自带负载跟踪降压节能及综合保护的一种新型电动机。

背景技术：

由于能源紧缺，我国也从70年代开展了节电技术的研究，但这些传统的节电技术主要功能局限在变频、调整电压以及无源滤波上。由于传统的节电技术存在很多局限性，如只针对可调速电机，产生大量的奇次谐波，对客户的用电安全存在隐患，所以一直没有得到大面积的推广。目前，国内电动机节电产品的研究非常活跃，但真正形成规模和品牌、具有技术实力的企业并不多，在产业化方面也不是很理想，好多都是代理国外公司的产品，市场的大部分被国外公司所占据。因此，为了加快国内节电产品的发展，在国家“十一五”计划中，电动机系统节能方面的投入高达500亿元左右，重点推广高效节能电动机、稀土永磁电动机，在煤炭、电力、有色、石化等行业实施高效节能风机、水泵、压缩机系统优化改造，推广变频调速、自动化系统控制技术,如果使电动机运行效率提高2%，年节电就可达200亿千瓦时。由系统节电技术和专用节电技术组成的新型节电技术以其安全、经济、有效的特点逐渐取代了传统节电产品，产生了巨大的经济效益和社会效益，得到了大量客户的认可。

国际上技术领先的国家已大量采用电力电子技术、计算机技术、传感技术改造电动机节能产品，开发出一批机电一体化、智能化的电动机专用节能产品。随着微处理器性能的提高和工业应用的日益成熟，使用一套装置同时对电动机的启动降耗及节能经济运行进行智能控制有了实现的可能，且智能化控制更能适应现代工业自动控制的要求，因此，电动机节能产品与控制系统的发展方向是：集成化、智能化、通用化和信息化，为此本发明提出一种模块式智能高效节能控制型异步电动机，在传统电动机设计基础上，将双闭环控制的降压节能、软启动及综合保护控制融入电动机本体，使电动机具有自带软起动、自带负载跟踪降压节能及综合保护的新型电动机。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供在传统电机基础上实现一体式的节能控制电动机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模块式智能高效节能控制型异步电动机,包括电机主体、智能控制板、保护罩、三组可控硅、风扇及主电源接线盒；所述智能控制板、保护罩、三组可控硅、风扇和主电源接线盒均安装在电机主体上，所述智能控制板包括三相电流检测电路、显示电路、看门狗电路、按键电路、微处理器电路、温度检测电路、三相可控硅驱动电路、三组可控硅、同步信号电路、三相电压输入电路、起停控制电路；三相电流检测电路的输入端与微处理器电路的A/D端连接；温度检测电路输入端与微处理器电路的A/D端连接；显示电路的输入端与微处理器电路的I/O口连接；看门狗电路和按键电路的输出端分别与微处理器电路的I/O口连接；三相可控硅驱动电路的输入端与微处理器电路的I/O口连接；三相可控硅驱动电路的输出端与三组可控硅对应的触发端连接；同步信号电路的输入端与三相电压输入电路的输出端连接；同步信号电路的输出端与微处理器电路的I/O口连接；三相电压输入电路的输出端同时与三组可控硅输入端连接；三相电压输入电路的输入端与三相电源连接；三组可控硅的输出端与异步电动机的电源端连接。

优选的，温度检测电路采用温度继电器，固定在可控硅散热面上，当可控硅表面大于85℃时，停止电机运行。

优选的，智能控制板嵌入在所述电机本体上，采用电流环和功率因数环，将实测功率因数值，并结合实测电流值作为控制参量，通过模糊自整定PID控制算法，用于变载时，快速抑制电流波动，时间小于80毫秒，实现电流值的稳定控制，电流波动小于1%，使模块式智能高效节能控制型异步电动机具备自带电机降压控制、软启动控制及综合保护控制于一体。

优选的，三组可控硅采用双并联反向连接，利用双窄脉冲控制双向反并联可控硅快速触发，解决电机交流调压问题。

优选的，风扇固定在电机端部，电机主体和三组可控硅公用专用散热通道，确保电机及功率器件散热充分，延长电动机使用寿命。

优选的，智能控制板采用三相电流检测电路可获得电机运行的实际电流值，并借助钳型电流表测得的实际电流值，将钳型电流表测得的电流值通过按键电路输入到微处理器电路，利用电流设定值与测量值比对，实现智能控制板对电动机负载的识别，使智能控制板适用于15-315KW任意功率大小的异步电机控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明的模块式智能高效节能控制型异步电动机，是将电机主体与智能控制板进行一体化设计，将降压节能、软启动及综合保护控制融入电动机本体，使电动机具有自带软起动、自带负载跟踪降压节能及综合保护的新型电动机。

（2）本发明的模块式智能高效节能控制型异步电动机，智能控制板适用于15-315KW任意功率大小异步电机的控制，电机节电率高达15-50%。

附图说明

图1为本发明的模块式智能高效节能控制型异步电动机原理结构图；

图2为本发明的智能控制板原理结构图；

图3为本发明的可控硅调压时输出电压、电流波形图；

图4为本发明的模糊自整定PID控制器的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：本实施例的一种本发明提供了一种模块式智能高效节能控制型异步电动机，包括电机主体1、智能控制板2、保护罩3、三组可控硅4、风扇5、主电源接线盒6；智能控制板2、保护罩3、三组可控硅4、风扇5和主电源接线盒6均安装在电机主体2上，构成一体式异步电动机。

见图2所示，智能控制板2包括三相电流检测电路、显示电路、看门狗电路、按键电路、微处理器电路、温度检测电路、三相可控硅驱动电路、三组可控硅、同步信号电路、三相电压输入电路、起停控制电路；三相电流检测电路的输入端与微处理器电路的A/D端连接；温度检测电路输入端与微处理器电路的A/D端连接；显示电路的输入端与微处理器电路的I/O口连接；看门狗电路和按键电路的输出端分别与微处理器电路的I/O口连接；三相可控硅驱动电路的输入端与微处理器电路的I/O口连接；三相可控硅驱动电路的输出端与三组可控硅4对应的触发端连接；同步信号电路的输入端与三相电压输入电路的输出端连接；同步信号电路的输出端与微处理器电路的I/O口连接；三相电压输入电路的输出端同时与三组可控硅4输入端连接；三相电压输入电路的输入端与三相电源连接；三组可控硅4的输出端与异步电动机的电源端连接。

见图3所示，由于异步电动机是感性类负载，从电力电子学相关知识中我们知道，当交流调压电路带感性类负载时，只有当移相角(即可控硅的触发角)大于感性负载的功率因数角时，才能起到调压的作用。因为当时，电流导通时间 (即可控硅的导通角)将始终保持在180°，相位控制不起任何调压作用，甚至在可控硅触发脉冲不够宽的情况下，还可能出现只有一个方向的可控硅在工作，负载上将出现直流分量，危及可控硅的安全。因此在使用相控调压技术时可控硅电路的移相范围应当限制在<180°的范围内,触发角、导通角、功率因数角三者之间的关系为:

在可控硅调压电路中，可控硅可以借助负载电流过零自行关断，而不需要外加换流电路，所以具有电路简单、调压装置体积小、价格低廉、使用及维护方便等优点。

由图3可以看出，交流调压电路的输出电压有效值取决于可控硅导通角的大小，所以通过改变的大小，就可调节输出到电动机的端电压。

由可控硅相控调压的原理得出：可控硅的导通角的大小决定了可控硅的输出电压，即加载在电动机端的电压。一般对双向可控硅正负半周的触发是对称的，所以可控硅的输出电压有效值可由下式计算得到。

其中，为三相电源相电压的有效值。

通常对于恒定的负载阻抗，是常量，只要调整可控硅的触发角就可以改变可控硅的导通角，达到控制可控硅的输出电压有效值的目的。但对于电机类负载，由于扰动时刻存在，负载阻抗总有些微小的变化，所以电动机的功率因数角是不断变化的，此时可控硅的输出电压有效值就与可控硅的触发角和电动机的功率因数角均有关。

可见，可控硅的输出电压有效值是触发角和功率因数角的函数。原来按恒定的负载阻抗得出的控制规律就不再适用，三者相互之间的关系给系统的降压节能控制带来了困难，导致控制规律变得复杂。如果对可控硅触发角的调节没有及时跟随功率因数角的变化，就有可能导致异步电动机电磁转矩的振荡，进而引起电动机电枢电流和输出电压的振荡。

温度检测电路采用温度继电器，固定在可控硅散热面上，当可控硅表面大于85℃时，停止电机运行。

见图4所示，智能控制板嵌入在异步电动机本体上，采用电流环和功率因数环，将实测功率因数值，并结合实测电流值作为控制参量，通过模糊自整定PID控制算法，用于变载时，快速抑制电流波动，时间小于80毫秒，实现电流值的稳定控制，电流波动小于1%，使模块式智能高效节能控制型异步电动机具备自带电机降压控制、软启动控制及综合保护控制于一体。

模糊自整定PID控制算法是在传统的PID控制算法的基础上，通过计算当前系统误差信号和误差变化率信号，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。

模糊自整定PID控制器通常以系统误差信号和误差变化率信号作为输入。在系统运行过程中通过不断检测误差，从而计算出误差变化率，找出PID三个参数、、与误差和误差变化率之间的模糊关系，根据模糊控制原理来对、、三个参数进行在线修改，从而满足不同时刻的和对PID参数自整定的要求，使被控对象具有良好的动、静态性能。

利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了模糊自适应PID控制器。由于模糊控制器的结构对受控系统的性能有很大影响，因而必须根据受控对象的具体情况，合理地选择模糊控制器的结构。

模糊控制器结构的选择就是确定模糊控制器的输入变量和输出变量，在本设计中，模糊控制器的结构采用二输入，三输出结构，选取误差信号和误差变化率信号作为模糊控制器的输入变量，PID控制器的三个调节参数、、作为模糊控制器的输入变量。输入变量和经量化和模糊化后，查询模糊控制规则表，得到输出量、、，再经解模糊和量化因子输出精确量，并将该输出量与传统PID控制器相结合，就可以输出系统的控制量。

根据上述原则，在本发明中，输入语言变量和的模糊集论域均设为{-3，-2，-1，0，1，2，3}；输出语言变量的模糊集论域设为{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，的模糊集论域设为{-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，的模糊集论域设为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，取相应论域上的语言值为：{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。考虑到对论域的覆盖程度及灵敏度、鲁棒性和稳定性等原则，各模糊子隶属度函数均采用三角形隶属函数。

模糊控制规则采用“If (e is A) and (ec is B) then (kp is C)(ki is D)(kd is E)”的方式，根据PID参数调整原则，输出变量PID三个调整参数、、的一轮决策将最多涉及147条推理规则。考虑系统实时性要求，以及考虑微处理器电路的运算速度和内存空间的限制，本系统最终只选取49条推理规则。

三组可控硅采用双并联反向连接，利用双窄脉冲控制双向反并联可控硅快速触发，解决电机交流调压问题。

风扇固定在电机端部，电动主体和三组可控硅公用专用散热通道，确保电机及功率器件散热充分，延长电动机使用寿命。

智能控制板采用三相电流检测电路可获得电机运行的实际电流值，并借助钳型电流表测得的实际电流值，将钳型电流表测得的电流值通过按键电路输入到微处理器电路，利用电流设定值与测量值比对，实现智能控制板对电动机负载的识别，使智能控制板适用于15-315KW任意功率大小的异步电机控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。