三相交流高压异步电动机自动节能系统的制作方法

本实用新型涉及一种电动机自动节能系统，特别是涉及一种三相交流高压异步电动机自动节能系统的技术方案，属于节能与自动控制技术领域。

背景技术：

高压电动机是指额定电压在1KV以上的电动机，常使用的是6KV和10KV电压，由于国外的电网不同，也有3.3KV和6.6KV的电压等级。高压电动机可用于驱动各种不同的机械，如压缩机、水泵、机床、运输机械及其他设备，供矿山、机械工业、石油化工工业、发电厂等各种工业中作原动机用。据有关资料显示，我国各种电动机的总耗电量约占全国总消费电量的60％以上，且其中高压电动机与低压电动机在容量(KV)上的比例为6∶4。由此可见，高压电动机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备，并且面对不可再生的一次能源，如煤、石油、天然气等资源的枯竭，我们更要致力于高压异步电动机的节能研究。目前在高压异步电动机的节能技术中应用较为广泛的是变频调速，而变频器造价高，且其受原理所致，工作中不可避免地会产生很大的谐波干扰，其中高次谐波对电动机的温升和运行效率会造成较大的影响，进而也会影响到电动机的使用寿命。

基于上述变频调速的缺陷，本实用新型提出一种适于三相交流高压异步电动机的自动节能系统，该系统主要采用降压变压器、信号采集电路、控制电路和升压变压器实现高压电动机的节能运行。其中降压变压器用于将供电侧的高电压降为中低压开关工作范围内的电压(如 0.4KV、0.66KV、1.14KV)，信号采集电路用于实时采集电动机运行中的功率因数，控制电路将实际采集的功率因数与设定的基准值比较，由比较结果给出电动机的工作电压选择信号，升压变压器为多抽头形式，可实现电动机工作电压的多级选择。由此可实现高压异步电动机的工作电压随其负载实时变化，提高了电动机的工作效率，达到了高效节能的目的。

技术实现要素：

本实用新型是为解决高压电动机能耗大，而变频调速谐波大、成本高、影响电动机使用寿命等问题而发明设计的。三相交流高压异步电动机自动节能系统主要由降压变压器，信号采集电路，控制电路和升压变压器构成。其中降压变压器用于将高压供电侧高电压降为中低压，而升压变压器再将中低压升到高压电动机所需的高电压范围，该升压变压器原边为由多组独立绕组构成的多抽头形式，且各组绕组间均由开关连接，开关可以选择性能可靠、反应迅速的有触点机械开关，也可以选择无触点的电子开关，例如：IGBT、可控硅、达林顿管等，副边线圈匝数固定，按需要合理设计各组变比，可实现电压的阶跃调节。

该实用新型的降压变压器将高电压降为中低压开关工作范围内的电压(如0.4KV、 0.66KV、1.14KV)，这样易于高压电动机工作电压的调节。

该实用新型的升压变压器原边由多组独立绕组构成，各绕组间异名端由开关顺次连接，感应压降最低，使得调压过程更加安全，不易发生打火现象；开关可选用有触点机械开关或者无触点电子开关，如IGBT、可控硅、达林顿管等。这样，升压变压器分接开关、信号采集电路、控制电路均工作在中低压侧，对于电器件的选择范围更宽、电压控制更加安全、灵活、方便。

该实用新型的信号采集和控制电路分别实现功率因数的采集和高压电动机的工作电压切换的功能。其中信号采集电路采集的是高压电动机的工作电压和电流，由电压、电流的波形变换获取二者的相位差，然后转换为功率因数有效值。控制电路是将信号采集电路获得的电动机实际功率因数与设定值比较，如果实际值大于设定值，说明电动机负荷较大，需要更大的工作电压，这时需要切换到较高的工作电压档位；如果功率因数实际值小于设定值，则说明电动机此时负荷较轻，工作电压较大，电能利用率较低，这时则需要切换到较低的工作电压档位，使其功率因数提升。如上所述，即可通过功率因数的比较输出升压变压器原边各分接开关的选通信号，进而实现高压电动机工作电压的切换。

本实用新型的有益效果：

1.降压变压器可实现高压变换到中低压开关工作范围内的电压(如0.4KV、0.66KV、 1.14KV)，这样升压变压器的分接开关均工作在中低压侧，使其在选型和工作上比较方便、灵活和安全；

2.实时采集高压电动机运行功率因数，由功率因数确定电动机的工作电压，进而实现“所供即所需”的最佳节能效果；

3.升压变压器各组分接开关间逻辑控制上为互锁关系，这样能够使得电压档位切换过程更具有安全性，可避免变压器绕组间发生短路故障；

4.升压变压器原边各分接开关具有多种选择性，可选用工作寿命长，动作迅速的接触器、继电器等高可靠性的有触点机械开关，也可以选用体积小、反应速度快的可控硅、IGBT、达林顿管等无触点电子开关；

5.升压变压器原边各组线圈间由开关连接，各组线圈输入侧通过常开开关与电网连接，可有效避免电压变换过程中的大电压和冲击电流的产生；

6.升压变压器原边相邻绕组的异名端相连，感应压降最低，使得电压切换过程更加安全，不易发生打火现象。

附图说明

图1为三相交流高压异步电动机自动节能系统的组成结构图。

其中：C1为降压变压器；C2为升压变压器；M为高压电动机。

图2为升压变压器原理图。

其中：C2为升压变压器；u_i为输入电压；u₀为变压器副边电压；u_out为变压器总输出电压；N11、N12、N13、N14为变压器原边绕组；N20为变压器副边绕组；K11、K12、K13、 K14、K15、K16、K17为变压器原边各绕组分接开关；L为火线；N为零线。

图3为信号采集电路原理图。

其中：IB0为采集的电流信号；PE为接地信号；HG-I为电流互感器；IB为变换后的电流信号；UB、UC为采集的线电压信号；HG-V为电压互感器；UBC为变换后的线电压信号； CR为清零信号；X1为电压与电流的相位差信号；COSUI为X1的反向；Vout为功率因数的有效值。

图4为窗口比较电路原理图。

其中：LU为功率因数设定值的上限；LD为功率因数设定值的下限；L为功率因数实际值与设定值上限的比较结果；H为功率因数实际值与设定值下限的比较结果；CPU为加计数信号；CPD为减计数信号；RD为延时信号；Q1、Q2分别为减计数停止和加计数停止信号； CPA为某一频率的方波信号。

图5为加减计数-电压档位切换控制电路原理图。

其中：K1、K2、K3、K4为升压变压器四个电压档位的控制信号。

图6为电流零点检测电路原理图。

其中：I0为采集的电流信号；I1为I0变换后的电流方波信号；I为电流过零点信号。

图7为升压变压器分接开关触发电路原理图。

其中：JN为节能信号；QL为JN的反向；QI1～QI4为分接开关触发信号。

上述附图中：R_XX代表电阻；C_XX代表电容；D_XX代表二极管；IC_XX代表集成电路。并且各图中标号一致的部分均代表相同的信号。

具体实施方式

下面将配合附图对本实用新型做详细说明。本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。

本实用新型是为解决交流高压异步电动机应用量大、使用广泛、耗能量高，且长期处于低效率、低功率因数的欠载运行状态而造成电能浪费十分严重的问题而提出的。该实用新型主要由降压变压器，信号采集与控制电路，以及升压变压器构成。

如图1所示为三相交流高压异步电动机自动节能系统的组成结构图，其中C1为降压变压器，负责将供电侧的高压降为中低压开关工作范围内的电压(如0.4KV、0.66KV、1.14KV)，这样使得控制电路中的电压控制更安全、方便，电气控制器件的选择更加灵活。信号采集与控制模块用于实时采集高压电动机运行的功率因数，然后将功率因数实际值和设定值进行比较，进而输出升压变压器的各分接开关的控制信号，即电压档位选择信号。

C2为升压变压器(C2只是一相变压器，该实用新型实际应用的三相变压器原理与其完全一致)，如图2所示，其原边可由多个独立绕组(这里以N11～N14四组绕组为例)通过分接开关(K11～K17)顺次连接，由控制电路输出其各分接开关的控制信号，即实现高压电动机工作电压的切换。此处的分接开关类型不受限，可以是接触器等的高性能机械开关，也可以是可控硅、IGBT、达林顿管等的电子开关。根据实际需要，原边各绕组的匝数可任意设计，当变比选为N11/N20时，需由控制电路控制开关K11闭合，其他开关断开；当变比选为 (N11+N12)/N20时，需要首先断开开关K11，然后同时闭合开关K12和K13；接着当变比继续增大为(N11+N12+N13)/N20时，同理需要断开K13，然后同时闭合K15、K14、K12；变比增至最大(N11+N12+N13+N14)/N20时，需先断开K15，再同时闭合K12、K14、K16、 K17。在电压档位切换过程中，开关K11、K13、K15、K17需为互锁，同一时刻最多只能有一个为闭合状态，其他均断开，并确保每次切换时，先断开开关，再闭合相关开关，这样可有效避免发生匝间短路。由图2可知，升压变压器总输出u_out＝u_i+u₀，且原边匝数越多，升压越慢，即输出电压越低；

下面将通过具体的电路图说明信号采集与控制电路的工作原理。

1.信号采集电路

如图3所示，采集电动机运行中的电流信号IB0，首先经过精密电流互感器HG-I，再通过并联电阻R1将电流信号转换为电压信号，然后依次经过由R2、C1、R3、C2组成的两级 RC低通滤波电路，IC1、R4～R6组成的运算放大电路，IC2、R7组成的过零比较电路以及反相器IC3得到清晰、无抖动的电流信号IB。

采集电动机运行中的电压UB、UC，经过精密电压互感器HG-V和同样的两级低通滤波电路、运算放大电路、过零比较电路以及反相器IC7得到稳定的电压信号UBC。且对于电流、电压信号的滤波处理采用型号与参数一致的元件，目的是确保采集的电压与电流信号的相位差不受滤波电容的影响。

IC4和IC8为D触发器电路，输出X1为电压上升沿到电流上升沿的相位差波形，COSUI 则为电流上升沿到电压上升沿的波形，经过R27～R29、C5～C7三级滤波电路，得到电动机功率因数的有效值Vout，如此，根据功率因数的定义为相电压与相电流的夹角余弦值(且线电压自然超前相电压30°角)，则Vout值越大，说明电动机的实际功率因数越大。

2.控制电路

(1).窗口比较电路

图4中，LD和LU分别为功率因数设定值的下限和上限(LU＞LD)，运算电路IC10与 R60、R63～R66构成滞回比较电路，将功率因数实际值与LU比较，输出L为“1”，说明功率因数实际值低于LU，反之，L为“0”，则实际值大于LU。同理IC14亦为运算电路，同样与相关电阻构成滞回比较电路，输出H为“1”，说明实际值Vout大于设定下限值LD，反之 H为“0”，Vout低于LD。RD为切换延时信号，CPA为某一频率的方波脉冲信号(RD与CPA 均可根据需要由计数器电路简单实现，此处省略)。L与H信号分别经过或门电路IC11、IC12 得到加、减计数信号CPU、CPD。

(2).加减计数-(升压变压器)电压档位切换控制电路

IC15为计数器电路，当CPU为“1”，而CPD出现上升沿↑，则开始减计数；当CPD为“1”，而CPU出现上升沿↑，则开始加计数，如图5所示，IC16、IC17、C80、R800构成计数器的上电清零电路。IC18为3-8译码器，因为其是低电平有效，输出经过非门IC19～IC26，或门IC27～IC30得到K1～K4即为升压变压器电压档位的切换控制信号(这里仅仅以四个电压档位为例，实际应用中可以根据实际任意选择电压档位数量)，且K1～K4对应输出电压依次升高。

图5中，IC37为D触发器，输出信号Q1为图4或门IC12的输入，当电压档位切换到最低档K1时，若此时依然接收到减计数信号，即L为“1”，H为“0”，则可由Q1＝“1”将 CPD置“1”，禁止计数器IC15继续减计数；同理，计数器IC38的输出Q2用于避免当电压档位处于最高档K4时，继续进行加计数。如此即可避免电压档位切换过程中因为加减计数的循环而带来逻辑上的误操作。

(3).电流零点检测电路

因升压变压器的分接开关在动作过程中会产生很大的冲击电流，因此可利用电流零点检测电路，使开关的开、合动作发生在电流过零处，有效避免电流的冲击，使整个系统运行中更加安全可靠。如图6所示即为三相电中其中一相的电流零点检测电路(其它相方法完全一致)，其中HG-I1为电流互感器，采集电流信号I0，然后经过电阻R80将电流转换为电压信号，再经运算放大电路IC45、过零比较电路IC46、反相器IC47获得电流的方波信号I1，通过滤波电路、波形取反电路IC42～IC44，得到电流I0的零点脉冲信号I，且I的周期为10ms，因为工频交流信号一个周期20ms有两个过零点。

(4).升压变压器分接开关触发电路

为有效避免因升压变压器原边各分接开关误动作或者有损坏而造成的短路故障，设计如图7所示的分接开关触发电路，其中IC60、IC64、IC65、IC66均为D触发器，QI1～QI4分别对应四个电压档位K1～K4的切换信号，即如图2所示，信号QI4控制升压变压器原边分接开关K11，信号QI3控制分接开关K12、K13，信号QI2控制分接开关K15、K14、K12，信号 QI1控制分接开关K17、K16、K14、K12，且各分接开关的触发电路间为互锁关系，例如，当电压档位控制信号K1为高电平“1”时，若K2～K4中任意一个也为“1”，则由或门IC61 输出“1”将D触发器IC60的输出QI1清零，这样会使当同时有两个电压档位都被选通时，控制电路锁住输出，使系统工作在旁路非节能状态。

应用中，为避免各种电路故障如过压、过流、短路等，可加入故障保护和报警电路，使整个节能系统安全运行。

最后需要说明的是：上述仅为本实用新型的实施例，并非是对本实用新型的实施方式进行限定，凡是利用本实用新型说明书及附图内容，将本实用新型运用到其他相关技术领域的，均应涵盖在本实用新型的保护范围之中。