专利名称：三相异步电动机多功能节能控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种三相异步电动机的控制器，具有轻载时节能的功能，并有短路保护、断相保护、软起动等附加功能，是诺拉(NOLA)发明装置的改进。
在现有技术采用诺拉(NOLA)发明的功率因数控制器原理的电动机节能控制装置，如美国专利4052648及4266177，电流取样或用串电阻或取可控硅管压降或用电流互感器，这些方式如在有关文献中指出的那样，其通用性差，而且控制部分的滤波电路影响电机对突加载的迅速响应甚至堵转，同时控制装置还存在空载时工作电压较高，节电率低、起动过程中或突加载响应过程中断相不能有效保护，使用元器件多、结构复杂造成无故障率低体积大、成本高、不易维护及推广。
本发明的目的在于提出一个改进的三相异步电动机多功能控制器，以少数的元器件组成简捷的控制单元，使节电率提高，适用于4KW至40KW范围的电动机，而且抗突加载响应快，在电机起动运行及突加载过程中，断相保护可靠，结构简单使成本降低，无故障率高、体积减小、易于维护推广。
本发明的技术方案为采用了包括有磁环传感器作为电流信号取样以增加控制器的通用性，将电流信号形成方波作为断相保护的输入信号，以三相电流方波的相位和有、无耒控制断相保护器，使包括运行断相在内各类断相都能得到保护，同时仅取一相电流方波与同相电压方波进行“异或”逻辑处理，产生控制脉冲信号去控制双向可控硅的导通状态来改变电动机端电压，达到在空载及轻载时节能，为在突然加载的工作状况下不致堵转而设置的抗突加载检测器也以上述“异或”逻辑电路信号为输入信号，检测相角的突变，即刻响应，另外载波振荡器，触发器、软起动器均以单个放大器搭成，以单电源供电，
以下结合附图作进一步说明
图1为本实用新型的电原理框图图2为磁环电流传感器及方波发生器电原理图图3为断相保护器电原理图图4为抗突加载检测器电原理图图5为光电耦合过零检测器及斜波发生器电原理图图6为比较器及功率电子开关触发器电原理图图7为软起动器电原理图图8为主电路波形图图9为附加电路波形图一种三相异步电动机多功能控制器是在铁制外壳中有用绝缘导线、接插件连接的电路板和接线端子，被控电动机(33)的绕组与快速熔断器(19)(20)(21)，双向可控硅(13)(14)(15)，再通过磁环电流传感器(16)(17)(18)，接成为内△形。磁环电流传感器的传感线圈(L)绕在磁环(H)上见图2，每相电机绕组的引线电缆(X)从磁环中间穿过，传感线圈以R1作短路电阻，其同名公共端接地，另一端输入到电阻R2，R3运算放大器Q1组成的方波发生器中Q1的同相输入端，输出电流信号方波。这种方式不受电动机负载大小的制约，不易受到其他干扰，磁环起限制di／dt的作用，磁环(H)直径14／25，初始导磁率4000，传感线圈(L)线径0.15漆包圆铜线100匝，短路电阻R1为5～10欧姆。
稳压电源(32)提供＋12V给整个控制器供电，提供＋18V给功率电子开关触发器(10)(11)(12)，另外提供一个交流电压信号给电压方波发生器(22)。这个电压的波形见图8中的a实线所示经过电压方波发生器后输出方波见图8b，电流方波发生器(29)的输入电流信号见图8c，输出的电流方波见图8d，这两个输出都连到异或门(23)，相“异或”处理的结果输出一个鉴相脉冲波见图8e，它反映了电压与电流信号之间的相角，这个鉴相脉冲信号输入到有源滤波器(25)输出成为一个直流电平，波形见图8f中的虚线所示直流电平的高低是随鉴相脉冲的宽度而改变的，脉冲宽，电平高，这个直流电平输入到比较器(7)、(8)、(9)的公共输入端(K)点。
光电耦合过零检测器(1)、(2)、(3)及斜波发生器(4)、(5)、(6)按照圈5原理，因三相通路的构造相同，现只以一相来说明光电耦合过零检测器由电阻R8，R9光电耦合器Q10、Q11组成，斜波发生器由电阻R10、R11、R12运算放大器Q12二极管D7电容C2组成。过零检测器的输入信号取自交流电源的线电压，波形见图8a，输出为过零尖脉冲信号，波形见图8g，这个尖脉冲输入到斜波发生器中Q12的反相输入端，于是产生斜波，波形见图8f中的实线所示，这个斜波输入到比较(7)的同相输入端，见图6，比较器本身是一个运算放大器，它的反相输入端即连公共输入端(K)点，在比较器中斜波与输到(K)点的直流电平相“比较”输出控制脉冲信号，波形见图8h，这个控制脉冲信号的宽度受直流电平高低的控制追源过去即受电压与电流相角的控制，相角大，直流电平高，输出的控制脉冲宽度就窄，这个控制脉冲信号输入到功率电子开关触发器(10)的输入端(IN)，触发器由电阻R13、R14、R15、R16，功率电子开关集成电路Q13，二极管D8脉冲变压器TB组成，控制脉冲信号在此进行有选通的功率放大产生触发信号，控制可控硅(13)的导通，集成电路Q13的选通端(ST)输入是载波振荡器(28)传来的中频载波，载波振荡器是由一个运算放大器搭成的多谐振荡器产生等幅中频载波信号，频率选为8－10KH2，这样触发信号即被调制上中频载波，输到双向可控硅(13)的门控制极，这样双向可控硅的电压是可靠受控的，波形见图8a中的虚线所示。
磁环电流传感器(16)、(17)、(18)与向双可控硅(13)、(14)、(15)快速熔断器(19)、(20)、(21)，被控电动机(33)的绕组接成内△形接法，可以提高节能器的节能效果，这种电流和电压取样方法均用一个运放即可产生所需方波，使用元器件少，鉴相只取用一相信号，比一般取用三相信号鉴相大为简化，采用光电耦合器隔离提高了抗干扰能力，斜波发生器、比较器、触发器三极各用一个集成电路，中间不用其他环节，这样简捷的构造可以提高无故障率，降低成本，便于维护。
断相保护器(27)原理见图3，由电流方波发生器(29)、(30)、(31)输入的三相电流方波输入到由二极管D1、D2、D3电阻R4组成的或门，再经反相器Q2反相，送入由二极管D4，电容C1，电阻R5组成的积分器，最后经由电阻R6、R7运算放大器Q3二极管D5组成的放大器输出，接到比较器(7)、(8)、(9)的公共输入端(K)点。三相电流方波互隔120°相角，每相方波占据180°空间故在正常情况下相“或”的结果为“1”经反相器后为“0”，积分器输出也为“0”进入放大器的同相输入端，其输出为“0”，“0”电平被二极管D5隔离，对比较器不起作用，整个系统正常运行。在断相情况下，该相没有电流三相电流方波缺少一个，相“或”的结果不再为“1”，而是个矩形脉冲，经反相器，积分器、放大器，其输出为“1”这个输出的高电平通过二极管D5交连到(K)点足以使(K)点电平提高，即图8f中虚线直流电平提高，超出斜波的峰顶，这样就使比较器输出的控制脉冲信号消失，可控硅失去触发信号，于是关断，电动机没有电压、停车，达到断相保护的目的。这种断相保护器，以电流有无和相位为信号，保护可靠，因为在运行断相情况下，由于电动机的反电势作用断相的那一路断点的电压并不为0，通常只比额定值低10－15％，若用电压检测方法的断相保护器就不会动作，一些较完善的异步电机控制装置，虽可以在运行断相时保护，但在起动和突加载响应过程中也不起保护作用，而这时又是最容易发生断相的时刻。本实用新型在包括运行断相在内的电源断相或电动机绕组断相均可以可靠保护。
抗突加载检测器(24)的原理见图4，它是由反相器Q4、Q5，微分器Q6，与非门Q7波形转换器Q8，二极管D6组成，由电压方波发生器(22)输来的电压方波，先输入反相器Q4隔离，然后经微分器Q6产生前沿微分尖脉冲，波形见图9a，由异或门(23)输来的鉴相脉冲信号输入反相器Q5隔离反相，波形见图9b，这两个信号都输进与非门Q7，在正常情况下这两个信号波形没有同时为“1”的时刻“与非”处理的结果只能为“1”它经过波形转换器Q8仍是高电平，由于二极管D6的隔离，输出到比较器(7)、(8)、(9)的公共输入端(K)点，是不起作用的，整个系统不起响应，而在电动机突然增加负载的情况时，电压与电流的相角也突减，鉴相脉冲信号相应变窄，其经过反相器Q5的波形变成图9c，这时可以看出图9a与图9c有了同时为“1”的时刻，于是与非门输出波形变成图9d所示，这个脉冲的低电平部分，将(K)点的电位拉下去为0，于是比较器(7)、(8)、(9)输出的控制脉冲宽度突增，可以接近全“1”可控硅(13)、(14)、(15)得到全触发，电动机(33)进入全压运行，满足电动机突然加载(包括满载)情况对转矩的需要，电动机正常工作，不致堵转。本实用新型的抗突加载检测器能在突加载时相角突减的第一个周波时反应(一个周波20ms’)所以响应速度相当快。
软起动器(26)的原理见图7，它由电阻R17、R18、R19、R20运算放大器Q14电容C3二极管D9组成。接成一个特殊的积分器，输入为＋12V电压，输出为一个斜率下降电压，R17可控制起始电压值，R18可控制斜率，输出到(K)点，在起动过程中连续起作用，在起动开始斜率电压值高，输到比较器使它的输出控制脉冲窄，可控硅导通角小，电动机只得较低电压，随着斜 率电压的降低，电动机的电压逐渐升高，完成软起动，R17实际上控制起动起始电压值，R18实际控制起动时间。这种软起动器简单，经运行试验是可靠的。
权利要求1.一种三相异步电动机多功能节能控制器，在铁制外壳中，有用导线、接插件连接的电路板和接线端子，接于电动机与三相电源之间，本实用新型的特征是，它的电路板由以下部分构成光电耦合过零检测器(1)、(2)、(3)，斜波发生器(4)、(5)、(6)，比较器(7)、(8)、(9)，功率电子开关触发器(10)、(11)、(12)，双向可控硅(13)、(14)、(15)，磁环电流传感器(16)、(17)、(18)，方波发生器(22)、(29)、(30)、(31)，异或门(23)，有源滤波器(25)，载波振荡器(28)，抗突加载检测器(24)，软起动器(26)，断相保护器(27)，快速熔断器(19)、(20)、(21)，稳压电源(32)。
2.根据权利要求1所描述的三相异步电动机多功能节能控制器，其特征是磁环电流传感器(16)、(17)、(18)，同双向可控硅(13)、(14)、(15)，快速熔断器(19)、(20)、(21)，与电动机(33)三相绕组接成内△形接法，每相绕组引线电缆从直径14／25初始导磁率为4000的磁环(H)中间穿过，磁环传感器的传感线圈(L)直径0.15漆包线100匝，以一只阻值为5～10欧姆电阻R1为短路电阻，一端接地，另一端分别接至由电阻R2，R3和运算放大器Q1材组成的电流方波发生器(29)、(30)、(31)，三个电流方波发生器又输出到断相保护器(27)，同时有一个接至异或门(23)的输入端，异或门的另一端输入端接受来自电压方波发生器(22)的电压方波，相“异或”后输出到有源滤波器(25)，有源滤波器的输出连至比较器(7)、(8)、(9)的公共输入端(K)点。
3.根据权利要求1或2所述的三相异步电动机多功能节能控制器，其特征是其中的断相保护器(27)，是由二极管D1、D2、D3，D4、D5，反相器Q2，电阻R4、R5、R6、R7，运算放大器Q3组成，其输入端与电流方波发生器(29)、(30)、(31)相连接，其输出端连接至比较器(7)、(8)、(9)的公共输入端(K)点。
4.根据权利要求1所叙述的三相异步电动机多功能节能控制器，其特征是其中的抗突加载检测器(24)是由反相器Q4、Q5，微分器Q6与非门Q7波形转换器Q8二极管D6组成，其输入端有二个，一个是一相的电压方波，另一个是异或门(23)输出的信号脉冲，输出端连接到比较器(7)、(8)、(9)的公共输入端(K)点。
5.根据权利要求1所叙述的三相异步电动机多功能节能控制器，其特征是其中的光电耦合过零检测器(1)、(2)、(3)及斜波发生器(4)、(5)、(6)是由电阻R8、R9、R10、R11、R12、光电耦合器Q10、Q11、运算放大器Q12二极管D7电容器C2组成，其输入端连接各相的交流线电压(A)、(B)、(C)，输出端分别连接比较器(7)、(8)、(9)。
6.根据权利要求1所叙述的三相异步电动机多功能节能控制器，其特征是其中的功率电子开关触发器(10)、(11)、(12)输入端与各相比较器(7)、(8)、(9)相连，由电阻R13、R14、R15、R16，功率电子开关集成电路Q13二极管D8脉冲变压器TB组成，输出端连至双向可控硅(13)、(14)、(15)门控制极。
7.根据权利要求1所叙述的三相异步电动机多功能节能控制器，其特征是其中的软起动器(26)是由可调电阻R17、R18、电阻R19、R20、运算放大器Q14电容C3二极管D9组成，以单电源供电，其输入端接稳压直流电源(32)，输出端连至比较器(7)、(8)、(9)的公共输入端(K)点。
专利摘要本实用新型公开了一种三相异步电动机多功能节能控制器，它采用了磁环电流信号取样器增加了其通用性，适用于4—40KW电动机，以三相电流方波的相位和有、无来控制断相保护器，使包括运行断相在内的各种断相都能得到保护，同时仅取一相电流方波与同相电压方波进行“异或”产生脉冲信号去控制双向可控硅的导通状态，以达到空载及轻载时节能，为防止突加载时堵转而设计的抗突加载检测器也以上述“异或”电路信号为输入信号，检测相角突变使电机迅速响应，结构简单易于推广。
文档编号H02H7/09GK2111592SQ91202650
公开日1992年7月29日 申请日期1991年2月12日 优先权日1991年2月12日
发明者魏鸿瀛, 马宁, 时铁胜 申请人:天津市电机研究所