專利名稱：三相異步電動機多功能節(jié)能控制器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種三相異步電動機的控制器，具有輕載時節(jié)能的功能，并有短路保護、斷相保護、軟起動等附加功能，是諾拉(NOLA)發(fā)明裝置的改進。
在現(xiàn)有技術(shù)采用諾拉(NOLA)發(fā)明的功率因數(shù)控制器原理的電動機節(jié)能控制裝置，如美國專利4052648及4266177，電流取樣或用串電阻或取可控硅管壓降或用電流互感器，這些方式如在有關文獻中指出的那樣，其通用性差，而且控制部分的濾波電路影響電機對突加載的迅速響應甚至堵轉(zhuǎn)，同時控制裝置還存在空載時工作電壓較高，節(jié)電率低、起動過程中或突加載響應過程中斷相不能有效保護，使用元器件多、結(jié)構(gòu)復雜造成無故障率低體積大、成本高、不易維護及推廣。
本發(fā)明的目的在于提出一個改進的三相異步電動機多功能控制器，以少數(shù)的元器件組成簡捷的控制單元，使節(jié)電率提高，適用于4KW至40KW范圍的電動機，而且抗突加載響應快，在電機起動運行及突加載過程中，斷相保護可靠，結(jié)構(gòu)簡單使成本降低，無故障率高、體積減小、易于維護推廣。
本發(fā)明的技術(shù)方案為采用了包括有磁環(huán)傳感器作為電流信號取樣以增加控制器的通用性，將電流信號形成方波作為斷相保護的輸入信號，以三相電流方波的相位和有、無耒控制斷相保護器，使包括運行斷相在內(nèi)各類斷相都能得到保護，同時僅取一相電流方波與同相電壓方波進行“異或”邏輯處理，產(chǎn)生控制脈沖信號去控制雙向可控硅的導通狀態(tài)來改變電動機端電壓，達到在空載及輕載時節(jié)能，為在突然加載的工作狀況下不致堵轉(zhuǎn)而設置的抗突加載檢測器也以上述“異或”邏輯電路信號為輸入信號，檢測相角的突變，即刻響應，另外載波振蕩器，觸發(fā)器、軟起動器均以單個放大器搭成，以單電源供電，
以下結(jié)合附圖作進一步說明


圖1為本實用新型的電原理框圖圖2為磁環(huán)電流傳感器及方波發(fā)生器電原理圖圖3為斷相保護器電原理圖圖4為抗突加載檢測器電原理圖圖5為光電耦合過零檢測器及斜波發(fā)生器電原理圖圖6為比較器及功率電子開關觸發(fā)器電原理圖圖7為軟起動器電原理圖圖8為主電路波形圖圖9為附加電路波形圖一種三相異步電動機多功能控制器是在鐵制外殼中有用絕緣導線、接插件連接的電路板和接線端子，被控電動機(33)的繞組與快速熔斷器(19)(20)(21)，雙向可控硅(13)(14)(15)，再通過磁環(huán)電流傳感器(16)(17)(18)，接成為內(nèi)△形。磁環(huán)電流傳感器的傳感線圈(L)繞在磁環(huán)(H)上見圖2，每相電機繞組的引線電纜(X)從磁環(huán)中間穿過，傳感線圈以R1作短路電阻，其同名公共端接地，另一端輸入到電阻R2，R3運算放大器Q1組成的方波發(fā)生器中Q1的同相輸入端，輸出電流信號方波。這種方式不受電動機負載大小的制約，不易受到其他干擾，磁環(huán)起限制di／dt的作用，磁環(huán)(H)直徑14／25，初始導磁率4000，傳感線圈(L)線徑0.15漆包圓銅線100匝，短路電阻R1為5～10歐姆。
穩(wěn)壓電源(32)提供＋12V給整個控制器供電，提供＋18V給功率電子開關觸發(fā)器(10)(11)(12)，另外提供一個交流電壓信號給電壓方波發(fā)生器(22)。這個電壓的波形見圖8中的a實線所示經(jīng)過電壓方波發(fā)生器后輸出方波見圖8b，電流方波發(fā)生器(29)的輸入電流信號見圖8c，輸出的電流方波見圖8d，這兩個輸出都連到異或門(23)，相“異或”處理的結(jié)果輸出一個鑒相脈沖波見圖8e，它反映了電壓與電流信號之間的相角，這個鑒相脈沖信號輸入到有源濾波器(25)輸出成為一個直流電平，波形見圖8f中的虛線所示直流電平的高低是隨鑒相脈沖的寬度而改變的，脈沖寬，電平高，這個直流電平輸入到比較器(7)、(8)、(9)的公共輸入端(K)點。
光電耦合過零檢測器(1)、(2)、(3)及斜波發(fā)生器(4)、(5)、(6)按照圈5原理，因三相通路的構(gòu)造相同，現(xiàn)只以一相來說明光電耦合過零檢測器由電阻R8，R9光電耦合器Q10、Q11組成，斜波發(fā)生器由電阻R10、R11、R12運算放大器Q12二極管D7電容C2組成。過零檢測器的輸入信號取自交流電源的線電壓，波形見圖8a，輸出為過零尖脈沖信號，波形見圖8g，這個尖脈沖輸入到斜波發(fā)生器中Q12的反相輸入端，于是產(chǎn)生斜波，波形見圖8f中的實線所示，這個斜波輸入到比較(7)的同相輸入端，見圖6，比較器本身是一個運算放大器，它的反相輸入端即連公共輸入端(K)點，在比較器中斜波與輸?shù)?K)點的直流電平相“比較”輸出控制脈沖信號，波形見圖8h，這個控制脈沖信號的寬度受直流電平高低的控制追源過去即受電壓與電流相角的控制，相角大，直流電平高，輸出的控制脈沖寬度就窄，這個控制脈沖信號輸入到功率電子開關觸發(fā)器(10)的輸入端(IN)，觸發(fā)器由電阻R13、R14、R15、R16，功率電子開關集成電路Q13，二極管D8脈沖變壓器TB組成，控制脈沖信號在此進行有選通的功率放大產(chǎn)生觸發(fā)信號，控制可控硅(13)的導通，集成電路Q13的選通端(ST)輸入是載波振蕩器(28)傳來的中頻載波，載波振蕩器是由一個運算放大器搭成的多諧振蕩器產(chǎn)生等幅中頻載波信號，頻率選為8－10KH2，這樣觸發(fā)信號即被調(diào)制上中頻載波，輸?shù)诫p向可控硅(13)的門控制極，這樣雙向可控硅的電壓是可靠受控的，波形見圖8a中的虛線所示。
磁環(huán)電流傳感器(16)、(17)、(18)與向雙可控硅(13)、(14)、(15)快速熔斷器(19)、(20)、(21)，被控電動機(33)的繞組接成內(nèi)△形接法，可以提高節(jié)能器的節(jié)能效果，這種電流和電壓取樣方法均用一個運放即可產(chǎn)生所需方波，使用元器件少，鑒相只取用一相信號，比一般取用三相信號鑒相大為簡化，采用光電耦合器隔離提高了抗干擾能力，斜波發(fā)生器、比較器、觸發(fā)器三極各用一個集成電路，中間不用其他環(huán)節(jié)，這樣簡捷的構(gòu)造可以提高無故障率，降低成本，便于維護。
斷相保護器(27)原理見圖3，由電流方波發(fā)生器(29)、(30)、(31)輸入的三相電流方波輸入到由二極管D1、D2、D3電阻R4組成的或門，再經(jīng)反相器Q2反相，送入由二極管D4，電容C1，電阻R5組成的積分器，最后經(jīng)由電阻R6、R7運算放大器Q3二極管D5組成的放大器輸出，接到比較器(7)、(8)、(9)的公共輸入端(K)點。三相電流方波互隔120°相角，每相方波占據(jù)180°空間故在正常情況下相“或”的結(jié)果為“1”經(jīng)反相器后為“0”，積分器輸出也為“0”進入放大器的同相輸入端，其輸出為“0”，“0”電平被二極管D5隔離，對比較器不起作用，整個系統(tǒng)正常運行。在斷相情況下，該相沒有電流三相電流方波缺少一個，相“或”的結(jié)果不再為“1”，而是個矩形脈沖，經(jīng)反相器，積分器、放大器，其輸出為“1”這個輸出的高電平通過二極管D5交連到(K)點足以使(K)點電平提高，即圖8f中虛線直流電平提高，超出斜波的峰頂，這樣就使比較器輸出的控制脈沖信號消失，可控硅失去觸發(fā)信號，于是關斷，電動機沒有電壓、停車，達到斷相保護的目的。這種斷相保護器，以電流有無和相位為信號，保護可靠，因為在運行斷相情況下，由于電動機的反電勢作用斷相的那一路斷點的電壓并不為0，通常只比額定值低10－15％，若用電壓檢測方法的斷相保護器就不會動作，一些較完善的異步電機控制裝置，雖可以在運行斷相時保護，但在起動和突加載響應過程中也不起保護作用，而這時又是最容易發(fā)生斷相的時刻。本實用新型在包括運行斷相在內(nèi)的電源斷相或電動機繞組斷相均可以可靠保護。
抗突加載檢測器(24)的原理見圖4，它是由反相器Q4、Q5，微分器Q6，與非門Q7波形轉(zhuǎn)換器Q8，二極管D6組成，由電壓方波發(fā)生器(22)輸來的電壓方波，先輸入反相器Q4隔離，然后經(jīng)微分器Q6產(chǎn)生前沿微分尖脈沖，波形見圖9a，由異或門(23)輸來的鑒相脈沖信號輸入反相器Q5隔離反相，波形見圖9b，這兩個信號都輸進與非門Q7，在正常情況下這兩個信號波形沒有同時為“1”的時刻“與非”處理的結(jié)果只能為“1”它經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換器Q8仍是高電平，由于二極管D6的隔離，輸出到比較器(7)、(8)、(9)的公共輸入端(K)點，是不起作用的，整個系統(tǒng)不起響應，而在電動機突然增加負載的情況時，電壓與電流的相角也突減，鑒相脈沖信號相應變窄，其經(jīng)過反相器Q5的波形變成圖9c，這時可以看出圖9a與圖9c有了同時為“1”的時刻，于是與非門輸出波形變成圖9d所示，這個脈沖的低電平部分，將(K)點的電位拉下去為0，于是比較器(7)、(8)、(9)輸出的控制脈沖寬度突增，可以接近全“1”可控硅(13)、(14)、(15)得到全觸發(fā)，電動機(33)進入全壓運行，滿足電動機突然加載(包括滿載)情況對轉(zhuǎn)矩的需要，電動機正常工作，不致堵轉(zhuǎn)。本實用新型的抗突加載檢測器能在突加載時相角突減的第一個周波時反應(一個周波20ms’)所以響應速度相當快。
軟起動器(26)的原理見圖7，它由電阻R17、R18、R19、R20運算放大器Q14電容C3二極管D9組成。接成一個特殊的積分器，輸入為＋12V電壓，輸出為一個斜率下降電壓，R17可控制起始電壓值，R18可控制斜率，輸出到(K)點，在起動過程中連續(xù)起作用，在起動開始斜率電壓值高，輸?shù)奖容^器使它的輸出控制脈沖窄，可控硅導通角小，電動機只得較低電壓，隨著斜 率電壓的降低，電動機的電壓逐漸升高，完成軟起動，R17實際上控制起動起始電壓值，R18實際控制起動時間。這種軟起動器簡單，經(jīng)運行試驗是可靠的。
權(quán)利要求1.一種三相異步電動機多功能節(jié)能控制器，在鐵制外殼中，有用導線、接插件連接的電路板和接線端子，接于電動機與三相電源之間，本實用新型的特征是，它的電路板由以下部分構(gòu)成光電耦合過零檢測器(1)、(2)、(3)，斜波發(fā)生器(4)、(5)、(6)，比較器(7)、(8)、(9)，功率電子開關觸發(fā)器(10)、(11)、(12)，雙向可控硅(13)、(14)、(15)，磁環(huán)電流傳感器(16)、(17)、(18)，方波發(fā)生器(22)、(29)、(30)、(31)，異或門(23)，有源濾波器(25)，載波振蕩器(28)，抗突加載檢測器(24)，軟起動器(26)，斷相保護器(27)，快速熔斷器(19)、(20)、(21)，穩(wěn)壓電源(32)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的三相異步電動機多功能節(jié)能控制器，其特征是磁環(huán)電流傳感器(16)、(17)、(18)，同雙向可控硅(13)、(14)、(15)，快速熔斷器(19)、(20)、(21)，與電動機(33)三相繞組接成內(nèi)△形接法，每相繞組引線電纜從直徑14／25初始導磁率為4000的磁環(huán)(H)中間穿過，磁環(huán)傳感器的傳感線圈(L)直徑0.15漆包線100匝，以一只阻值為5～10歐姆電阻R1為短路電阻，一端接地，另一端分別接至由電阻R2，R3和運算放大器Q1材組成的電流方波發(fā)生器(29)、(30)、(31)，三個電流方波發(fā)生器又輸出到斷相保護器(27)，同時有一個接至異或門(23)的輸入端，異或門的另一端輸入端接受來自電壓方波發(fā)生器(22)的電壓方波，相“異或”后輸出到有源濾波器(25)，有源濾波器的輸出連至比較器(7)、(8)、(9)的公共輸入端(K)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三相異步電動機多功能節(jié)能控制器，其特征是其中的斷相保護器(27)，是由二極管D1、D2、D3，D4、D5，反相器Q2，電阻R4、R5、R6、R7，運算放大器Q3組成，其輸入端與電流方波發(fā)生器(29)、(30)、(31)相連接，其輸出端連接至比較器(7)、(8)、(9)的公共輸入端(K)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所敘述的三相異步電動機多功能節(jié)能控制器，其特征是其中的抗突加載檢測器(24)是由反相器Q4、Q5，微分器Q6與非門Q7波形轉(zhuǎn)換器Q8二極管D6組成，其輸入端有二個，一個是一相的電壓方波，另一個是異或門(23)輸出的信號脈沖，輸出端連接到比較器(7)、(8)、(9)的公共輸入端(K)點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所敘述的三相異步電動機多功能節(jié)能控制器，其特征是其中的光電耦合過零檢測器(1)、(2)、(3)及斜波發(fā)生器(4)、(5)、(6)是由電阻R8、R9、R10、R11、R12、光電耦合器Q10、Q11、運算放大器Q12二極管D7電容器C2組成，其輸入端連接各相的交流線電壓(A)、(B)、(C)，輸出端分別連接比較器(7)、(8)、(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所敘述的三相異步電動機多功能節(jié)能控制器，其特征是其中的功率電子開關觸發(fā)器(10)、(11)、(12)輸入端與各相比較器(7)、(8)、(9)相連，由電阻R13、R14、R15、R16，功率電子開關集成電路Q13二極管D8脈沖變壓器TB組成，輸出端連至雙向可控硅(13)、(14)、(15)門控制極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所敘述的三相異步電動機多功能節(jié)能控制器，其特征是其中的軟起動器(26)是由可調(diào)電阻R17、R18、電阻R19、R20、運算放大器Q14電容C3二極管D9組成，以單電源供電，其輸入端接穩(wěn)壓直流電源(32)，輸出端連至比較器(7)、(8)、(9)的公共輸入端(K)點。
專利摘要本實用新型公開了一種三相異步電動機多功能節(jié)能控制器，它采用了磁環(huán)電流信號取樣器增加了其通用性，適用于4—40KW電動機，以三相電流方波的相位和有、無來控制斷相保護器，使包括運行斷相在內(nèi)的各種斷相都能得到保護，同時僅取一相電流方波與同相電壓方波進行“異或”產(chǎn)生脈沖信號去控制雙向可控硅的導通狀態(tài)，以達到空載及輕載時節(jié)能，為防止突加載時堵轉(zhuǎn)而設計的抗突加載檢測器也以上述“異或”電路信號為輸入信號，檢測相角突變使電機迅速響應，結(jié)構(gòu)簡單易于推廣。
文檔編號H02H7/09GK2111592SQ91202650
公開日1992年7月29日 申請日期1991年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月12日
發(fā)明者魏鴻瀛, 馬寧, 時鐵勝 申請人:天津市電機研究所