专利名称：交流感应电动机节能运行控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电动机运行的控制，尤其涉及交流感应电动机的节能控制装置。
背景技术：
现有技术的交流感应电动机的节能控制装置，如中国专利CN03284037.3公开了一种周期制动异步电动机节能装置，通过在电动机供电线路中接入数据处理和控制单元、负载率检测单元、同步信号检测单元以及供电执行单元对周期制动异步电动机进行节能控制。中国专利CN01213124.5公开了一种电动机自适应节能控制装置，其单片机信号输入端接采集被控对象电机信息的前向通道；其控制输出端接传送控制信息的后向通道；前向通道包括设置于电机主回路三相电源线上的互感器，其输出依次经信号变送、模拟开关及A/D转换接单片机，后向通道包括接于单片机控制输出端的D/A转换，其输出经模拟控制接入功率模块。
而实际上，目前在电动机节能控制技术领域，常规电动机的节能控制技术伴随电动机本身的发展，已形成以下两种主流技术变频调速节能控制技术和同步调压节能控制技术。
变频调速节能控制技术的最大特点是当电动机拖动对象可以通过改变转速减少能耗时，经改变电源频率调节电动机转速达到节能目的，节能效果是确定且可控的。它的主要依据是N＝(1-S)×60f1/p这一确认的电动机转速----电源频率特征关系。变频调速节能控制技术只适用于可调速系统，且被拖动对象本身具备与转速有直接关系的能量浪费条件。节省的主要是系统浪费的有功能量，对电动机自身损耗的能量不能节省。节能控制面较窄。
同步调压节能控制技术的最大特点是由于电动机的效率与电源电压、电动机运行的负载率、电动机自身特性和拖动对象运行条件等有着间接关系，就一般情况而言，对速度不改变得电动机系统在电动机负荷率较低的前提下，适当同步调低电源电压可以减少电动机自身损耗获得节能效果，并且主要是节省无功损耗。基于这一特点的典型方法有功率因素跟踪调压、电动机效率跟踪调压、电流变化跟踪调压等技术。但由于这些技术的节能控制依据与电动机实际能耗之间没有准确的定量关系。节能效果是不确定的。使用时较难获得实际节能效果。特别是这一方法对拖动对象的电能浪费不能节省，节能控制能力十分有限。
从现有的用于常规电动机节能运行控制的技术和相关产品来看变频调速节能控制技术只对可调速系统具备节能控制作用。节能效果可控，节省的是系统浪费的能量。但在节能应用方面只能用于可调速系统。
同步调压节能控制技术只能通过间接参数定性的解决在电动机负荷率较低的前提下的电动机节能控制问题，不具备确定的节能可控性。节能效果，尤其是有功能量的节省不能得到有效保证。且只能用于不改变电动机转速的对象。
可见，电动机节能运行控制的实质问题是在满足电动机拖动对象运行要求的前提下，使电动机的输入功率达到最小，如何构建新的交流感应电动机的节能控制装置结构，以解决所述实质问题，现有技术并没有提供现成的解决方案。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处，而提出一种在满足电动机拖动对象运行要求的前提下，使电动机的输入功率达到最小的节能控制的实现装置。
本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案还包括，生产制造一种交流感应电动机节能运行控制装置，包括测量外界电源的电流用的互感器、交流感应电动机拖动对象的转速控制电路、大功率调频调压模块和节能控制模块，外界交流电源经由受节能控制模块调节的大功率调频调压模块对交流感应电动机供电，而电动机拖动对象上设有转速闭环反馈电路；所述节能控制模块包括信号转换电路，运行参数设定电路和运算控制电路；所述信号转换电路的输入包括与所述转速控制电路的连接端口，与外界电源的电压的连接端口，与测量外界电源的电流用的互感器的连接端口，与电动机输入电压的连接端口，以及与而电动机拖动对象上转速闭环反馈电路的连接端口；所述运行参数设定电路包括与运算控制电路相连的用以输入电动机拖动对象基本运行要求参数的，按键与指示装置，和/或通讯接口；所述运算控制电路包括调速节能控制部分和调压节能控制部分；所述信号转换电路的输出送运算控制电路。
在本实用新型的控制装置的实施例中，优选地，所述调速节能控制部分，包括配合运行参数设定电路，根据电动机拖动对象的要求，给出转速控制信号的可编程调速节能电路，用以计算电动机的初始输入电源频率和输入电压的频率与电压初始值计算电路，以及用以判别转速信号的增量绝对值是否超过设定的限制参数的判断电路；所述调压节能控制部分，包括用以获取采样周期间隔的外界电源电压的过零捕获电路，在每个采样周期间隔内计算电动机的输入电能增量的电能增量计算电路，根据电能增量计算电路的输出计算出下一采样周期中满足电动机拖动对象基本运行要求的输出控制参数的频率与电压计算电路，其输入连接到频率与电压计算电路的输出，其输出端连接到大功率调频调压模块的调频调压驱动电路，以及用以启动与停止电能增量计算电路和频率与电压计算电路工作的控制端口；所述调速节能控制部分的频率与电压初始值计算电路的输出送调压节能控制部分的频率与电压计算电路；所述调速节能控制部分的判断电路的输出送调压节能控制部分的控制端口。
所述调速节能控制部分的可编程调速节能电路的输入，包括经由信号转换电路处理的一可手动调节的电位器的调节输出和电动机拖动对象上的转速闭环反馈电路的输出。
电动机拖动对象上设有运行状态报告电路，信号转换电路的输入还包括与该运行状态报告电路的连接端口，而所述可编程调速节能电路的输入，还包括经由信号转换电路处理的电动机拖动对象上的运行状态报告电路的输出。
所述调压节能控制部分的频率与电压计算电路，包括根据电能增量的正负变化来判断电动机是否已接近最小耗能运行状态，电能增量为负时减少电动机输出电压，当电能增量由负变正时表示已搜索到最优控制点的节能搜索判断电路；所述节能搜索判断电路，包括用以保证当调低电动机供电电压时引起转速降低不会超过设定的限度的电动机转速变化限制转向控制电路，和用以保证搜索过程及时跟踪电动机负荷的变化的输入电能增量量值变化转向控制电路。
所述电动机转速变化限制转向控制电路，包括给定转速与实际转速差的绝对值是否大于设定的限制参数的转速差判断电路。
所述输入电能增量量值变化转向控制电路，包括电能增量是否大于和等于零的量值变化正负判断电路，和电能增量的绝对值是否大于设定的控制参数的量值变化超限判断电路。
所述节能控制模块是由环氧树脂全密封的。而大功率调频调压模块也选用由环氧树脂全密封的，则控制装置采用全密封的两模块结构，这一组成结构使产品环境适应能力大大增强。
电动机是三相的，而信号转换电路的输入只包括一相信号，即与外界电源的一相电压的连接端口，与测量外界电源的一相电流用互感器的连接端口，与一相电动机输入电压的连接端口。
所述运算控制电路为一微处理器，型号为MSP430133。
同现有技术相比，本实用新型的交流感应电动机节能运行控制装置，结构紧凑，可以实现在满足电动机拖动对象运行要求的前提下，使电动机的输入功率达到最小。
图1为交流感应电动机等效简化电路图。
图2为交流感应电动机调压控制时的转矩、转速、电压关系图。
图3为本实用新型的交流感应电动机节能运行控制装置的原理框图。
图4为本实用新型的控制装置的调速节能控制部分的结构图。
图5为本实用新型的控制装置的调压节能控制部分的结构图。
图6为本实用新型的交流感应电动机节能运行控制装置实施例的电原理图。
具体实施方式
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。
图3所示的本实用新型的交流感应电动机节能运行控制装置的原理框图，表达了整个系统的基本构造，整个系统包括电源电路和测量电流用的互感器，还包括两个功能模块节能控制模块10和大功率调频调压模块20，外界交流电源经所述大功率调频调压模块20对交流感应电动机30供电，以带动拖动对象40工作。节能控制模块10中的信号转换电路单元11中，电动机能耗检测线VL1、VL2、VL3、IL1和Vu连接到外部输入电源线L1、电流转换器I1和电动机输入电源线Vu，控制输入线S1、S2连接到人工转速给定信号装置和来自拖动对象40上电路的外部转速闭环反馈控制信号线，从图中还可以看到来自电动机30所拖动对象40的状态反馈信号，给出了拖动对象40的工作状态信息，从而节能控制模块10可根据这些状态信号进行转速切换。节能控制模块10中还包括运行参数设定电路，该电路包括与微处理器相连的用以输入拖动对象40运行参数的，按键与指示装置，和/或通讯接口，通过该通讯接口就可以遵照MOBUS等通讯协议通过外部设备进行参数设置和其它数据通讯，或者在不需要对象反馈时，可通过手动调节，也就是S1信号，给出固定在需要的工作点上的转速信号。节能控制模块10中的运算控制电路单元12是一片高性能微处理器，选用型号为TI公司的MSP430133，它上面带有一个串行通讯接口，芯片中内置A/D转换器端口A1-A5连接到单元11的对应信号线，输出端口OU1、OU2；OV1、OV2；OW1、OW2连接到大功率调频调压模块20的驱动信号线，大功率调频调压模块20的输入线L1、L2、L3连接外部输入电源线，输出线U、V、W连接电动机输入电源线。
图6所示电路是本实用新型装置具体实施例的电气原理图。通过与微处理器相连的按键和指示装置，或者通过RS485通讯接口可以进行拖动对象40运行参数的设置。由拖动对象40反馈回来的转速控制信号和状态信号经隔离处理后送微处理器。信号转换电路11，通过分压从外部三相输入电源线电压分离出三相相电压，构造出参考零点，并通过比较器电路获得三相相电压的过零脉冲信号，给相电压的A/D转换提供采样时间基准和对三相电源的缺相保护控制。经运算放大器及外围电路将A相电源电压、A相电流、U相电动机电压、人工给定转速信号S1和闭环输入转速信号S2转换为适合微处理器片内A/D转换要求的输入信号。由于三相电源为平衡正弦电源，为使简化电路资源和提高运算速度，仅采用A相信号进行数据处理。微处理器根据这些信号，通过适当的计算处理，获得最优节能控制数据，并将这一数据转换为控制大功率调频调压功率模块的三对PWM驱动信号。大功率调频调压功率模块是通用功能模块，该模块在三对PWM驱动信号的控制下输出三相大功率PWM功率驱动信号，推动电动机按最优节能模式运行。
图4是本实用新型的控制装置的调速节能控制部分的结构图，也是微处理器的程序的主流程。可见，首先是根据电动机拖动对象的转速控制信号，判断负载要求的转速的变化量是否超过设定值，是则中断/终止当前可能正在运行的调压节能控制的流程，也就是步骤b，并执行计算电动机输入电源的频率和电动机输入电压，按计算值通过所述功率模块调整电动机输入电源的频率，比较电动机输入电压的计算值与当前电动机的实际输入电压，如果计算值大于实际值，按计算值通过所述功率模块调整电动机的输入电压，转调压节能控制部分。
图5为本实用新型的控制装置的调速节能控制部分的结构图，也是微处理器的程序的一个流程。可见，其是自循环执行的，实时测量电动机的实际输入电压、外界交流电源的电压、电流，根据在实用新型内容中描述过的算式，计算电动机在当前采样周期间隔内的输入电能增量，和电动机的输入电压的最优值搜索的增量值，然后，判断本采样周期内的输入电能增量情况，调整电动机的实际输入电压。
其中，有关的计算，依据的算法，说明如下可编程设置有3个输入端口，代表8个输入状态，分别对应8个输出转速。
SIN(i)=ST(i)式中ST(i)为输入状态转换算法，可以是查表，SIN(i)为对应输出转速，i为1-8序号。
通过负载要求的转速STN，计算电机输入电源的频率和电动机输入电压f0、Vofo=KfSINVo=Kvfo式中Kf，Kv为常数采集电源输入电流、电压 和电动机输入电压 后，由算式AIN(T)=3TNΣi=1NI*AINi×U*AINi;(I*AINi×U*AINi>0)]]>RIN(T)=3TNΣi=1NI*AINi×U*AINi;(I*AINi×U*AINi<=0)]]>UIN(T)=TNΣi=1NU*Di×U*Di]]>式中，N一个电源周期T中数据的采样点数，取值范围2-1000。
计算一个电源周期T内有功、无功电能和电动机电压有效值IAIN，UAIN，UIN(T)。跟踪计算一个电源周期T内电能变化增量ΔAIN-AINi+1(T)-AINi(T)计算控制电压增量的算式ΔU=ΔAIN(T)2KUIN(T)]]>式中K＝TPe/U2eaΔU是每一步搜索最小能耗时的电压减小量，其中a为搜索步长系数，通常根据系统响应速度快慢可取0.1-1。
bΔU为达到搜索边界值时电压的增加量，其中b为返回步长系数，通常取a的0.1-0.5倍。
e是电能增量量值变化转向控制参数，取值范围额定功率的5％--20％。
es是速度变化限制转向控制限制参数，取值范围额定转速的1％--10％。
其中，参数a、b、e和es，均是通过运行参数设定电路，经可编程调速节能过程设置的。
本实用新型上述算法的基本依据，进一步说明如下所述在给定转速，给定电源频率状态下，电机在正常工作时，由图1所示的电动机等效简化电路可以得到功率等效方程P1＝PM+Pcu1+Pfe1PM＝P2+Pcu2+Pa式中电机输入功率P1定子铜损Pcu1=m1I12R1=Z1(s)2m1R1U12]]>定子铁损Pfe1=m1IM2Rm=Zm(s)2m1RmU12]]>电磁功率PM＝Ω1M(Ω1理想空载角速度)机械功率P2转子铜损Pcu2=m1I2'2R2'=Z2(s)2m1R2'U12.]]>附加损耗Pa由此可见电机输入电压U1的变化可以改变电机的运行损耗。
电磁转矩方程M=1Ω1m1U12R2'S(R1+R2'S)2+(X1σ+X2σ')2=ZM(s)U12]]>
由电磁转矩方程改变电机输入电压U1，可得到图2所示的特性曲线。在给定转速，给定电源频率时，只要负载和机械损耗转矩之和M1小于给定输入电压时的最大输出转矩Mmax，减小电动机输入电压U1不影响电机系统的正常运行。
因此，由上述电机基本方程可以导出在给定转速，给定电源频率时，电机输入功率的近似表达式P1＝ZM(s)U12当转差率变化较小时，ZM(s)可用常数Pe/Ue2近似代替。在一个电源周期T时间内AIN(T)＝TP1UIN(T)＝U1即AIN(T)＝KUIN(T)2K＝T Pe/U2e取增量后得到ΔU=ΔAIN(T)2KUIN(T)]]>这一关系式为控制器在给定转速，给定电源频率下，对电动机节能优化控制提供了基本起点。
电动机的转速方程SIN＝(1-S)6Ofo/p式中s是转差率；p是极对数为调速节能控制提供了控制依据。
并且，使Vo/fo＝Ve/fe＝Kv式中Ve是电机额定电压，fe电机额定频率以保证电机运行安全，建立在这两个电动机的基本特征上的控制程序通过节能优化搜索，实现了对电动机的节能控制的本实用新型。
本实用新型的控制装置带来的技术效果体现在以下几个方面1.实用新型中提供的速度设定和调速闭环控制功能，可以为可调速电动机运行系统提供有效的节能控制ΔAs＝(Se-S)M
式中Se额定转速；S实际转速；M负载转矩；ΔAs节省的电动机拖动对象浪费的能量。
2.实用新型中提供的调压控制功能可使被控制对象在任何转速情况下减少损耗，实用新型中提供的节能优化搜索控制可以获得准确的最优节能效果ΔAv＝Σ(Ae(T)-AMIN(T))式中Ae(T)无调压时平均一个电源周期T时间内的输入电能；AMIN(T)优化调压控制后平均一个电源周期T时间内的输入电能；ΔAv节省的电动机损耗能量。
3.实用新型中提供的辅助功能可实现对电动机的节能启动和停机控制以及运行时的综合保护。
4.上述节能效果的获得将不依赖于电动机自身的准确参数关系和对象运行状态的限制，既解决了常规调压节能控制中的不确定性问题和不能节省电动机拖动对象能量的浪费，且仅能用于不调速系统的问题，又解决了变频调速节能控制中不能节省电动机自身能量损耗，且只能用于可调速系统的问题。可以用于任何常规电动机的节能控制，并且，都可获得确定的最优节能效果和运行保护。
本实用新型的基本思路在于控制装置包括大功率调频调压模块和节能控制模块，节能控制模块包括信号转换电路，运行参数设定电路和运算控制电路，而运算控制电路包括调速节能控制部分和调压节能控制部分。本实用新型的实施，并不限于上述公开之实施例。任何基于上述基本思路，而做出的针对上述实施例的无须创造性劳动的替换、改进，都属于本实用新型的实施。
权利要求1.一种交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于包括测量外界电源的电流用的互感器、交流感应电动机拖动对象的转速控制电路、大功率调频调压模块和节能控制模块，外界交流电源经由受节能控制模块调节的大功率调频调压模块对交流感应电动机供电，而电动机拖动对象上设有转速闭环反馈电路；所述节能控制模块包括信号转换电路，运行参数设定电路和运算控制电路；所述信号转换电路的输入包括与所述转速控制电路的连接端口，与外界电源的电压的连接端口，与测量外界电源的电流用的互感器的连接端口，与电动机输入电压的连接端口，以及与而电动机拖动对象上转速闭环反馈电路的连接端口；所述运行参数设定电路包括与运算控制电路相连的用以输入电动机拖动对象基本运行要求参数的，按键与指示装置，和/或通讯接口；所述运算控制电路包括调速节能控制部分和调压节能控制部分；所述信号转换电路的输出送运算控制电路。
2.如权利要求1所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于所述调速节能控制部分，包括配合运行参数设定电路、可编程调速节能电路、频率与电压初始值计算电路，以及判断电路；所述调压节能控制部分，包括外界电源电压的过零捕获电路，电能增量计算电路，频率与电压计算电路，其输入端连接到频率与电压计算电路的输出，其输出端连接到大功率调频调压模块的调频调压驱动电路，以及控制端口；所述调速节能控制部分的频率与电压初始值计算电路的输出送调压节能控制部分的频率与电压计算电路；所述调速节能控制部分的判断电路的输出送调压节能控制部分的控制端口。
3.如权利要求2所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于所述调速节能控制部分的可编程调速节能电路的输入，包括经由信号转换电路处理的一可手动调节的电位器的调节输出和电动机拖动对象上的转速闭环反馈电路的输出。
4.如权利要求3所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于电动机拖动对象上设有运行状态报告电路，信号转换电路的输入还包括与该运行状态报告电路的连接端口，而所述可编程调速节能电路的输入，还包括经由信号转换电路处理的电动机拖动对象上的运行状态报告电路的输出。
5.如权利要求2所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于所述调压节能控制部分的频率与电压计算电路，包括节能搜索判断电路；所述节能搜索判断电路，包括电动机转速变化限制转向控制电路，和电能增量量值变化转向控制电路。
6.如权利要求5所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于所述电动机转速变化限制转向控制电路，包括给定转速与实际转速差的绝对值是否大于设定的限制参数的转速差判断电路。
7.如权利要求5所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于所述输入电能增量量值变化转向控制电路，包括电能增量是否大于和等于零的量值变化正负判断电路，和电能增量的绝对值是否大于设定的控制参数的量值变化超限判断电路。
8.如权利要求1至7任一所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于所述节能控制模块是由环氧树脂全密封的。
9.如权利要求8所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于电动机是三相的，而信号转换电路的输入只包括一相信号，即与外界电源的一相电压的连接端口，与测量外界电源的一相电流用互感器的连接端口，与一相电动机输入电压的连接端口。
10.如权利要求8所述的交流感应电动机节能运行控制装置，其特征在于所述运算控制电路为一微处理器。
专利摘要一种交流感应电动机节能运行控制装置，包括测量外界电源的电流用的互感器、交流感应电动机拖动对象的转速控制电路、大功率调频调压模块和控制模块，外界交流电源经由受控制模块调节的调频调压模块对电动机供电，电动机拖动对象上设有转速闭环反馈电路，所述控制模块包括信号转换电路，运行参数设定电路和运算控制电路；信号转换电路的输入包括与所述转速控制电路，与外界电源的电压，与所述互感器，与电动机输入电压，以及与转速闭环反馈电路；运算控制电路包括调速节能控制部分和调压节能控制部分；信号转换电路的输出送运算控制电路。本装置，结构紧凑，可以实现在满足电动机拖动对象运行要求的前提下，使电动机的输入功率达到最小。
文档编号H02P27/00GK2907084SQ20052006681
公开日2007年5月30日 申请日期2005年11月9日 优先权日2005年11月9日
发明者杨玉华 申请人:杨玉华