异步电动机电压互感电路,异步电动机电流互感电路

摘要

本发明涉及电机领域，尤其是异步电动机电压互感电路。该电路包括：第一电压互感器、第二电压互感器、电容器组和单片机，电容器组包括多个电容器和多个开关，每个电容器与一个开关串联形成电容串联电路，多个电容串联电路并联形成电容器组；三相异步电动机的L1、L2和L3支路星形连接或角形连接；第一电压互感器的一次侧绕组与电源并联，其二次侧绕组与单片机的输入端电连接；第二电压互感器的一次侧绕组与L1或L2或L3中的任一条支路并联，其二次侧绕组与单片机的输入端连接；电容器组与L2或L3中的任一条支路串联；多个开关与单片机的输出端连接。本发明提供的三相异步电动机电压互感控制电路，提高了电动机工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电机领域，具体而言，涉及异步电动机电压互感电路和异步电动机电流互感电路。 

背景技术

三相异步电动机是生产、生活中经常使用的一种电机，用来驱动各种通用机械，如压缩机、水泵、破碎机、切削机床、运输机械及其他机械设备。三相异步电动机在单相运行时，部分绕组依靠裂相产生旋转磁场，导致效率降低，加上电动机本身消耗无功功率，使电动机工作效率降低。 

通常的做法是，在三相异步电动机上的L2或L3任一条支路上增加固定电容值的运行电容，来提高电机的运行时的转矩，进而提高电动机的工作效率。 

但通过增加固定电容值的运行电容的方式提高电动机工作效率的幅度有限。 

发明内容

本发明的目的在于提供异步电动机电压互感电路和异步电动机电流互感电路，以解决上述的问题。 

在本发明的实施例中提供了异步电动机电压互感电路， 

包括：第一电压互感器、第二电压互感器、电容器组和单片机，所述电容器组包括多个电容器和多个开关，每个所述电容器与一个 所述开关串联形成电容串联电路，多个所述电容串联电路并联形成所述电容器组； 

所述三相异步电动机的L1、L2和L3支路星形连接或角形连接； 

所述第一电压互感器的一次侧绕组与电源并联，其二次侧绕组与所述单片机的输入端电连接； 

所述第二电压互感器的一次侧绕组与L1或L2或L3中的任一条支路并联，其二次侧绕组与所述单片机的输入端连接； 

所述电容器组与L2或L3中的任一条支路串联； 

多个所述开关与所述单片机的输出端连接。 

优选的，所述单片机采用BCD码方式排列。 

优选的，所述电容器组包括7个电容。 

优选的，7个所述电容耐压值为400VDC，且电容值分别为0.5uf、1uf、2uf、4uf、8uf、16uf、32uf。 

优选的，所述开关为中间继电器，所述开关包括触点和线圈，所述线圈与所述单片机的输出端电连接，所述电容器与一个所述触点串联形成电容串联电路。 

优选的，所述单片机用于， 

根据预先录入的启动指令调整多个所述开关的通断，使所述电容器组的电容值改变为启动电容值，并保持预设的启动时间； 

根据预先录入的运行指令调整多个所述开关的通断，使所述电容器组的电容值改变为运行电容值，并保持预设的运行时间。 

优选的，在所述根据预先录入的运行指令调整所述电容器的电容值，并保持预设的运行时间之后还包括， 

比较所述第一电压互感器所检测到的基准电压值与所述第二电压互感器所检测到的端电压值是否相等； 

若否，则计算，并记录基准电压值与端电压值的差值，记为第一差值； 

按照预设的方式将所述电容器的电容值提高预设的第一改变数值； 

间隔预设的时间后，再次计算、并记录基准电压值与端电压值的差值，记为第二差值； 

比较所述第一差值是否大于所述第二差值； 

若是，则按照预设的方式再次将所述电容器的电容值提高预设的第二改变数值； 

若否，则按照预设的方式降低所述电容器的电容值降低预设的第三改变数值； 

或， 

比较所述基准电压值与所述端电压值是否相等； 

若否，则再次计算，并记录基准电压值与端电压值的差值，记为第三差值； 

按照预设的方式将所述电容器的电容值降低预设的第四改变数值； 

间隔预设的时间后，再次计算、并记录基准电压值与端电压值的差值，记为第四差值； 

比较所述第三差值是否大于所述第四差值； 

若是，则按照预设的方式再次将所述电容器的电容值降低预设的第五改变数值； 

若否，则按照预设的方式降低所述电容器的电容值提高预设的第六改变数值。 

优选的，还包括：电子调压器， 

所述电子调压器同时串联于L1、L2和L3与所述电源之间。 

优选的，所述电子调压器的工作电压为220V输出功率为10KW。 

本发明实施例还提供了异步电动机电流互感电路，包括：第一电流互感器、第二电流互感器、电容器组和单片机，所述电容器组包括多个电容器和多个开关，每个所述电容器与一个所述开关串联形成电容串联电路，多个所述电容串联电路并联形成所述电容器组； 

所述异步电动机的L1、L2和L3支路星形连接或角形连接； 

所述第一电流互感器的一次侧绕组与电源串联，其二次侧绕组与所述单片机的输入端电连接； 

所述第二电流互感器的一次侧绕组与L2支路串联，其二次侧绕组与所述单片机的输入端电连接； 

所述电容器组与L2或L3中的任一条支路串联； 

多个所述开关与所述单片机的输出端连接。 

本发明实施例提供的三相异步电动机电压互感控制电路，与现有技术中的在传统三相异步电动机上的L2或L3任一条支路上增加固定电容值的运行电容，来提高电机的运行时的转矩，进而提高电动机的工作效率的方法相比，其通过两个互感器分别检测接入电动机的电源电压和电动机L1或L2或L3任一条支路的电压，再根据两个电压值调整与L2或L3任一条支路串联的电容值，进而使电容器组和不与电容器组串联的那条支路某产生并联谐振，使电动机在电能消耗最少的情况下，输出功率不变，使电动机工作效率提高了。 

附图说明

图1示出了本发明实施例的异步电动机电压互感电路绕组基本结构图； 

图2示出了本发明实施例的异步电动机电压互感电路单片机基本结构图； 

图3示出了本发明实施例的异步电动机电压互感电路绕组整体结构图； 

图4示出了本发明实施例的异步电动机电压互感电路单片机整体结构图。 

图中：101、电容器；102、开关；103、第一电压互感器的一次侧绕组；104、第二电压互感器的一次侧绕组；105、第一电压互感器的二次侧绕组；106、第二电压互感器的二次侧绕组；107、单片机；108、电子调压器；109、线圈；110、触点。 

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。 

本发明实施例1提供了异步电动机电压互感电路的基本结构，如图1所示，包括：第一电压互感器、第二电压互感器、电容器组和单片机，所述电容器组包括多个电容器和多个开关，每个所述电容器与一个所述开关串联形成电容串联电路，多个所述电容串联电路并联形成所述电容器组；所述三相异步电动机的L1、L2和L3支路星形连接或角形连接；所述第一电压互感器的一次侧绕组与电源并联，其二次侧绕组与所述单片机的输入端电连接；所述第二电压互感器的一次侧绕组与L1或L2或L3中的任一条支路并联，其二次侧绕组与所述单片机的输入端连接；所述电容器组与L2或L3中的任一条支路串联；多个所述开关与所述单片机的输出端连接。 

其中，异步电动机电压互感电路可以理解为三相异步电动机电压互感控制电路，第一电压互感器的一次侧绕组103用于测量接入控制电路的路端电压值，也就是电源电压。第二电压互感器的一次侧绕组104用于测量L1或L2或L3的任一条支路的路端电压值，由于L1、L2和L3是两两并联的连接方式，所以每一条支路的电压值均是相等的，也就是测量哪一条支路中的线圈的端电压值都是相同的值，当线圈与串联的电容组发生串联谐振时，电容组的端电压是线圈的端电压1.66667倍，3组线圈的端电压均与电源电压相等。第二电压互感器的一次侧绕组104与哪一条支路并联都是可以的。第一电压互感器的二次侧绕组105用于给单片机107输入电信号，第二电压互感器的二次侧绕组106用于给单片机107输入电信号。与电容器组由多个电容器101并联组成，电容器组的电容值的倒数为各个电容器101的倒数之和，通过多个电容器101的并联，能够增大电容器组的电容容量，同样的，减少电容器101的并联数量能够降低电容器组的电容容量。此处的增大和降低电容器组的电容容量的方式是：每一个电容器101与一个开关102串联，通过控制开关102的通断，来控制与开关102串联的电容器101所在电路的通断，进而控制单个的电容器101是否增大或降低电容器组的电容值。也就是开关102由断开到闭合则是增加电容器组的电容值，开关102由闭合到断开则是降低电容器组的电容值。 

单片机107用于根据第一电压互感器二次侧的基准电压值和第二电压互感器二次侧的路端电压值控制多个开关102通断。其中，第一电压互感器的一次侧匝数与二次侧匝数比和第二电压互感器的一次侧匝数与二次侧匝数比优选为相同的，那么单片机107接收到的电压值也就是相同的，可以直接使用。通过控制多个开关102中 每个开关102的通断情况，由前文所提供的控制方法进而使单片机107能够控制电容器组的电容值。其中开关102可以是继电器，与单片机107输出端相连接的是继电器的线圈，与电容组成串联电路的是继电器的触点，当线圈得电时，触点通路，进而使带有该触点的串联电路接通。当然，单片机107控制每个开关102通断也是可以根据预先录入单片机107的指令来完成的。当电动机正常运行的时候，通过调节电容器组的电容值，使电容组的阻抗和某一支路的线圈的阻抗相等，此时接入电路的电压源的电压值与任一支路的电压值相等，进而使电容器组与另一条支路产生并联谐振，也就是L3支路；L2支路和L3支路并联后的并联电路再与L1支路串联的，同时，电容器组与本条支路上的线圈产生串联谐振，此时电动机的功率因数为1，也就是在消耗电能最少的情况下使电动机的输出功率不变，进而提高了电动机的工作效率。 

通过两个电压互感器分别检测接入电动机的电源电压和电动机L1或L2或L3任一条支路的电压，再根据两个电压值调整与L2或L3任一条支路串联的电容值，进而使电容器组与另一条支路产生并联谐振，另一条支路指的是不与电容器组串联的支路，在输出功率不变的情况下，降低了输入的电量，使电动机工作效率提高了。 

本发明实施例2提供了三相异步电动机电压互感控制电路整体结构，如图3和图4所示，在实施例1的基础上，单片机107采用BCD码方式排列，采用该编码方式能够简化编码过程，编码容易，同时开关使用数量最少，降低成本。当然，单片机107也可以采用其他的编码方式，但采用其他编码方式来实现控制的难度较高，使用的元器件也较多。 

电容器组包括7个电容器101。也就是电容器组中包括了7条由一个电容和一个开关组成的串联电路。由于采用了BCD码编码方式，设置7个输出量是比较合理的，能够简化单片机107的编码难度，同时一个开关控制一个电容器101，也就是包括了7个电容器101。 

7个电容耐压值为400VDC，且电容值分别为0.5uf、1uf、2uf、4uf、8uf、16uf、32uf。谐振用的电机供电电压要比正常的220V或380V低，数值具体为120V，此种电压值的设置目的是串联谐振后电压升高易烧毁电机，所以谐振用的电机供电电压要降低，在经过大量实验和计算后，确定当7个电容器101的电容值为上述7个值时能够满足大部分电动机的数据要求，使电容器组与另一条支路产生并联谐振，其中另一条支路指的是不与电容器组串联的支路。当需要调节电容器组的电容值时，如果需要调节的电容值为5uf，那么我需要电容值为1uf和4uf的电容工作，其他电容不工作，也就是1uf和4uf电容所在的串联电路处于通路。同时，为了保证电容能够正常使用，对电容的耐压值也有一定的要求，即电容耐压值为400VDC。 

同样，为了使电压互感器能够正常工作，即使电流值有一定浮动也不会影响电压互感器的工作，第一电压互感器和第二电压互感器的工作电流为25mA-50mA。 

在单相电动机正常工作的时候需要接入启动电容来分相，目的是使两个绕组中的电流产生近于90°的相位差，以产生旋转磁场，进而使电动机能够转动。单片机107用于，根据预先录入的启动指令调整多个开关102的通断，使电容器组的电容值改变为启动电容值，并保持预设的启动时间；根据预先录入的运行指令调整多个开 关102的通断，使电容器组的电容值改变为运行电容值，并保持预设的运行时间。其中，预先录入的启动指令使单片机107通过控制开关102的通断而调整电容器组的电容值，使电动机产生旋转磁场，进而转动起来，通过大量实验得出，启动时间的长度应为4秒左右。在启动时间到达之后，电容器组需要切换为运行电容的状态，也就是传统方案提高电动机工作效率的启动电容，改变电容值的方式与改变启动电容的电容值的方式相同，将电容器组的电容值改变为运行电容值后能够显著提高电动机的工作效率，由于不同的电动机的启动电容是不同的，可以在测量启动电容后，将该电容值录入到单片机107中，单片机107在根据预先录入的指令来调整开关102的通断情况。进而使不同的单片机107均能到达较高的工作效率。 

在电动机开始正常的运行之后，需要通过调整电容器组的电容值来使电动机进入谐振状态，其调整过程如下，在根据预先录入的运行指令调整电容器101的电容值，并保持预设的运行时间之后还包括，比较第一电压互感器所检测到的基准电压值与第二电压互感器所检测到的端电压值是否相等；若否，则计算，并记录基准电压值与端电压值的差值，记为第一差值；按照预设的方式将电容器101的电容值提高预设的第一改变数值；间隔预设的时间后，再次计算、并记录基准电压值与端电压值的差值，记为第二差值；比较第一差值是否大于第二差值；若是，则按照预设的方式再次将电容器101的电容值提高预设的第二改变数值；若否，则按照预设的方式降低电容器101的电容值降低预设的第三改变数值。 

检测到电源电压和某一条支路的电压相等时，由前文，此时电动机进入了并联谐振的状态，此时的功率因数为1，工作效率最高，但随着电动机所携带的负载发生变化时，会导致电容组的阻抗和支 路的线圈的阻抗不相等，此时电动机会退出谐振状态，此时也就需要调整电容器组的电容值使电动机再次进入谐振状态，以提高电动机的工作效率。当检测出的两电压值不相等时，也就是电动机退出了谐振状态，这时过补偿和欠补偿的状态。此时需要先计算并记录第一差值，再需要先增加电容值，并且在增加电容值后再次计算和记录第二差值，并且比较第一差值和第二差值的大小，如果第二差值比第一差值大，就说明通过增加电容量大小的方式，使电动机计算第二差值时的振动频率距离谐振点的距离相比计算第一差值时的振动频率距离谐振点的距离更大了，应降低电容器101的电容值，使电动机的振动频率更接近谐振点；相反的，如果第二差值比第一差值小，就说明通过增加电容量大小的方式，使电动机计算第二差值时的振动频率距离谐振点的距离相比计算第一差值时的振动频率距离谐振点的距离更小了，也就是增加电容量进行调整的方式是正确的，应再次增加电容量，使电动机的振动频率更接近谐振点。经过多次上述调整既可以使电动机再次处于谐振状态。 

当然，当检测出的两电压值不相等时，也可以先将电容器组的电容值降低一定的数值，具体调整方式如下，比较第一电压互感器所检测到的基准电压值与第二电压互感器所检测到的端电压值是否相等；若否，则再次计算，并记录基准电压值与端电压值的差值，记为第三差值；按照预设的方式将电容器101的电容值降低预设的第四改变数值；间隔预设的时间后，再次计算、并记录基准电压值与端电压值的差值，记为第四差值；比较第三差值是否大于第四差值；若是，则按照预设的方式再次将电容器101的电容值降低预设的第五改变数值；若否，则按照预设的方式降低电容器101的电容值提高预设的第六改变数值。 

当检测出的两电压值不相等时，也就是电动机退出了谐振状态，这时过补偿和欠补偿的状态。此时需要先计算并记录第三差值，再需要先增加电容值，并且在增加电容值后再次计算和记录第四差值，并且比较第三差值和第四差值的大小，如果第四差值比第三差值大，就说明通过增加电容量大小的方式，使电动机计算第四差值时的振动频率距离谐振点的距离相比计算第三差值时的振动频率距离谐振点的距离更大了，应降低电容器101的电容值，使电动机的振动频率更接近谐振点；相反的，如果第四差值比第三差值小，就说明通过增加电容量大小的方式，使电动机计算第四差值时的振动频率距离谐振点的距离相比计算第三差值时的振动频率距离谐振点的距离更小了，也就是增加电容量进行调整的方式是正确的，应再次增加电容量，使电动机的振动频率更接近谐振点。经过多次上述调整即可以使电动机再次处于谐振状态。 

具体的，为了降低成本，优选使用继电器来控制电容所在电路的通断，开关为中间继电器，开关包括触点110和线圈109，线圈109与单片机的输出端电连接，电容器101与一个触点110串联形成电容串联电路。 

开关可以是继电器，与单片机107输出端相连接的是继电器的线圈109，与电容组成串联电路的是继电器的触点110，当线圈109得电时，触点110通路，进而使带有该触点110的串联电路接通。 

为了使电动机更便于使用，本电路中还包括电子调压器108，电子调压器108同时串联于L1、L2和L3所组成的星形连接电路或者角形连接电路与电源之间。通过使用电子调压器108可以直接调节该控制电路的输入电压，加入电子调压器的作用是为了使处于谐振工作状态的电机更加安全，电机保持额定电压工作，串联谐振时 电容器的端电压要高于电源电压，如果不降低电压，则电机很快就会被烧毁。 

较好的，电子调压器108的工作电压为220V输出功率为10KW，经过大量测试，此种规格的电子调压器108更适合于常见的家用电，220V电源的要求。 

本发明实施例3提供了异步电动机电流互感电路，包括：第一电流互感器、第二电流互感器、电容器组和单片机，电容器组包括多个电容器和多个开关，每个电容器与一个开关串联形成电容串联电路，多个电容串联电路并联形成电容器组；三相异步电动机的L1、L2和L3支路星形连接或角形连接；第一电流互感器的一次侧绕组与电源串联，其二次侧绕组与单片机的输入端电连接；第二电流互感器的一次侧绕组与L2支路串联，其二次侧绕组与单片机的输入端电连接；多个开关与单片机的输出端连接。 

其中，异步电动机电流互感电路可以理解为三项异步电动机电流互感控制电路。第一电流互感器的一次侧绕组用于测量接入控制电路的路端电流值，也就是电源电流。第二电流互感器的一次侧绕组用于测量L2支路的路端电流值，电容器组由多个电容器并联组成，电容器组的电容值的倒数为各个电容器的倒数之和，通过多个电容器的并联，能够增大电容器组的电容容量，同样的，减少电容器的并联数量能够降低电容器组的电容容量。此处的增大和降低电容器组的电容容量的方式是：每一个电容器与一个开关串联，通过控制开关的通断，来控制与开关串联的电容器所在电路的通断，进而控制单个的电容器是否增大或降低电容器组的电容值。也就是开关由断开到闭合则是增加电容器组的电容值，开关由闭合到断开则是降低电容器组的电容值。 

单片机用于根据第一电流互感器二次侧的基准电流值和第二电流互感器二次侧的路端电流值控制多个开关通断。其中，第一电流互感器的一次侧匝数与二次侧匝数比和第二电流互感器的一次侧匝数与二次侧匝数比优选为相同的，那么单片机接收到的电流值也就是相同的，可以直接使用。并联谐振内电路电流大于外部供给电流，电流值的处理由程序控制，例如外部电流1A，内部电流2A，单片机接收到电流值的信号后，由单片机中的程序进行倍率转换即可。通过控制多个开关中每个开关的通断情况，由前文所提供的控制方法进而使单片机能够控制电容器组的电容值。当然，单片机控制每个开关通断也是可以根据预先录入单片机的指令来完成的。其中开关可以是继电器，与单片机输出端相连的是继电器的线圈部分，与电容组成串联电路的是继电器的触点，当线圈闭合时，触点通路，进而使带有该触点的串联电路接通。当电动机正常运行的时候，通过调节电容器组的电容值，使电容组的阻抗和L3支路的线圈的阻抗相等，此时接入电路的电流源的电流值的预定倍数与串联了电容的支路的电流值相等，进而使电容器组与另一条支路产生并联谐振，也就是与电容组串联的回路发生串联谐振，电容与L2串联，那么L2就是串联谐振，L3是并联谐振，严格的说，L1也产于了串联谐振。此处所指的预定倍数可以是根据电机驱动电压，谐振时电路的等效电阻等相关参数预算出来的，另一条支路指的是不与电容器组串联的支路，同时，电容器组与本条支路上的线圈产生串联谐振，此时电动机的功率因数为1，也就是在消耗电能最少的情况下使电动机的输出功率不变，进而提高了电动机的工作效率。 

通过两个互感器分别检测接入电动机的电源电流和电动机L2或L3任一条接入电容组的支路的电流，再根据两个电流值调整 与L2或L3任一条支路串联的电容值，进而使电容器组与另一条支路产生并联谐振，另一条支路指的是不与电容器组串联的支路，在输出功率不变的情况下，降低了输入的电量，使电动机工作效率提高了。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。