三相异步电机节能控制的最小输入功率方法及其装置

摘要

一种三相异步电机节能控制的最小输入功率方法及其装置，该装置包含电压电流测定装置，功率计算装置，功率比较装置，突加负载判别装置，触发信号发生装置和执行装置。这些装置通过自适应调节使电机在任何负载条件下均处于最小输入功率状态，从而达到最佳节电效果。突加负载判别装置能及时判别电机负载的突然增大，使电机迅速工作于全电压状态，保证了系统的快速响应。

说明书

本发明涉及一种三相异步电机的节能控制方法和装置，具体说涉及一种最小输入功率的节能控制方法及其相应的装置。

交流异步电机由于轻载时功率因数低，电能利用率不高，因而节电潜力很大。在本发明之前，国内外已有相当多的节能控制装置出现，其中多数以控制功率因数提高电机轻载时的功率因数达到节电的目的，这类功率因数控制节电技术也取得了较明显的节电效果。作为这类技术的举例有中国发明专利申请（申请号为92101345.0）和中国实用新型专利申请（申请号为92221384.4）等。由于以下原因，已有技术的这种功率因数法节电技术尚不能达到最佳节电效果。

1.交流异步电机的最佳功率因数在其全工作范围内呈曲线变化。这样，从追求最佳功率因数而达到最佳节能目标出发，就需要在全工作范围内逐点修正最佳功率因数设定值，这在设计电路时较难实现，只能就总体而言，设一个平均最佳功率因数设定值。

2.异步电机工作时，即使负载不变，但当电网电压变化时，其实际功率因数值也随之变化。考虑到我国电网电压变化±10%是正常现象，因而功率因数平均最佳设定值必须顾及这个因素而留有一定的余量。

3.同一型号，同一规格的异步电机在相同的工况下，其功率因数存在一定的离散性;即使同一台电机在其新旧不同时期在同样工况下也发生功率因数值的变迁，因而功率因数平均最佳设定值还必须顾及这种离散性而留有一定的余量。

4.理论与实践都已证实，过高的功率因数值对于异步电机说并不节电。由此可见，异步电机的功率因数控制方法不能达到最佳节电的效果。

本发明的目的在于提供一种具有最佳节电效果的用于三相异步电机的最小输入功率方法及其装置。在本装置中，三相交流电源经反并联晶闸管向异步电机供电，异步电机的工作受晶闸管控制。

所述最小输入功率方法包含步骤为：

a）测定三相电源与所述晶闸管之间的电压和电流;

b）将所测定的电流与一设定电流值进行比较，若测定的电流大于或等于设定值时则输出一个突加负载控制信号;

c）用该突加负载控制信号控制产生全导通触发信号;

d）该全导通触发信号经功率放大、隔离后，加到被控晶闸管的控制极，使晶闸管处于全导通工作状态，使所述三相异步电机迅速获取全电压供电;

e）按步骤a）中测得的电压和电流计算三相电源供给所述异步电机的当前功率值;

f）将本次测得的当前功率值与前次功率值进行比较，以产生对所述三相异步电机的最小输入功率控制信号;

g）在所述最小输入功率控制信号的控制下产生对被控晶闸管的触发信号;

h）对所述触发信号经功率放大、隔离后，加到被控晶闸管的控制极，控制晶闸管的导通状况，从而使所述三相异步电机获得在相应负载下从电源输入最小功率所需的供电电压;

本发明所提供的三相异步电机最小输入功率的节能控制装置，它包含对三相电源电压、电流进行测定的电压电流测定装置和控制所述晶闸管导通状况的执行装置，其特征在于，该节能控制装置进一步包含：

接收所述电压电流测定装置的输出，并将所测定的电流与一设定电流值进行比较的突加负载判别装置，当所测定的电流大于或等于所述设定值时，则该判别装置输出一个突加负载控制信号;

接收所述电压电流测定装置的输出，计算三相电源供给所述异步电机的当前功率值的功率计算装置;

接收所述功率计算装置的输出将前次功率值与当前功率值进行比较的功率比较装置，当前次功率值小于当前功率值时，所述功率比较装置发出增加被控异步电机供电电压的信号，当前次功率值大于当前功率值时，功率比较装置发出降低被控异步电机供电电压的信号，当前次功率值等于当前功率值时，功率比较装置发出维持被控异步电机供电电压的信号;

优先响应突加负载判别装置输出的突加负载控制信号，接收所述功率比较装置发出的上述各供电电压信号，以这些信号为依据，产生相应宽度的触发信号，控制晶闸管调压的触发信号发生装置。

本发明摒弃了传统的、如上所述存在诸多缺陷的控制三相异步电机功率因数的节电方法，提出了一种崭新的、独创的三相异步电机最小输入功率节电法。按照这种方法，每次输出供给电机的电压调整指令后，即根据偏差大小与正负运用自适应控制原理，由微机自行修正电机的最小输入功率设定值，使电机不论工作于轻载还是重载，均处于“最小输入功率”工作状态，从而达到最佳节电效果。

下面结合附图和所举实施例详细描述本发明。

图1为本发明系统组成方框图;

图2为本发明一实施例的电压电流测定装置的线路原理图;

图3为本发明一实施例的触发信号发生装置和执行装置的线路原理图;

图4为本发明一实施例中与微机相关的输入输出信号分布状况图;

图5为本发明系统运行的流程图;

图6为本发明一实施例的触发信号发生装置中各点工作与被控电机在不同负载下某一相的线电流波形;

图7为本发明的功率比较装置的另一实施例原理图;

图8为本发明的突加负载判别装置的另一实施例原理图。

参见图1，图1为本发明三相异步电机最小输入功率法控制系统的方框图。图中，1为三相异步电机（以下简称电机），虚线框2中为分别连接三相电源和所述电机的三相反并联晶闸管，它们用于控制电机1的供电电压，电流互感器3a、3b分别用于测取从电源A相和C相获取的输入电流。

电压电流测定装置4接收来自三相电源的线电压和来自电流互感器3a、3b的线电流，并对其进行测量。上述电压和电流的测定可进一步包括对三相电源的任意两个线电压及其线电流的测量。在本发明一实施例中，通过采样/保持、模-数转换以数字形式将所测得的电压、电流周波的各点瞬时值存入微机内存中。

突加负载判别装置5将所测定的某一相线电流与一设定值进行比较，若所测定的电流大于所述设定值时则输出一个突加负载控制信号。在一实施例中，所述设定值可取被控电机1额定工作电流的50%，所述瞬时电流与一设定值的比较可进一步包含：将本周波测得的电流有效值与前几个（例如8个）周波中有效电流平均值作比较以形成一差值，当该差值大于所述设定值时输出一个突加负载控制信号。

功率计算装置6接收电压电流测定装置4输出的电压与电流瞬时值，计算三相电源供给电机1的输入功率。在一实施例中，采用二瓦特计方法计算每个电源电压周波的输入功率瞬时采样值并将其存入计算机内存，在控制过程中，采用滑动平均滤波法计算输入功率的当前值，即，将本次电源电压周波中获取的输入功率瞬时值，与前15个电源电压周波中获取的各次输入功率瞬时值相加后取平均值，所谓前次输入功率值则是紧接当前输入功率值的上一个当前功率值。

功率比较装置7在每个计算周期中，以已测得的前次输入功率值作为设定值，与当前输入功率值作比较，用于产生一个电机1的最小输入功率控制信号。通常最小输入功率控制是一个连续的过程控制，该控制过程运行如下：每当前次输入功率值（即，设定值）大于当前输入功率值时发生降低电机1供电电压的信号，该信号作用于晶闸管2使电机1的供电电压平滑下降;当前次输入功率值小于当前输入功率值则发出升高电机1供电电压的信号，电机1的供电电压得到平滑上升;当二个功率值相等时，则维持电机1的供电电压不变;不断地循环运行上述过程，当前次输入功率值与当前输入功率值相等或相差无几时，电机即进入了最小输小功率的工况。

触发信号发生装置8优先响应突加负载判别装置5输出的突加负载控制信号，它还接收功率比较装置7输出的增减或保持电机1供电电压的控制信号，根据这些控制信号产生宽度可变的移相触发信号，经执行装置9放大，隔离后加于各相晶闸管，使电机1获得所需的供电电压，工作于最小输入功率工况。

参见图2，图2为本发明电压、电流测定装置4一实施例的线路原理图。图中，变压器B₁的原边接于A相电源，其副边经电阻R₁、R₂与运算放大器U₁相接，U1输出端接C₁、R₄微分电路，经二极管D₁向微机发出A相电源正半周起始过零信号O1，用于启动微机进入对电压、电流信号采样/保持、模/数转换的工作状态，U₁输出信号经电阻R₁₂与运算放大器U₁₀相连，U₁₀是反相器，其输出经C₂、R₁₄微分电路，通过二极管D₂向微机发出A相电源负半周起始过零信号O2，用于启动微机进入计算功率，实施最小输入功率控制的阶段。

变压器B₂原边接入三相电源的A、B相，变压器B₃原边接入三相电源的B、C相，运算放大器U₂、U₃构成跟随器跟踪线电压UAB、UBC的变化;H₁、H₂为两个电流互感器分别测取电源输入端A相与C相的线电流，U₄、U₅构成同相放大器分别跟踪iA和iC的变化;这四个信号分别输入U₆～U₉四个采样/保持集成电路，U₆～U₉的控制端连接端连接在一起形成输入端O₃，由微机控制它们的工作状态，当进入采样、A/D转换工作状态时，U₆～U₉工作状态同时转换，由此而获得在不同的时间间隔内四个信号的同一瞬时值。

图1中的功率计算装置6、功率比较装置7和突加负载判别装置5在本实施例中由单片微机（见图4）的相应硬件资源和软件资源构成。

参见图3，图3中虚线框1构成图1中触发信号发生装置8的一实施例;虚线框2构成图1中执行装置9的一实施例。

由图3可见，触发信号发生装置8及执行装置9在线路结构上分成上、中、下相同的三路，每一路各自控制电机1输入端某一相的反并联晶闸管，这里仅说明一相（如A相）线路工作原理，其余两相依此类推。

取自A相电源、经变压器隔离的同步信号～A，加在运算放大器OP₁的输入端，OP₁为同相放大器，OP₄为反相放大器，它们的输出波形分别如图6中的b）和C）所示。OP₁的输出b）经C₂、R₁₅的微分电路，OP₄的输出经C₃、R₁₆的微分电路，一并加在晶体管BG₁的基极输入端，其输入波形如图6中d）。OP₇为积分器，如果不受控制那么输出电压将积分至峰值维持饱和，但晶体管BG₁在A相电源正负过零端迅速导通后再关断，给OP₇造成一个放电回路，使OP₇形成跟A相电源周波同步的锯齿波见图6中e）。OP₇的输出送到OP₁₁的同相输入端，如果没有OP₁₀的输出控制，OP₁₁将输出全导通信号，现OP₁₀的输出受到二个输入信号控制，一个是IN₁，由微机输出的正常的调节电机1进入最小输入功率工作状态的控制信号;一个IN₂，由微机输出的突加负载响应输出，使OP₁₁维持全导通输出。IC₁、IC₃为三输入与非门，其作用是将OP₁₁的输出信号分解为二路各自控制A相正负半周的晶闸管的导通，另外加上振荡源产生的脉中列，使其成为宽度可变适合触发晶闸管的脉冲列如图6中波形f）、h）和j）所示，第三个输入端则是微机控制端，在出现异常情况时，由微机迅速切断输出脉冲，关断晶闸管使电机1迅速停机。

图3中方框2为执行装置9，由方框1输出的脉冲信号经功率管放大、脉冲变压器隔离，直接加到被控晶闸管的控制极，控制晶闸管的工作。

图6中波形g）为电机处于轻载时，A相输入的线电流，波形i）为电机变重时A相输入的线电流，波形k）则是电机实际工作时A相输入的线电流，其中前半段为正常的处于最小输入功率调节状态的A相输入线电流波形，后半段则是电机响应突加负载后A相输入的线电流。

参见图5，图5为本发明控制三相异步电机运行于最小输入功率状况的流程图。通过以上对本发明一实施例的各部分的详细描述，可以清晰地了解流程图中各个步骤的含义。整个控制过程一个循环为20ms（电源频率的一个周波时间）;从框130至框150占时10ms，其余各功能框占时10ms;框190和框270中所谓调整设定值是指用当前功率测定值取代原设定值（前次功率测定值）作为下一次比较的设定值。

通过以上举例详细描述了本发明的原理构成和控制过程。

在不脱离本发明所揭示的实质内容范围内，具体线路的实施方案和具体步骤的实施方法可作种种变化。如：

1.测电机输入功率的方法不限于二瓦特计方法，也可用三瓦特计方法，但对于负载对称的电机来说，用二瓦特计更简捷，在微机上实施也更快。

2.图2中正向同步过零信号和负向同步过零信号电路可以取消，正负向过零信号可以由微机在对输入电压信号采样后对数据判别后确定，这是全软件的办法，缺点是占用软件较多的时间，不如上述实施例简捷。

3.本发明涉及的触发信号发生装置和执行装置形式可以多种，本文提及一种实施例，也可采用其他方法，例如采用国产KC09集成电路，也可组成触发信号发生装置，执行装置中也可采用光耦隔离电路代替脉冲变压器，但就装置的可靠性而言，本实施例有其明显的优越性。

4.功率比较装置7也可采用如图7所示一实施例实施。

参见图7，由功率计算装置计算出的当前功率值经A/D转换成电压值经R₁电阻加到运算放大器OP₁的反相输入端，而前次功率值则经A/D转换后倒相经R₂加到OP，的反相输入端，当前次功率值＜当前功率值时，U_OUT输出增加;当前次功率值＞当前功率值时，Uout输出减少;当前次功率值等于当前功率值时，U_OUT维持不变，达到了调节目的。其好处是可靠，不足点是增加系统开销，不如前述实施例简捷、迅速、经济。

5.突加负载判别装置5也可采用图8所示一实施例实施：

参见图8，电源输入的A相线电流iA经电流互感器HI，感应产生交变电流，由R₁形成交变电压，经E₁整流桥堆整流，R₂电阻和C₁电容滤波，产生反映iA峰值的直流电平，经R₄加到运算放大器OP₂的同相输入端，由RW₁从电源V_T引入的直流正电压经电阻R₃加到OP₂的负向输入端，RW₁的设定值代表50%的电机额定工作电流，当电机实际工作电流小于50%额定工作电流时，V_B＜V_A，OP₂输出U_OUT2为负值，当电机实际工作电流大于50%额定工作电流时，U_OUT2输出为正值，实现了突加负载判别功能。

该实施例是用硬件实现的，增加了系统的开销，本发明例举的前一实施例是用软件实现，开销省，系统简单，提高了系统的性能价格比。

功率计算装置6实质上也可用硬件来实现，但由于其构成的硬件线路复杂，成本高通常用微机的软件实现较为方便。

因此，本发明所要求保护的发明构思及技术方案应当由所附权利要求书加以限定。