交流电机节电方法及相应的交流电机节电器

摘要

本发明涉及一种交流电机节电方法及相应的交流电机节电器。本发明要解决的技术问题是如何提供一种节电方法及相应的节电器。本发明交流电机节电方法，其特征在于：在电机启动后，持续降低电机工作电压，并以负载变化为依据，不断修正电压下降幅度的ΔU值的值，随负载变化，及时调整电机的工作电压，按需供电。本发明交流电机节电器，包括调压单元和控制器，该调压单元包括调压电源变压器、隔离变压器，其特征在于：其还包括负载传感单元，该负载传感单元包括用于监测电机负载变化的电机负载传感器，该电机负载传感器与所述控制器的信号输出端相通。本发明具有节电效果明显、成本低的优点，适用于各种交流电机，特别适用于负载波动大的电机。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交流电机节电方法及相应的交流电机节电器。

背景技术

目前，在电机用电系统中，浪费现象十分普遍。对用户而言，相对距离发电厂或变电站较近的电力负载，供电网所施加的过剩电压造成的电能浪费空间相对较大；大多数以电机作为机械动力源的各行业用电设备，在没有采取节能措施的情况下都存在有一定的电能浪费空间。特别是在大容量电机的机械负载功率的大小经常发生变化的场所，“大马拉小车”浪费电能的现象总是频繁发生的，这种动态的电能浪费空间是由动力负荷的运动性质所造成的，是很容易被人们所忽略的。只有少数机械动力装置的设计余量太大，机械负载的运动性质又是趋于恒功率或恒转矩的情况下，它才会以常量的形式存在。

对待上述浪费情况，目前可采取的节电措施是使用变频调速技术和相控变流技术，使供电电源随时跟踪负荷的变化，达到按需供电的节能目的。但从节电、环保的立场来看，此类技术存在着以下缺点。

1、变频调速技术是将低频交流电压整流成为直流电压然后使用电子开关斩波形成高频方波，再经过高频变压器隔离最后合成经过频率调制和幅度可调的正弦交流电压。相控调压技术是将低频交流电压整流成为脉动直流电压，然后按照要求调整可控硅SCR的导通角的大小，形成用正弦波被切割以后的残余波形组成的电压。在大功率运行的情况下，这类节电装置的使用结果就是在电能的传输过程中产生了新的高频损耗电能浪费，对电机的电源线路及其周边的空间环境都造成了高频电磁辐射污染。

2、变频调速器的目的是实现电机的无级调速，节电功能只是它的副作用而已。其实，80％～95％的电机在使用时是不需要也不允许改变转速的。在变频节电装置的使用中，降低电机的电源频率，就降低了电机的阻抗，造成电机定子绕组及其电枢长期过流使用，使电机无谓地发热、电枢过早地老化，缩短了它的使用寿命，最终导致用户节约了电能却不能节约成本。

3、由于半导体的P-N结正向压降和半导体体电阻的存在，在大电流运行时，大功率半导体场效应管或晶闸管组合模块IGBT组件或SCR组件都会产生大量的热量，当散热面积不足半导体管的温升不断提高时还有造成过热击穿并且烧毁大功率器件的危险，这就给这些节电设备的用户带来了安全隐患。为此，在实际应用中，人们只好被动地采取包括使用散热风扇、专用空调制冷设备等办法来解决大功率半导体器件的散热降温问题。这就又形成了新的电能浪费空间，和新的安全隐患，……。

4、人类至今尚无法在半导体制造工艺中控制到分子数量级的材料质量，因材料组织发生畸变或参杂镀渗注入不均等原因所导致的“偶然失效”问题仍然没有得到解决。变频和相控半导体变流节电装置在高压大容量电源供电的环境里在安全性、可靠性、功能等诸方面的制造技术尚不完全成熟，由国外引进的整机造价昂贵，设备娇嫩，工作环境要求十分苛刻，安全性能无法预料。

电网供电电压在受线路压降和用电负荷波动影响经常出现波动，供电部门为保证用户使用，所提供的供电线路的电压往往比额定电压偏高一些，超出了用电器具适宜的电压范围，这种情况下，就会造成电能的浪费。

基于上述认识，本发明人在公告日为2003年10月29号、公告号为CN 2583855Y和公告日为2005年2月9号、公告号为CN 2677979Y的两个实用新专利文献中公开一种通过降压实现节电的新思路。但是在上述两个专利中，监控对像是输入电压，不是输出负载，降压幅度有限，当负载锐减时，即使经过降压后的电压仍然是过剩的，电机轻载或空载时，仍然存在很大浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有电机节电技术的上述缺陷，提供一种交流电机节电方法及相应的交流电机节电器。

为解决上述技术问题，本发明交流电机节电方法，其特征在于：在电机启动后，在不超过额定电流、电压且不改变电流波形的前题下，持续调整电机工作电压，并以负载电机的电流或阻转矩或转速的变化为依据，不断修正电机工作电压的调整幅度，随负载变化，及时调整电机的工作电压，按需供电。

电机负载波动时，直接表现为电机的阻转矩的波动，阻转矩波动又导致电机转速变化，电机转速变化又引起电机工作电流的变化。三者虽有因果关系，但变化几乎是同步，通过对三者监控，可以很方便地跟踪电机负载的变化。有限度地持续压低电机工作电压，在负载下降时，主动降低电机工作电压，输出功率下降，电机转速不至于过快，磨擦损耗小，从而实现节电的目的。

作为优化，电机启动后，具体步骤如下：

(一)、设定降压幅度ΔU值；

(二)、按设定好的降压幅度ΔU，降低电机的工作电压U₀＝U_i-ΔU，其中U_i为电源电压；

(三)、电压调整后，根椐负载的变化调整ΔU值：

以电机工作电流为依据，根据其变化，按下列情况区别处理：

a、当电流增加量大于、等于预定增幅或高于额定电流时，升高电机的工作电压U₀；直至电机工作电流不再增加且小于额定电流，再回到步骤(一)、(二)，再次开始降低电机的工作电压U₀；

b、当电流增加量小于预定增幅，且小于额定电流时，回到步骤(一)，设定一个更小的ΔU，以该ΔU开始，再次降低电机的工作电压U₀；

c、当电流增加量为0或与额定电流接近到一定程度，保持ΔU不变，稳定电机的工作电压U₀，同时进一步监控电流变化；

d、当电流减少量为大于、等于预定减幅时，回到步骤(一)，设定一个更大的ΔU，以该ΔU开始，再次降低电机的工作电压U₀。

本发明交流电机节电器的一种方案，包括调压单元和控制器，该调压单元包括调压电源变压器和自耦变压器，其中，自耦变压器的电流线圈串接在电源输入端与负载电机之间，形成主回路，调压电源变压器的初级线圈跨接在电源输入端与电源零线端之间，其次级线圈上设有多个抽头，每个抽头接有一个继电器开关，上述继电器开关的另一端接自耦变压器的电压线圈的一端，该电压线圈的另一端接在电源输入端与负载电机之间，其特征在于：其还包括负载传感单元，该负载传感单元包括用于监测电机负载变化的电机负载传感器，该电机负载传感器与所述控制器的信号输出端相通。

本发明交流电机节电器的另一种方案，包括调压单元和控制器，该调压单元包括调压电源变压器、隔离变压器，其中，所述调压电源变压器的初级线圈跨接在电源输入端与电源零线端之间，其次级线圈上设有多个抽头，其中一个抽头与隔离变压器的初极线圈的一端相接，余下的每个抽头通过各自的继电器开关与隔离变压器的初极线圈的另一端相接；每个继电器开关的信号输入端与控制器相应的信号输出端相通，所述隔离变压器的次极线圈串接在电源输入端与负载电机之间，形成主回路，其特征在于：其还包括负载传感单元，该负载传感单元包括用于监测电机负载变化的电机负载传感器，该电机负载传感器与所述控制器的信号输出端相通。

两种方案的区别在于：前者选用自耦变压器，适用于工作电压较低的电机，后者选用隔离变压器，适用于工作电压较高的电机。

作为优化，所述负载传感器为电机电流互感器，所述继电器开关为固态继电器，上述固态继电器形成固态继电器矩阵单元。电流互感器反应灵敏，安装方便。

作为优化，所述负载传感器包括变送器及转速传感器或转矩传感器，所述继电器开关为固态继电器，上述固态继电器形成固态继电器矩阵单元。阻转矩变化是负载变化直接体现。

作为优化，本交流电机节电器的调压单元包括多个隔离变压器或自耦变压器，上述隔离变压器的次级线圈，或上述自耦变压器的电流线圈依次串联在主回路中。这种设计特别适于一些需要大幅度调压的电机使用。

作为优化，所述次级线圈或电压线圈与一个主回路继电器开关相互串联成主回路的一部分，并配有旁路，该旁路上设有旁路继电器开关。电机启动或其他特殊情况时用旁路供电，正常运转后通过主回路供电。

作为优化，所述旁路上还设有旁路电流互感器，该旁路电流互感器接控制器的监控信号输入端。便于监控旁路是否断开，防止旁路将隔离变压器的次级线圈或自耦变压器的电流线圈短路。

本交流电机节电器还包适操作显示单元，该操作显示单元包适显示屏和键盘，二者均与控制器相通。便于操作。

本发明交流电机节电方法及相应的交流电机节电器具有节电效果明显、成本低的优点，适用于各种交流电机，特别适用于负载波动大的电机。

附图说明

图1为本交流电机节电方法的方框示意图；

图2为本交流电机节电器使用时的等效原理示意图(不含旁路)；

图3为本交流电机节电器实施方式一的电路图(用于低压电机系统)；

图4为本交流电机节电器实施方式二的电路图(用于高压电机系统)；

图5为本交流电机节电器实施方式三的电路图(用于需要大幅度调压的电机系统)；

图6为图4中调压电源变压器GB与固态继电器矩阵单元SSR矩阵的具体连接方式示意图。

其中：BZ为自耦变压器、BL为隔离变压器、TY为调压电源变压器、SSR为固态继电器矩阵单元、ZM为电机、KZ为控制器、OP为操作显示单元、CT_S为电机电流互感器、J₁为旁路断电器开关、J₂为主路继电器开关、CT_P为旁路电流互感器、L₁、L₂分别为自耦变压器BZ的电压线圈和电流线圈、L′₁为初级线圈、L′₂为次级线圈、UT为电压互感器、L为电源U₁输入端子、ΔU为调控电压幅度、U₀为电机ZM的工作电压、U_i为电源电压、Im为电机定子励磁电流、Ir₀为折算到定子侧的转子电流、r_i为电机定子侧铜损、X_i为电机定子线圈感抗、r_m为电机定子侧铁损、X_m为电机定子线圈励磁电抗、r′₀为折算到定子侧的转子铜损、X′₀为折算到定子侧的转子线圈感抗、[(1-S)/S]r′₀为转子折算到定子侧的负载有功阻抗、S为电磁旋转磁场转速与转子实际转速间的转差率、C为负载预补偿电容器、N为电源零线、L_G为SSR为固态继电器连接的公共线、L_H为各个固态继电器与控制器之间的信号线合并成的线缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明交流电机节电器作进一步说明：

如图1所示，本发明节电方法，其特征在于：在电机ZM启动后，在不超过额定电流、电压且不改变电流波形的前题下，持续调整电机ZM工作电压U₀，并以负载电机ZM的电流或阻转矩或转速的变化为依据，不断修正电机ZM工作电压的调整幅度，随负载变化，及时调整电机ZM的工作电压U₀，按需供电。

实施方式一：如图2、3所示，本发明交流电机节电器，包括调压单元和控制器KZ，该调压单元包括调压电源变压器TY和自耦变压器BZ，其中，自耦变压器BZ的电流线圈L₂串接在电源输入端L与负载电机ZM之间，形成主回路，调压电源变压器TY的初级线圈L′₁跨接在电源输入端L与电源零线端N之间，其次级线圈L′₂上设有多个抽头，每个抽头接有一个继电器开关，上述继电器开关的另一端接自耦变压器BZ的电压线圈L₁的一端，该电压线圈L₁的另一端接在电源输入端L与负载电机ZM之间，其特征在于：其还包括负载传感单元，该负载传感单元包括用于监测电机ZM负载变化的电机负载传感器，该电机负载传感器为电机电流互感器CT_S，并与所述控制器KZ的信号输出端相通。所述继电器开关为固态继电器，上述固态继电器形成固态继电器矩阵单元SSR。所述电压线圈L₁与一个主回路继电器开关J₂相互串联成主回路的一部分，并配有旁路，该旁路上设有旁路继电器开关J₁。所述旁路上还设有旁路电流互感器CT_P，该旁路电流互感器CT_P接控制器KZ的监控信号输入端。

在图3中，交流电源U_i通过减去一个来自于其本身的，未改变其波形形状和频率的由控制器KZ根据电机电流互感器CT_S所传递的本发明的输出电流i₀，也就是电机的输入电流I_j的大小所决定的电压值ΔU，施加在电机ZM{包括：r_i、X_i、r_m、X_m、r′₀、X′₀、[(1-S)/S]r′₀}上。电机主回路上没有被加入任何能够产生干扰作用的信号源。当电机ZM的机械负载突然加大时，根据电机ZM的电磁平衡理论，电磁转矩将发生失衡，转子折算到定子侧的负载有功阻抗((1-S)/S)r′₀减小，折算到定子侧的转子电流Ir₀的有效值也会突然加大，直接引起电机ZM的输入电流I_i的有效值增大，此时控制器KZ将会立即调整减小控制电压ΔU，以使电机ZM及时得到负载所需要的更大的电压值U₀＝U_i-ΔU，这时负载预补偿电容器C可以补偿因I₀的加大和电机工作电压U₀的提高带来的线路所需的容性电流。相反，当电机ZM的负载较轻的时候，控制器KZ则会根据电流I_i的稳定度不断地尝试逐渐增大ΔU，即减少供给电机的工作电压U₀，直到I_i的平均有效值趋近稳定与不稳定之间的动态平衡。若电机ZM处于三相电源之下，自耦变压器电BZ选用的是三相变压器，其电压线圈L₁及电流线圈L₂和另外两相的电压线圈L₁、电流线圈L₂各自处于三个铁心柱上面，互为磁通回路，具有自感、互感形成的对尖峰电压和高频电流成分的较大感抗，并且遵循三相磁通的代数和始终为零的自然规律。因此，本交流电机节电器具有抑制来自于电源端L的三相不平衡、高次谐波、尖峰电压、浪涌电流作用，另外，因ΔU与输入电压U_i反相(相位差是180°)，ΔU会在电流线圈L₂上感生出相对滞后于ΔU 90°(即超前输入电压U_i90°)的电流以抵制输入电流I_i中的感性电流，所以，本发明具有瞬时提高电机功率因数的作用；

在必要时，本交流电机节电器还可以包适操作显示单元OP，其中操作显示单元包适显示屏和键盘，二者均与控制器KZ相通。在控制器KZ使ΔU等于0时，继电器开关J₁闭合，J₂断开，此时本发明中的自耦变压器BZ就可以在不中断负载电机ZM电源供应的情况下被旁路，撤出并脱离运行连接。

实施方式二：如图2、4、6所示，本发明交流电机节电器，包括调压单元和控制器KZ，该调压单元包括调压电源变压器TY、隔离变压器BL，其中，所述调压电源变压器TY的初级线圈L′₁跨接在电源输入端L与电源零线端N之间，其L′₂次级线圈上设有多个抽头，其中一个抽头与隔离变压器BL的初极线圈L′₁的一端相接，余下的每个抽头通过各自的继电器开关与隔离变压器BL的初极线圈L′₁的另一端相接；每个继电器开关的信号输入端与控制器KZ相应的信号输出端相通，所述隔离变压器BL的次极线圈L′₂串接在电源输入端L与负载电机ZM之间，形成主回路，其特征在于：其还包括负载传感单元，该负载传感单元包括用于监测电机负载变化的电机负载传感器CT_S，该电机负载传感器CT_S与所述控制器的信号输出端相通。

所述次级线圈L′₂与一个主回路继电器开关J₂相互串联成主回路的一部分，并配有旁路，该旁路上设有旁路继电器开关J₁。所述旁路上还设有旁路电流互感器CT_P，该旁路电流互感器CT_P接控制器的监控信号输入端。

实施方式一、二的主要区别在于：前者选用自耦变压器BZ，适用于工作电压较低的电机ZM，后者选用隔离变压器BL，适用于工作电压较高的电机ZM。

实施方式三：如图5所示，本交流电机节电器的调压单元包括N个隔离变压器BL，上述隔离变压器BL的次级线圈L′2依次串联在主回路中，其中N为任意正整数。其他结构如实施方式二所述。

上述三种实施方式，均以电机电流互感器CT_S为负载传感器，在使用时，电机ZM启动后，具体步骤如下：

(一)、设定降压幅度ΔU值；

(二)、按设定好的降压幅度ΔU，降低电机ZM的工作电压U₀＝U_i-ΔU，其中U_i为电源电压；

(三)、电压调整后，根椐负载的变化调整ΔU值：

以电机工作电流为依据，根据其变化，按下列情况区别处理：

a、当电流增加量大于、等于预定增幅或高于额定电流时，升高电机ZM的工作电压U₀；直至电机ZM的工作电流不再增加且小于额定电流，再回到步骤(一)、(二)，再次开始降低电机ZM的工作电压U₀；

b、当电流增加量小于预定增幅，且小于额定电流时，回到步骤(一)，设定一个更小的ΔU，以该ΔU开始，再次降低电机ZM的工作电压U₀；

c、当电流增加量为0或与额定电流接近到一定程度，保持ΔU不变，稳定电机ZM的工作电压U₀，同时进一步监控电流变化；

d、当电流减少量为大于、等于预定减幅时，回到步骤(一)，设定一个更大的ΔU，以该ΔU开始，再次降低电机ZM的工作电压U₀。

当然所述负载传感器也可以是转矩传感器与变送器的组合，或转速传感器与变送器的组合。

若以转矩传感器与变送器的组合为负载传感器，编制控制器操作程序时，在保证电流不高于额定电流的前题下，按照阻转矩越大，电机ZM的工作电压U₀越大的关系，建立阻转矩与工作电压U₀一一对应关系的数据库。在上述(一)、(二)步骤之后，对比当前电机ZM的阻转矩与电机ZM的工作电压U₀是否符合上述一一对应关系进行判断，并据此回到步骤(一)设定一个新的ΔU，开始下一个调压循环。

因为阻转矩是电机ZM负载的直接体现，若阻转矩传感器足够灵敏，电机ZM负载激增或锐减时，可以设定绝对值较大的ΔU，还可以是负值(ΔU为负值时，电机ZM的工作电压U₀等于电源电压U_i基础上加该ΔU绝对值)，对电机ZM的工作电压U₀调节一步到位。图略！

若以转速传感器与变送器的组合为负载传感器，按下列情况区别处理：

a、当转速增加量大于、等于预定增幅，或者高于额定转速时，设定一个更大的ΔU，降低电机ZM的工作电压U₀，直至转速不再增加且小于额定转速，再回到步骤(一)，设定一个更小的ΔU，以该ΔU开始，再次降低电机ZM的工作电压U₀；

b、当转速增加量小于预定增幅，且小于额定转速时，回到步骤(一)，设定一个更小的正值ΔU，以该ΔU开始，再次降低电机ZM的工作电压U₀；

c、当转速增加量为0或与额定转速接近到一定程度，保持ΔU不变，稳定电机ZM的工作电压U₀，同时进一步监控转速变化；

d、当转速减少量大于、等于预定减幅时，回到步骤(一)升高电机ZM的工作电压U₀；直至电机ZM转速不再减少，再回到步骤(一)、(二)，再次开始降低电机ZM的工作电压U₀。图略！