一种非正弦供电条件下电机功率因数检测系统

摘要

一种非正弦供电条件下电机功率因数检测系统，在于提供一种精确非正弦供电条件下电机功率因数检测的系统，对非正弦供电条件下电机的功率因数进行实时精确的测量。它采用高性能的电压和电流的同步采样电路，在一个周期为T的交流电压U(t)和交流电流I(t),以△t时间间隙分别对电机的三相电压和电流进行同步采样，分别测得三相电路的电压、电流的相位差

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及一种非正弦供电条件下电机功率因数检测系统，能够对非正弦供电条件下电机的功率因数进行实时精确的测量。其通过电机前端的电力电子器件实时检测电机的负载率和功率因数，进而调节三相可控硅的触发角，从而降低输入电机的电压和电流，进而达到电机的节能运行。属于电力电子技术和电机节能领域。

(二)背景技术：

三相异步电动机消耗的电能占全世界总耗电量的40％以上，其中有60％的电动机运行效率低下，从而造成大量的电能浪费。在能源日益紧张的背景下，如果能对三相异步电动机进行节能，那么节电量是非常可观的。所以国内外专家和学者分分投入到电机节能领域，开始了对电机节电器的研制。20世纪以来，随着电力电子技术的迅速发展，电力半导体变流装置被广泛用于电机节能装置中。目前市场上应用最广泛的电机节电器都是基于美国宇航局诺拉研制的功率因数电机节电器。它根据负载和功率因数间对应的关系，调节定子端电压的大小，以实现电机节能。它是通过电力电子器件实时的检测单相电压和电流的相位差再进行余弦运算的方法计算功率因数，然后与设定好的功率因数作比较，进而调节三相可控硅的触发角。但是这种功率因数的检测方法精度是不高的。一方面是因为由于电力电子器件的存在，使得输入电机的电压和电流发生畸变，严格的说电压、电流都是非正弦的周期信号。利用传统正弦供电条件下的测试方法对功率和功率因数测试,会产生较大误差。另一方面，通过测量单相的电压、电流检测功率因数，对功率因数的测量误差较大。因此，有必要改进传统的测试方法，以获得非正弦供电条件下电机参数的可靠数据。因此，研究一种非正弦供电条件下电机功率因数检测的新方法，将是对现代电机节能技术的一个重要研究内容。

(三)发明内容：

本发明目的是解决现有功率因数的检测系统检测精度不高、测量误差较大的问题，设计一种新颖的非正弦供电条件下电机功率因数检测系统，它采用高性能的电压和电流的同步采样电路，在一个周期为T的交流电压U(t)和交流电流I(t),以△t时间间隙分别对电机的三相电压和电流进行同步采样，分别测得三相电路的电压、电流的相位差然后对测得的三相电路的相位差取平均值，进而求得三相平均功率因数。这样大大提高了非正弦供电条件下电机功率因数检测的灵敏度和精度。功率因数检测精度的提高，使电机节电器的节电效果更加显著，这促使了现代电机节电技术向更高层次发展。

本发明的技术方案：

一种非正弦供电条件下电机功率因数检测系统，它包括电压采集模块、电流采集模块、斜坡发生器模块、逻辑网络模块、功率因数指令模块、加法运算放大器和低通滤波器模块、斜坡和误差电压比较模块、晶闸管触发模块，各模块的连接关系如图2所示，其中电压采集模块和电流采集模块的输出端同时连接逻辑网络模块的输入端，电压采集模块的输出端同时连接斜坡发生器模块的输入端，功率因数指令模块和逻辑网络模块的输出端同时连接加法运算放大器和低通滤波器模块的输入端，加法运算放大器和低通滤波器模块以及斜坡发生器模块的输出端同时连接斜坡和误差电压比较模块，斜坡和误差电压比较模块的输出端连接晶闸管触发模块，晶闸管触发模块用于对电机进行控制。

上述所说的电压采集模块包括电压传感器组和电压计算放大器；电流采集模块包括电流传感器组和电流计算放大器。

所述的电压传感器组包括用于对电机的A相输入电压进行检测的第一相电压传感器、用于对电机的B相输入电压进行检测的第二相电压传感器和用于对电机的C相输入电压进行检测的第三相电压传感器,所述第一相电压传感器与电机的A相绕组并联,所述第二相电压传感器与电机的B相绕组并联,所述第三相电压传感器与电机的C相绕组并联；

所述电流传感器组包括用于对电机的A相输入电流进行检测的第一相电流传感器、用于对电机的B相输入电流进行检测的第二相电流传感器和用于对电机的C相输入电流进行检测的第三相电流传感器,所述第一相电流传感器接在三相异步电机的A相绕组与电源的A相线之间,所述第二相电流传感器接在电机的B相绕组与电源的B相线之间,所述第三相电流传感器接在电机的C相绕组与电源的C相线之间。

所述的电压计算放大器包括A相电压计算放大器，B相电压计算放大器和C相电压计算放大器。A相电压计算放大器采集A相晶闸管前端的电压与接地电压作比较，输出A相电压方波信号；B相电压计算放大器，采集B相晶闸管前端的电压与接低电压作比较，输出B相电压方波信号；C相电压计算放大器，采集C相晶闸管前端的电压与接低电压作比较，输出C相电压方波信号。所述的电流计算放大器，包括A相电流计算放大器，B相电流计算放大器和C相电流计算放大器。A相电流计算放大器分别采集A相晶闸管前端和后端的电流作比较，输出A相电流方波信号；B相电流计算放大器，分别采集B相晶闸管前端和后端的电流作比较，输出B相电流方波信号；C相电流计算放大器，分别采集C相晶闸管前端和后端的电流作比较，输出C相电流方波信号。

上述所说的逻辑网络模块包括A相逻辑网络、B相逻辑网络和C相逻辑网络，A相逻辑网络将A相电压计算放大器输出的电压方波信号和A相电流计算放大器输出的电流方波信号进行比较，输出A相电压电流相位差信号；B相逻辑网络将B相电压计算放大器输出的电压方波信号和B相电流计算放大器输出的电流方波信号进行比较，输出B相电压电流相位差信号；C相逻辑网络将C相电压计算放大器输出的电压方波信号和C相电流计算放大器输出的电流方波信号进行比较，输出C相电压电流相位差信号。

上述所说的斜坡发生器模块包括A相斜坡发生器、B相斜坡发生器、C相斜坡发生器；A相斜坡发生器发出A相斜坡信号，B相斜坡发生器发出B相斜坡信号，C相斜坡发生器发出C相斜坡信号。

上述所说的加法运算放大器和低通滤波器模块包括加法运算放大器和低通滤波器两部分；所述的加法运算放大器将A相逻辑网络，B相逻辑网络和C相逻辑网络输出的三个电压电流相位差信号进行求和运算，并与功率因数指令模块发出的功率因数指令信号作比较，输出一个误差信号；所述的低通滤波器，将加法运算放大器输出的误差信号进行滤波处理。

上述所说的的斜坡和误差电压比较器模块包括A相斜坡和误差电压比较器、B相斜坡和误差电压比较器、C相斜坡和误差电压比较器。

所述的A相斜坡和误差电压比较器将A相斜坡发生器发出的斜坡电压信号与加法运算放大器和低通滤波器模块输出的误差信号进行比较，输出A相触发信号，触发A相晶闸管的导通；B相斜坡和误差电压比较器将B相斜坡发生器发出的斜坡电压信号与加法运算放大器和低通滤波器模块输出的误差信号进行比较，输出B相触发信号，触发B相晶闸管的导通；C相斜坡和误差电压比较器将C相斜坡发生器发出的斜坡电压信号与加法运算放大器和低通滤波器模块输出的误差信号进行比较，输出C相触发信号，触发C相晶闸管的导通。

本发明的工作原理：

本案所涉及的一种非正弦供电条件下电机功率因数检测的新方法的工作原理为：它采用高性能的电压和电流的同步采样电路，在一个周期为T的交流电压U(t)和交流电流I(t),以△t时间间隙分别对电机的三相电压和电流进行同步采样，分别测得三相电路的电压、电流的相位差然后对测得的三相电路的相位差取平均值，进而求得三相平均功率因数。通过两组独立可调电阻网络分别采集电压、电流，这个电阻网络允许在每个相位线终端和电机端之间有电压差别，这样可以在一个适合的电压触发各自的晶闸管。

本发明的优点和技术效果在于：三相采样技术通过对三相电源的每一相都进行采样，并进行求和运算，能够更真实的反映出三相电机整体的负载状况。三相采样的采样频率是单相采样的三倍。单相采样半个周期只能检测一次，而三相采样半个周期能检测三次。因而采用三相采样的技术能够更加快速的检测出负载的变化，并对控制器的输出进行调整，所以对负载的变化更加敏感，响应更加快速，使控制器性能更稳定，节电效果更好。

(四)附图说明：

附图1为本发明所涉“一种非正弦供电条件下电机功率因数检测系统”中的异步电动机三相平均功率因数测量计算原理框图。

附图2为本发明所涉“一种非正弦供电条件下电机功率因数检测系统”中的异步电动机三相功率因数检测原理框图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种非正弦供电条件下电机功率因数检测系统(见图1,2)，该检测系统包括电压采集模块、电流采集模块、斜坡发生器模块、逻辑网络模块、功率因数指令模块、加法运算放大器和低通滤波器模块、斜坡和误差电压比较模块、晶闸管触发模块，电压采集模块和电流采集模块的输出端同时连接逻辑网络模块的输入端，电压采集模块的输出端同时连接斜坡发生器模块的输入端，功率因数指令模块和逻辑网络模块的输出端同时连接加法运算放大器和低通滤波器模块的输入端，加法运算放大器和低通滤波器模块以及斜坡发生器模块的输出端同时连接斜坡和误差电压比较模块，斜坡和误差电压比较模块的输出端连接晶闸管触发模块，晶闸管触发模块用于对电机进行控制。上述所说的电压采集模块包括电压传感器组和电压计算放大器；电流采集模块包括电流传感器组和电流计算放大器。

所说的斜坡发生器模块包括A相斜坡发生器，B相斜坡发生器，C相斜坡发生器。所说的逻辑网络模块包括A相逻辑网络，B相逻辑网络，C相逻辑网络。所说的斜坡和误差电压比较模块包括A相斜坡和误差电压比较器，B相斜坡和电压比较器，C相斜坡和电压比较器。晶闸管出发模块包括A相晶闸管触发，B相晶闸管触发，C相晶闸管触发。

一种非正弦供电条件下电机功率因数检测系统的检测过程，至少包括以下步骤：

步骤A：电压电流采集电路分别实时采集电机定子侧的A相电压、电流，B相电压、电流，C相电压、电流，分别输入到A相的电压计算放大器、电流计算放大器，B相的电压计算放大器、电流计算放大器，C相的电压计算放大器、电流计算放大器。

步骤B：各相的电压计算放大器将采集的电压信号与接地电压比较，输出各相的电压方波信号。各相的电流计算放大器将采集的电流信号作比较，输出各相的电流方波信号。

步骤C：各相的斜坡发生器接收来自电压计算放大器的两路电压方波信号，产生各相的斜坡信号。

步骤D：逻辑网络模块，将A相电压计算放大器输出的电压方波信号和A相电流计算放大器输出的电流方波信号进行比较，输出A相电压电流相位差信号。将B相电压计算放大器输出的电压方波信号和B相电流计算放大器输出的电流方波信号进行比较，输出B相电压电流相位差信号。将C相电压计算放大器输出的电压方波信号和C电流计算放大器输出的电流方波信号进行比较，输出C相电压电流相位差信号。

步骤E：加法运算放大器将A相逻辑网络，B相逻辑网络和C相逻辑网络输出的三个电压电流相位差信号进行求和运算，并与功率因数指令模块发出的功率因数指令信号作比较，输出一个误差信号。

步骤F:通过低通滤波器，将加法运算放大器输出的误差信号进行滤波处理。

步骤G:A相斜坡和误差电压比较器将A相斜坡发生器发出的斜坡电压信号与加法运算放大器和低通滤波器模块输出的误差信号进行比较，输出A相触发信号，触发A相晶闸管的导通；B相斜坡和误差电压比较器将B相斜坡发生器发出的斜坡电压信号与加法运算放大器和低通滤波器模块输出的误差信号进行比较，输出B相触发信号，触发B相晶闸管的导通；C相斜坡和误差电压比较器将C相斜坡发生器发出的斜坡电压信号与加法运算放大器和低通滤波器模块输出的误差信号进行比较，输出C相触发信号，触发C相晶闸管的导通。