專利名稱：綜合節(jié)電器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及節(jié)電技術領域，尤其涉及綜合節(jié)電器。
背景技術：
在工農業(yè)生產中，離心風機和水泵廣 泛采用三相交流異步電機作為驅動源，在實際中配套電機的設計裕量較大。而電機在額定轉速下運行，為滿足工藝需求，大都采用控制風機的風門或者水泵的閥門開度來調節(jié)風量或流量。此時電機功率因數(shù)和效率低下，造成能量的極大浪費，目前利用變頻技術調節(jié)電機的轉速，從而改變電機的輸入功率，使之處于較佳效率狀態(tài)。但上述方法也帶來了新的突出問題，根據(jù)低壓變頻器的結構和工作原理，由于它采用不可控整流方式，其輸入電流中存在大量的5次、7次、11次等諧波頻率分量，對電網(wǎng)及周圍用電設備產生嚴重干擾。當前解決該問題普遍采用的辦法是在變頻器輸入端串聯(lián)交流電抗器和輸入濾波器，或被動式地在被干擾設備的電源輸入端加裝隔離變壓器或濾波設備。雖然這些措施對部分諧波頻率分量有削弱或抑制作用，但由于濾波設備和輸入交流電抗器大多都是購買市場上的成品，而這種濾波設備主要針對IKHz以上的諧波頻率才有效果，對于低次諧波沒有作用。輸入電抗器也僅能將原諧波含量的低次分量降低約50%左右，對電網(wǎng)和系統(tǒng)用電設備的干擾仍然較為嚴重，抑制諧波的能力受到局限。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出綜合節(jié)電器，能夠有效抑制和濾除削弱因高次諧波及低次諧波所產生的干擾，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，有效削弱由于采用不可控整流所產生的輸出諧波，使節(jié)電狀態(tài)下系統(tǒng)產生的綜合諧波在允許范圍，減小線路的傳輸電流和損耗。為達此目的，本發(fā)明采用以下技術方案
綜合節(jié)電器，包括第一運行接觸器、節(jié)電控制模塊、第二運行接觸器和輸出電抗器，節(jié)電控制模塊進一步包括中央控制單元、輸入電流采樣單元、輸入電壓采樣單元、整流單元、功率單元、輸出電流采樣單元、輸出電壓采樣單元、SPWM控制驅動單元、保護電路、電源單元、PID控制儀和傳感器，輸出電抗器進一步包括三個電感元件，其中，
第一運行接觸器的輸入端與三相交流電源連接；
節(jié)電控制模塊的輸入端與第一運行接觸器的主觸頭連接；
節(jié)電控制模塊的輸出端依次通過第二運行接觸器的主觸頭、輸出電抗器的三個電感元件與電機的三相交流電源輸入端連接，
節(jié)電控制模塊中，輸入電流采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸入端的三相交流電源配電線上，用于采樣輸入端的電流，并通過中央控制單元的輸入電流采樣端反饋給中央單元處理；
輸入電壓采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸入端的三相交流電源配電線上，用于采樣輸入端的電壓，并通過中央控制單元的輸入電壓采樣端反饋給中央單元處理；整流單元連接在三相交流電源配電線上，用于對三相交流電源進行整流后輸出；
功率單元的輸入端與整流單元的一路整流輸出連接，功率單元的輸出端是節(jié)電控制模塊的輸出端；
輸出電流采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸出端的配電線上，用于采樣輸出端的電流，并通過中央控制單元的輸出電流采樣端反饋給中央單元處理；
輸出電壓采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸出端的配電線上，用于采樣輸出端的電壓，并通過中央控制單元的輸出電壓采樣端反饋給中央單元處理；
保護電路的輸入端與中央控制單元的調頻控制輸出端連接，保護電路的輸出端與SPWM控制驅動單兀的控制輸入〗而連接，SPWM控制驅動單兀的控制輸出〗而與功率單兀的控制輸入立而連接，用于控制功率單兀實現(xiàn)變頻功率輸出；
電源單元輸入端與整流單元的另一路整流輸出連接，電源單元輸出端與中央控制單元 和SPWM控制驅動單元連接，用于提供工作電源；
PID控制儀的信號輸入端與傳感器連接，PID控制儀的信號輸出端通過中央控制單元的PID控制輸入端與中央控制單元連接，用于PID控制儀將傳感器采集反饋的系統(tǒng)實時需求信號發(fā)送到中央控制單元處理，實現(xiàn)PID閉環(huán)控制；
中央控制器用于實現(xiàn)變頻節(jié)電控制。節(jié)電控制模塊進一步還包括模擬調速單元和數(shù)字調速單元，模擬調速單元和數(shù)字調速單元分別與中央控制單元連接，用于實現(xiàn)電機的調速。節(jié)電控制模塊進一步還包括控制端子單元，控制端子單元設置有啟動控制端子、暫?？刂贫俗?、復位控制端子、多段速控制端子和故障輸出控制端子，與中央控制單元的對應控制輸入端連接，用于實現(xiàn)變頻節(jié)電的手動控制。節(jié)電控制模塊進一步還包括鍵盤顯示單元和輸出頻率顯示單元，鍵盤顯示單元和輸出頻率顯示單元分別與中央控制單元連接，鍵盤顯示單元用于進行系統(tǒng)參數(shù)設定，輸出頻率顯示單元用于實時顯示輸出頻率。還包括諧波抑制單元和濾波單元，諧波抑制單元進一步包括三個電感元件，濾波單元進一步包括三個電感元件和三個電容元件，諧波抑制單元和濾波單元位于第一運行接觸器與節(jié)點控制模塊輸入端之間，諧波抑制單元用于抑制節(jié)電控制模塊產生的回饋電網(wǎng)的IKHz以上高次諧波，濾波單元的輸入端與諧波抑制單元的輸出端連接，用于濾除節(jié)電控制模塊輸入端的5次、7次和11次低次諧波。還包括市電旁路單元,市電旁路單元跨接在三相交流電源與電動機的三相交流電源輸入端之間，市電旁路單元進一步包括旁路接觸器，用于在節(jié)電控制模塊發(fā)生故障時，實現(xiàn)市電旁路。諧波抑制單元的三個電感元件和濾波單元的三個電感元件集成在一個田字型鐵心上。采用了本發(fā)明的技術方案，產生以下技術效果
I、節(jié)電器的輸入端加裝高次諧波抑制單元與低次諧波濾波單元，可通過元件參數(shù)的優(yōu)化組合，有效抑制和濾除削弱因高次諧波及5次、7次、11次等低次諧波所產生的干擾，并可提聞系統(tǒng)功率因數(shù)。2、節(jié)電控制模塊采用最小諧波SPWM控制技術，有效削弱由于采用不可控整流所產生的輸出諧波，從而使節(jié)電狀態(tài)下系統(tǒng)產生的綜合諧波在允許范圍，減小線路的傳輸電流和損耗。3、采用變頻控制技術實現(xiàn)了風機或水泵的軟啟動、軟停車，減小對電網(wǎng)及設備的沖擊。4、克服了傳統(tǒng)變頻調速系統(tǒng)功率因數(shù)較低的問題，使系統(tǒng)功率因數(shù)達到0. 98左右，減少對電網(wǎng)無功的消耗，進一步提聞電能的利用效率。5、采用內置PID閉環(huán)控制，系統(tǒng)動態(tài)檢測負載狀況，實時優(yōu)化調整電機的輸入功率，達到所供即所需，實現(xiàn)節(jié)電的目的。


圖I是本發(fā)明具體實施方式
中綜合節(jié)電器的結構示意圖?！?br> 具體實施例方式下面結合附圖并通過具體實施方式
來進一步說明本發(fā)明的技術方案。本發(fā)明技術方案中，節(jié)電控制模塊采用最小諧波SPWM控制技術，根據(jù)5次、7次、11次等諧波的產生機理建立數(shù)學模型，并根據(jù)由此模型產生的程序發(fā)出控制信號，通過SPWM控制驅動單元來控制功率單元中開關器件的導通規(guī)律，主動抑制削弱由于采用不可控整流所產生的諧波。在節(jié)電控制模塊輸入端設置了高次諧波抑制單元和低次諧波濾波單元，通過對諧波抑制單元中電抗元件參數(shù)和濾波器件中元件參數(shù)的優(yōu)化組合，可以更好地對5次、7次、11次等低次諧波進行抑制和濾除，并且可以提高輸入端的功率因數(shù)。節(jié)電控制模塊采用內置PID閉環(huán)控制，通過電壓、電流傳感器實時檢測系統(tǒng)參數(shù)，與設定值進行比較，其差值信號經過內置PID控制儀處理后再傳輸給中央控制單元，實時的發(fā)出功率調整信號，由SPWM控制驅動單元來控制功率單元對電機的輸出功率,達到所供即所需，節(jié)省傳統(tǒng)的閥門、風門調節(jié)所損失的能量，從而達到節(jié)電目的。圖I是本發(fā)明具體實施方式
中綜合節(jié)電器的結構示意圖。如圖I所示，該綜合節(jié)電器包括第一運行接觸器I、諧波抑制單元2、濾波單元3、節(jié)電控制模塊4、第二運行接觸器
5、輸出電抗器6和市電旁路單元7。節(jié)電控制模塊進一步包括中央控制單元、輸入電流采樣單元、輸入電壓采樣單元、整流單元、功率單元、輸出電流采樣單元、輸出電壓采樣單元、正弦脈沖寬度調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)控制驅動單元、保護電路、電源單元、比例積分微分(Proportion Integration Differentiation, PID)控制儀、傳感器、模擬調速單元、數(shù)字調速單元、控制端子單元、鍵盤顯示單元和輸出頻率顯示單元。輸出電抗器進一步包括三個電感元件。第一運行接觸器的輸入端與三相交流電源連接。諧波抑制單元和濾波單元位于第一運行接觸器與節(jié)點控制模塊輸入端之間，諧波抑制單元進一步包括三個電感元件LI,三個電感元件分別連接在三相交流電源的三根配電線上，該組電感元件前端串聯(lián)有第一運行接觸器KMl的主觸頭，諧波抑制單元抑制節(jié)電控制模塊產生的回饋電網(wǎng)的IKHz以上高次諧波。濾波單元進一步包括三個電感元件L2和三個電容元件c,濾波單元的輸入端與諧波抑制單元的輸出端連接,其參數(shù)經過優(yōu)化組合,不僅能夠有效濾除節(jié)電控制模塊輸入端的5次、7次和11次等低次諧波，還能兼顧無功補償?shù)男枰?，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。諧波抑制單元的三個電感元件和濾波單元的三個電感元件集成在一個田字型鐵心上，利用互感可有效減小電抗器的體積。節(jié)電控制模塊的輸入端通過諧波抑制單元和濾波單元與第一運行接觸器的主觸頭連接，節(jié)電控制模塊的輸出端依次通過第二運行接觸器KM2的主觸頭、輸出電抗器的三個電感元件與電機的三相交流電源輸入端連接。節(jié)電控制模塊中，中央控制器是實現(xiàn)變頻節(jié)電控制的核心單元。輸入電流采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸入端的三相交流電源配電線上，輸入電流采樣單元采樣輸入端的電流，并通過中央控制單元的輸入電流采樣端反饋給中央單元處理。
輸入電壓采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸入端的三相交流電源配電線上，輸入電壓采樣單元采樣輸入端的電壓，并通過中央控制單元的輸入電壓采樣端反饋給中央單元處理。整流單元連接在三相交流電源配電線上，整流單元對三相交流電源進行整流后輸出。功率單元的輸入端與整流單元的一路整流輸出連接，功率單元的輸出端是節(jié)電控制模塊的輸出端。輸出電流采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸出端的配電線上，輸出電流采樣單元采樣輸出端的電流，并通過中央控制單元的輸出電流采樣端反饋給中央單元處理。輸出電壓采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸出端的配電線上，輸出電壓采樣單元采樣輸出端的電壓，并通過中央控制單元的輸出電壓采樣端反饋給中央單元處理。保護電路的輸入端與中央控制單元的調頻控制輸出端連接，保護電路的輸出端與SPWM控制驅動單元的控制輸入端連接，SPWM控制驅動單元的控制輸出端與功率單元的控制輸入端連接，用于控制功率單元實現(xiàn)變頻功率輸出。電源單元輸入端與整流單元的另一路整流輸出連接，電源單元輸出端與中央控制單元和SPWM控制驅動單元連接，電源單元向其他單元電路提供工作電源。PID控制儀的信號輸入端與傳感器連接，PID控制儀的信號輸出端通過中央控制單元的PID控制輸入端與中央控制單元連接，PID控制儀將傳感器采集反饋的系統(tǒng)實時需求信號(實際需求的壓力、溫度或流量信號等)發(fā)送到中央控制單元處理，實現(xiàn)PID閉環(huán)控制。模擬調速單元和數(shù)字調速單元分別與中央控制單元連接，實現(xiàn)電機的調速?？刂贫俗訂卧O置有啟動控制端子、暫?？刂贫俗?、復位控制端子、多段速控制端子和故障輸出控制端子，與中央控制單元的對應控制輸入端連接，實現(xiàn)變頻節(jié)電的手動控制。 鍵盤顯示單元和輸出頻率顯示單元分別與中央控制單元連接，鍵盤顯示單元進行系統(tǒng)參數(shù)設定，輸出頻率顯示單元實時顯示輸出頻率。市電旁路單元跨接在三相交流電源與電動機的三相交流電源輸入端之間，市電旁路單元進一步包括旁路接觸器，市電旁路單元在節(jié)電控制模塊發(fā)生故障時，實現(xiàn)市電旁路。節(jié)電運行通過第一運行接觸器KMl和第一運行接觸器KM2來控制，同時市電旁路與節(jié)電回路在系統(tǒng)二次控制回路進行互鎖。節(jié)電運行時，由第一運行接觸器KMl和第二運行接觸器KM2主觸頭閉合接通相應的主回路，同時對內部參數(shù)進行設置實現(xiàn)節(jié)電控制，操作人員可通過輸出頻率顯示單元和鍵盤顯示單元的操作實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，從而改變電機的輸入功率。節(jié)電狀態(tài)首次投入運行時，需先通過鍵盤顯示單元對系統(tǒng)進行參數(shù)設定。具體如下設置H)-02為0，鍵盤控制；設置R)-03為1，開關量控制；設置H)-12為48，上限控制點；設置H)-14為32，下限控制點；根據(jù)電機參數(shù)設置Fl組參數(shù)；設置F4-00 F4-04完成控制端子相應功能；設置F4-11 F4-20參數(shù)，完成模擬調節(jié)或者數(shù)字調節(jié)功能設置；設置 F5-02輸出參數(shù)，設置F5-07輸出頻率顯示參數(shù)；設置FA組參數(shù)的PID功能；通過主控板上跳線的選擇模擬輸入信號0 IOV或4 20mA的類型。其中R)-02、R)-03、R)-12、R)-14、FI、F4-00 F4-04、F4-11 F4-20、F5-02、F5-07、FA表示功能代碼。由整流單元提供的電源為整個綜合節(jié)電器主控部分提供控制電源，中央控制單元通過外部傳感器采樣信號或者節(jié)電控制模塊內部實時采樣單元從輸出端采樣的電壓、電流信號，并將功率控制信號提供給功率單元，從而控制功率開關器件的通斷實現(xiàn)功率輸出，以最大限度減少和削弱輸出諧波。而輸入端串入的諧波抑制單元可以抑制和削弱變頻器產生的回饋電網(wǎng)的IKHz以上的高次諧波，輸入端的低次諧波濾波單元可很好的對5次、7次、11次等低次諧波進行抑制，使節(jié)電器實現(xiàn)低諧波、低干擾，具體實際效果見表I。表I應用本發(fā)明的一實例中節(jié)電和諧波抑制效果實測值對比表。
S目* E a 功無 Si Sj宰.5次I次Il次B g含
( ) CA) CCTi (Kw)因數(shù) mm 遺波驗 it* m 372.0 33.71 16224 B.145 <0742 192 CL42 QJl2,26%
15 電 372—47 23.50 1136 1551 0.9S56 66.84 43.94 9,01 77 7 $129%
無 鑛
節(jié) 371.08 18,0 11 53 0；J81 09P94 M2 3,76 2.83 L S 獻08%有濾波注表格內的5次、7次、11次、13次諧波均指對應諧波占基波的百分比。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.綜合節(jié)電器，其特征在于，包括第一運行接觸器、節(jié)電控制模塊、第二運行接觸器和輸出電抗器，節(jié)電控制模塊進一步包括中央控制單元、輸入電流采樣單元、輸入電壓采樣單元、整流單元、功率單元、輸出電流采樣單元、輸出電壓采樣單元、SPWM控制驅動單元、保護電路、電源單元、PID控制儀和傳感器，輸出電抗器進一步包括三個電感元件，其中， 第一運行接觸器的輸入端與三相交流電源連接； 節(jié)電控制模塊的輸入端與第一運行接觸器的主觸頭連接； 節(jié)電控制模塊的輸出端依次通過第二運行接觸器的主觸頭、輸出電抗器的三個電感元件與電機的三相交流電源輸入端連接， 節(jié)電控制模塊中，輸入電流采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸入端的三相交流電源配電線上，用于采樣輸入端的電流，并通過中央控制單元的輸入電流采樣端反饋給中央單元處理； 輸入電壓采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸入端的三相交流電源配電線上，用于采樣輸入端的電壓，并通過中央控制單元的輸入電壓采樣端反饋給中央單元處理； 整流單元連接在三相交流電源配電線上，用于對三相交流電源進行整流后輸出； 功率單元的輸入端與整流單元的一路整流輸出連接，功率單元的輸出端是節(jié)電控制模塊的輸出端； 輸出電流采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸出端的配電線上，用于采樣輸出端的電流，并通過中央控制單元的輸出電流采樣端反饋給中央單元處理； 輸出電壓采樣單元連接在節(jié)電控制模塊的輸出端的配電線上，用于采樣輸出端的電壓，并通過中央控制單元的輸出電壓采樣端反饋給中央單元處理； 保護電路的輸入端與中央控制單元的調頻控制輸出端連接，保護電路的輸出端與SPWM控制驅動單兀的控制輸入〗而連接，SPWM控制驅動單兀的控制輸出〗而與功率單兀的控制輸入立而連接，用于控制功率單兀實現(xiàn)變頻功率輸出； 電源單元輸入端與整流單元的另一路整流輸出連接，電源單元輸出端與中央控制單元和SPWM控制驅動單元連接，用于提供工作電源； PID控制儀的信號輸入端與傳感器連接，PID控制儀的信號輸出端通過中央控制單元的PID控制輸入端與中央控制單元連接，用于PID控制儀將傳感器采集反饋的系統(tǒng)實時需求信號發(fā)送到中央控制單元處理，實現(xiàn)PID閉環(huán)控制； 中央控制器用于實現(xiàn)變頻節(jié)電控制。
2.根據(jù)權利要求I所述的綜合節(jié)電器，其特征在于，節(jié)電控制模塊進一步還包括模擬調速單元和數(shù)字調速單元，模擬調速單元和數(shù)字調速單元分別與中央控制單元連接，用于實現(xiàn)電機的調速。
3.根據(jù)權利要求I所述的綜合節(jié)電器，其特征在于，節(jié)電控制模塊進一步還包括控制端子單元，控制端子單元設置有啟動控制端子、暫?？刂贫俗印臀豢刂贫俗?、多段速控制端子和故障輸出控制端子，與中央控制單元的對應控制輸入端連接，用于實現(xiàn)變頻節(jié)電的手動控制。
4.根據(jù)權利要求I所述的綜合節(jié)電器，其特征在于，節(jié)電控制模塊進一步還包括鍵盤顯示單元和輸出頻率顯示單元，鍵盤顯示單元和輸出頻率顯示單元分別與中央控制單元連接，鍵盤顯示單元用于進行系統(tǒng)參數(shù)設定，輸出頻率顯示單元用于實時顯示輸出頻率。
5.根據(jù)權利要求I至4中任一權利要求所述的綜合節(jié)電器，其特征在于，還包括諧波抑制單元和濾波單元，諧波抑制單元進一步包括三個電感元件，濾波單元進一步包括三個電感元件和三個電容元件，諧波抑制單元和濾波單元位于第一運行接觸器與節(jié)點控制模塊輸入端之間，諧波抑制單元用于抑制節(jié)電控制模塊產生的回饋電網(wǎng)的IKHz以上高次諧波，濾波單元的輸入端與諧波抑制單元的輸出端連接，用于濾除節(jié)電控制模塊輸入端的5次、7次和11次低次諧波。
6.根據(jù)權利要求I所述的綜合節(jié)電器，其特征在于，還包括市電旁路單元，市電旁路單元跨接在三相交流電源與電動機的三相交流電源輸入端之間，市電旁路單元進一步包括旁路接觸器，用于在節(jié)電控制模塊發(fā)生故障時，實現(xiàn)市電旁路。
7.根據(jù)權利要求5所述的綜合節(jié)電器，其特征在于，諧波抑制單元的三個電感元件和濾波單元的三個電感元件集成在一個田字型鐵心上。
全文摘要
本發(fā)明公開了綜合節(jié)電器，包括第一運行接觸器、節(jié)電控制模塊、第二運行接觸器和輸出電抗器，節(jié)電控制模塊進一步包括中央控制單元、輸入電流采樣單元、輸入電壓采樣單元、整流單元、功率單元、輸出電流采樣單元、輸出電壓采樣單元、SPWM控制驅動單元、保護電路、電源單元、PID控制儀和傳感器，輸出電抗器進一步包括三個電感元件。采用了本發(fā)明的技術方案，能夠有效抑制和濾除削弱因高次諧波及低次諧波所產生的干擾，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，有效削弱由于采用不可控整流所產生的輸出諧波，使節(jié)電狀態(tài)下系統(tǒng)產生的綜合諧波在允許范圍，減小線路的傳輸電流和損耗。
文檔編號H02M1/12GK102810976SQ201110149328
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月4日 優(yōu)先權日2011年6月4日
發(fā)明者范傳偉 申請人:深圳市萬禧節(jié)能科技有限公司