本實用新型涉及一種電動機自動節(jié)能系統(tǒng)，特別是涉及一種三相交流高壓異步電動機自動節(jié)能系統(tǒng)的技術方案，屬于節(jié)能與自動控制技術領域。

背景技術：

高壓電動機是指額定電壓在1KV以上的電動機，常使用的是6KV和10KV電壓，由于國外的電網(wǎng)不同，也有3.3KV和6.6KV的電壓等級。高壓電動機可用于驅動各種不同的機械，如壓縮機、水泵、機床、運輸機械及其他設備，供礦山、機械工業(yè)、石油化工工業(yè)、發(fā)電廠等各種工業(yè)中作原動機用。據(jù)有關資料顯示，我國各種電動機的總耗電量約占全國總消費電量的60％以上，且其中高壓電動機與低壓電動機在容量(KV)上的比例為6∶4。由此可見，高壓電動機是一種應用量大、使用范圍廣的高耗能動力設備，并且面對不可再生的一次能源，如煤、石油、天然氣等資源的枯竭，我們更要致力于高壓異步電動機的節(jié)能研究。目前在高壓異步電動機的節(jié)能技術中應用較為廣泛的是變頻調速，而變頻器造價高，且其受原理所致，工作中不可避免地會產(chǎn)生很大的諧波干擾，其中高次諧波對電動機的溫升和運行效率會造成較大的影響，進而也會影響到電動機的使用壽命。

基于上述變頻調速的缺陷，本實用新型提出一種適于三相交流高壓異步電動機的自動節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用降壓變壓器、信號采集電路、控制電路和升壓變壓器實現(xiàn)高壓電動機的節(jié)能運行。其中降壓變壓器用于將供電側的高電壓降為中低壓開關工作范圍內的電壓(如 0.4KV、0.66KV、1.14KV)，信號采集電路用于實時采集電動機運行中的功率因數(shù)，控制電路將實際采集的功率因數(shù)與設定的基準值比較，由比較結果給出電動機的工作電壓選擇信號，升壓變壓器為多抽頭形式，可實現(xiàn)電動機工作電壓的多級選擇。由此可實現(xiàn)高壓異步電動機的工作電壓隨其負載實時變化，提高了電動機的工作效率，達到了高效節(jié)能的目的。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型是為解決高壓電動機能耗大，而變頻調速諧波大、成本高、影響電動機使用壽命等問題而發(fā)明設計的。三相交流高壓異步電動機自動節(jié)能系統(tǒng)主要由降壓變壓器，信號采集電路，控制電路和升壓變壓器構成。其中降壓變壓器用于將高壓供電側高電壓降為中低壓，而升壓變壓器再將中低壓升到高壓電動機所需的高電壓范圍，該升壓變壓器原邊為由多組獨立繞組構成的多抽頭形式，且各組繞組間均由開關連接，開關可以選擇性能可靠、反應迅速的有觸點機械開關，也可以選擇無觸點的電子開關，例如：IGBT、可控硅、達林頓管等，副邊線圈匝數(shù)固定，按需要合理設計各組變比，可實現(xiàn)電壓的階躍調節(jié)。

該實用新型的降壓變壓器將高電壓降為中低壓開關工作范圍內的電壓(如0.4KV、 0.66KV、1.14KV)，這樣易于高壓電動機工作電壓的調節(jié)。

該實用新型的升壓變壓器原邊由多組獨立繞組構成，各繞組間異名端由開關順次連接，感應壓降最低，使得調壓過程更加安全，不易發(fā)生打火現(xiàn)象；開關可選用有觸點機械開關或者無觸點電子開關，如IGBT、可控硅、達林頓管等。這樣，升壓變壓器分接開關、信號采集電路、控制電路均工作在中低壓側，對于電器件的選擇范圍更寬、電壓控制更加安全、靈活、方便。

該實用新型的信號采集和控制電路分別實現(xiàn)功率因數(shù)的采集和高壓電動機的工作電壓切換的功能。其中信號采集電路采集的是高壓電動機的工作電壓和電流，由電壓、電流的波形變換獲取二者的相位差，然后轉換為功率因數(shù)有效值?？刂齐娐肥菍⑿盘柌杉娐帆@得的電動機實際功率因數(shù)與設定值比較，如果實際值大于設定值，說明電動機負荷較大，需要更大的工作電壓，這時需要切換到較高的工作電壓檔位；如果功率因數(shù)實際值小于設定值，則說明電動機此時負荷較輕，工作電壓較大，電能利用率較低，這時則需要切換到較低的工作電壓檔位，使其功率因數(shù)提升。如上所述，即可通過功率因數(shù)的比較輸出升壓變壓器原邊各分接開關的選通信號，進而實現(xiàn)高壓電動機工作電壓的切換。

本實用新型的有益效果：

1.降壓變壓器可實現(xiàn)高壓變換到中低壓開關工作范圍內的電壓(如0.4KV、0.66KV、 1.14KV)，這樣升壓變壓器的分接開關均工作在中低壓側，使其在選型和工作上比較方便、靈活和安全；

2.實時采集高壓電動機運行功率因數(shù)，由功率因數(shù)確定電動機的工作電壓，進而實現(xiàn)“所供即所需”的最佳節(jié)能效果；

3.升壓變壓器各組分接開關間邏輯控制上為互鎖關系，這樣能夠使得電壓檔位切換過程更具有安全性，可避免變壓器繞組間發(fā)生短路故障；

4.升壓變壓器原邊各分接開關具有多種選擇性，可選用工作壽命長，動作迅速的接觸器、繼電器等高可靠性的有觸點機械開關，也可以選用體積小、反應速度快的可控硅、IGBT、達林頓管等無觸點電子開關；

5.升壓變壓器原邊各組線圈間由開關連接，各組線圈輸入側通過常開開關與電網(wǎng)連接，可有效避免電壓變換過程中的大電壓和沖擊電流的產(chǎn)生；

6.升壓變壓器原邊相鄰繞組的異名端相連，感應壓降最低，使得電壓切換過程更加安全，不易發(fā)生打火現(xiàn)象。

附圖說明

圖1為三相交流高壓異步電動機自動節(jié)能系統(tǒng)的組成結構圖。

其中：C1為降壓變壓器；C2為升壓變壓器；M為高壓電動機。

圖2為升壓變壓器原理圖。

其中：C2為升壓變壓器；u_i為輸入電壓；u₀為變壓器副邊電壓；u_out為變壓器總輸出電壓；N11、N12、N13、N14為變壓器原邊繞組；N20為變壓器副邊繞組；K11、K12、K13、 K14、K15、K16、K17為變壓器原邊各繞組分接開關；L為火線；N為零線。

圖3為信號采集電路原理圖。

其中：IB0為采集的電流信號；PE為接地信號；HG-I為電流互感器；IB為變換后的電流信號；UB、UC為采集的線電壓信號；HG-V為電壓互感器；UBC為變換后的線電壓信號； CR為清零信號；X1為電壓與電流的相位差信號；COSUI為X1的反向；Vout為功率因數(shù)的有效值。

圖4為窗口比較電路原理圖。

其中：LU為功率因數(shù)設定值的上限；LD為功率因數(shù)設定值的下限；L為功率因數(shù)實際值與設定值上限的比較結果；H為功率因數(shù)實際值與設定值下限的比較結果；CPU為加計數(shù)信號；CPD為減計數(shù)信號；RD為延時信號；Q1、Q2分別為減計數(shù)停止和加計數(shù)停止信號； CPA為某一頻率的方波信號。

圖5為加減計數(shù)-電壓檔位切換控制電路原理圖。

其中：K1、K2、K3、K4為升壓變壓器四個電壓檔位的控制信號。

圖6為電流零點檢測電路原理圖。

其中：I0為采集的電流信號；I1為I0變換后的電流方波信號；I為電流過零點信號。

圖7為升壓變壓器分接開關觸發(fā)電路原理圖。

其中：JN為節(jié)能信號；QL為JN的反向；QI1～QI4為分接開關觸發(fā)信號。

上述附圖中：R_XX代表電阻；C_XX代表電容；D_XX代表二極管；IC_XX代表集成電路。并且各圖中標號一致的部分均代表相同的信號。

具體實施方式

下面將配合附圖對本實用新型做詳細說明。本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出詳細的實施方式，但本實用新型的保護范圍不限于下述實施例。

本實用新型是為解決交流高壓異步電動機應用量大、使用廣泛、耗能量高，且長期處于低效率、低功率因數(shù)的欠載運行狀態(tài)而造成電能浪費十分嚴重的問題而提出的。該實用新型主要由降壓變壓器，信號采集與控制電路，以及升壓變壓器構成。

如圖1所示為三相交流高壓異步電動機自動節(jié)能系統(tǒng)的組成結構圖，其中C1為降壓變壓器，負責將供電側的高壓降為中低壓開關工作范圍內的電壓(如0.4KV、0.66KV、1.14KV)，這樣使得控制電路中的電壓控制更安全、方便，電氣控制器件的選擇更加靈活。信號采集與控制模塊用于實時采集高壓電動機運行的功率因數(shù)，然后將功率因數(shù)實際值和設定值進行比較，進而輸出升壓變壓器的各分接開關的控制信號，即電壓檔位選擇信號。

C2為升壓變壓器(C2只是一相變壓器，該實用新型實際應用的三相變壓器原理與其完全一致)，如圖2所示，其原邊可由多個獨立繞組(這里以N11～N14四組繞組為例)通過分接開關(K11～K17)順次連接，由控制電路輸出其各分接開關的控制信號，即實現(xiàn)高壓電動機工作電壓的切換。此處的分接開關類型不受限，可以是接觸器等的高性能機械開關，也可以是可控硅、IGBT、達林頓管等的電子開關。根據(jù)實際需要，原邊各繞組的匝數(shù)可任意設計，當變比選為N11/N20時，需由控制電路控制開關K11閉合，其他開關斷開；當變比選為 (N11+N12)/N20時，需要首先斷開開關K11，然后同時閉合開關K12和K13；接著當變比繼續(xù)增大為(N11+N12+N13)/N20時，同理需要斷開K13，然后同時閉合K15、K14、K12；變比增至最大(N11+N12+N13+N14)/N20時，需先斷開K15，再同時閉合K12、K14、K16、 K17。在電壓檔位切換過程中，開關K11、K13、K15、K17需為互鎖，同一時刻最多只能有一個為閉合狀態(tài)，其他均斷開，并確保每次切換時，先斷開開關，再閉合相關開關，這樣可有效避免發(fā)生匝間短路。由圖2可知，升壓變壓器總輸出u_out＝u_i+u₀，且原邊匝數(shù)越多，升壓越慢，即輸出電壓越低；

下面將通過具體的電路圖說明信號采集與控制電路的工作原理。

1.信號采集電路

如圖3所示，采集電動機運行中的電流信號IB0，首先經(jīng)過精密電流互感器HG-I，再通過并聯(lián)電阻R1將電流信號轉換為電壓信號，然后依次經(jīng)過由R2、C1、R3、C2組成的兩級 RC低通濾波電路，IC1、R4～R6組成的運算放大電路，IC2、R7組成的過零比較電路以及反相器IC3得到清晰、無抖動的電流信號IB。

采集電動機運行中的電壓UB、UC，經(jīng)過精密電壓互感器HG-V和同樣的兩級低通濾波電路、運算放大電路、過零比較電路以及反相器IC7得到穩(wěn)定的電壓信號UBC。且對于電流、電壓信號的濾波處理采用型號與參數(shù)一致的元件，目的是確保采集的電壓與電流信號的相位差不受濾波電容的影響。

IC4和IC8為D觸發(fā)器電路，輸出X1為電壓上升沿到電流上升沿的相位差波形，COSUI 則為電流上升沿到電壓上升沿的波形，經(jīng)過R27～R29、C5～C7三級濾波電路，得到電動機功率因數(shù)的有效值Vout，如此，根據(jù)功率因數(shù)的定義為相電壓與相電流的夾角余弦值(且線電壓自然超前相電壓30°角)，則Vout值越大，說明電動機的實際功率因數(shù)越大。

2.控制電路

(1).窗口比較電路

圖4中，LD和LU分別為功率因數(shù)設定值的下限和上限(LU＞LD)，運算電路IC10與 R60、R63～R66構成滯回比較電路，將功率因數(shù)實際值與LU比較，輸出L為“1”，說明功率因數(shù)實際值低于LU，反之，L為“0”，則實際值大于LU。同理IC14亦為運算電路，同樣與相關電阻構成滯回比較電路，輸出H為“1”，說明實際值Vout大于設定下限值LD，反之 H為“0”，Vout低于LD。RD為切換延時信號，CPA為某一頻率的方波脈沖信號(RD與CPA 均可根據(jù)需要由計數(shù)器電路簡單實現(xiàn)，此處省略)。L與H信號分別經(jīng)過或門電路IC11、IC12 得到加、減計數(shù)信號CPU、CPD。

(2).加減計數(shù)-(升壓變壓器)電壓檔位切換控制電路

IC15為計數(shù)器電路，當CPU為“1”，而CPD出現(xiàn)上升沿↑，則開始減計數(shù)；當CPD為“1”，而CPU出現(xiàn)上升沿↑，則開始加計數(shù)，如圖5所示，IC16、IC17、C80、R800構成計數(shù)器的上電清零電路。IC18為3-8譯碼器，因為其是低電平有效，輸出經(jīng)過非門IC19～IC26，或門IC27～IC30得到K1～K4即為升壓變壓器電壓檔位的切換控制信號(這里僅僅以四個電壓檔位為例，實際應用中可以根據(jù)實際任意選擇電壓檔位數(shù)量)，且K1～K4對應輸出電壓依次升高。

圖5中，IC37為D觸發(fā)器，輸出信號Q1為圖4或門IC12的輸入，當電壓檔位切換到最低檔K1時，若此時依然接收到減計數(shù)信號，即L為“1”，H為“0”，則可由Q1＝“1”將 CPD置“1”，禁止計數(shù)器IC15繼續(xù)減計數(shù)；同理，計數(shù)器IC38的輸出Q2用于避免當電壓檔位處于最高檔K4時，繼續(xù)進行加計數(shù)。如此即可避免電壓檔位切換過程中因為加減計數(shù)的循環(huán)而帶來邏輯上的誤操作。

(3).電流零點檢測電路

因升壓變壓器的分接開關在動作過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，因此可利用電流零點檢測電路，使開關的開、合動作發(fā)生在電流過零處，有效避免電流的沖擊，使整個系統(tǒng)運行中更加安全可靠。如圖6所示即為三相電中其中一相的電流零點檢測電路(其它相方法完全一致)，其中HG-I1為電流互感器，采集電流信號I0，然后經(jīng)過電阻R80將電流轉換為電壓信號，再經(jīng)運算放大電路IC45、過零比較電路IC46、反相器IC47獲得電流的方波信號I1，通過濾波電路、波形取反電路IC42～IC44，得到電流I0的零點脈沖信號I，且I的周期為10ms，因為工頻交流信號一個周期20ms有兩個過零點。

(4).升壓變壓器分接開關觸發(fā)電路

為有效避免因升壓變壓器原邊各分接開關誤動作或者有損壞而造成的短路故障，設計如圖7所示的分接開關觸發(fā)電路，其中IC60、IC64、IC65、IC66均為D觸發(fā)器，QI1～QI4分別對應四個電壓檔位K1～K4的切換信號，即如圖2所示，信號QI4控制升壓變壓器原邊分接開關K11，信號QI3控制分接開關K12、K13，信號QI2控制分接開關K15、K14、K12，信號 QI1控制分接開關K17、K16、K14、K12，且各分接開關的觸發(fā)電路間為互鎖關系，例如，當電壓檔位控制信號K1為高電平“1”時，若K2～K4中任意一個也為“1”，則由或門IC61 輸出“1”將D觸發(fā)器IC60的輸出QI1清零，這樣會使當同時有兩個電壓檔位都被選通時，控制電路鎖住輸出，使系統(tǒng)工作在旁路非節(jié)能狀態(tài)。

應用中，為避免各種電路故障如過壓、過流、短路等，可加入故障保護和報警電路，使整個節(jié)能系統(tǒng)安全運行。

最后需要說明的是：上述僅為本實用新型的實施例，并非是對本實用新型的實施方式進行限定，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容，將本實用新型運用到其他相關技術領域的，均應涵蓋在本實用新型的保護范圍之中。