專利名稱：電動機經濟運行控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電動機經濟運行控制器，它適應于低壓電力系統中電 力拖動領域與三相異步電動機單機配套，將電動機及其工作系統納入智能全自 動控制，實現其最佳經濟運行，使供用電企業都獲得增效、降耗、髙效節電的 雙重效益。
技術背景能源，不但是國民經濟發展的基礎資源，人類生存之源，社會發展生息之 源，而且可以說，如果沒有能源，那么今天世界的一切文明都即將失落。因此， 節約能源，提髙現有能源的利用效益是當今人類的頭等大事，電能是以寶貴的 一次能源為代價升化的優質能源，"用電"是今天能源消耗的主要形式之一，因 此，節電及提髙電力的整體電效能就成為了節能的重要環節。電動機是將電能 轉變成機械能的樞紐，當今世界上一切電力拖動基本上都是通過這一形式來完成的。電動機問世120年來推動了社會生產力的髙速發展，同時它的耗電量(世 界各國)都占到了國家總電量的70%。電動機的能耗效益比，雖然遠比蒸氣機 和內燃機優越，但是由于其原理上的"本征特性"，它在實際工作運行中還滋生 著各種負面效應；它是低壓電力系統中主要的感性無功源；諧波源；以及特種 工況的發電機效應；A接法過大的起動電流，A接法在實際工作中許多工況處 于"大馬拉小車"其電效益很低；強電系統中電弧燒損器件…….這些因素造 成對電力的極大浪費，降低了設備的效力，是系統整體電效能嚴重下降的根本 原因。然而，這一系列課題百年來"甚解難求",是使得三相異步電動機應用技 術領域節電的整體目標"大成難得"，是電動機應用技術領域阻礙實用電動機實 現經濟運行的"百年天塹"。誠然，破解這一系列課題，實現三相異步電動機及 其工作系統最佳經濟運行是關系到當今節電技術領域的"半壁江山"問鼎沉浮 的大事。 實用新型內容本項實用新型的出發點與目的，就在于采用切實可行的技術途徑全面破解 系列難題，給實用中的各類現型三相異步電動機提供一種廣泛適應的高效節能產品綜合技術，以開發適應各種場合運行的三相異步電動機配套的系列型號的 節能技術產品。使百年依舊的電力拖動進入智能全自動控制實現電動機及其工 作系統的最佳經濟運行。本實用新型采用的技術方案是 一種電動機經濟運行控制器，它是由多種 以模擬電路為主結合數字電路制成了多種特定功能的集成電路芯片而形成的多 個單元控制組件聚合的，對三相異步電動機及其工作系統的運行狀況，施行多 元監控的智能全自動控制系統。其特征在于各單元組件控制電路都分別制成 了專用的電路芯片，它是由中央控制器l; Y/A轉換組件的控制器前置級2和執 行前置級3;就地無功補償的前置級4和執行級5;抑制發電機效應單元組件控 制級6和信息形成處理級7;消弧電路組件8;綜合保護單元控制前置級9和執 行前置級10;全息取樣信息處理電路ll;多元傳感器12;終端執行級13組合 接電電路14;工作全息顯示器15;多路電源16組成對受控的三相異步電動機 及其工作系統17施行全方位的經濟運行監控。本實用新型與現有技術相比不同之處在于首先建立了實現現型實用電動 機及其工作系統經濟運行"新理念"，以提髙系統"整體電效能"作為主體目標， 透視到影響現型電動機及其工作系統電效能降低的根本因素是電動機自身的 "本征特性"。從而針對其"本征特性"的各項具體內容，采取了切實可行的技 術途徑，通過大量的應用試驗在分別破解了各項課題的基礎上確立了統籌全局 的"整體方案"，從而實現的一項具有綜合節電性能的技術成果。它不同于現有 的各種單項功能的技術，如本項技術的前身"ZL99 2 35013.1電動機節能保護 器"，只有Y/A雙向轉換和綜合保護功能。而本"電動機經濟運行控制器"，是 在該新型專利技術的基礎上發展的對三相異步電動機由其"本征特性"，所固有 的各種"負效應"進行全局性的綜合治理，將多項節能技術集成于一體，為使 電動機及其工作系統達到"最佳經濟運行"而研發的具有多選項全功能的控制 系統。本實用新型與現有技術相比在節電效果與應用性能方面具有明顯的優勢。 (1)當前在中國馳名的外國技術與產品如美國的"英福特"技術，它是 一項以優化管理來獲得提髙供用電系統"整體電效益"的技術措施。又如國 際資訊圖書出版集團公司，2006年出版的，國家發展和改革委員會國際合作中 心匯編的《國際招標與合作》 一書中(77 ~ 80面)，北京潤得堡科貿有限公司在《節電領域中電力電子新技術的應用》 一文中介紹說"針對異步電動機的結構 和特點，英國EMS公司的研究人員研制出了......新一代電動機智能化的節能與控制裝置-"電動機優化器"，及"自動電壓調節器"......."節電比已達到IO%~20%....."。文章指明它是英、美、德、曰都肯定的成熟技術與高效節能產 品。我們從介紹的原理可知它是一項釆用雙向可控硅調整自耦變壓器抽頭來調 節電動機供電電壓的自動控制的調壓設備，其意圖通過對電壓的適當調節來優 化電動機運行而收到節電的效果。上述兩類技術產品，在它們適應的場合都有 可能體現一定的節電效果，但效果不會顯著，特別要指出的是后者，它把大功 率可控硅接入三相動力回路中，給電網造成電力污染是不容忽視的，這些都是 事物本質決定的，因為兩者所選擇的技術途徑，都沒有認識到"本征特性"這 一根本問題，因而適應的場合也不多。(2) 關于無功補償，德國的"法蘭克蓋姆譜"，荷蘭的"洛基雅"集中無 功補償全自動控制裝置，在歐洲已有數十年的研究及應用實踐的經歷了。近十 年來，我國電力系統中已廣泛地釆納了 "無功集中補償自動控制"設備，它對"阻斷"低壓電網的感性無功通過變壓器反饋到高壓電網起到了 "屏障"的作 用，這對于保障高壓電力系統的供電質量具有重大的意義。但是，它對于低壓 電力系統的作用甚微。關于低壓系統最適宜的是"單機就地無功補償"以及"動 態Y/A雙向轉換"和"跟蹤Y/A轉換的準量調節"的全自動控制技術，只有這種就地無功補償，才是讓供電部門和電力用戶雙收益的最佳補償方式。但也是 實施技術難度最高的，如電動機的就地無功全額補償量控制，尤其是電動機 Y/A兩種運行方式下，動態轉換時補償量的跟隨，以及如何卸除集中補償襲入 過補量的騷擾等等，仍是當今科技攻關的課題，本項實用新型的無功補償技術 已將這一課題迎刃而解，將單機功率因數提高到趨近于"1",將系統無功電流 抵償到趨近于"0"，這在國內外是沒有先例的。(3) 關于抑制"發電機效應"，三相異步電動機運用在某些特種工況中(如 抽油機)，會頻頻產生"發電機效應"，發電機效應產生的"負"電力是電網的 禍患。目前，中外油田的抽油機都是釆用各式各樣的配重平衡的方法來從程度 上予以減輕，卻都不能消除。本實用新型的"抑制發電機效應"的控制技術是 采用"信息探測指令執行的自動控制"，當電動機即將進駐發電機效應非正常狀 態的瞬間，則即行斷開三相供電；而當電動機即將回到正常運行前的瞬間，則即行接通三相供電。這樣就使電動機不可能發生"發電機效應"，其危患也就徹 底根治。本項技術已通過實用檢驗是完全成功的，它是本課題上具有重大意義 的創新性技術之一。(4) 關于電力開關消弧技術。百年來，電動機配電系統中都是采用有觸點 的磁力開關，如交流接觸器，它是一種自身耗電少，功能與性能都久經應用證 實的"良性"器件，美中不足之處是強電電路中電弧燒蝕繼電"觸頭"影響有 效壽命。由于可控硅的出現，近年來它已涉入到強電系統中作無觸點開關取代 交流接觸器，解決了電弧燒蝕觸頭的壽命問題，其實也未必然，因為可控硅在 電力系統中，由它瞬斷電流的特性同電動機及變壓器的感性參量的匹配形成的 AV = di/dt的髙脈沖電壓反饋回來造成自毀，也對其他器件都帶來危害，在運用了可控硅的系統中，這類現象是常見的。并且可控硅自身的耗電比交流接觸 器大許多倍，由于它費電大引起自身發熱還必須配備恰當冷卻設施(散熱器風 冷或水冷)，因此，可控硅在低壓電力系中不是"良性"器件，也不是低耗器件。 由它給電力系統帶來的負面效應是致命的缺陷，把它應用在低壓電力系統大電 流回路上作為常通器件是不合適的。本經濟運行控制器中仍然是釆用磁力開關(交流接觸器)，因為我們已成功 地開發了消除磁力開關觸點電弧的"消弧技術"。它是本實用新型的又一個創新 點。(5) 綜合保護，電動機長期安全經濟運行是企業效益的保證。為此，電動 機配電系統中需要加裝多種功能的保護器。當前普遍應用的各種單一功能的保 護器難以配套。本實用新型的綜合保護器是一種將十項保護功能融于一體的電 子電路原理的綜合保護器。(6) Y/A、 Y-A、 A多程式起動。關于電動機的起動性能，單從電動機自身以及盡快進入額定轉速運行角度，那是電動機起動過程愈快越好。但是由 于在A形接法時其起動電流一般都達到額定電流的5至7倍。由其起動電流沖擊電網以及造成IR的大幅度線壓降，給在線的用電器都帶來騷擾或造成事故。為此，自來在大功率電動機工作系統中就發展了 "自耦變壓器軟起動"、"頻敏軟起動"，這些設備體積重量都大，不便于廣泛釆用；近些年來出現了 "可控硅控流軟起動"，看起來這種軟起動十分自如地減緩了電動機的起動速度，也降低了起動時的起沖電流。但是，其實質上是把50周的正弦波形的電流變成了方波脈沖，控制脈沖電流的占空比來實現控制平均流的，由這一原理就可以認識到它對低壓電力系統的負面作用是不言而喻的；上世紀80年代在一種新的機床配 電柜上，Y/A軟起動技術問世，它有效地抑制了過大的起動電流，而且不會給電網帶來任何負效作用，它是一種先進適用的技術途徑.今天在許多電動機配電柜 上都可以見到它的廣泛應用，但是它的推廣與應用也存在如下問題，一是舊式的 設備不便于加裝，二是它的Y-A的時間控制是釆用舊式的時間繼電器來設定 的。這些都有待改進。本電動機經濟運行控制器中的Y/A、 Y—△、 A多程式起 動，就是在自身動態Y/A雙向轉換的基礎上結合上述Y/ A軟起動的方式開發出 來的性能更臻完善的新型軟起動裝置。本項軟起動的功能是納入動態Y/A雙向 轉換單元控制組件兼容實現的。(7)消除電網諧波。通常處理諧波的方法是將對象(網絡)電壓與電流的波形測繪，用傅立葉級數式展開，分析諧波的頻譜與各次諧波的幅度然后設計 相應的消諧槽路與以消除，這是被人們普遍采用的消諧方法。當前可見到的消 諧電路基本上都是實現這一技術途徑的標準模式。這種消諧槽路其理論原理是 正確的。但是在電動機及其工作系統中往往是多次諧波以及開關、可控硅通斷 形成的高頻譜信號交混一起，而且其成份與參量是隨電力系統各種參量的變化 而浮游變化的，因此在這樣的系統中釆用標準模式消諧很不現實，而且這種消 諧槽路都要損失部分基波能量，從節電角度來衡量，其效果會是實得其反。本 實用新型中的"消諧"功能不采用這類標準模式，而是將其納入無功補償控制 單元兼容，因為補償電容對于高于基波(50Hz)的諧波本來有更佳的吸收能力。 這里要分析的問題是為什么中外的無功補償都沒有二者并舉的兼容設計 呢，相反地都是類同地在電容器的前端設置抗諧波的電抗器阻止諧波電流進入 電容器這是因為幾乎所有補償電容器的設計標準都只按照補償電容來確定的， 如電壓標準是使用電壓的1. 1倍，(低壓380V ~系統中使用的自愈式補償電容標 稱電壓為400V ，最大耐壓則為440V，在380V 三相電網中作A連接則每luF 電流值為180mA)其耐電壓以及允許通過的電流都沒有潛在i，基于這一標準電 容器的無功補償，不可能兼容消諧功能而且必須在電容的前端加抗諧波的"電 抗器"。否則電容器就會被損壞。由于電抗器是一種耗能器件，使得補償的效果 大幅度地折扣，這是通常的就地無功補償最高節電效果局限于8%以下的主要原 因。本項實用新型中的就地無功補償，不采用電抗器的設計模式，而是采取將補償電容的標稱電壓大幅度提高，如380V 三相交流補償電容的標稱電壓提高到 630V一， VB/Vs-1.25倍即是實際耐電壓與過電流的強度都達到2倍的富余量，能 夠承受電網諧波電壓與電流的沖擊。使得本項設計成功地實現了無功補償與消 諧兩項功能的兼備。通過應用實踐證實本無功補償的節電率通常穩定在20%以 上，同時消諧的效果十分良好。(8)近十年來，許多商家把"調頻調速"技術，以引進外國髙科技產品的 名義滲入到我國電動機應用領域充當高效節電器， 一度風起云涌，至今仍有"巿 場"。其實調頻調速這一技術產品用于電動機是為了平穩地調節速度，并且在調 速的同時是以降低電動機整體電效能為代價的。無論是從理論推導，還是對安 裝了調頻調速裝置的電動機工作系統進行實測，其結果與結論是一致的"調頻 調速"技術不是電動機節電技術，而且調頻調速這一產品用于電動機調速的同 時給電網帶來電力污染。從上述事例，不管各方人士的目的千差萬別，但說明 了電動機節電這一目標在節能事業中居重中之重的地位。本電動機經濟運行控制器，不是從外國引進的高科技，是我們自已開發出 來的真真切切的電動機高效節能產品技術。為此申報實用新型專利。
圖1為本實用新型電動機經濟運行控制器原理框圖。 圖2為本實用新型消除磁力開關觸點電弧的原理電路圖。 圖3a為本實用新型Y/A轉換節電理論依據的電流工作特性曲線圖。 圖3b為本實用新型Y/ A轉換節電理論依據的效率工作特性曲線圖。 圖3c為本實用新型Y/A轉換節電理論依據的功率因數工作特性曲線圖。 圖4為本實用新型動態Y/A雙向轉換組件原理電路圖。 圖5為本實用新型就地無功補償節電理論依據-補償原理圖。 圖6為本實用新型就地無功補償原理電路圖。 圖7為游梁式抽油機(在理想平衡)的扭矩曲線圖。 圖8為抑制電動機"發電機效應"自動控制及控制系統原理電路圖。
具體實施方式
圖1為電動機經濟運行控制器原理框圖。該圖從整體輪廓上表明了本實用 新型的主體組成內容及各部分的主要功能和作用關系。本經濟運行控制器是由 多種模擬電路為主結合數字電路，分別制成了多種特定功能的集成電路芯片為核心器件形成的多選項的單元控制。它們是電動機"動態Y/A雙向轉換"及 "Y/A軟起動"控制單元；"就地無功補償"及消除諧波控制單元；抑制電動機"發電機效應"控制單元；根除強電下磁力開關觸點電弧控制單元；多功能綜 合保護控制單元；以及全息顯示等單元聚合，對三相異步電動機及其工作系統 施行多元全方位的監控的智能全自動控制系統。其特征在于各單元集成電路 芯片型號為KDJN9906.※(※為1.2.3.4.5);它是由中央控制器1; Y/A轉換 組件的控制前置級控制器負荷跟蹤節電控制和執行前置級節電控制轉 換器；就地無功補償的控制前置級C控制器就地無功補償準量控制和執 行級無功補償調整執行級；抑制發電機效應控制組件E控制器抑制發電 機效應執行級和信息形成處理級傳感探測電路；消弧電路組件8D控制 器消弧執行級組件；綜合保護單元控制前置級9B控制器綜合保護和執行 前置級IO綜合保護執行級；全息取樣信息處理ll;多元傳感器1傳感器 多級；終端執行級13;組合接電電路14;全息顯示器15;多路電源16組成， 對授控的三相異步電動機及其工作系統17施行全方位的監控實現其最佳經濟運 行。圖2為消除磁力開關觸點電弧原理電路圖。電力開關觸點消弧電路原理， 該電路包括兩個部分(l)執行電路，它是由磁力開關30 (交流接觸器)和無 觸點開關31組成，二者電力回路同相并聯；控制回路分別接至控制器的相應接 口。 (2)控制電路，它是一個雙路信息輸入，五路信號輸出，設置有固定延時 的電子開關29。當接通電源時無觸點開關31先導通，磁力開關30后合閘；當 切斷電源時，觸點開關30先分斷，無觸點開關31后截止。二者時間差約20ms。 這樣就做到了觸點開關"分"、"合"都不會產生電弧了。開關觸點消除了電弧 的燒灼，其接觸安全可靠，器件有效壽命大為延長。其無觸點開關電力回路每 次只工作20ms，器件經久耐用。電力系統中開關分、合電弧燒蝕觸頭，歷來令 人無奈，并認為是一種不可避免的結局。本技術的難點在于控制電路的設計要 做到洽到好處。圖2擬以Y/A雙向轉換中Y接和A接兩路交流接觸器觸點消弧為例。三角 接交流接觸器JCS-3K的三相觸頭同3SSR-S模塊的三相回路分別并聯；星接交 流接觸器KX-3K的三相觸頭同3SSR-X模塊的三相回路分別并聯；Y/A兩交流 接觸器的磁力線圈JCS、 JCX以及3SSR-S、 3SSR-X的控制極均授控雙路消弧電路按既定的"四步"控制，圖中以虛線雙箭頭表示的"1 — 4"或"4 — 1"的圓 弧控制程序來完成雙邊消弧的。如Y轉A，則第一步是JCX-3K分斷；第二步是 3SSR-X截止；第三步是3SSR-S導通；第四步是JCS - 3K合閘，既完成①、②、 ③、④的控制程序；當A轉Y則按4、 3、 2、 l程序完成。Y轉A，或A轉Y， 是由Y/A雙向轉換電路KDJN9906. 1的11號和8號輸出的信號指令來決定的。 圖中"6"字頭的電路部分是控制Y接運行；"7"字頭的電路部分是控制A接運 行；"8"字頭的電路是Y/A轉換連鎖電路，圖中JCZ、 SSR-Y/A、 JCS-fb、 JCX-fk、 JCX-fb、 JCS-fk都是為雙路消弧設立的"故障安全保護"電路器件。 圖3a、圖3b、圖3c分別為Y/A轉換節電理論依據的電流、效率、功率因 數工作特性曲線。圖中Ii，P,為電動機不同負載電流及功率值.I" Pa為電動機額 定電流及額定功率值。動態Y/A轉換實現節電的理論依據電動機的設計，都 以額定功率條件下工作，其綜合經濟指標才能達到最高，即是才能實現其經濟 運行。經典著作和教科書指出"合理選擇電動機是相當重要的，它關系到生產 機械的安全運行和經濟指標的改善......電動機選型以選擇額定功率最為主要……使電動機的負載一般為0.7~0.9左右的額定功率"。然而，在實際工況 中電動機工作在這一 "選型"負載量只是少數的工態，如大多數金屬切削機械 加工中，其負載率是在5%~50%區間變化，偶有重載，"大馬拉小車"使電動 機效率嚴重下降。十九世紀末，歐洲的電磁理論家們發現并提出"交流電動機Y形接法和A 形接法可以適應不同負載"的節電理論。從此三相異步電動機的設計有六個端 子，Y/A兩種接法并立。多種電工理論書籍指出"電動機在輕載時，Y形連接可以使網路功率因數 與效率都獲得提髙"，本圖試繪出電動機從空載至5(P/。額定負載下Y接法、A接 法的工作電流、效率、功率因數特性曲線。由三組工作特性曲線表明，當電動 機負載率為0~50%的區間時，釆用Y連接比A連接其線電流顯著降低，將使饋 電線損以12率減少；電動機自身的效率獲得明顯提髙；工作系統的功率因數得 到改善，它表明無功分量帶來的無益耗電隨之減少。以上事實說明在電動機"大 馬拉小車"的情況下，將A接法轉換到Y接法是實現電動機增效、降耗、節電 減排的有效技術途徑。圖4為動態Y/A雙向轉換組件原理電路圖。它是一個由多級運放組成的雙基準、雙路延時，雙向穩態、雙與門輸出的電動機動態Y/A雙向轉換的控制電路，其集成電路型號為KDJN9906. 1;準負荷跟蹤參量取樣電路中釆用了 5: 6000 的特種電流傳感器18;負載信號處理電路19是一種橋式全波二端輸入多路輸出 的二重積分電路，它的輸出一路送到綜合保護器9過載保護輸入端，即 KDJN9906. 5的5和11腳， 一路送到顯示器15， 一路送給控制器2即KDJN9906. 1 的l腳信號輸入端，它的終端接有一電位器W1是用來作"動力域調節"的，使 得本電路實應于4KW 630KW范圍額定功率的電動機都可匹配。雙基準整定電路20是由一光電耦合器4N35同R12及"基準鎖定"電位器 W2組成，它的兩功能輸出端一端通過R13，另一端直接送入控制器(2)KDJN9906. 1 的10和9輸入端，使得本電路在實現Y/A轉換的同時其轉換基準電平同步變換， 即是Y轉A和A轉Y形成的雙基準，二者差值可在+ 12y。 ~ -5。/。范圍由選擇R12 阻值來確定，"基準鎖定"是采用一電位器W2可在0 100y。的范圍調節，以方 便各種場合的實用中Y/A轉換的最佳轉換點的鎖定，雙基準的實現即提高了轉 換的穩定性，又擴展了 Y接法工作的節電區間；"轉換延時"電路21，它是由電位器W3、電阻R6、 二極管D14、電容器C8 構成的單向可變延時和雙向固定延時，電路其兩功能端分別接到KDJN9906. 1的 7、 5輸入端組成。Y/A轉換的雙向固定延時是由R6xC8的時間常數確定的，它 的作用是抗電網上高壓脈沖電壓的干擾，如調頻調速產品產生的頻譜脈沖信號 引起的誤動，但是這一固定延時不宜過長，如機械加工場合宜設定在0.25~ 0. 3s,鼓風機類宜設定在0. ls以下；A轉Y的單向可調延時是R(W3) xC8的時 間常數來確定的，調節W3可使延時在0.2s至40s范圍鎖定，以適應各種場合的使用，同時避免無必要的頻繁轉換；起動延時電路22是由電位器W4、電容器C7接入KDJN9906. 1的2、 3、 4端組成，它的功能與作用， 一是抗電動機起動負荷的沖擊引起轉換振蕩，二是 使Y/A轉換控制兼容Y/A、 YA、 A多程式軟起動功能。本電路中的繼電器JD、 JA及JCX-Fk、 b、 JCS-Fk、 b輔助觸點，都是為 Y/A轉換及消弧電路的"故障安全保護"設立的。本控制電路使電動機輕載轉到Y接運行LED1 "綠色"發光管亮，重載轉接 A運行LED2 "黃色"發光管亮，理想地實現了動態Y/A雙向轉換的節電控制。圖5為無功補償原理圖。圖中U-電源電壓向量，I，-補償前負荷電流(線電流)向量，①r^滯后于U的相位角，圖中0>產45.57° (cos①產0.7)， Il廣樸 償前It的感性無功分量，Ir-I，、 12的有功分量，Ic-電容器電流，超前U卯。(I產 (-Iu-Iu)， Ir補償后線電流，①r補償后l2滯后于U的相位角，圖中0)2=8丄 (COSO>2=0.99),"在電力系統中先天性地存在著大量的無功負荷，系統中大量 的無功功率，將降低系統的功率因數，增大線路的電壓損失和電能損失，嚴重 的影響著電力企業的經濟效益，造成對電能的無形浪費。解決這一問題的有效 方法就是進行無功補償"(摘自《無功補償崗位培訓教材》)。"電動機是低壓電網中主要的感性設備，造成無功損耗占低壓電網中無功 損耗的70%以上"。(摘自《發電廠變電所及電力系統的無功功率》)合理實施無 功就地補償，是企業獲得更大經濟效益的重要途徑。由無功補償原理圖表明無功補償有效地提高了功率因數。于下將無功補償 的意義作概要分析。A、改善設備的利用率 S V^//，可見在一定的電壓U和一定的電流I的情況下，提髙coscj)其輸出的有功功率越大，是提高設備有效利用率的方 法。船附廣xc)B、 減少電壓損失電壓損失 " ，可見補償電容的容抗 Xc的引入電路，使AU減小，改善了電壓質量。C、 提高電力網的傳輸能力P-ScosO，可見在傳送一定有功功率P的條件 下，cos①越髙，所需視在功率越小。D、 減少線路損耗在電路上流過電流I時，線路的有功線損t/"cos2(^ ,可見線路上有功損耗AP與c0s2①成反比，cos①越高，AP越小。下面，就原理圖中所表述的coscl)從0.7，補償提髙到0.99作計算， 0.72=0.49， 0. 992=0. 98，由兩式的數值，明確知道功率因數從0. 7提髙到0. 99， 在R不變的情況下，其線路損耗就減小了然而線路電阻并非是不變的，輸電線路的電阻R是隨溫度變化的。線溫升髙，電阻值增大。無補償時線溫比有 補償時高，在補償以后其線路損耗一定會減少50%以上。經實際測試補償使得饋 電損耗減少了75%以上，AP值只為原來的1/4以下。可見，合理實現電動機就 地無功補償，是給低壓電力系統實現增效、節電、減少電力污染提高供電質量 的重要技術途徑。圖6為就地無功補償原理電路圖。電容補償方式很多，交流電動機就地無功補償是讓供電部門和電力用戶雙 收益的最佳補償方式。但也是實施技術難度最髙的，如電動機的就地全無功補 償的準量控制，尤其是電動機Y/A兩種運行方式下，動態轉換時補償量的跟隨， 以及如何御除集中補償襲入過補量的騷擾等等，都是必須周全應對的。本無功 補償控制技術，這些方面都獲得了較好的解決。本無功補償控制組件，其主體 電路是由比較器、門電路、雙基電路、多級運放、雙橋式鑒相輸入電路和SSR 輸出電路組成的模擬控制電路。集成芯片型號為KDJN9906.2。它的控制前置級 4中設置有無功分量比例取樣及雙橋鑒相檢識電路23,當電網呈現感性或容性 無功還是無功已全抵償，則它的輸出信息參量相應為正或為負，或為零。主控集成電路輸出端可銜接多路程控電路24，它的執行級5的輸出端可銜 接多路設置有電抗導前緩充電電路25。以實現多路調節以及一臺控制器控制補 償多臺電動機。本無功補償自動控制，不但實現了就地無功準量補償自動調節和同時投切， 以及有效地抑制了過補的發生，并且能夠做到將電動機及其工作系統無功電流 抵償到趨近于"0"，使功率因數提高到趨近于"1"。此外，本無功補償不采用 中外無功補償通常都釆用的為了防護補償電容被諧波電流和高頻譜電壓沖擊損 壞，在電容三相回路中接常通電抗器的"模式"，而是釆用將電容器的耐壓標準 提髙到實際工作電壓的二倍以上，這樣就使得電容器有經受諧波及高頻譜電壓 與電流沖擊的足夠富余量，從而確保了其長期可靠的有效壽命。還有，本項無 功補償中，設置有電抗L-3導前緩充電路即圖中JZ0導前電路32，它只在接電 的瞬間工作約10-20ms，隨之退出工作，與常通電抗器相比由此帶來的無益耗電 減少到接近于O，由于釆用了上述技術措施，使得本無功補償節電效果是通常就 地無功補償(最髙節電率4~8% )的三倍以上，通常達到22%。又由于電容回 路不設"電抗器"，使得本無功補償有良好的吸收諧波的功能，無須另設消諧網絡，關于消除電網諧波可靠納入本補償控制組件兼容，經測試與應用檢驗效果 良好。圖7為常規型游梁式抽油機(在理想平衡)的扭矩曲線圖，e為曲柄轉角， 實線為復合載荷扭矩曲線，虛線為懸點載荷扭矩曲線，點畫線平衡塊載荷扭矩 曲線。(1) 三相異步電動機其定子旋轉磁場的轉動速率是每分鐘(50 x 60 x 2/極 數)轉。轉子受到旋轉磁場的牽引而轉動，其轉速穩定在一個略低于旋轉磁場 轉速的"額定轉數"正常運行。在特種工況中，當受到負載慣量順勢拖動的情 況下，則轉子的轉速會超過旋轉磁場轉速，使電動機進駐"發電機效應"非正 常運行。電動機"發電機效應"產生的電力，其頻率、電壓都不穩定，電壓、 電流的相位與供電原方的相位是相反的。嚴重損壞供電質量，造成電力的浪費。(2) 抽油機系統的負荷特性，頻頻激發電動機進駐周而復現的"發電機效 應"。圖7繪出了常規型游梁式抽油機(在理想平衡)的扭矩曲線，由曲線清楚 表明(a)如果不設平衡塊則整個下沖程懸點負荷扭矩為負值。(b)在加設平衡 塊即使在最理想平衡狀態時，上沖程在"a"、 "b"區間，下沖程在"c"、 "d" 區間，其復合載荷扭矩為負值。載荷扭矩呈現負值，既促使電動機運行進駐"發 電機效應"非正常運行狀態。中外油田的抽油機，運行系統上都是背負著幾噸 或幾十噸重的平衡配重在井架上運行旋轉，以對應抽油泵上、下沖程作重力平 衡，并減小"發電機效應"。由圖中三條扭矩曲線就很明了平衡塊載荷扭矩曲 線是重物按極坐標旋轉形成的Sin曲線，抽油泵上下沖程形成的懸點載荷曲線 基本上是按直角坐標y軸變化的"方波"曲線。二者不可能達到理想的動平衡， 這點由復合載荷扭矩曲線做了真實的描繪。由于油井下面的情況總是不斷的變 化......影響到懸點載荷扭矩也是不斷變化的，這就需要將平衡塊及時進行調整，然而這是廣大的油田難以做到的。因此實際上抽油機電動機的"發電機效應" 比圖中描述的情況更為嚴重。圖8為"抑制電動機發電機效應"自動控制原理及控制系統原理電路圖。 本項"抑制發電機效應"的控制原理是"采用磁力定位將轉數傳感探測器 (光電探測器或霍爾效應探測器)定位于電動機主軸上，旋轉光欄調制光電探 測(或霍爾效應磁力探測)，獲取發電機效應本征信息，全自動控制對電動機三 相電源即行"通"、"斷"，即電動機運行轉數n低于旋轉磁場轉數n。的電動機狀態運行。則三相電源接通，而當電動機運行轉數n髙于額定轉數ne (電動機即 將進駐發電機狀態運行)，則電動機三相供電電源即行斷電，這就使得原本進駐 發電機狀態運行的時間內，轉子是在無定子磁場的情況下空轉，并且端子與電 網開路，這樣就可靠地抑制了發電機效應的發生。本圖中，電路圖上方的一覽 表，列出了 KDJN9906. 4芯片相關引腳的電參量的波形以及本項控制邏輯關系， 第一欄中，T為電機轉子實際轉動的周期，Te為電機額定轉數的周期。T。為電 動機旋轉磁場的周期。由表左起第一欄和右末第一欄對應看到當T<Te時，JCZ、 3SSR-Z都"關閉"，則電動機斷電；T^T。時，JCZ、 3SSR-Z都"開啟"，則電 動機電源接通。本抑制發電機效應單元是由控制級6和信息處理形成級7兩部分電路組成， 其集成電路芯片型號分別為KDJN9906. 3和KDJN9906. 4;控制級6的9腳輸出 端設置有5BG1、 5R4~7、 5D4、 5D5的開關電路,JCZ - Fk輔助接點及3SSR - Z 組成的單路消弧電路26;信息形成處理級是由霍爾器件"H"(或光電器件)和 旋轉磁環"C"(或調制光欄)組成的轉速探測傳感器27;以及由W1、 Cl、 W2、 C2同KDJN9906. 4的3~ 8腳內部電路構成的二重積分與雙微分形成的特征信號 分選電路28組成；KDJN9906. 3芯片組成的控制電路6的第7腳得到KDJN9906. 4 芯片第8腳送來的特征信號指令，通過SSR-Z、 JCZ對電動機施行斷電或供電。本抑制發電機效應控制原理設計的試驗產品，在抽油機上的應用實踐檢驗， 其性能與效果都很好。
權利要求1. 一種電動機經濟運行控制器，它是由多種以模擬電路為主結合數字電路制成的集成電路芯片，而形成的多個單元控制組件聚合的智能全自動控制系統，其特征在于各單元組件控制電路都分別制成了專用的電路芯片，它是由中央控制器(1)；Y/Δ轉換組件的控制器前置級(2)和執行前置級(3)；就地無功補償的前置級(4)和執行級(5)；抑制發電機效應單元組件控制級(6)和信息形成處理級(7)；消弧電路組件(8)；綜合保護單元控制前置級(9)和執行前置級(10)；全息取樣信息處理電路(11)；多元傳感器(12)；終端執行級(13)組合接電電路(14)；工作全息顯示器(15)；多路電源(16)組成對受控的三相異步電動機及其工作系統(17)施行全方位的經濟運行監控。
2、 根據權利要求1所述的電動機經濟運行控制器，其特征在于所述Y/ A轉換組件，它是一個多級運放組成的雙基準、雙路延時，雙向轉換，雙與門 輸出的控制電路，它的控制前置級(2)的外接電路中設置有準負荷跟蹤 M=6000:5的特征電流傳感器(18);負載信號處理電路是采用橋式全波二端輸入 多路輸出的二重積分電路(19);雙基準整定電路(20),是由一光電耦合器電 路，在實現Y/A轉換的同時，其轉換基準電平同步變換，即Y轉A和A轉Y形 成雙基準，二者差額可在+ 12% ~ -5%范圍選擇，基準整定是采用一電位器可 在0~100%范圍調節到最佳轉換點；它的執行前置級(3)的外接電路中設置有 轉換延時電路(21)和起動延時電路(22)。
3、 根據權利要求l所述的電動機經濟運行控制器，其特征在于所述就地 無功補償控制組件的主體電路是由多級運放同雙基輸入電路和SSR輸出電路組 成的控制電路，它的控制前置級(4)中設置有無功分量取樣及比例參量變換 電路(23);多路輸出程控電路(24);它的執行級(5 )外接電路中設置有電抗 導前緩充電電路(25)和導前接電電路(32)。
4、 根據權利要求l所述的電動機經濟運行控制器，其特征在于所述抑制 發電機效應單元組件控制級(6)的9腳輸出端接有單路消弧控制電路(26); 信息形成處理級(7 )是由霍爾器件和光電器件作傳感探測器(27 )及二次積分 與雙微分組成的分選電路(28)組成。
5、 根據權利要求l所述的電動機經濟運行控制器，其特征在于所述消弧 電路組件(S)中的消除磁力開關觸點電弧原理電路中，有觸點開關(30)與無觸點開關(31) 二者的電力回路同相并聯，而二者的控制回路置于程控電路(") 的程序控制，當斷電時，程序①有觸點開關(30)先脫電，程序②無觸點開關 (31)后截止，當接通電源時，程序③無觸點開關(31)先導通；程序④有觸 點開關(30)后合閘。
專利摘要本實用新型公開了一種電動機經濟運行控制器，它是由多種以模擬電路為主結合數字電路制成的集成電路芯片，而形成的多個單元控制組件聚合的智能全自動控制系統，各單元組件控制電路都分別制成了專用的電路芯片。本實用新型具有綜合保護功能；減少電網諧波；消除磁力開關觸點電弧，多選項匯成一體，多課題全面破解，使電動機及其工作系統“整體電效能”得到顯著提高。使得電動機及其工作系統在增效、降耗、節能、降低電力污染、提高供電質量方面都獲得了良好的效果。它是一種實現電動機及其工作系統最佳經濟運行的智能全自動控制裝置。它適應于低壓電力系統的電力拖動領域中，同現型各類三相異步電動機單機配套。
文檔編號H02P1/32GK201118514SQ200720032249
公開日2008年9月17日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者鄒希圣, 鄒晨光 申請人:鄒晨光