交流電機節電器的制作方法

專利名稱：交流電機節電器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種交流電機節電器。
背景技術：
目前，在電機用電系統中，浪費現象十分普遍。對用戶而言，相對距 離發電廠或變電站較近的電力負載，供電網所施加的過剩電壓造成的電能 浪費空間相對較大；大多數以電機作為機械動力源的各行業用電設備，在 沒有采取節能措施的情況下都存在有一定的電能浪費空間。特別是在大容 量電機的機械負載功率的大小經常發生變化的場所，"大馬拉小車"浪費 電能的現象總是頻繁發生的，這種動態的電能浪費空間是由動力負荷的運 動性質所造成的，是很容易被人們所忽略的。只有少數機械動力裝置的設 計余量太大，機械負載的運動性質又是趨于恒功率或恒轉矩的情況下，它 才會以常量的形式存在。
對待上述浪費情況，目前可采取的節電措施是使用變頻調速技術和相 控變流技術，使供電電源隨時跟蹤負荷的變化，達到按需供電的節能目的。 但從節電、環保的立場來看，此類技術存在著以下缺點。
1 、變頻調速技術是將低頻交流電壓整流成為直流電壓然后使用電子開 關斬波形成高頻方波，再經過高頻變壓器隔離最后合成經過頻率調制和幅 度可調的正弦交流電壓。相控調壓技術是將低頻交流電壓整流成為脈動直 流電壓，然后按照要求調整可控硅SCR的導通角的大小，形成用正弦波被
切割以后的殘余波形組成的電壓。在大功率運行的情況下，這類節電裝置 的使用結果就是在電能的傳輸過程中產生了新的高頻損耗電能浪費，對電 機的電源線路及其周邊的空間環境都造成了高頻電磁輻射污染。
2、 變頻調速器的目的是實現電機的無級調速，節電功能只是它的副作 用而己。其實，80% 95%的電機在使用時是不需要也不允許改變轉速的。 在變頻節電裝置的使用中，降低電機的電源頻率，就降低了電機的阻抗， 造成電機定子繞組及其電樞長期過流使用，使電機無謂地發熱、電樞過早 地老化，縮短了它的使用壽命，最終導致用戶節約了電能卻不能節約成本。
3、 由于半導體的P-N結正向壓降和半導體體電阻的存在，在大電流運 行時，大功率半導體場效應管或晶閘管組合模塊IGBT組件或SCR組件都會 產生大量的熱量，當散熱面積不足半導體管的溫升不斷提高時還有造成過 熱擊穿并且燒毀大功率器件的危險，這就給這些節電設備的用戶帶來了安 全隱患。為此，在實際應用中，人們只好被動地采取包括使用散熱風扇、 專用空調制冷設備等辦法來解決大功率半導體器件的散熱降溫問題。這就 又形成了新的電能浪費空間，和新的安全隱患，……。
4、 人類至今尚無法在半導體制造工藝中控制到分子數量級的材料質 量，因材料組織發生畸變或參雜鍍滲注入不均等原因所導致的"偶然失效" 問題仍然沒有得到解決。變頻和相控半導體變流節電裝置在高壓大容量電 源供電的環境里在安全性、可靠性、功能等諸方面的制造技術尚不完全成 熟，由國外引進的整機造價昂貴，設備嬌嫩，工作環境要求+分苛刻，安 全性能無法預料。
電網供電電壓在受線路壓降和用電負荷波動影響經常出現波動，供電 部門為保證用戶使用，所提供的供甩線路的電壓往往比額定電壓偏高一些， 超出了用電器具適宜的電壓范圍，這種情況下，就會造成電能的浪費。
基于上述認識，本實用新型人在公告日為2003年10月29號、公告號 為CN 2583855Y和公告日為2005年2月9號、公告號為CN 2677979Y的兩 個實用新專利文獻中公開一種通過降壓實現節電的新思路。但是在上述兩 個專利中，監控對像是輸入電壓，不是輸出負載，降壓幅度有限，當負載 銳減時，即使經過降壓后的電壓仍然是過剩的，電機輕載或空載時，仍然 存在很大浪費。

實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是如何克服現有電機節電技術的上述缺 陷，提供一種交流電機節電器。
為解決上述技術問題，本實用新型交流電機節電器包括調壓單元和控 制器，其特征在于其還包括負載傳感單元，該負載傳感單元包括用于監
測電機負載變化的電機負載傳感器，該電機負載傳感器與所述控制器的信 號輸出端相通。
作為優化，所述調壓單元包括調壓電源變壓器和自耦變壓器，其中， 自耦變壓器的電流線圈串接在電源輸入端與負載電機之間，形成主回路， 調壓電源變壓器的初級線圈跨接在電源輸入端與電源零線端之間，其次級
線圈上設有多個抽頭，每個抽頭接有一個繼電器開關，上述繼電器開關的 另一端接自耦變壓器的電壓線圈的一端，該電壓線圈的另一端接在電源輸
入端與負載電機之間。
作為優化，所述調壓單元包括調壓電源變壓器、隔離變壓器，其中， 所述調壓電源變壓器的初級線圈跨接在電源輸入端與電源零線端之間，其 次級線圈上設有多個抽頭，其中一個抽頭與隔離變壓器的初極線圈的一端 相接，余下的每個抽頭通過各自的繼電器開關與隔離變壓器的初極線圈的 另一端相接；每個繼電器開關的信號輸入端與控制器相應的信號輸出端相 通，所述隔離變壓器的次極線圈串接在電源輸入端與負載電機之間，形成 主回路。
上述兩種優化方案的區別在于前者選用自耦變壓器，適用于工作電 壓較低的電機，后者選用隔離變壓器，適用于工作電壓較高的電機。
作為優化，所述負載傳感器為電機電流互感器，所述繼電器開關為固 態繼電器，上述固態繼電器形成固態繼電器矩陣單元。電流互感器反應靈 敏，安裝方便。
作為優化，所述負載傳感器包括變送器及轉速傳感器或轉矩傳感器， 所述繼電器開關為固態繼電器，上述固態繼電器形成固態繼電器矩陣單元。 阻轉矩變化是負載變化直接體現。
作為優化，本交流電機節電器的調壓單元包括多個隔離變壓器或自耦 變壓器，上述隔離變壓器的次級線圈，或上述自耦變壓器的電流線圈依次 串聯在主回路中。這種設計特別適于一些需要大幅度調壓的電機使用。
作為優化，所述次級線圈或電壓線圈與一個主回路繼電器開關相互串 聯成主回路的一部分，并配有旁路，該旁路上設有旁路繼電器開關。電機 啟動或其他特殊情況時用旁路供電，正常運轉后通過主回路供電。
作為優化，所述旁路上還設有旁路電流互感器，該旁路電流互感器接控制器的監控信號輸入端。便于監控旁路是否斷開，防止旁路將隔離變壓 器的次級線圈或自耦變壓器的電流線圈短路。
本交流電機節電器還包適操作顯示單元，該操作顯示單元包適顯示屏 和鍵盤，二者均與控制器相通。便于操作。
本實用新型交流電機節電方法及相應的交流電機節電器具有節電效果 明顯、成本低的優點，適用于各種交流電機，特別適用于負載波動大的電 機。


圖1為本交流電機節電器的節電方框示意圖2為本交流電機節電器使用時的等效原理示意圖(不含旁路)；
圖3為本交流電機節電器實施方式一的電路圖(用于低壓電機系統)；
圖4為本交流電機節電器實施方式二的電路圖(用于高壓電機系統)；
圖5為本交流電機節電器實施方式三的電路圖(用于需要大幅度調壓 的電機系統)；
圖6為圖4中調壓電源變壓器GB與固態繼電器矩陣單元SSR矩陣的具 體連接方式示意圖。
其中BZ為自耦變壓器、BL為隔離變壓器、TY為調壓電源變壓器、 SSR為固態繼電器矩陣單元、ZM為電機、KZ為控制器、0P為操作顯示單 元、CTs為電機電流互感器、1為旁路斷電器開關、j2為主路繼電器開關、 CTp為旁路電流互感器、L,、L2分別為自耦變壓器BZ的電壓線圈和電流線圈、 L',為初級線圈、L'2為次級線圈、UT為電壓互感器、L為電源U,輸入端子、 AU為調控電壓幅度、U。為電機ZM的工作電壓、Ui為電源電壓、Im為電 機定子勵磁電流、Ir。為折算到定子側的轉子電流、ri為電機定子側銅損、
X1為電機定子線圈感抗、r,為電機定子側鐵損、L為電機定子線圈勵磁電抗、 r'。為折算到定子側的轉子銅損、X'。為折算到定子側的轉子線圈感抗、[(l-S ) / S ]r'。為轉子折算到定子側的負載有功阻抗、S為電磁旋轉磁場轉速與 轉子實際轉速間的轉差率、C為負載預補償電容器、N為電源零線、Lc為 SSR為固態繼電器連接的公共線、LH為各個固態繼電器與控制器之間的信 號線合并成的線纜。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型交流電機節電器作進一步說明 如圖1所示，本實用新型交流電機節電器節電方法實質上是在電機 ZM啟動后，在不超過額定電流、電壓且不改變電流波形的前題下，持續調整電機ZM工作電壓U。，并以負載電機ZM的電流或阻轉矩或轉速的變化為 依據，不斷修正電機ZM工作電壓的調整幅度，隨負載變化，及時調整電機 ZM的工作電壓U。，按需供電。
實施方式一如圖2、 3所示，本實用新型交流電機節電器，包括調壓 單元和控制器KZ，該調壓單元包括調壓電源變壓器TY和自耦變壓器BZ， 其中，自耦變壓器BZ的電流線圈L2串接在電源輸入端L與負載電機ZM之 間，形成主回路，調壓電源變壓器TY的初級線圈IA跨接在電源輸入端L 與電源零線端N之間，其次級線圈L'2上設有多個抽頭，每個抽頭接有一個 繼電器開關，上述繼電器開關的另一端接自耦變壓器BZ的電壓線圈Lt的一 端，該電壓線圈U的另一端接在電源輸入端L與負載電機ZM之間，其特征 在于其還包括負載傳感單元，該負載傳感單元包括用于監測電機ZM負載 變化的電機負載傳感器，該電機負載傳感器為電機電流互感器CTs，并與所 述控制器KZ的信號輸出端相通。所述繼電器開關為固態繼電器，上述固態繼電器形成固態繼電器矩陣單元SSR。所述電壓線圈L,與一個主回路繼電 器開關j2相互串聯成主回路的一部分，并配有旁路，該旁路上設有旁路繼 電器開關J1Q所述旁路上還設有旁路電流互感器CTp，該旁路電流互感器 CTp接控制器KZ的監控信號輸入端。
在圖3中，交流電源Ui通過減去一個來自于其本身的，未改變其波形 形狀和頻率的由控制器KZ根據電機電流互感器CTs所傳遞的本實用新型 的輸出電流i。，也就是電機的輸入電流Ii的大小所決定的電壓值AU，施加 在電機ZM(包括i"i、 Xj、 rm、 Xm、 r'o、 X'。、 [(l-S)/S] r'。)上。電機主回 路上沒有被加入任何能夠產生千擾作用的信號源。當電機ZM的機械負載突 然加大時，根據電機ZM的電磁平衡理論，電磁轉矩將發生失衡，轉子折算 到定子側的負載有功阻抗((1-S)/S) r'()減小，折算到定子側的轉子電流Iro 的有效值也會突然加大，直接引起電機ZM的輸入電流Ii的有效值增大，此 時控制器KZ將會立即調整減小控制電壓AU，以使電機ZM及時得到負載 所需要的更大的電壓值UHJi— △ U,這時負載預補償電容器C可以補償因 Io的加大和電機工作電壓U()的提高帶來的線路所需的容性電流。相反，當 電機ZM的負載較輕的時候，控制器KZ則會根據電流Ii的穩定度不斷地嘗 試逐漸增大AU，即減少供給電機的工作電壓UQ，直到Ii的平均有效值趨 近穩定與不穩定之間的動態平衡。若電機ZM處于三相電源之下，自耦變壓 器電BZ選用的是三相變壓器，其電壓線圈L及電流線圈L2和另外兩相的 電壓線圈Li、電流線圈L2各自處于三個鐵心柱上面，互為磁通回路，具有
自感、互感形成的對尖峰電壓和高頻電流成分的較大感抗，并且遵循三相 磁通的代數和始終為零的自然規律。因此，本交流電機節電器具有抑制來 自于電源端L的三相不平衡、高次諧波、尖峰電壓、浪涌電流作用，另外，因ΔU與輸入電壓Ui反相(相位差是180°)， ΔU會在電流線圈L2上感生 出相對滯后于ΔU90。(即超前輸入電壓Ui90。)的電流以抵制輸入電流Ii 中的感性電流，所以，本實用新型具有瞬時提高電機功率因數的作用；
在必要時，本交流電機節電器還可以包適操作顯示單元0P，其中操 作顯示單元包適顯示屏和鍵盤，二者均與控制器KZ相通。在控制器KZ 使ΔU等于O時，繼電器開關J1閉合，J2斷開，此時本實用新型中的自耦 變壓器BZ就可以在不中斷負載電機ZM電源供應的情況下被旁路，撤出 并脫離運行連接。
實施方式二如圖2、 4、 6所示，本實用新型交流電機節電器，包括 調壓單元和控制器KZ，該調壓單元包括調壓電源變壓器TY、隔離變壓器 BL，其中，所述調壓電源變壓器TY的初級線圈L1跨接在電源輸入端L與 電源零線端N之間，其L'2次級線圈上設有多個抽頭，其中一個抽頭與隔離 變壓器BL的初極線圈L'1的一端相接，余下的每個抽頭通過各自的繼電器 開關與隔離變壓器BL的初極線圈L1的另一端相接；每個繼電器開關的信 號輸入端與控制器KZ相應的信號輸出端相通，所述隔離變壓器BL的次極 線圈L'2串接在電源輸入端L與負載電機ZM之間，形成主回路，其特征在 于其還包括負載傳感單元，該負載傳感單元包括用于監測電機負載變化 的電機負載傳感器CTs，該電機負載傳感器CTs與所述控制器的信號輸出端 相通。
所述次級線圈L'2與一個主回路繼電器開關j2相互串聯成主回路的一部
分，并配有旁路，該旁路上設有旁路繼電器開關J10。所述旁路上還設有旁 路電流互感器CTp，該旁路電流互感器CTp接控制器的監控信號輸入端。
實施方式一、二的主要區別在于前者選用自耦變壓器BZ，適用于工作電壓較低的電機ZM，后者選用隔離變壓器BL，適用于工作電壓較高的電 機ZM。
實施方式三如圖5所示，本交流電機節電器的調壓單元包括N個隔離變壓器BL，上述隔離變壓器BL的次級線圈L'2依次串聯在主回路中，其 中N為任意正整數。其他結構如實施方式二所述。
上述三種實施方式，均以電機電流互感器CTs為負載傳感器，在使用時， 電機ZM啟動后，具體步驟如下
(一) 、設定降壓幅度
U值；
(二) 、按設定好的降壓幅度△U，降低電機ZM的工作電壓Uo=Ui—AU，其中Ui為電源電壓；
(三) 、電壓調整后，根椐負載的變化調整△U值
以電機工作電流為依據，根據其變化，按下列情況區別處理
a、 當電流增加量大于、等于預定增幅或高于額定電流時，升高電機 ZM的工作電壓U。；直至電機ZM的工作電流不再增加且小于額定電流， 再回到步驟(一)、(二)，再次開始降低電機ZM的工作電壓Uo;
b、 當電流增加量小于預定增幅，且小于額定電流時，回到步驟(一), 設定一個更小的△U，以該△U開始，再次降低電機ZM的工作電壓Uo;
c、 當電流增加量為0或與額定電流接近到一定程度，保持AU不變， 穩定電機ZM的工作電壓U。，同時進一步監控電流變化；
d、 當電流減少量為大于、等于預定減幅時，回到步驟(一)，設定 一個更大的△U，以該△U開始，再次降低電機ZM的工作電壓Uo。
當然所述負載傳感器也可以是轉矩傳慼器與變送器的組合，或轉速傳 感器與變送器的組合。
若以轉矩傳感器與變送器的組合為負載傳感器，編制控制器操作程序時，在保證電流不高于額定電流的前題下，按照阻轉矩越大，電機ZM 的工作電壓Uo越大的關系，建立阻轉矩與工作電壓UQ—一對應關系的 數據庫。在上述(一)、(二)步驟之后，對比當前電機ZM的阻轉矩與電 機ZM的工作電壓Uo是否符合上述一一對應關系進行判斷，并據此回到 步驟(一)設定一個新的AU，開始下一個調壓循環。
因為阻轉矩是電機ZM負載的直接體現，若阻轉矩傳感器足夠靈敏， 電機ZM負載激增或銳減時，可以設定絕對值較大的 U，還可以是負值 ( U為負值時，電機ZM的工作電壓U。等于電源電壓Ui基礎上加該A U絕對值)，對電機ZM的工作電壓Uc調節一步到位。圖略！
若以轉速傳感器與變送器的組合為負載傳感器，按下列情況區別處理
a、 當轉速增加量大于、等于預定增幅，或者高于額定轉速時，設定 一個更大的 U，降低電機ZM的工作電壓U。，直至轉速不再增加且小 于額定轉速，再回到步驟(一)，設定一個更小的 U，以該AU開始， 再次降低電機ZM的工作電壓U0;
b、 當轉速增加量小于預定增幅，且小于額定轉速時，回到步驟(一)， 設定一個更小的正值 U，以該 U開始，再次降低電機ZM的工作電 壓U。;
c、 當轉速增加量為0或與額定轉速接近到一定程度，保持AU不變， 穩定電機ZM的工作電壓U。，同時進一步監控轉速變化；
d、 當轉速減少量大于、等于預定減幅時，回到步驟(一)升高電機 ZM的工作電壓U。;直至電機ZM轉速不再減少，再回到步驟(一)、(二)，
再次開始降低電機ZM的工作電壓U0。圖略！
權利要求1. 一種交流電機節電器，包括調壓單元和控制器，其特征在于其還包括負載傳感單元，該負載傳感單元包括用于監測電機負載變化的電機負載傳感器，該電機負載傳感器與所述控制器的信號輸出端相通。
2、 根據權利要求1所述的交流電機節電器，其特征在于所述調 壓單元包括調壓電源變壓器和自耦變壓器，其中，自耦變壓器的電流線 圈串接在電源輸入端與負載電機之間，形成主回路，調壓電源變壓器的 初級線圈跨接在電源輸入端與電源零線端之間，其次級線圈上設有多個 抽頭，每個抽頭接有一個繼電器開關，上述繼電器開關的另一端接自耦 變壓器的電壓線圈的一端，該電壓線圈的另一端接在電源輸入端與負載 電機之間。
3、 根據權利要求1所述的交流電機節電器，其特征在于所述調 壓單元包括調壓電源變壓器、隔離變壓器，其中，所述調壓電源變壓器 的初級線圈跨接在電源輸入端與電源零線端之間，其次級線圈上設有多 個抽頭，其中一個抽頭與隔離變壓器的初極線圈的一端相接，余下的每 個抽頭通過各自的繼電器開關與隔離變壓器的初極線圈的另一端相接； 每個繼電器開關的信號輸入端與控制器相應的信號輸出端相通，所述隔 離變壓器的次極線圈串接在電源輸入端與負載電機之間，形成主回路。
4、 根據權利要求2或3所述的交流電機節電器，其特征在于所述負載傳感器為電機電流互感器，所述繼電器開關為固態繼電器，上述 固態繼電器形成固態繼電器矩陣單元。
5、 根據權利要求2或3所述的交流電機節電器，其特征在于所 述負載傳感器包括變送器及轉速傳感器或轉矩傳感器，所述繼電器開關 為固態繼電器，上述固態繼電器形成固態繼電器矩陣單元。
6、根據權利要求4所述的交流電機節電器，其特征在于本交流 電機節電器的調壓單元包括多個隔離變壓器或自耦變壓器，上述隔離變 壓器的次級線圈，或上述自耦變壓器的電流線圏依次串聯在主回路中。
7、 根據權利要求6所述的交流電機節電器，其特征在于所述次 級線圈或電壓線圈與一個主回路繼電器開關相互串聯成主回路的一部 分，并配有旁路，該旁路上設有旁路繼電器開關。
8、 根據權利要求7所述的交流電機節電器，其特征在于所述旁 路上還設有旁路電流互感器，該旁路電流互感器接控制器的監控信號輸 入端。
專利摘要本實用新型涉及一種交流電機節電器。本實用新型要解決的技術問題是如何提供一種交流電機節電器。本實用新型交流電機節電器，包括調壓單元和控制器，該調壓單元包括調壓電源變壓器、隔離變壓器，其特征在于其還包括負載傳感單元，該負載傳感單元包括用于監測電機負載變化的電機負載傳感器，該電機負載傳感器與所述控制器的信號輸出端相通。本實用新型具有節電效果明顯、成本低的優點，適用于各種交流電機，特別適用于負載波動大的電機。
文檔編號H02P23/02GK201078842SQ20072014980
公開日2008年6月25日 申請日期2007年4月27日 優先權日2006年5月8日
發明者梁忠民 申請人:梁忠民