CN100468952C - 交流电机智能节电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机节能装置，包括电机启动电路、移相触发电路、六路双脉冲形成电路、触发脉冲功率放大和隔离电路、三相半控桥式调压输出电路、电机电压采样电路、电机电流采样电路、移相控制电压形成电路、环形振荡器、三相整流变压器兼同步变压器电路和三相同步电压形成电路。本节电器使用时三相导通角齐整度高、均衡性好、触发稳定可靠、触发电流大、移相范围宽、节电效果显著，节省率为12%～60%。本节电器对环境温度适应性强，可降低电机发热，延长使用寿命，特别适用于中、轻负载工作的电动机节电。

Description

交流电机智能节电器

技术领域

本发明涉及一种电动机节能装置，特别适用于在中、轻负载下工作的电动机的节电装置。

背景技术

能源的开发和控制是一个世界性的课题，它直接关系到人类的生存和发展，没有哪一个国家不在奋力寻求解决能源问题的有效方案。石化能源的储量是有限的，解决能源问题的重点自然就落到了新能源开发和现有能源的节能上。电能是应用最广的能源之一，也是能源消耗中最重要的组成部分，节电是节能的主要课题。

通用交流电动机，是世界最普通的电能转换成机械能的动力设备，据相关权威机构数据表明，各种发电设备发电总量中，约70％是消耗在电动机上，一台正常工作的电动机，一年竟耗掉了它自身价值的20倍的电费。我国是一个能源匮乏而耗能巨大的国家，电动机节能对于国家、企业甚至个人都是一件十分重要而有益的事情。

从电动机诞生到现在，“大马拉小车”的现象十分普遍，造成的原因有二，一是在采购选型时，技术人员所选购的电动机，其功率选值一般均高于实际的最大负荷，二是各型号的注塑机、油田抽油机、自动电梯、空气压缩机、和车、剪、刨、铣机床等设备上的电机，实际工作负载都是变化的，所选配的电动机容量均是按最大负载设计的，而现实中电动机大部分在中、轻负荷下工作，这样就白白地浪费了大量的电能。

采用电容补偿节能装置，是在变、配电设备上增加电容器，从而增大供电网络的功率因数，降低无功损耗，但成本高，体积大，且对提高电动机的功率因数无效。

采用变频调速节能装置是通过改变电压频率，实现电动机调速节能，但很多情况电动机不允许变速运行，特别是变频器通常价格很昂贵，并对电动机结构上有些限制要求，这就限制了变频节能的应用范围。

采用双向可控硅控制导通角，实现电动机端电压无级调节，从而降低电动机的无功损耗，达到节电的目的，方法简单，成本低，但现有技术和产品中普遍存在检测和控制电路采用大量分立元件，电机电压/电流采样电路易受到电磁场干扰，稳定性差，故障率高，节电率不高，出现故障后不能切换，耽误工作和不能显示节能效果以及大功率双向可控硅价格高、散热不好影响工作稳定性、电动机保护欠佳等问题。中国专利号02250736“三相电动机节电器”的实用新型采用大量分立元件，就存在上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种抗干扰性强、工作稳定性高、故障率低、成本低、节能效果明显的电动机节能保护装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：本发明的节电器包括机箱、冷却风扇、供电电源；冷却风扇和供电电源设置在机箱内；其结构特点是：还包括设置在机箱上的使用时可与三相交流电源相连接的三相电源输入端A、B、C；还包括设置在机箱内的电机启动电路、移相触发电路、六路双脉冲形成电路、触发脉冲功率放大和隔离电路、三相半控桥式调压输出电路、电机电压采样电路、电机电流采样电路、电流互感器TA1、移相控制电压形成电路、环形振荡器、三相整流变压器兼同步变压器电路和三相同步电压形成电路；其中电机启动电路具有主控回路和被控器件；电机启动电路的主控回路连接在三相电源输入端A、B、C的两端之间；三相整流变压器兼同步变压器电路的输入端与三相电源输入端A、B、C相连接；三相整流变压器兼同步变压器电路的三相交流信号输出端与三相同步电压形成电路的三相交流信号输入端连接；三相同步电压形成电路的三相同步电压信号输出端与移相触发电路的同步信号输入端连接；移相触发电路的脉冲输出端与六路双脉冲形成电路的脉冲输入端连接；六路双脉冲形成电路的触发脉冲输出端与触发脉冲功率放大和隔离电路的触发脉冲输入端连接；触发脉冲功率放大和隔离电路的触发脉冲输出端与三相半控桥式调压输出电路的触发脉冲输入端连接；三相半控桥式调压输出电路的三相输出端a、b、c与电机启动电路的被控器件的一组三相连接端相连；电机启动电路的被控器件的另一组三相连接端是使用时可与交流电机的三相输入端相连接的端口；三相半控桥式调压输出电路的三相输出端a、b、c还与电机电压采样电路的输入端连接；三相半控桥式调压输出电路的三相输出端a、b、c中的一相，通过电流互感器TA1与电机电流采样电路的输入端连接；电机电压采样电路的输出端与移相控制电压形成电路的相应输入端口连接；电机电流采样电路的输出端与移相控制电压形成电路的相应输入端口连接；移相控制电压形成电路的移相控制电压信号输出端与移相触发电路移相电压输入端连接；环形振荡器的振荡信号输出端与移相触发电路的输入端连接；三相整流变压器兼同步变压器电路的整流输出端与供电电源输入端连接；供电电源的电源输出端分别与移相触发电路、六路双脉冲形成电路、触发脉冲功率放大和隔离电路、移相控制电压形成电路、环形振荡器的电源端连接。

本发明的节电器可还包括用于监测电机负载状态的设置在三相半控桥式调压输出电路的三相输出端上的交流电流表电路和交流电压表电路；交流电流表电路由1至3个交流电流表和相应数量的交流互感器TA2组成；交流电压表电路由1至3个交流电压表组成。

本发明的节电器可还包括一个辅助功能电路，它由常开的节能旁路转换开关、第一交流接触器、节电指示灯和旁路指示灯组成；节能旁路转换开关与第一交流接触器的线圈KM1串联而构成控制回路，该控制回路设置在三相电源输入端A、B、C的两端之间；第一交流接触器的一组常闭的触头KM1-1设置在三相电源输入端A、B、C与三相整流变压器兼同步变压器电路的输入端之间，第一交流接触器的一组常开触头KM1-2设置在三相电源输入端与三相半控桥式调压输出电路的三相输出端a、b、c之间，万一出现故障就可以切换成为旁路工作状态，不影响工作；第一交流接触器的另一组辅助触头KM1-3中的一个常开接点与旁路指示灯串联、该串联电路与控制回路并联，第一交流接触器的该组辅助触头KM1-3中的一个常闭接点与节电指示灯串联、该串联电路也与控制回路并联。

上述移相触发电路具有三片晶闸管移相触发集成电路，包括型号为TCA785的晶闸管移相触发集成电路。所述六路双脉冲形成电路是型号为KC41的六路双脉冲形成集成电路。所述触发脉冲功率放大和隔离电路具有三个BU406晶体管和三个脉冲隔离变压器。所述三相半控桥式调压输出电路具有三个电力电子开关器件和三个整流二极管；电力电子开关器件是半控型器件或者全控型器件；半控型器件包括晶闸管和晶闸管(SCR)的派生器件，其中有快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管；全控型器件可控硅包括可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)、电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)；冷却风扇安装在三相半控桥式调压输出电路旁边。环形振荡器是具有型号为DC4011的集成电路在内的环形振荡电路。所述三相同步电压形成电路是具有型号为LM339的集成电路在内的三相同步电压形成电路。所述移相控制电压形成电路是具有运算放大器LM741在内的电机电压和电流信号叠加求和运算电路。所述电机电压采样电路具有三相整流变压器、全波整流电路和阻容滤波器电路，全波整流电路由六个整流二极管组成；三相整流变压器的三个输入端即为电机电压采样电路的输入端。所述电机电流采样电路具有变压器T3、全波整流电路、阻容滤波器电路、灵敏度调节电位器和三极管放大器，全波整流电路具有二个整流二极管；三相半控桥式调压输出电路的三相输出端a、b、c中的一相端线穿过电流互感器TA1，电流互感器TA1的输出端与变压器T3的输入端连接，变压器T3的输出端与全波整流电路的二个整流二极管连接，全波整流电路的输出通过阻容滤波器电路与灵敏度调节电位器W50连接，灵敏度调节电位器W50的中心与三极管放大器GB50的基极连接，灵敏度调节电位器W50用于人工调节输出电压大小。

本发明的节电器还可具有全保护电动机电路；电机启动电路的主控回路由停止开关、启动开关和第二交流接触器的线圈KM2串联构成；电机启动电路的主控回路设置在三相电源输入端A、B、C的两端之间；电机启动电路的被控器件是第二交流接触器的一组常开触头KM2-1，它们的各自的一端与三相半控桥式调压输出电路的三相输出端a、b、c的相应一端相连，第二交流接触器的常开触头KM2-1各自的另一端在使用时是可与交流电机的三相输入端的相应的一端相连的端口；电机启动电路还具有第二交流接触器的自锁触头KM2-2；全保护电动机电路由热敏电阻、第一或门电路和第一继电器电路组成；所述热敏电阻为PTC热敏电阻；第一或门电路为三输入晶体管或门电路；热敏电阻的输出端连接第一或门电路的输入端，第一或门电路的输出端与第一继电器电路的控制端相连；第一继电器电路设有第一继电器线圈J1，第一继电器触头J1-1与电机启动电路的第二交流接触器的自锁触头KM2-2串联在一起，且并联在电机启动电路的启动开关的两端；热敏电阻埋入交流电机的绕组、或者安装在与三相半控桥式调压输出电路的电力电子开关器件相接触的位置。

本发明的节电器还可包括线电流检测缺相保护电路；电机启动电路的主控回路由停止开关、启动开关和第二交流接触器的线圈KM2串联构成；电机启动电路的主控回路设置在三相电源输入端A、B、C的两端之间；电机启动电路的被控器件是第二交流接触器的一组常开触头KM2-1，它们的各自的一端与三相半控桥式调压输出电路的三相输出端a、b、c的相应一端相连，第二交流接触器的常开触头KM2-1各自的另一端在使用时是可与交流电机的三相输入端的相应的一端相连的端口；电机启动电路还具有第二交流接触器的自锁触头KM2-2；线电流检测缺相保护电路由缺相保护电流互感器、光电耦合电路、第二或门电路、延时器和第二继电器电路组成；缺相保护电流互感器的线圈设置在三相半控桥式调压输出电路的三相输出端a、b、c上，各缺相保护电流互感器的输出端与光电耦合电路的相应光电耦合管的输入端相连，光电耦合电路的输出端连接第二或门电路的输入端，第二或门电路的输出端与延时器的输入端相连，延时器的输出端与第二继电器电路的控制端相连；第二继电器电路设有第二继电器线圈J2，第二继电器触头J2-1与电机启动电路的第二交流接触器的自锁触头KM2-2串联在一起，且并联在电机启动电路的启动开关的两端。

上述启动电路的被控器件的使用时可与交流电机的三相输入端相连接的端口是使用时可输出交流380V、交流660V、或交流1140V的端口。也即本发明可以在交流380V、660V、1140V的电动机上使用。

与现有技术相比，本发明具有以下明显优势：①本发明的节电器在使用前可由其电机启动电路与交流电机的接线端相连。由于本发明采用了专用晶闸管移相触发集成电路，所以触发稳定可靠，三相导通角齐整度高，触发电流大，可适用大功率电机，移相范围宽，可以根据负荷大小，自动调节导通角，节电效果显著，节省率最低为12％，最高可达60％，对环境温度适应性强，从而保证了可靠工作。②本发明用于控制交流电机后，由于处于降压使用状态，所以起动电流减小，电机使用时发热降低，从而延长使用寿命。③当本发明设置辅助功能电路后，则增加了故障切换功能，万一出现故障可切换到旁路工作状态，也不会影响生产。④当本发明设置用于监测电机负载状态的交流电压表电路和交流电流表电路后，其中的交流电压表和交流电流表可作为节能显示，还能兼作为工况监视。⑤本发明的节电器成本低廉，投资者可在短期内(3-8个月)通过省电费，收回成本。⑥当本发明设置线电流检测缺相保护电路后，则本发明的节电器在使用中具有线电流检测缺相保护功能，通过缺相保护电流互感器、光电阻型光电耦合管、延时器、或门电路和继电器电路检测断相信号直接推动继电器动作，进行断相保，线路新颖可靠。⑦当本发明设置全保护电动机电路后，则本发明的节电器在使用中具有全保护电动机功能，采用热敏电阻直接监控电动机温升保护电动机，对电动机赌转、过载、断相、频繁起动、欠压运行、环境温度过高、通风受阻等故障，均起保护作用。

附图说明

图1是本发明的一种电路框图；

图2是本发明的另一种电路框图；

图3是本发明移相触发电路、六路双脉冲形成电路、触发脉冲功率放大和隔离电路、移相控制电压形成电路、环形振荡器、三相整流变压器兼同步变压器电路、三相同步电压形成电路和供电电源的电路原理图；

图4是本发明电机电压采样电路的电原理图；

图5是本发明电机电流采样电路的电原理图；

图6是本发明的三相半控桥式调压输出电路、线电流检测缺相保护电路、全保护电动机电路和电机启动电路的电原理图。

图中的标号所表示的内容如下：1-移相触发电路、2-六路双脉冲形成电路、3-触发脉冲功率放大和隔离电路、4-三相半控桥式调压输出电路、6-电机电压采样电路、7-电机电流采样电路、8-移相控制电压形成电路、9-环形振荡器、10-三相整流变压器兼同步变压器电路、11-三相同步电压形成电路，12-供电电源，13-交流电流表电路，14-交流电压表电路，15-辅助功能电路，17-线电流检测缺相保护电路(含17-1、缺相保护电流互感器，17-2、光电耦合电路，17-3、第二或门电路，17-4、延时器，17-5、第二继电器电路)，18-全保护电动机电路(含18-1、热敏电阻，18-2、第一或门电路，18-3、第一继电器电路)，100-电机启动电路。

具体实施方式

以下结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明的目的，特征及优点进行更深入的理解。

见图1及图2，本实施例的交流电机智能节电器，包括机箱、冷却风扇、供电电源12和使用时可与三相交流电源相连接的三相电源输入端A、B、C。冷却风扇和供电电源12设置在机箱内；三相交流电源相连接的三相电源输入端A、B、C设置在机箱上。

本实施例的交流电机智能节电器还包括设置在机箱内的电机启动电路100、移相触发电路1、六路双脉冲形成电路2、触发脉冲功率放大和隔离电路3、三相半控桥式调压输出电路4、电机电压采样电路6、电机电流采样电路7、缺相保护电流互感器TA1、移相控制电压形成电路8、环形振荡器9、三相整流变压器兼同步变压器电路10、和三相同步电压形成电路11。

上述电机启动电路100具有主控回路和被控器件；电机启动电路100的主控回路连接在三相电源输入端A、B、C的两端之间；三相整流变压器兼同步变压器电路10的输入端与三相电源输入端A、B、C相连接。三相整流变压器兼同步变压器电路10的三相交流信号输出端与三相同步电压形成电路11的三相交流信号输入端连接。三相同步电压形成电路11的三相同步电压信号输出端与移相触发电路1的同步信号输入端连接。移相触发电路1的脉冲输出端与六路双脉冲形成电路2的脉冲输入端连接。六路双脉冲形成电路2的触发脉冲输出端与触发脉冲功率放大和隔离电路3的触发脉冲输入端连接。触发脉冲功率放大和隔离电路3的触发脉冲输出端与三相半控桥式调压输出电路4的触发脉冲输入端连接。三相半控桥式调压输出电路4的三相输出端a、b、c与电机启动电路100的被控器件的一组三相连接端相连；电机启动电路100的被控器件的另一组三相连接端是使用时可与交流电机5的三相输入端相连接的端口。三相半控桥式调压输出电路4的三相输出端a、b、c还与电机电压采样电路6的输入端连接；三相半控桥式调压输出电路4的三相输出端a、b、c中的一相，通过电流互感器TA1，与电机电流采样电路7的输入端连接。电机电压采样电路6的输出端与移相控制电压形成电路8的相应输入端口连接。电机电流采样电路7的输出端与移相控制电压形成电路8的相应输入端口连接；移相控制电压形成电路8的移相控制电压信号输出端与移相触发电路1移相电压输入端连接。环形振荡器9的振荡信号输出端与移相触发电路1的输入端连接。三相整流变压器兼同步变压器电路10的整流输出端与供电电源12输入端连接。供电电源12的电源输出端分别与移相触发电路1、六路双脉冲形成电路2、触发脉冲功率放大和隔离电路3、移相控制电压形成电路8、环形振荡器9的电源端连接。

如图3所示，市电380V三相交流电A，B，C，与三相整流变压器兼同步变压器电路10输入端连接，输出分两路，一路通过的三相整流变压器BT1和六只整流二极管D1～D6组成的全波整流电路的整流，经阻容滤波，再分别经三端稳压电路VM7815和LM7915产生+15V和-15V作供电电源。另一路通过同步变压器BT1，送入三相同步电压形成电路11，经阻容滤波后，经LM339和辅助器件组成的电压比较器，检测出过零同步信号，送入移相触发电路1的各晶闸管移相触发集成电路TCA785的第5脚同步电压输入端。移相触发电路1由三片TCA785晶闸管移相触发集成电路以及相应的辅助电路组成，TCA785是德国西门子公司生产的一种性能优秀的移相控制芯片，该器件可广泛应用在晶闸管控制系统中。TCA785的内部由零点鉴别器ZD、同步寄存器SR、恒流源SC、控制比较器CC、放电晶体管V、放电监控器DM、电平转换及稳压电路PC、锯齿波发生器RG及输出逻辑网络LN等9个单元组成。该器件具有温度适应范围宽，对过零点的识别更加可靠，输出脉冲的整齐度更好，移相范围更宽等优点，能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，因而可方便地用作过零触发而构成零点开关；它的输入、输出与CMOS及TTL电平兼容，具有较宽的应用电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出250mA的驱动电流；其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围较宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范围(TA＝-25～+85℃)和工作电源电压范围(-0.5～+18V)。

环形振荡器9是由DC4011组成，由DC4011的四个2输入与非门电路组成他激式环形振荡器，其输出与TCA7856的7脚连接，把脉冲变成脉冲序列，频率5-10HZ。

六路双脉冲形成电路2由KC41C组成，KC41C具有双脉冲形成和电子开关控制封锁双脉冲形成两种功能，对TCA785的14、15脚输出的基本脉冲，通过输入二极管产生补脉冲。

触发脉冲功率放大和隔离电路3由三个BU406功率三极管、三个脉冲隔离变压器以及有关辅助元器件组成，KC41C其输出的触发脉冲经BU406三极管功率放大，再经脉冲隔离变压器T1、T2、T3送往三个晶闸管的控制极。

如图6所示，三相半控桥式调压输出电路4是由三个可控硅管V1、V3、V5和三个整流二极管V2、V4、V6组成的半控桥式电路。三个可控硅管的控制极分别与三个对应脉冲隔离变压器T1、T2、T3的端口连接。考虑用户电机多为中、轻负荷，所以采用三相半控桥式调压，只控制负半周导通角，正半周不控制。这样可以省去使用价格昂贵的大功率双向触发晶闸管或省去三个大功率单向触发晶闸管，用普通整流管替代，既省了成本，又使管芯流过的电流减小，从而提高了热稳定性，使工作可靠。

如图4所示，电机电压采样电路6具有三相整流变压器T2、全波整流电路和阻容滤波器电路，全波整流电路由六个整流二极管4148组成；三相整流变压器T2的三个输入端与三相半控桥式调压输出电路4的输出端a、b、c连接。三个全波整流电路的负载电阻器为同一个R，电机电压采样值即为R上的电压，反映电机电压的信号从J-1、J-2引导线输出。

如图5所示，电机电流采样电路7具有变压器T3全波整流电路、阻容滤波器电路、灵敏度调节电位器RT和三极管放大器9012，全波整流电路具有二个整流二极管D50、D51；三相半控桥式调压输出电路4的三相输出端a、b、c的一相端线穿过电流互感器TA1，电流互感器TA1的输出端与电机电流采样电路7的变压器T3输入端连接，变压器T3输出端与电机电流采样电路7的全波整流电路连接，全波整流电路的输出通过阻容滤波器电路与灵敏度调节电位器W50连接，灵敏度调节电位器W50的中心通过电阻R55与三极管放大器GB50的基极连接。电机电流采样值即反映电机电流的信号从J-3、J-4引导线输出。全波整流电路的工作过程是：当电机电流采样电路7的变压器T3副边绕组上端为正半周期时，电流从T3副边绕组上端出发，经过电阻R51，再经过电位器W50，再经过电阻R54、R53和整流二极管D51，到T3副边绕组下端，完成一次循环；当变压器T3副边绕组下端为正半周期时，电流从T3副边绕组下端出发，经过电阻R52，再经过电位器W50，再经过电阻R54、R53和整流二极管D50，到T3副边绕组上端，完成一次循环。

见图2至图6，电机电压采样电路6以及电机电流采样电路7的电机负载测量与三相半控桥式调压输出电路4的三相半控桥式调压是一个闭环系统，调压后的三相电压a，b，c经电机电压采样电路6，从J-1、J-2引导线输出和电机电流采样电路7从J-3、J-4引导线输出。J-1、J-2、J-3、J-4引导线与移相控制电压形成电路8的接插件J连接。

由接插件J的引脚J-1、J-2、J-3、J-4引出的电压/电流信号，在移相控制电压形成电路8的运算放大器LM741作求和运算，产生移相控制电压，再送移相触发电路1的TCA785的11脚去与锯齿波进行比较。移相触发电路1的W4、W5、W6为9脚引出的可变电阻器，用来调节三相锯齿波的斜率。

通过六路双脉冲形成电路3，对移相触发电路1的TCA785的14、15脚输出的基本脉冲，产生补脉冲，其输出的触发脉冲经三个BU406三极管功率放大，再经三个脉冲隔离变压器T1、T2、T3送往三个晶闸管V1、V3、V5的G1、G3、G5及K1、K3、K5极，这样就实现了用交流电机5两端的电流、电压的变化来控制晶闸管的导通角，自动进行交流电机的闭环控制。

以图6阐述工作过程如下：

①通过辅助功能电路15的节能旁路转换开关K1选择工作方式：选节能方式时，第一交流接触器的控制线圈KM1不工作，节电指示灯亮，三相交流A、B、C通过第一交流接触器的常闭触头KM1-1加到三相整流变压器兼同步变压器电路10和三半控桥式调压输出电路4上；选旁路方式时，第一交流接触器的控制线圈KM1通电工作，旁路指示灯亮，三相交流A、B、C通过第一交流接触器的常开触头KM1-2直接与可接通交流电机5的三相半控桥式调压输出电路4的三相输出端a、b、c三相相连。

②见图6，本发明的节电器的电机启动电路100采用常用的电路。电机启动电路100的主控回路由停止开关、启动开关和第二交流接触器的线圈KM2串联构成；电机启动电路100的被控器件是第二交流接触器的一组常开触头KM2-1；电机启动电路100还具有第二交流接触器的自锁触头KM2-2、第一继电器的常闭触头JI-1和第二继电器的常闭触头J2-1。电机启动电路100的主控回路设置在三相电源输入端A、B、C的两端之间；第二交流接触器的自锁触头KM2-2、第一继电器的常闭触头J1-1和第二继电器的常闭触头J2-1依次串联在一起，且并联在启动开关的两端；第二交流接触器的常开触头KM2-1作为电机启动电路100的被控器件，它们的各自的一端与三相半控桥式调压输出电路4的三相输出端a、b、c的相应一端相连，第二交流接触器的常开触头KM2-1各自的另一端在使用时是可与交流电机5的三相输入端的相应的一端相连的端口。

按下图6中的启动开关，使第二交流接触器的控制线圈KM2得电，通过其自锁触头KM2-2、第一继电器的常闭触头J1-1和第二继电器的常闭触头J2-1进行自锁工作，第二交流接触器的常开触头KM2-1吸合，三相交流电动机5得电工作。

③电动机的全保护功能。见图6，全保护电动机电路18由热敏电阻18-1、第一或门电路18-2和第一继电器电路18-3组成；所述第一或门电路18-2为三输入晶体管或门电路；热敏电阻18-1的输出端连接第一或门电路18-2的输入端，第一或门电路18-2的输出端与第一继电器电路18-3的控制端、也即三极管BG1的基极相连；第一继电器电路18-3设有第一继电器线圈J1。热敏电阻18-1采用正温度系数的PTC热敏电阻。热敏电阻18-1可设置在交流电机5的绕组上，也可设置在三相半控桥式调压输出电路4的电力电子开关器件相接触的位置，且该电子开关器件G1、G3、G5的旁边设有与其相接触的散热片，从而热敏电阻18-1可设置在电子开关器件G1、G3、G5与相应的散热片之间，因此热敏电阻18-1为三片。由于PTC热敏电阻具有响应速度快、灵敏度高、体积小、坚实可靠、寿命长等特点，它能直接反应交流电机5的温升，对于交流电机5的堵转、断相、过载、频繁起动、欠压运行、环温过高、通风受阻等均起保护作用，当交流电机5温升超过“危险”点时，热敏电阻的阻值骤变几十到几百倍，所以它们与电阻R63～R65的分压值改变，任何一相发热，都可以通过由电阻R63～R65与二极管D61～D63组成的第一或门电路18-2使三极管BG1和三极管BG2导通，第一继电器的线圈J1吸合衔铁，从而导致位于电机启动电路100中的第一继电器的接点J1-1从常闭转为断开，解除第二交流接触器的自锁触头KM2-2的自锁状态，使第二交流接触器的线圈KM2失电，而使第二交流接触器的第二交流接触器的常开触头KM2-1由闭合转为断开，从而切断三相交流电，使交流电机5得到保护。

④电动机线电流检测断相保护功能。仍见图6，线电流检测缺相保护电路17由缺相保护电流互感器17-1、光电耦合电路17-2、第二或门电路17-3、延时器17-4和第二继电器电路17-5组成；缺相保护电流互感器17-1的各个线圈设置在三相半控桥式调压输出电路4的三相输出端a、b、c的相应一相上，各缺相保护电流互感器17-1的输出端与光电耦合电路17-2的相应光电耦合管的输入端相连，光电耦合电路17-2的输出端连接第二或门电路17-3的输入端，第二或门电路17-3的输出端与延时器17-4的输入端相连，延时器17-4的输出端与第二继电器电路17-5的控制端、也即三极管BG3的基极相连；第二继电器电路17-5设有第二继电器线圈J2。在三相半控桥式调压输出电路4的三相输出端a、b、c上所接入的缺相保护电流互感器是小型缺相保护电流互感器TA3、TA4和TA5。正常运转时，小型缺相保护电流互感器产生电流，电源在正半周分别经二极管D65、D66、D67整流，向C63、C64、C65充电、并点亮光电耦合管G1、G2、G3中的发光二极管，负半周靠电容C63、C64、C65放电点亮G1、G2、G3中的发光二极管，所以G1、G2、G3的光敏三极管阻值因为有光照，一直很低；一旦有一相断开，电流为0，则断开的这相上的缺相保护电流互感器就没有电流输出，光敏三极管阻值就会因为没有光照，而恢复到一个很大的阻值，就象上面提到的PTC热敏电阻一样，根据相似的电原理，导致第二继电器的线圈J2吸合衔铁，也即使位于电机启动电路100中的第二继电器的接点J2-1从常闭转为断开，同样解除第二交流接触的自锁触头KM2-2的自锁状态，使第二交流接触器的线圈KM2失电，而使第二交流接触器的第二交流接触器的常开触头KM2-1由闭合转为断开，从而切断三相交流电，使交流电机5得到保护；其中W60和R77、C67组成延时器17-4，为了提高可靠性和抗干扰能力，避免控制时序上的冲突。

为了让用户了解节电效果，在交流调压输出端a，b，c接上交流电压表，并通过电流互感器TA2接上交流电流表，通过公式：三相总电功率W＝3×相电压V×相电流I，让交流电机5分别运行在节能状态和旁路状态，就可以计算节电效果。

为了在万一出现故障时，不影响生产和工作，设置了节能旁路切换开关K1，需要节能运行时，开关K1处于断开状态，节电指示灯亮，A，B，C三相交流电依次通过第一交流接触器的常闭触点KM1-1、三相整流变压器兼同步变压器电路10和三相半控桥式调压输出电路4，在电机启动电路100处于接通的情况下，向交流电机5供电；当出现故障时，则将开关K1闭合，第一交流接触器的线圈KM1得电而使常开触头KM1-2、以及触头M1-3中的一个常开接点闭合，使常闭触头KM1-1断开，从而使旁路指示灯亮，切断节能输入，整个电路处于旁路运行状态；A、B、C三相交流电通过第一交流接触器的常开触头KM1-2直接与可接通交流电机5的三相半控桥式调压输出电路4的三相输出端a、b、c相连。

作为本发明的变型，其原理也适应于电压等级为660V或者1140V三相交流电动机的节能。

以下是本发明节电器样机在试点企业节电情况。

应用例1、塑料工业

在江苏常州的xx公司，是全省的外协注塑件企业之一。现有56台各种型号的注塑机。一台55KW的本发明节电器样机，安装在一台每天工作16小时生产随身听盒50KW注塑机上，本发明节电器样机每月平均获取16.5％的节电率；其回报周期为6-12个月。

应用例2、石油工业

地点：胜利油田采油厂，使用设备：37KW柱塞泵(三相37KW电动机)，应用产品：本发明节电器样机。

安装前：当天实测电耗：266度；安装后：当天实测电耗：144.38度；

效果；1、节电率 43％；2、提高产液量 12％；3、减少泵运行时间 55％；4、提高泵效2.2倍。

应用例3、采石场

地点：凤凰山采石厂，使用设备：150KW石机，应用产品：本发明节电器样机。

安装前：实测电耗140-165K；

安装后：实测空载时，电动机电耗：45KW；

该台碎石机每天工作16小时，在正常情况下，电动机每月耗电67424度(KWH)安装本发明节电器样机后，耗电减少到8526度(KWH)，每月节电率为12.6％，回报期为6-12个月。

Claims (15)

1、一种交流电机智能节电器，包括机箱、冷却风扇、供电电源(12)；冷却风扇和供电电源(12)设置在机箱内；其特征在于：还包括设置在机箱上的使用时可与三相交流电源相连接的三相电源输入箱(A)、(B)、(C)；还包括设置在机箱内的电机启动电路(100)、移相触发电路(1)、六路双脉冲形成电路(2)、触发脉冲功率放大和隔离电路(3)、三相半控桥式调压输出电路(4)、电机电压采样电路(6)、电机电流采样电路(7)、电流互感器(TA1)、移相控制电压形成电路(8)、环形振荡器(9)、三相整流变压器兼同步变压器电路(10)和三相同步电压形成电路(11)；其中电机启动电路(100)具有主控回路和被控器件；电机启动电路(100)的主控回路连接在三相电源输入端(A)、(B)、(C)的两端之间；三相整流变压器兼同步变压器电路(10)的输入端与三相电源输入端(A)、(B)、(C)相连接；三相整流变压器兼同步变压器电路(10)的三相交流信号输出端与三相同步电压形成电路(11)的三相交流信号输入端连接；三相同步电压形成电路(11)的三相同步电压信号输出端与移相触发电路(1)的同步信号输入端连接；移相触发电路(1)的脉冲输出端与六路双脉冲形成电路(2)的脉冲输入端连接；六路双脉冲形成电路(2)的触发脉冲输出端与触发脉冲功率放大和隔离电路(3)的触发脉冲输入端连接；触发脉冲功率放大和隔离电路(3)的触发脉冲输出端与三相半控桥式调压输出电路(4)的触发脉冲输入端连接；三相半控桥式调压输出电路(4)的三相输出端(a)、(b)、(c)与电机启动电路(100)的被控器件的一组三相连接端相连；电机启动电路(100)的被控器件的另一组三相连接端是使用时可与交流电机(5)的三相输入端相连接的端口；三相半控桥式调压输出电路(4)的三相输出端(a)、(b)、(c)还与电机电压采样电路(6)的输入端连接；三相半控桥式调压输出电路(4)的三相输出端(a)、(b)、(c)中的一组，通过电流互感器(TA1)与电机电流采样电路(7)的输入端连接；电机电压采样电路(6)的输出端与移相控制电压形成电路(8)的相应输入端口连接；电机电流采样电路(7)的输出端与移相控制电压形成电路(8)的相应输入端口连接；移相控制电压形成电路(8)的移相控制电压信号输出端与移相触发电路(1)移相电压输入端连接；环形振荡器(9)的振荡信号输出端与移相触发电路(1)的输入端连接；三相整流变压器兼同步变压器电路(10)的整流输出端与供电电源(12)输入端连接；供电电源(12)的电源输出端分别与移相触发电路(1)、六路双脉冲形成电路(2)、触发脉冲功率放大和隔离电路(3)、移相控制电压形成电路(8)、环形振荡器(9)的电源端连接。

2、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：还包括用于监测电机负载状态的设置在三相半控桥式调压输出电路(4)的三相输出端上的交流电流表电路(13)和交流电压表电路(14)；交流电流表电路由1至3个交流电流表和相应数量的交流互感器(TA2)组成；交流电压表电路由1至3个交流电压表组成。

3、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：还包括一个辅助功能电路(15)，它由常开的节能旁路转换开关、第一交流接触器、节电指示灯和旁路指示灯组成；节能旁路转换开关与第一交流接触器的线圈(KM1)串联而构成控制回路，该控制回路设置在三相电源输入端(A)、(B)、(C)的两端之间；第一交流接触器的一组常闭的触头(KM1-1)设置在三相电源输入端(A)、(B)、(C)与三相整流变压器兼同步变压器电路(10)的输入端之间，第一交流接触器的一组常开触头(KM1-2)设置在三相电源输入端与三相半控桥式调压输出电路(4)的三相输出端(a)、(b)、(c)之间，万一出现故障就可以切换成为旁路工作状态，不影响工作；第一交流接触器的另一组辅助触头(KM1-3)中的一个常开接点与旁路指示灯串联、该串联电路与控制回路并联，第一交流接触器的该组辅助触头(KM1-3)中的一个常闭接点与节电指示灯串联、该串联电路也与控制回路并联。

4、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：所述移相触发电路(1)具有三片晶闸管移相触发集成电路，包括型号为TCA785的晶闸管移相触发集成电路。

5、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：所述六路双脉冲形成电路(2)是型号为KC41的六路双脉冲形成集成电路。

6、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：所述触发脉冲功率放大和隔离电路(3)具有三个BU406晶体管和三个脉冲隔离变压器。

7、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：所述三相半控桥式调压输出电路(4)具有三个电力电子开关器件和三个整流二极管；电力电子开关器件是半控型器件或者全控型器件；半控型器件包括晶闸管和晶闸管的派生器件，其中有快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管；全控型器件可控硅包括可关断晶闸管、电力晶体管、电力场控晶体管、绝缘栅极双极晶体管、静电感应晶体管和静电感应晶闸管；冷却风扇安装在三相半控桥式调压输出电路(4)旁边。

8、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：所述环形振荡器(9)是具有型号为DC4011的集成电路在内的环形振荡电路。

9、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：所述三相同步电压形成电路(11)是具有型号为LM339的集成电路在内的三相同步电压形成电路。

10、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：所述移相控制电压形成电路(8)是具有型号为LM741的运算放大器在内的电机电压和电流信号叠加求和运算电路。

11、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：所述电机电压采样电路(6)具有三相整流变压器、全波整流电路和阻容滤波器电路，全波整流电路由六个整流二极管组成；三相整流变压器的三个输入端即为电机电压采样电路(6)的输入端。

12、根据权利要求1所述的交流电机智能节电器，其特征在于：所述电机电流采样电路(7)具有变压器(T3)、全波整流电路、阻容滤波器电路、灵敏度调节电位器和三极管放大器，全波整流电路具有二个整流二极管；三相半控桥式调压输出电路(4)的三相输出端(a)、(b)、(c)中的一相端线穿过电流互感器(TA1)，电流互感器(TA1)的输出端与变压器(T3)的输入端连接，变压器(T3)的输出端与全波整流电路的二个整流二极管连接，全波整流电路的输出通过阻容滤波器电路与灵敏度调节电位器(W50)连接，灵敏度调节电位器(W50)的中心与三极管放大器(GB50)的基极连接，灵敏度调节电位器(W50)用于人工调节输出电压大小。

13、根据权利要求7所述的交流电机智能节电器，其特征在于：还具有全保护电动机电路(18)；电机启动电路(100)的主控回路由停止开关、启动开关和第二交流接触器的线圈(KM2)串联构成；电机启动电路(100)的主控回路设置在三相电源输入端(A)、(B)、(C)的两端之间；电机启动电路(100)的被控器件是第二交流接触器的一组常开触头(KM2-1)，它们的各自的一端与三相半控桥式调压输出电路(4)的三相输出端(a)、(b)、(c)的相应一端相连，第二交流接触器的常开触头(KM2-1)各自的另一端在使用时是与交流电机(5)的三相输入端的相应的一端相连的端口；电机启动电路(100)还具有第二交流接触器的自锁触头(KM2-2)；全保护电动机电路(18)由热敏电阻(18-1)、第一或门电路(18-2)和第一继电器电路(18-3)组成；所述热敏电阻(18-1)为PTC热敏电阻；第一或门电路(18-2)为三输入晶体管或门电路；热敏电阻(18-1)的输出端连接第一或门电路(18-2)的输入端，第一或门电路(18-2)的输出端与第一继电器电路(18-3)的控制端相连；第一继电器电路(18-3)设有第一继电器线圈(J1)，第一继电器触头(J1-1)与电机启动电路(100)的第二交流接触器的自锁触头(KM2-2)串联在一起，且并联在电机启动电路(100)的启动开关的两端；热敏电阻(18-1)埋入交流电机(5)的绕组、或者安装在与三相半控桥式调压输出电路(4)的电力电子开关器件相接触的位置。

14、根据权利要求1至13之一所述的交流电机智能节电器，其特征在于：还包括线电流检测缺相保护电路(17)；电机启动电路(100)的主控回路由停止开关、启动开关和第二交流接触器的线圈(KM2)串联构成；电机启动电路(100)的主控回路设置在三相电源输入端(A)、(B)、(C)的两端之间；电机启动电路(100)的被控器件是第二交流接触器的一组常开触头(KM2-1)，它们的各自的一端与三相半控桥式调压输出电路(4)的三相输出端(a)、(b)、(c)的相应一端相连，第二交流接触器的常开触头(KM2-1)各自的另一端在使用时是与交流电机(5)的三相输入端的相应的一端相连的端口；电机启动电路(100)还具有第二交流接触器的自锁触头(KM2-2)；线电流检测缺相保护电路(17)由缺相保护电流互感器(17-1)、光电耦合电路(17-2)、第二或门电路(17-3)、延时器(17-4)和第二继电器电路(17-5)组成；缺相保护电流互感器(17-1)的线圈设置在三相半控桥式调压输出电路(4)的三相输出端(a)、(b)、(c)上，各缺相保护电流互感器(17-1)的输出端与光电耦合电路(17-2)的相应光电耦合管的输入端相连，光电耦合电路(17-2)的输出端连接第二或门电路(17-3)的输入端，第二或门电路(17-3)的输出端与延时器(17-4)的输入端相连，延时器(17-4)的输出端与第二继电器电路(17-5)的控制端相连；第二继电器电路(17-5)设有第二继电器线圈(J2)，第二继电器触头(J2-1)与电机启动电路(100)的第二交流接触器的自锁触头(KM2-2)串联在一起，且并联在电机启动电路(100)的启动开关的两端。

15、根据权利要求1至13之一所述的交流电机智能节电器，其特征在于：启动电路(100)的被控器件的使用时与交流电机(5)的三相输入端相连接的端口是使用时输出交流380V、交流660V、或交流1140V的端口。

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