本發(fā)明涉及一種電調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具體涉及一種電機節(jié)能控制系統(tǒng)及節(jié)能方法。

背景技術(shù)：

隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，電能的需求量越來越大，開發(fā)和節(jié)約能源已成當(dāng)務(wù)之急。作為一種重要的動力設(shè)備，異步電動機的用電量是非常大的。這些異步電動機一般都是按照設(shè)計的負(fù)載進行選擇的，但在實際使用中，大都經(jīng)常處在輕載，甚至在空載下運行。因此，“大馬拉小車”的現(xiàn)象幾乎是很普通的。

目前，在我國工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展，能源日趨緊張，環(huán)保要求日趨高漲的情況下，提高電機運行效率可以極大緩解能源緊張狀況，提高國民經(jīng)濟效益，具有十分重要的現(xiàn)實意義。為了提高電機的工作效率，多年來世界各國從電機的設(shè)計制造、電機的選擇使用、電網(wǎng)供電管理等幾個方面入手，作了大量研究工作，取得了較好的成果。其中從電機的設(shè)計制造方面入手，開發(fā)出了高效節(jié)能電動機，使效率顯著提高，可大量節(jié)能。但這種電機造價較高，而且經(jīng)濟效果較大地取決于負(fù)載的情況，即對于長期工作于額定負(fù)載、連續(xù)運行的應(yīng)用場合，其節(jié)能效果能達到最佳。但對大多數(shù)電機用戶來說，怎樣使現(xiàn)有設(shè)備上的電機工作于效率較高的狀態(tài)顯得更為現(xiàn)實。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于：提供一種電機節(jié)能控制系統(tǒng)及節(jié)能方法，能夠?qū)崟r檢測電機效率，使得電機輸入功率跟隨電機輸出功率的變化而變化，保證電機始終工作在高效率區(qū)，降低能耗。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

所述電機節(jié)能控制系統(tǒng)，包括調(diào)節(jié)單元，電源通過調(diào)節(jié)單元為電機線圈供電，電機線圈對應(yīng)設(shè)有隔離電流取樣電路和隔離電壓取樣電路，隔離電流取樣電路采集的電流信號的正向波形和負(fù)向波形分別經(jīng)電流整流電路整流為正值后分兩路輸出至控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的TI+、TI-引腳，隔離電壓取樣電路采集的電壓信號的正向波形和負(fù)向波形分別將電壓整流電路整流為正值后分兩路輸出至控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的TU+、TU-引腳，控制器輸出管腳連接至調(diào)節(jié)單元。

本發(fā)明電源通過調(diào)節(jié)單元為電機線圈供電，調(diào)節(jié)單元可以調(diào)節(jié)電機的輸入電壓，工作狀態(tài)下，電機線圈的工作電流和端電壓分別通過隔離電流取樣電路和隔離電壓取樣電路進行采集，采集到的電流和電壓信號包括正向信號也包括負(fù)向信號，如果，直接將采集的電流或電壓信號發(fā)送至控制器，控制器需要識別電流或電壓的正負(fù)需要耗費大量的時間，為節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸和計算時間，在電流和電壓信號送入控制器之前，先分別通過電流整流電路和電壓整流電路將電流和電壓信號全部整流為正向信號，并將正、負(fù)向信號通過不同的管腳進行采集離散采集，具體為：

控制器對代表電壓正值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值Un+,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電壓負(fù)值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值Un-,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電流正值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值In+,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電流負(fù)值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值In-,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；其中，采樣周期Tp＝20ms/N(N＝32、64、128、256)；控制器完成下面的計算：

S＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(UN+)(IN+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(UN-)(IN-)+(U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(UN+)(IN-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(UN-)(IN+),其中(N＝32、64、128、256)；

P＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(UN+)(IN+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(UN-)(IN-)-((U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(UN+)(IN-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(UN-)(IN+)),其中(N＝32、64、128、256)；

電機效率η＝K·COSφ+X1＝K·P/S+X1，其中K表示等效系數(shù)，X1表示修正值；獲得電機效率后，通過PID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)單元對電機的輸入電壓，進而使得電機的輸入功率與輸出功率相匹配，節(jié)約能耗。

其中，優(yōu)選方案為：

所述調(diào)節(jié)單元包括反向并聯(lián)的晶閘管T1和晶閘管T2、反向并聯(lián)的晶閘管T3和晶閘管T4以及反向并聯(lián)的晶閘管T5和晶閘管T6，電源端R、S、T分別通過晶閘管T1和晶閘管T2、晶閘管T3和晶閘管T4、晶閘管T5和晶閘管T6順次連接至電機的三相線圈，對應(yīng)晶閘管T1-T6設(shè)置驅(qū)動電路，驅(qū)動電路輸入端連接至控制器輸出端，控制器通過驅(qū)動電路調(diào)節(jié)晶閘管輸出電壓，進而調(diào)節(jié)電機線圈的輸入電壓，采用數(shù)字觸發(fā)技術(shù)，三相平衡度高，驅(qū)動調(diào)節(jié)電路采用現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)，此處不再詳述。

所述還包括觸摸顯示屏，所述觸摸顯示屏于控制器相連接，可通過觸摸顯示屏顯示當(dāng)前電機效率，輸入電壓，工作電流，視在功率，有功功率，無功功率，功率因數(shù)等，也可以通過觸摸顯示屏對電機各工作參數(shù)進行調(diào)整，為保證電機平穩(wěn)啟動，可采用軟啟動。

所述電源通過調(diào)節(jié)單元或接觸器為電機線圈供電，調(diào)節(jié)單元與接觸器并聯(lián)，在調(diào)節(jié)單元故障時，可通過接觸器接通電機供電回路，保證電機能夠正常運行。

還包括控制按鍵，所述控制按鍵于控制器相連，控制按鍵包括數(shù)字按鍵、啟停鍵等，可通過控制按鍵設(shè)定電機各項參數(shù)，電機節(jié)能量設(shè)定，最小工作電壓設(shè)定，PID各項參數(shù)設(shè)定等。

所述電源對應(yīng)設(shè)有同步取樣電路，同步取樣電路輸出端連接至控制器，控制器可實時檢測外部電網(wǎng)電壓參數(shù)，并可根據(jù)外部電網(wǎng)參數(shù)，對用戶設(shè)定的最低電壓進行自動調(diào)整，具體為，當(dāng)檢測到外部電網(wǎng)電壓上升時，按照外部電網(wǎng)電壓上升的比例，對用戶設(shè)定的最低電壓進行同比例的下降；反之，當(dāng)檢測到外部電壓下降時，按照外部電網(wǎng)電壓下降的比例，對用戶設(shè)定的最低電壓進行同比例的上升，以保證實際輸出值的不變，同步取樣電路采用現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還提供一種基于上述電機節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能方法，具體為：

第一步，電源通過調(diào)節(jié)單元為電機供電，通過電流取樣電路和電壓取樣電路采集電機線圈的實時電流和電壓；

第二步，采集到的實時電流的正向波形和負(fù)向波形經(jīng)過電流整流電路整為正值后分別輸出至控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的TI+、TI-引腳；采集到的實時電壓的正向波形和負(fù)向波形經(jīng)過電壓整流電路整為正值后分別輸出至控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的TU+、TU-引腳；

第三步，控制器通過接收到的電流和電壓信號計算電機效率；

第四步，根據(jù)電機效率，通過PID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)單元為電機提供的輸入電壓，使其與電機輸出功率相匹配。

所述第三步執(zhí)行過程為：

控制器對代表電壓正值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值Un+,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電壓負(fù)值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值Un-,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電流正值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值In+,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電流負(fù)值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值In-,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；其中，采樣周期Tp＝20ms/N(N＝32、64、128、256)；控制器完成下面的計算：

S＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(Un+)(In+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(Un-)(In-)+(U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(Un+)(In-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(Un-)(In+),其中(n＝32、64、128、256)；

P＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(Un+)(In+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(Un-)(In-)-((U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(Un+)(In-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(Un-)(In+)),其中(n＝32、64、128、256)；

電機效率η＝K·COSφ+X1＝K·P/S+X1，其中K表示等效系數(shù)，X1表示修正值。

所述調(diào)節(jié)單元包括反向并聯(lián)的晶閘管T1和晶閘管T2、反向并聯(lián)的晶閘管T3和晶閘管T4以及反向并聯(lián)的晶閘管T5和晶閘管T6，電源端R、S、T分別通過晶閘管T1和晶閘管T2、晶閘管T3和晶閘管T4、晶閘管T5和晶閘管T6順次連接至電機的三相線圈，對應(yīng)晶閘管T1-T6設(shè)置驅(qū)動電路，驅(qū)動電路輸入端連接至控制器輸出端，控制器通過驅(qū)動調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電機的輸入電壓至目標(biāo)調(diào)節(jié)值。

如果檢測到負(fù)功率因數(shù)，即電機倒發(fā)電情況下，可以自動切換到調(diào)節(jié)單元全導(dǎo)通，避免了電機對調(diào)節(jié)單元中各器件的沖擊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明能夠?qū)崟r檢測電機效率，通過調(diào)節(jié)電機端電壓，調(diào)整電機輸入功率，使電機輸入功率始終跟隨電機輸出功率的變化而變化，從而使電機始終工作在高效率區(qū)，達到節(jié)能目的；經(jīng)驗證，電機空載節(jié)電可達50％～70％左右，總體節(jié)電可達15％～35％左右，電機功率等級從幾千瓦到幾千千瓦，電壓等級從380VAC到10千伏以上。

附圖說明

圖1是實施例1原理圖。

圖2是調(diào)節(jié)單元與電機連接電路圖。

圖3是電流整流電路和電壓整流電路電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步描述：

實施例1：

如圖1所示，本發(fā)明所述電機節(jié)能控制系統(tǒng)，包括調(diào)節(jié)單元，電源通過調(diào)節(jié)單元為電機線圈供電，電機線圈對應(yīng)設(shè)有隔離電流取樣電路和隔離電壓取樣電路，隔離電流取樣電路采集的電流信號的正向波形和負(fù)向波形分別經(jīng)電流整流電路整流為正值后分兩路輸出至控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的TI+、TI-引腳，隔離電壓取樣電路采集的電壓信號的正向波形和負(fù)向波形分別將電壓整流電路整流為正值后分兩路輸出至控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的TU+、TU-引腳，控制器輸出管腳連接至調(diào)節(jié)單元。

如圖2所示，圖中左側(cè)虛線框表示調(diào)節(jié)單元，右側(cè)虛線框表示電機線圈，調(diào)節(jié)單元包括反向并聯(lián)的晶閘管T1和晶閘管T2、反向并聯(lián)的晶閘管T3和晶閘管T4以及反向并聯(lián)的晶閘管T5和晶閘管T6，電源端R、S、T分別通過晶閘管T1和晶閘管T2、晶閘管T3和晶閘管T4、晶閘管T5和晶閘管T6順次連接至電機的三相線圈，對應(yīng)晶閘管T1-T6設(shè)置驅(qū)動電路，驅(qū)動電路輸入端連接至控制器輸出端，控制器通過驅(qū)動電路調(diào)節(jié)晶閘管輸出電壓，進而調(diào)節(jié)電機線圈的輸入電壓，采用數(shù)字觸發(fā)技術(shù)，三相平衡度高，驅(qū)動調(diào)節(jié)電路采用現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)，此處不再詳述。

本實施例還包括觸摸顯示屏和控制按鍵，所述觸摸顯示屏于控制器相連接，可通過觸摸顯示屏顯示當(dāng)前電機效率，輸入電壓，工作電流，視在功率，有功功率，無功功率，功率因數(shù)等，也可以通過觸摸顯示屏對電機各工作參數(shù)進行調(diào)整，為保證電機平穩(wěn)啟動，可采用軟啟動；所述控制按鍵于控制器相連，控制按鍵包括數(shù)字按鍵、啟停鍵等，可通過控制按鍵設(shè)定電機各項參數(shù)，電機節(jié)能量設(shè)定，最小工作電壓設(shè)定，PID各項參數(shù)設(shè)定等；電源通過調(diào)節(jié)單元或接觸器為電機線圈供電，調(diào)節(jié)單元與接觸器并聯(lián)，在調(diào)節(jié)單元故障時，可通過接觸器接通電機供電回路，保證電機能夠正常運行；電源對應(yīng)設(shè)有同步取樣電路，同步取樣電路輸出端連接至控制器，控制器可實時檢測外部電壓電網(wǎng)參數(shù)，并可根據(jù)外部電網(wǎng)參數(shù)，電源對應(yīng)設(shè)有同步取樣電路，同步取樣電路輸出端連接至控制器，控制器可實時檢測外部電網(wǎng)電壓參數(shù)，并可根據(jù)外部電網(wǎng)參數(shù)，對用戶設(shè)定的最低電壓進行自動調(diào)整，具體為，當(dāng)檢測到外部電網(wǎng)電壓上升時，按照外部電網(wǎng)電壓上升的比例，對用戶設(shè)定的最低電壓進行同比例的下降；反之，當(dāng)檢測到外部電壓下降時，按照外部電網(wǎng)電壓下降的比例，對用戶設(shè)定的最低電壓進行同比例的上升，以保證實際輸出值的不變，同步取樣電路采用現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)；為方便本設(shè)備于外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，可為控制器設(shè)置外設(shè)的RS485接口，也可以設(shè)置無線通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，例如，2/3/4G模塊。

如圖3所示，Iin為調(diào)節(jié)單元輸出到電機的電流經(jīng)隔離后的輸入，Uin為調(diào)節(jié)單元輸出到電機的電壓經(jīng)隔離后的輸入，U1,U2,U3,U4,U5,U6為6個運算放大器，R，R1為電阻，R＝2R1,D1-D8為二極管，Iin輸入經(jīng)如圖電路處理后，分別輸出2路，稱為In-,In+；Uin輸入經(jīng)如圖電路處理后，分別輸出2路，稱為Un-,Un+；M1為控制器，可以選擇內(nèi)部具備A/D轉(zhuǎn)換器的MCU或DSP芯片；In-,In+,Un-,Un+分別連接到M1內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的TI-,TI+,TU-,TU+引腳，上述整流電路將電流和電壓分別整流為兩路正值信號，直接發(fā)送至控制器進行處理，加速控制器的處理速度。

本發(fā)明電源通過調(diào)節(jié)單元為電機線圈供電，調(diào)節(jié)單元可以調(diào)節(jié)電機的輸入電壓，工作狀態(tài)下，電機線圈的工作電流和端電壓分別通過隔離電流取樣電路和隔離電壓取樣電路進行采集，采集到的電流和電壓信號包括正向信號也包括負(fù)向信號，如果，直接將采集的電流或電壓信號發(fā)送至控制器，控制器需要識別電流或電壓的正負(fù)需要耗費大量的時間，為節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸和計算時間，在電流和電壓信號送入控制器之前，先分別通過電流整流電路和電壓整流電路將電流和電壓信號全部整流為正向信號，并將正、負(fù)向信號通過不同的管腳進行采集離散采集，具體為：

控制器對代表電壓正值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值Un+,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電壓負(fù)值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值Un-,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電流正值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值In+,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電流負(fù)值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值In-,(n＝1,2,3…，N；N＝32、64、128、256)；其中，采樣周期Tp＝20ms/N(N＝32、64、128、256)；控制器完成下面的計算：

S＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(UN+)(IN+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(UN-)(IN-)+(U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(UN+)(IN-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(UN-)(IN+),其中(N＝32、64、128、256)；

P＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(UN+)(IN+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(UN-)(IN-)-((U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(UN+)(IN-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(UN-)(IN+)),其中(N＝32、64、128、256)；

電機效率η＝K·COSφ+X1＝K·P/S+X1，其中K表示等效系數(shù)，X1表示修正值；獲得電機效率后，通過PID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)單元對電機的輸入電壓，進而使得電機的輸入功率與輸出功率相匹配，節(jié)約能耗。

實施例2：

本實施例在實施例所述電機節(jié)能控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上提供一種節(jié)能方法，具體為：

第一步，電源通過調(diào)節(jié)單元為電機供電，通過電流取樣電路和電壓取樣電路采集電機線圈的實時電流和電壓；

第二步，采集到的實時電流的正向波形和負(fù)向波形經(jīng)過電流整流電路整為正值后分別輸出至控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的TI+、TI-引腳；采集到的實時電壓的正向波形和負(fù)向波形經(jīng)過電壓整流電路整為正值后分別輸出至控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的TU+、TU-引腳；

第三步，控制器通過接收到的電流和電壓信號計算電機效率；

第四步，根據(jù)電機效率，通過PID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)單元為電機提供的輸入電壓，使其與電機輸出功率相匹配。

所述第三步執(zhí)行過程為：

控制器對代表電壓正值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值Un+,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電壓負(fù)值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值Un-,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電流正值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值In+,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；控制器對代表電流負(fù)值的數(shù)值進行離散采樣，獲得數(shù)值In-,(n＝1,2,3….N；N＝32、64、128、256)；其中，采樣周期Tp＝20ms/N(N＝32、64、128、256)；控制器完成下面的計算：

S＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(Un+)(In+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(Un-)(In-)+(U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(Un+)(In-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(Un-)(In+),其中(n＝32、64、128、256)；

P＝(U1+)(I1+)+(U2+)(I2+)+…..+(Un+)(In+)+(U1-)(I1-)+(U2-)(I2-)+…..+(Un-)(In-)-((U1+)(I1-)+(U2+)(I2-)+…..+(Un+)(In-)+(U1-)(I1+)+(U2-)(I2+)+…..+(Un-)(In+)),其中(n＝32、64、128、256)；

電機效率η＝K·COSφ+X1＝K·P/S+X1，其中K表示等效系數(shù)，X1表示修正值。

所述調(diào)節(jié)單元包括反向并聯(lián)的晶閘管T1和晶閘管T2、反向并聯(lián)的晶閘管T3和晶閘管T4以及反向并聯(lián)的晶閘管T5和晶閘管T6，電源端R、S、T分別通過晶閘管T1和晶閘管T2、晶閘管T3和晶閘管T4、晶閘管T5和晶閘管T6順次連接至電機的三相線圈，對應(yīng)晶閘管T1-T6設(shè)置驅(qū)動電路，驅(qū)動電路輸入端連接至控制器輸出端，控制器通過驅(qū)動調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電機的輸入電壓至目標(biāo)調(diào)節(jié)值。

如果檢測到負(fù)功率因數(shù)，即電機倒發(fā)電情況下，可以自動切換到調(diào)節(jié)單元全導(dǎo)通，避免了電機對調(diào)節(jié)單元中各器件的沖擊。

本發(fā)明能夠?qū)崟r檢測電機效率，通過調(diào)節(jié)電機端電壓，調(diào)整電機輸入功率，使電機輸入功率始終跟隨電機輸出功率的變化而變化，從而使電機始終工作在高效率區(qū)，達到節(jié)能目的；經(jīng)驗證，電機空載節(jié)電可達50％～70％左右，總體節(jié)電可達15％～35％左右，電機功率等級從幾千瓦到幾千千瓦，電壓等級從380VAC到10千伏以上。