一種單相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能器

本實(shí)用新型屬于交流異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能裝置的技術(shù)改進(jìn)。

一般公知的節(jié)能器是以電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)COSφ為被控量，對(duì)電動(dòng)機(jī)端電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)以改善電動(dòng)機(jī)在輕載及起動(dòng)時(shí)的性能指標(biāo)。

如美國(guó)1983年4388578號(hào)功率因數(shù)控制器發(fā)明專利中為使電動(dòng)機(jī)電壓與電流間的相位差隨電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化，使用了多個(gè)集成電路的門電路、放大器、積分器、斜波發(fā)生器及其它電氣元件對(duì)電壓與電流的信號(hào)進(jìn)行一系列的取樣、比較、放大、波形變換等工作方可得到所需的功率因數(shù)控制信號(hào)，以控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止，從而增加了控制系統(tǒng)復(fù)雜程度及成本費(fèi)用。

本實(shí)用新型的目的是用極簡(jiǎn)單的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)即能避免上述問(wèn)題，又能使電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)及輕載時(shí)性能指標(biāo)得到改善的交流電動(dòng)機(jī)節(jié)能器。

附圖說(shuō)明如下：

圖1：節(jié)能器原理方框圖

其中：1－電子開(kāi)關(guān)（雙向可控硅元件）。

2－實(shí)際電動(dòng)機(jī)效率信號(hào)取樣電路。

3－等效最高效率電機(jī)信號(hào)的取樣電路。

4－電子開(kāi)關(guān)的控制電路。

5－脈沖列形成電路。

6－比較器電路。

6a－比較器電路的上半部分。

6b－比較器電路的下半部分。

7－電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路。

8－實(shí)際電動(dòng)機(jī)M。

圖2：節(jié)能器電原理圖（圖中阿拉伯序號(hào)與圖1所示相同）。

圖3：節(jié)能器工作信號(hào)波形圖。

其中A－輸入電壓波形。

B－互感器L取出的電流波形i34。

C－電流i34經(jīng)整流后的波形。

D－經(jīng)過(guò)C4濾波后的電壓信號(hào)UW1。

E－變壓器B2的信號(hào)U12。

F－變壓器B3的信號(hào)U56。

G－電子開(kāi)關(guān)控制電路4中電容C1上的波形UC1。

H－電子開(kāi)關(guān)控制電路4輸出的觸發(fā)信號(hào)U78。

I－等效取樣電路3的輸出信號(hào)UC6。

J－UC6經(jīng)過(guò)整流后的波形。

K－UC5經(jīng)過(guò)濾波后的波形UW2。

圖4：輸入功率曲線比較。

其中A－直接供電時(shí)的輸入功率。

B－加本節(jié)能器以后的輸入功率。

圖5：機(jī)械特性曲線比較。

其中A－直接供電的機(jī)械特性。

B－加節(jié)能器后的機(jī)械特性。

圖6：效率曲線比較。

其中A－直接供電的效率曲線。

B－加節(jié)能器后的效率曲線。

本實(shí)用新型的基本出發(fā)點(diǎn)是找到一個(gè)用基本電路元件組成的取樣電路，它的電信號(hào)相當(dāng)于一個(gè)在可變相控電壓作用下時(shí)刻具有最高效率的電動(dòng)機(jī)（無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分），此電路以下簡(jiǎn)稱為等效取樣電路。它可取出相當(dāng)于最高效率電機(jī)的電壓信號(hào)，再與實(shí)際運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)由負(fù)載變化引起的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)控制電路改變可控硅導(dǎo)通角，也即改變輸入電壓的大小。使實(shí)際電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中時(shí)刻與最高效率電機(jī)比較校正，並追蹤最高效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

事實(shí)上為模擬一個(gè)具有最高效率的電機(jī)，可由任何一個(gè)參數(shù)合適，並加以適當(dāng)非線性修正的一階無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)組成。本實(shí)用新型中由R17和C6構(gòu)成的二端網(wǎng)絡(luò)就是模擬一個(gè)具有最高效率的等效電機(jī)的最簡(jiǎn)便易行的實(shí)施方案。

從圖2中可以看到：電子開(kāi)關(guān)1可由雙向可控硅管構(gòu)成，實(shí)際電動(dòng)機(jī)效率信號(hào)取樣電路（以下簡(jiǎn)稱為實(shí)際取樣電路）2可由互感器L構(gòu)成，電源AX通過(guò)雙向可控硅KP1與互感器L和變壓器B3相串聯(lián)?？煽毓鐺P1可根據(jù)負(fù)載大小對(duì)電源電壓的每半個(gè)周期供電情況進(jìn)行控制，互感器L可取出實(shí)際電動(dòng)機(jī)8工作時(shí)電流信號(hào)的變化，變壓器B3為電動(dòng)機(jī)8和等效取樣電路3提供電源。等效取樣電路3的輸入信號(hào)可由變壓器B2的耦合信號(hào)U12與變壓器B3的耦合信號(hào)U56在電阻R16和R18上反相選加而來(lái)。等效取樣電路3的電容C6上的電壓信號(hào)與互感器L提供的電流信號(hào)經(jīng)R15也變成電壓信號(hào)后，一起送入比較器6進(jìn)行比較。比較器6包括上下二部分電路：上半部電路－6a可由二極管D18～21，電阻R15，電容C4電位器W1組成，它可檢測(cè)出由變壓器B3的ax供電的實(shí)際電動(dòng)機(jī)8隨負(fù)載變化的電壓信號(hào)。下半部電路－6b可由二極管D24～29，電容C5，電位器W2組成，它可檢測(cè)出等效最高效率電機(jī)的電壓信號(hào)。具體工作過(guò)程如下：等效取樣電路3中的電容C6上的輸出電壓即代表了最高效率電機(jī)的響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)由二極管D26～29，電容器C5的整流濾波在電位器W2上得到一近似直流的電壓信號(hào)UW2，其中二極管D25和D24為防止經(jīng)C5濾波后的信號(hào)及比較器6a的信號(hào)倒灌回取樣電路3。實(shí)際取樣電路2的信號(hào)經(jīng)二極管D18～21，電阻R15，電容C4的整流濾波，在電位器W1上也得到一近似直流的電壓信號(hào)UW1。二極管D22，D23同樣是為防止經(jīng)C4濾波后的信號(hào)與比較器下部6b的信號(hào)倒灌入實(shí)際取樣電路2。UW1與UW2在電阻R13～14和C3上相減並將其差值再經(jīng)一次濾波后做為控制信號(hào)送入控制電路4中第一級(jí)放大管BG1的基極?？刂齐娐?可由變壓器B1，B4，二極管D1～8三極管BG1，BG2，單結(jié)晶體管BG3，電阻R1～5，R7、R8，電容C1組成。為使電路工作穩(wěn)定並具有合適的直流工作點(diǎn)，BG1的發(fā)射極可串有反饋電阻R2，基極加有二極管D5～7，BG2做為可變電阻以改變電容器C1充放電的周期，C1與BG3組成一個(gè)張馳振蕩器，可輸出一系列尖脈沖，為了更好的帶動(dòng)感性負(fù)載，希望產(chǎn)生矩形波控制信號(hào)。一般可采用放置脈沖放大環(huán)節(jié)，因而使觸發(fā)裝置變得復(fù)雜笨重。本實(shí)用新型為解決此問(wèn)題增加了脈沖形成電路5，它可由一只可控硅管KP2及電阻R6組成，其觸發(fā)極通過(guò)電阻R7接至BG3的輸出端。由于向電容C1的充電使BG3產(chǎn)生第一個(gè)移相脈沖后，此脈沖通過(guò)變壓器B4及限流電阻R8作用于電子開(kāi)關(guān)1，並通過(guò)限流電阻R7作用于KP2的控制極，KP2導(dǎo)通后使BG2的基流受R6及KP2的控制且它遠(yuǎn)大于BG1提供的基流，因而加大了電容C1的充電電源，使BG1與C1組成的振蕩器頻率大大提高，形成了在0～150°內(nèi)總寬度可變而頻率不變的脈沖列，因而提高了單結(jié)晶體管觸發(fā)的功能，擴(kuò)大了其使用范圍。R6保證了KP2的可靠關(guān)斷。以上各部分電路的波形見(jiàn)附圖3。

此電路不僅具有節(jié)能效果而且對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)也十分有利。

啟動(dòng)電路7可由變壓器B2，二極管D9～12，電阻R9～12，電容C2，二極管D13，D15～17，穩(wěn)壓管D14組成。當(dāng)電路剛合上電源時(shí)可控硅管KP1二端集中了全部電源電壓，經(jīng)變壓器B2耦合到次級(jí)，再經(jīng)二極管D9～12的橋式整流及電阻R9加到電容C2上，在C2上電壓逐漸上升，經(jīng)過(guò)D14，D17送到控制電路4上的信號(hào)使可控硅KP1的導(dǎo)通角逐漸增大，使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，減小了啟動(dòng)電流的沖擊。電機(jī)啟動(dòng)后，可控硅KP1上的壓降逐漸降低啟動(dòng)回路退出工作。當(dāng)電機(jī)突然加載時(shí)，由于可控硅KP1二端電壓的上升也可使啟動(dòng)電路7投入工作，只要參數(shù)恰當(dāng)可使電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)得到改善。

下面簡(jiǎn)述一下電機(jī)節(jié)能器的工作過(guò)程：

啟動(dòng)過(guò)程已如前所述，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載減小時(shí)會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，電路中互感器L取出的電流減小，此時(shí)等效取樣電路3的響應(yīng)還沒(méi)變，因此使實(shí)際電機(jī)電流信號(hào)經(jīng)比較器上半部電路6a得到的信號(hào)減弱，與等效取樣電路3所得信號(hào)相比偏差減小，控制電路4中的BG1管基極電位比原來(lái)下降，集電極電位上升，BG2基流減小，集電極電流減小，向C1充電減慢，引起觸發(fā)脈沖后移，使雙向可控硅KP1導(dǎo)通角減小，以減小輸入電壓使輸出轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，其工作過(guò)程相反。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉，不單可由分立元件組成，也可制作成集成電路，不單適用于單相異步電動(dòng)機(jī)，也可適用于三相異步電動(dòng)機(jī)。

本實(shí)用新型經(jīng)實(shí)際測(cè)試可節(jié)能（16～25）％，由附圖4可看出在實(shí)際運(yùn)行的單相異步電動(dòng)機(jī)中接入該節(jié)能器使得輕載時(shí)輸入功率有所下降，圖5表示接入節(jié)能器使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變硬。圖6表示接入節(jié)能器使電動(dòng)機(jī)效率曲線變得平坦。