專利名稱：：低諧波智能節(jié)電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種電機(jī)節(jié)電設(shè)備，尤其涉及一種利用低壓變頻技術(shù)使離心風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)的低諧波智能節(jié)電器。
背景技術(shù)：
：在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，離心風(fēng)機(jī)和水泵廣泛采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，在實(shí)際中配套電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)裕量較大，而電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，為滿足工藝需求，大都采用控制風(fēng)機(jī)、水泵的風(fēng)門(或閥門)開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量(或流量)，此時(shí)電機(jī)功率因數(shù)和效率低下，造成能量的極大浪費(fèi)。目前利用變頻技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變電機(jī)的輸入功率，使之處于較佳效率狀態(tài)；但上述方法也帶來了新的突出問題，根據(jù)低壓變頻器的結(jié)構(gòu)和工作原理，由于它采用不可控整流方式，其輸入電流中存在大量的5次、7次、11次等諧波頻率分量，對(duì)電網(wǎng)及周圍用電設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾；當(dāng)前解決該問題普遍采用的辦法是在變頻器輸入端串聯(lián)交流電抗器和輸入濾波器，或被動(dòng)式地在被干擾設(shè)備的電源輸入端加裝隔離變壓器或?yàn)V波設(shè)備；雖然這些措施對(duì)部分諧波頻率分量有削弱或抑制作用，但由于濾波設(shè)備和輸入交流電抗器大多都是購買市場(chǎng)上的成品，而這種濾波設(shè)備主要針對(duì)lKHz以上的諧波頻率才有效果，對(duì)于低次諧波沒有作用；輸入電抗器也僅能將原諧波含量的低次分量降低約50%左右，對(duì)電網(wǎng)和系統(tǒng)用電設(shè)備的干擾仍然較為嚴(yán)重，因此它們抑制諧波的能力受到局限。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種低諧波智能節(jié)電器，它克服了現(xiàn)有變頻節(jié)電設(shè)備使用中的的不足，能解決輸入電流中大量存在的5次、7次、11次等低次諧波分量造成的電網(wǎng)污染問題，實(shí)現(xiàn)低諧波、低干擾。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明低諧波智能節(jié)電器采用的技術(shù)方案如下一種低諧波智能節(jié)電器，其特征在于包括諧波抑制單元、濾波單元、節(jié)電控制單元和市電旁路單元，諧波抑制單元、濾波單元和節(jié)電控制單元依次串聯(lián)在三相交流電源配電線上，其中，所述諧波抑制單元的輸入端與三相交流電源連接，用于抑制節(jié)電控制單元產(chǎn)生的回饋電網(wǎng)的高次諧波；所述濾波單元的輸入端與諧波抑制單元的輸出端連接，用于濾除節(jié)電控制單元輸入端的低次諧波；所述節(jié)電控制單元的輸出端與電動(dòng)機(jī)的三相交流電源輸入端連接，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的變頻節(jié)電控制；所述市電旁路單元跨接在三相交流電源與電動(dòng)機(jī)的三相交流電源輸入端之間，用于實(shí)現(xiàn)市電旁路功能。其中，所述節(jié)電控制單元包括中央控制器，實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)電控制的核心單元；輸入電流采樣單元和輸入電壓采樣單元，連接在節(jié)電控制單元電源輸入端的配電線上，分別用于采樣低諧波智能節(jié)電器輸入端的電流和電壓并反饋給中央控制器處理；整流單元，連接在三相交流電源配電線上，對(duì)三相交流電源進(jìn)行整流后輸出；功率單元，其電源輸入端與整流單元的一路整流輸出連接，其輸出端與電動(dòng)機(jī)的三相交流電源輸入端連接；輸出電流采樣單元和輸出電壓采樣單元，連接在節(jié)電控制單元電源輸出端的配電線上，分別用于采樣低諧波智能節(jié)電器輸出端的電流和電壓并反饋給中央控制器處理；保護(hù)電路，其輸入端與中央控制單元的調(diào)頻控制輸出端連接；SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation,正弦脈沖寬度調(diào)制)控制驅(qū)動(dòng)單元，其控制輸入端與保護(hù)電路的輸出端連接，SPWM控制驅(qū)動(dòng)單元的控制輸出端與功率單元的控制輸入端連接，控制功率單元實(shí)現(xiàn)變頻功率輸出；電源單元，其輸入端與整流單元的另一路整流輸出連接，提供各單元電路的工作電源。在正常情況下，該智能節(jié)電器運(yùn)行在節(jié)電方式，當(dāng)節(jié)電部分故障時(shí)可切換到市電旁路工作，減小因節(jié)電部分故障對(duì)生產(chǎn)的影響。在節(jié)電控制單元，采用最小諧波SPWM控制技術(shù)，控制單元根據(jù)5次、7次、11次等諧波的產(chǎn)生機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，控制單元根據(jù)由此模型產(chǎn)生的程序發(fā)出控制信號(hào)，通過SPWM控制驅(qū)動(dòng)單元來控制功率單元中開關(guān)器件的導(dǎo)通規(guī)律，主動(dòng)抑制削弱由于采用不可控整流所產(chǎn)生的諧波。該智能節(jié)電器在輸入端設(shè)置了高次諧波抑制單元和低次諧波濾波單元，通過對(duì)諧波抑制單元中電抗元件參數(shù)和濾波器件中元件參數(shù)的優(yōu)化組合，可以更好地對(duì)5次、7次、11次等低次諧波進(jìn)行抑制和濾除，并且可以提高輸入端的功率因數(shù)。節(jié)電控制單元可以采用內(nèi)置PID(ProportionIntegrationDifferentiation,比例積分微分)閉環(huán)控制，通過電壓、電流傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，其差值信號(hào)經(jīng)過內(nèi)置PID控制器處理后再傳輸給中央控制單元，實(shí)時(shí)的發(fā)出功率調(diào)整信號(hào)，由SPWM控制驅(qū)動(dòng)單元來控制功率單元對(duì)電機(jī)的輸出功率，達(dá)到所供即所需，節(jié)省傳統(tǒng)的閥門、風(fēng)門調(diào)節(jié)所損失的能量，從而達(dá)到節(jié)電目的。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明節(jié)電器的輸入端加裝高次諧波抑制單元與低次諧波濾波單元，可通過元件參數(shù)的優(yōu)化組合，有效抑制和濾除削弱因高次諧波及5次、7次、ll次等低次諧波所產(chǎn)生的干擾，并可提高系統(tǒng)功率因數(shù)；2、本發(fā)明的節(jié)電控制單元采用最小諧波SPWM控制技術(shù)，有效削弱由于采用不可控整流所產(chǎn)生的輸出諧波，從而使節(jié)電狀態(tài)下系統(tǒng)產(chǎn)生的綜合諧波在允許范圍，減小線路的傳輸電流和損耗；3、本發(fā)明采用變頻控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)或水泵的軟啟動(dòng)、軟停車，減小對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備的沖擊；4、本低諧波智能節(jié)電器還克服了傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)較低的問題，使系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到0.98左右，減少對(duì)電網(wǎng)無功的消耗，進(jìn)一步提高電能的利用效率；5、本低諧波智能節(jié)電器可采用內(nèi)置PID閉環(huán)控制，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)負(fù)載狀況，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整電機(jī)的輸入功率，達(dá)到所供即所需，實(shí)現(xiàn)節(jié)電的目的。圖1是本發(fā)明低諧波智能節(jié)電器的電路結(jié)構(gòu)框圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明不應(yīng)僅限于此實(shí)施例。如圖1所示，低諧波智能節(jié)電器包括諧波抑制單元1、濾波單元2、節(jié)電控制單元3和市電旁路單元4，諧波抑制單元1、濾波單元2和節(jié)電控制單元3依次串聯(lián)在三相交流電源配電線上。諧波抑制單元1由一組電感元件L1組成，該組電感元件L1連接在三相交流電源的三根配電線上，可以有效抑制節(jié)電控制單元3產(chǎn)生的回饋電網(wǎng)的lKHz以上高次諧波。該組電感元件L1前端串聯(lián)有第一運(yùn)行接觸器KM1的主觸頭。濾波單元2的輸入端與諧波抑制單元l的輸出端連接，由一組電感元件L2和一組電容元件C串聯(lián)組成，其參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化組合，不僅能夠有效濾除節(jié)電控制單元3輸入端的5次、7次、ll次等低次諧波，還能兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰岣呦到y(tǒng)功率因數(shù)。兩組電抗元件Ll和L2集成在一個(gè)"田"字型鐵心上，利用互感可有效減小電抗器的體積。節(jié)電控制單元3的輸出端通過一組輸出電抗器和第二運(yùn)行接觸器KM2的主觸頭與電動(dòng)機(jī)M的三相交流電源輸入端連接，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)M的變頻節(jié)電控制。市電旁路單元4跨接在三相交流電源與電動(dòng)機(jī)M的三相交流電源輸入端之間，由旁路接觸器KM3的主觸頭組成，用于在節(jié)電部分發(fā)生故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)市電旁路功能，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。節(jié)電控制單元3中，中央控制器是實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)電控制的核心單元；輸入電流采樣單元和輸入電壓采樣單元，連接在節(jié)電控制單元3電源輸入端的配電線上，分別用于采樣低諧波智能節(jié)電器輸入端的電流和電壓，并分別通過中央控制處理器的輸入電流采樣端和輸入電壓采樣端反饋給中央控制器處理；整流單元連接在三相交流電源配電線上，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電源進(jìn)行整流后輸出；功率單元的電源輸入端與整流單元的一路整流輸出連接，其輸出端與電動(dòng)機(jī)M的三相交流電源輸入端連接；輸出電流采樣單元和輸出電壓采樣單元連接在節(jié)電控制單元3電源輸出端的配電線上，分別用于采樣低諧波智能節(jié)電器輸出端的電流和電壓，并分別通過中央控制處理器的輸出電流采樣端和輸出電壓采樣端反饋給中央控制器處理；保護(hù)電路的輸入端與中央控制單元的調(diào)頻控制輸出端連接；保護(hù)電路的輸出端與SPWM控制驅(qū)動(dòng)單元的控制輸入端連接，SPWM控制驅(qū)動(dòng)單元的控制輸出端與功率單元的控制輸入端連接，控制功率單元實(shí)現(xiàn)變頻功率輸出。節(jié)電控制單元3還包括電源單元，其輸入端與整流單元的另一路整流輸出連接，提供各單元電路的工作電源。節(jié)電控制單元3還設(shè)置了模擬調(diào)速模塊和數(shù)字調(diào)速模塊來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速功能?？刂贫俗幽K設(shè)置了啟動(dòng)控制端子、暫?？刂贫俗?、復(fù)位控制端子、多段速控制端子和故障輸出控制端子，與中央控制器的相應(yīng)控制輸入端連接，用于實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)電的手動(dòng)控制。中央控制器設(shè)有PID控制輸入端，PID控制輸入端與系統(tǒng)自帶的PID控制儀的信號(hào)輸出端連接，PID控制儀將系統(tǒng)傳感器采集反饋的系統(tǒng)實(shí)時(shí)需求信號(hào)(實(shí)際需求的壓力、溫度或流量信號(hào)等)送至中央控制器處理，實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制。本具體實(shí)施方式中，節(jié)電控制單元3還設(shè)置了鍵盤顯示單元和輸出頻率顯示單元，通過中央控制單元的控制，實(shí)時(shí)顯示輸出頻率，方便操作人員監(jiān)控，并能及時(shí)通過鍵盤顯示單元進(jìn)行控制操作。節(jié)電運(yùn)行通過交流運(yùn)行接觸器KM1和KM2來控制，同時(shí)市電旁路與節(jié)電回路在系統(tǒng)二次控制回路進(jìn)行互鎖。節(jié)電運(yùn)行時(shí)，由第一運(yùn)行接觸器KM1和第二運(yùn)行接觸器KM2主觸頭閉合接通相應(yīng)的主回路，同時(shí)對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn)節(jié)電控制；操作人員可通過輸出顯示和鍵盤操作實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，從而改變電機(jī)的輸入功率。節(jié)電狀態(tài)首次投入運(yùn)行時(shí)，需先通過鍵盤顯示單元對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。具體如下設(shè)置F0-02為0,鍵盤控制；設(shè)置F0-03為是1，開關(guān)量控制；設(shè)置F0-12為48，上限控制點(diǎn)；設(shè)置F0-14為32，下限控制點(diǎn)；根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)置F1組參數(shù)；設(shè)置F4-00F4-04完成控制端子相應(yīng)功能；設(shè)置F4-llF4-20參數(shù)，完成模擬調(diào)節(jié)或者數(shù)字調(diào)節(jié)功能設(shè)置；設(shè)置F5-02輸出參數(shù)，設(shè)置F5-07輸出頻率顯示參數(shù)；設(shè)置FA組參數(shù)的PID功能；通過主控板上跳線的選擇模擬輸入信號(hào)010V或420mA的類型。其中F0-02、F0-03、F0-12、F0陽14、Fl、F4-00F4-04、F4-llF4-20、F5-02、F5-07、FA表示功能代碼。由整流單元提供的電源為整個(gè)低諧波智能節(jié)電器主控部分提供控制電源，中央控制單元通過外部傳感器采樣信號(hào)或者節(jié)電控制單元內(nèi)部實(shí)時(shí)采樣單元從輸出端采樣的電壓、電流信號(hào)，并將功率控制信號(hào)提供給功率單元，從而控制功率開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)功率輸出，以最大限度減少和削弱輸出諧波。而輸入端串入的電感組L1可以抑制和削弱變頻器產(chǎn)生的回饋電網(wǎng)的高次諧波，由電感組L2和電容組C形成的諧振電路，構(gòu)成輸入端低次諧波濾波單元，上述措施可很好的對(duì)5次、7次、ll次等低次諧波以及l(fā)KHz以上的高次諧波分別進(jìn)行抑制，使智能節(jié)電器實(shí)現(xiàn)低諧波、低干擾。表1是應(yīng)用本發(fā)明的一實(shí)例中節(jié)電和諧波抑制效果實(shí)測(cè)值對(duì)比表。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>注表格內(nèi)的5次、7次、ll次、13次諧波均指對(duì)應(yīng)諧波占基波的百分比。表l22KW風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表權(quán)利要求1、一種低諧波智能節(jié)電器，其特征在于包括諧波抑制單元、濾波單元、節(jié)電控制單元和市電旁路單元，諧波抑制單元、濾波單元和節(jié)電控制單元依次串聯(lián)在三相交流電源配電線上，其中，所述諧波抑制單元的輸入端與三相交流電源連接，用于抑制節(jié)電控制單元產(chǎn)生的回饋電網(wǎng)的高次諧波；所述濾波單元的輸入端與諧波抑制單元的輸出端連接，用于濾除節(jié)電控制單元輸入端的低次諧波；所述節(jié)電控制單元的輸出端與電動(dòng)機(jī)的三相交流電源輸入端連接，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的變頻節(jié)電控制；所述市電旁路單元跨接在三相交流電源與電動(dòng)機(jī)的三相交流電源輸入端之間，用于實(shí)現(xiàn)市電旁路功能。2、如權(quán)利要求1所述的低諧波智能節(jié)電器，其特征在于所述諧波抑制單元由電感元件組成。3、如權(quán)利要求1所述的低諧波智能節(jié)電器，其特征在于所述濾波單元由電感元件和電容元件組成。4、如權(quán)利要求l所述的低諧波智能節(jié)電器，其特征在于所述節(jié)電控制單元包括中央控制器，實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)電控制的核心單元；輸入電流采樣單元和輸入電壓采樣單元，連接在節(jié)電控制單元電源輸入端的配電線上，分別用于采樣低諧波智能節(jié)電器輸入端的電流和電壓并反饋給中央控制器處理；整流單元，連接在三相交流電源配電線上，對(duì)三相交流電源進(jìn)行整流后輸出；功率單元，其電源輸入端與整流單元的一路整流輸出連接，其輸出端與電動(dòng)機(jī)的三相交流電源輸入端連接；輸出電流采樣單元和輸出電壓采樣單元，連接在節(jié)電控制單元電源輸出端的配電線上，分別用于采樣低諧波智能節(jié)電器輸出端的電流和電壓并反饋給中央控制器處理；保護(hù)電路，其輸入端與中央控制單元的調(diào)頻控制輸出端連接；SPWM控制驅(qū)動(dòng)單元，其控制輸入端與保護(hù)電路的輸出端連接，SPWM控制驅(qū)動(dòng)單元的控制輸出端與功率單元的控制輸入端連接，控制功率單元實(shí)現(xiàn)變頻功率輸出；電源單元，其輸入端與整流單元的另一路整流輸出連接，提供各單元電路的工作電源。5、如權(quán)利要求4所述的低諧波智能節(jié)電器，其特征在于所述中央控制單元設(shè)有PID控制輸入端，PID控制輸入端與PID控制儀的信號(hào)輸出端連接，PID控制儀將系統(tǒng)傳感器采集反饋的實(shí)時(shí)需求信號(hào)送至中央控制器處理，實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制。6、如權(quán)利要求1所述的低諧波智能節(jié)電器，其特征在于所述市電旁路單元連接有旁路接觸器(KM3)的主觸頭控制。7、如權(quán)利要求1所述的低諧波智能節(jié)電器，其特征在于所述諧波抑制單元輸入端的配電線上串聯(lián)第一運(yùn)行接觸器(KM1)的主觸頭，所述節(jié)電控制單元輸出端的配電線上串聯(lián)第二運(yùn)行接觸器(KM2)的主觸頭。8、如權(quán)利要求1所述的低諧波智能節(jié)電器，其特征在于所述節(jié)電控制單元輸出端的配電線上連接有輸出電抗器。9、如權(quán)利要求1所述的低諧波智能節(jié)電器，其特征在于所述市電旁路單元與節(jié)電控制單元在節(jié)電設(shè)備的二次控制回路中通過旁路接觸器和運(yùn)行接觸器互鎖。全文摘要本發(fā)明公開一種低諧波智能節(jié)電器，其特征在于包括諧波抑制單元、濾波單元、節(jié)電控制單元和市電旁路單元，諧波抑制單元、濾波單元和節(jié)電控制單元依次串聯(lián)在三相交流電源配電線上；輸入端的高次諧波抑制單元與低次諧波濾波單元，可有效抑制和濾除削弱因高次諧波及5次、7次、11次等低次諧波所產(chǎn)生的干擾，并可提高系統(tǒng)功率因數(shù)；節(jié)電控制單元采用最小諧波SPWM控制技術(shù)，有效削弱由于采用不可控整流所產(chǎn)生的輸出諧波，從而使節(jié)電狀態(tài)下系統(tǒng)產(chǎn)生的綜合諧波在允許范圍，減小線路的傳輸電流和損耗。文檔編號(hào)H02M1/12GK101409501SQ200810180259公開日2009年4月15日申請(qǐng)日期2008年12月3日優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日發(fā)明者超葉,王建坤,陳衛(wèi)祖申請(qǐng)人:蘇州漢風(fēng)科技發(fā)展有限公司