一種電動機節電方法及其裝置設計

一、設計目的

在目前的實際應用中，電動機無論輕載或重載都一直接通電源，且電動機在輕載（或空載）時，運行效率很低。為此設計了一種電動機節電方法，該方法能測量電動機轉速：當電動機空載或輕載時，轉速很高，通過CPU比較電動機速度與設定的速度高值，若電動機速度超過設定的高值，CPU控制開關電路斷開，電動機斷電轉速逐步下降；由于慣性電動機的轉速不會突然地降為零，而是逐漸下降；當轉速下降到低于設定的低值時，CPU控制開關電路接通，電動機的電轉速逐步上升。電動機輕載高速旋轉時斷電，電動機速度降到一定值時再通電，這樣間斷供電，在通電時升速儲存動能，斷電時動能減少，但仍能繼續轉動直到所要求的下限，使電動機達到節省電能的目的，在輕載（或空載）時減少接通電源時間，提高電動機通電時的負載率。

二、方案選擇

為實現上述目的，本方法采用了下列技術方案。

設計一種電動機節電裝置，其包括：開關電路連接在電動機和電源之間，開關電路通過接通或切斷電動機的電源來控制電動機的通斷；測速裝置與電動機連接，對電動機的轉速進行測量，CPU與測速裝置和開關電路都連接，收集測速裝置的速度數據并控制開關電路的通斷。

1.電動機節電裝置

其測速裝置包括有：

(1)1個圓盤，其設置在電機轉軸上，上有兩個沿軸心對稱的孔；

(2)1個光電采樣頭，包括發射部和接收部，分別設置于圓盤的正反兩側，發射部在圓盤的一側向孔發射紅外光，在圓盤的另一側接收從孔透過的紅外光，接收部接收到紅外光后轉換成控制信號；

(3)1條整形電路，其輸入端與光電采樣頭的接收部連接，其輸出端與CPU連接，整形電路將光電采樣頭的接收部輸出的控制信號進行反向整形，形成脈沖輸送給CPU。

上文所介紹的光電采樣頭為光電耦合器，發射部為光電耦合器上的二極管，接收部為光電耦合器上的光敏三極管，光敏三極管的集電極通過電阻與電源連接。

2.保護裝置

該裝置的一大特點還在于保護裝置。保護裝置為熱繼電器，熱繼電器控制的感應開關一端接地，另一端接在電阻R13和電阻R14一端，電阻R13的另一端接在CPU上，電阻R14另一端接在電源上。

3.顯示器

該裝置的顯示器與CPU連接。

4.裝置運行流程

（1）CPU控制開關電路合上，電動機的電源接通，電動機開始運轉；

(2)測速裝置對電動機的轉速進行測量；

(3)CPU收集測速裝置的速度數據，比較該速度與設定的速度高值，若該速度超過設定的速度高值，CPU控制開關電路斷開，電動機斷轉速逐步下降；

(4)CPU繼續收集測速裝置的速度數據，比較該速度與設定的速度低值，若速度低于設定的速度低值， CPU控制開關電路接通，電動機的電轉速逐步上升；

（5）上述步驟（3）和步驟（4）周而復始。

三、具體設計

1.開關電路

如圖1所示，這種電動機節電裝置包括：開關電路1，連接在電動機和電源之間，可以通過接通或切斷電動機的電源來控制電動機的通斷；測速裝置2、CPU3，測速裝置2與電動機連接，CPU3與測速裝置2和開關電路1連接。測速裝置2對電動機的轉速進行測量，CPU3收集測速裝置2的速度數據。

圖2為本電動機節電裝置開關電路的一種設計，電源為三相交流電源。開關電路1包括：2個晶閘管，即第一、第二晶閘管TV1、TV2；2個光電耦合器，即第一、第二光電耦合器Q1、Q2；2個光電雙向晶閘管耦合器，即第三、第四光電雙向晶閘管耦合器Q3、Q4。第一晶閘管TV1的第一主電極通過熔斷器FU1與三相交流電源A的相連接，第二主電極經過熱繼電器FR與電動機的A相接線端連接，門極通過電阻R2 接在第一晶閘管TV1第二主電極上。第二晶閘管TV2的第一主電極通過熔斷器FU3與三相交流電源的C相連接，第二主電極經過熱繼電器FR與電動機的C相接線端連接，門極通過電阻R4接在第二晶閘管TV2的第二主電極上。而電動機的B相接線端通過熱繼電器FR和熔斷器FU2與三相交流電源的B相連接。這樣利用兩個晶閘管的導通與否實現電動機與三相交流電源的通斷。在電動機與三相交流電源之間還連接有手動開關QS。

第一光電耦合器Q1的發光二極管的正極經電阻R5與第一晶閘管TV1的第一主電極連接，負極與第一晶閘管TV1的第二主電極連接；光敏三極管的集電極與CPU3的P1.3引腳和電阻R7的一端連接，電阻R7的另一端接在電源V+上。第二光電耦合器Q2的發光二極管的正極經電阻R6與第二晶閘管TV2的第二電極連接，負極與第二晶閘管TV2的第二主電極連接；光敏三極管的集電極與CPU3的p1.4引腳和電阻R8的一端連接，電阻R8的另一端接在V+上。第一光電耦合器Q1、第二光電耦合器Q2能夠根據檢測到第一晶閘管TV1、第二晶閘管Tv2兩端電壓正向過0，然后轉換成低電平控制信號，通過CPU3的P1.3引腳、P1.4引腳輸送給CPU3。CPU3能夠將P1.3引腳、P1.4引腳輸入的控制信號，進行處理后變成輸出控制信號分別從P1.5引腳、P1.6引腳輸出。

第三光電雙向晶閘管耦合器Q3的發光二極管的正極經電阻R10接在電源V+上，負極接在三極管T1的集電極，三極管T1的發射極接地，基極經電阻R9接在CPU3的P1.5引腳。第三光電雙向晶閘管耦合器Q3的雙向晶閘管的第三主電極經電阻R1接在第一雙向晶閘管TV1的第一主電極上，第二主電極接在第一雙向晶閘管TV1的門極上（即圖2中兩個a1之間相互連接，兩個a2之間相互連接）。

第四光電雙向晶閘管耦合器Q4的發光二極管的正極經電阻R12接在電源V+上，負極接在三極管T2的集電極，三極管T2的發射極接地，基極經電阻R11接在CPU3的P1.6引腳。第四光電雙向晶閘管耦合器Q4的雙向晶閘管的第一主電極經電阻R3接在第二雙向晶閘管TV2的第一主電極上，第二主電極接在第二晶閘管TV2的門極上（即圖2中兩個C1之間相互連接，兩個C2之間相互連接）。

若電動機速度超過設定的速度高值時，CPU3的P1.5引腳輸出低電平控制信號；若電動機速度低于設定的速度低值時，CPU 3的P1.5引腳輸出高電平控制信號。第三光電雙向晶閘管耦合器Q3能夠根據接收P1.5 引腳輸出控制信號，來控制第一晶閘管TV1的第一主電極與門極的通與斷。電流過零，門極無觸發信號，晶閘管截止；電壓過零，門極有觸發信號，晶閘管導通。實現電動機的一個電源接線端與三相交流電源的一相之間的通與斷。

若電動機速度超過設定的速度高值時，CPU3的P1.6引腳輸出低電平控制信號；若電動機速度低于設定的速度低值時，CPU3的P1.6引腳輸出高電平控制信號。第四光電雙向晶閘管耦合器Q4能夠根據接收P1.6引腳輸出的控制信號，來控制第二晶閘管TV2的門極觸發信號。根據晶閘管的特性：電流過零，門極無觸發信號，晶閘管截止；電壓過零，門極有觸發信號，晶閘管導通。實現電動機的另一個電源接線端與三相交流電源的另一相之間的通與斷。

控制電動機與三相交流電源的兩相的通與斷，即實現了電動機與三相交流電源的通與斷。當然，開關電路1除了上述的這種設計外，也可以采取其他類型的開關電路，如繼電器開關電路等等。

2.測速裝置

圖3為該電動機節電裝置測速裝置的一種設計。

（1）1個圓盤21，設置在電動機轉軸上，與電動機同速度旋轉，上設沿兩個軸心對稱的孔，如圖4所示。

（2）1個光電采樣頭22，包括發射部和接收部，分別設置于圓盤21 的正反兩側，發射部在圓盤21的一側向孔發射紅外光，接收部在圓盤21的另一側接收從孔透過的紅外光；接收部接收到紅外光后轉換成控制信號。該裝置中的光電采樣頭用光電耦合器，發射部為光電耦合器上的二極管；接收部為光電耦合器上的光敏三極管，光敏三極管的集電極通過電阻R15與電源V2連接，發射極接地。光電耦合器能夠根據光敏三極管是否接收到二極管發射的經過孔的紅外光來輸出低高電平。

（3）1條整形電路23，其輸入端與光電采樣頭22的接收部（光電耦合器的光敏三極管集電極）連接，其輸出端與CPU3連接。整形電路23將光電采樣頭22發射部輸出的電平進行反向整形后輸給CPU3。

圓盤21每旋轉一周，光電采樣頭22采樣出三個脈沖，整形電路23將脈沖反向整形得到邊沿陡直的三個脈沖，因此當CPU3接到三個脈沖時，表示圓盤21旋轉一周。CPU3上的定時器記錄圓盤21旋轉一周的時間，根據頻率是周期T的倒數，從而計算出圓盤的轉速，即電動機的轉速。CPU3根據測速裝置探測到的速度與CPU3內預先設定的一個高值和一個低值速度比較，來控制開關電路1的導通與截止。

（4）該電動機節電裝置還包括保護裝置4，其與CPU3的P1.2引腳連接，當電動機過流時，保護裝置4向CPU3輸入報警信號，CPU3接收報警信號關斷開關電路1，使電動機停止工作。保護裝置4為熱繼電器FR，熱繼電器FR控制的感應開關FR1一端接地，另一端接在電阻R13和電阻R14一端，電阻R13的另一端接CPU3的P1.2引腳，電阻R14另一端接在電源V+上。當電動機過流時，繼電器FR控制感應開關FR1閉合，P1.2引腳變為低電平，CPU3接收到P1.2引腳的低電平，控制開關電路1斷開，停止為電動機供電。

（5）顯示器5與CPU3的P2.0～P2.3引腳連接，能夠顯示出電動機的轉速。

四、工作原理

該電動機節電裝置的工作原理如下：

閉合手動開關QS，此時由于開關電路1未導通閉合，電動機與三相交流電源未形成電流回路。

當第一光電耦合器Q1檢測到晶閘管TV1兩端電壓正向過0時，其發光二極管從無電流到有電流，光敏三極管從截止到導通，輸出低電平；CPU3的P1.3引腳接收到低電平后，控制P1.5引腳輸出高電平，三極管T1導通，第三光電雙向晶閘管耦合器Q3的發光二極管有電流流過，其雙向晶閘管導通，使第一晶閘管TV1雙向導通。此時電動機一個電源接線端與三相交流電源一相完全接通。

同理，第二晶閘管TV2兩端電壓正向過0時也雙向導通，電動機另一個電源接線端與三相交流電源另一相完全接通。這樣電動機的三個電源接線端與三相交流電源三相都接通，電動機開始運轉。

電動機空載或輕載時，轉速很高，當CPU3檢測到轉速超過設定的高值時，CPU3控制P1.5、P1.6引腳輸出低電平，三極管T1、T2截止，第三、四光電雙向晶閘管耦合器Q3、Q4的二極管無電流，其上的雙向晶閘管截止，第一晶閘管TV1、第二晶閘管TV2無門極觸發信號，在電流過0時都截止，此時電動機與三相交流電源斷開兩相，電流不能形成回路，相當于電動機斷電。但由于慣性，電動機的轉速不會突然降為0，而是逐漸下降。

當轉速下降到低于設定的低值，在第一晶閘管TV1、第二晶閘管TV2電壓正向過0時，CPU3控制P1.5、P1.6引腳輸出高電平，三極管T1、T2導通，第三、四光電雙向晶閘管耦合器Q3、Q4的二極管有電流，其上的雙向晶閘管導通，第一晶閘管TV1、第二晶閘管TV2在兩端電壓過0時產生門極觸發信號，都雙向導通，電動機的三個電源接線端與三相交流都接通，電動機三相有電流流過，開始加速運轉。到達設定高值時又斷開電動機的電源，如此反復，大大節省了電能。

（作者單位：周俊，中山市技師學院；

陳勁游，中山市供電公司）