微計算機控制三相電動機節電器在機床行業的應用

濟南第一機床廠 劉 森 陳冰雪

微計算機控制三相電動機節電器在機床行業的應用

濟南第一機床廠 劉 森 陳冰雪

三相電動機是工業領域廣泛使用的能源動力設備。2013年我國電動機保有量達到17億kW，80%以上是低效電動機，與國外對比電動機效率低3%～5%、系統運行效率低10%～20%。2014年我國電動機耗電約為3萬億kW·h，占全國用電總量的64%和工業用電量的75%。故專家指出：“我國節能的重點是工業領域的節能，而工業領域中，三相電動機的節能又是重中之重?！?/p>

目前，采用的稀土永磁節能電動機、變頻調速電動機和可控硅觸發角電動機節電效果達20%，但價格是普通電動機的3～6倍，不易普及；高效節能電動機略貴，節電效果不理想。

北京優爾特科技股份有限公司于2011年研究開發了節電效能高（普通車床節電40%～50%，數控機床節電20%～25%），價格具有競爭力，同時具備電子剎車功能和柔性啟動功能的“微計算機控制三相電動機節電器”。該節電器適用于三相異步電動機為動力的機床、電梯、抽油機、注塑機、輸送機、粉碎機、鉆探機、面粉機、制磚機、風機、水泵以及空氣壓縮機等機械設備。

該節電器已使用在寶雞機床集團公司、寶雞鑫旺機械廠、寶雞蔡家坡唯立機械公司、咸陽市周陵機械廠、咸陽市機械廠、陜西漢中機械修造廠、甘肅天水機械制造廠、杭州愛科機械公司、江蘇儀征技師學院、江蘇真州建筑公司和北京古達儀表有限公司等十幾家企業的數百臺普通機床、CJK經濟型數控機床、銑床和立式鉆床上，為批量生產的新型節能機床配套，并為舊機床進行節能改造，最長使用時間超過四年。

技術原理

星三轉換是一種傳統的電動機起動技術，即電動機起動階段為星形接法，運轉階段改為三角形接法。

我們自主研發的電動機瞬態有功負載自動測控星三轉換節電技術，在國內外首次成功地將星三轉換應用于電動機運轉階段。即電動機啟動階段連接“星形”，運轉階段并不轉為“三角形”，而是轉入實時監控、自動調整狀態。當監控到實時負載小于電動機額定功率1/3以下，自動適配為星形接法，即“小馬拉小車”；當監控到實時負載大于電動機額定功率1/2以上，自動轉入三角形接法，即“大馬拉大車”。如此不斷自動監控跟蹤的結果，令電動機的星形或三角形接法總是隨著設備的負載輕重自動適配。

機床在設計電動機容量時，是以將來能夠遇到的最大可能性負載為依據。從概率論的角度出發，在實際生產中機床的多數時段處于輕載狀態，少數工況處于重載狀態。于是機床電動機運行中原設計的穩定三角形接法，多數時段便形成“大馬拉小車”的能源浪費。節電技術令機床電動機多數輕載時段自動連接星形，少數重載時段自動連接三角形。由于星形狀態下電動機電流僅有三角形狀態的1/3，因而產生的無效熱損耗也僅有三角形狀態下的1/3，節省了近2/3的無效熱損耗用電，減少了機床按照最大可能性能耗設計電動機動功率所造成的能源浪費。

該技術與變頻器相比，變頻器適用于電動機轉速可調的設備范圍，節電器適用于無須電動機變速的設備范圍，各有不同的適用領域。

關鍵技術

1. 瞬態有功功率測量模塊

該節電器在星三轉換原理基礎上，自主研發出國內獨創的取樣信號——瞬態有功功率測量模塊，用于精確測量電動機瞬態負載功率，測量周期快達15ms（毫秒），測量精度高達千分之一，以控制星形與三角形準確地自動切換。

該關鍵技術實現了節電器的第一節電途徑：電動機瞬態有功負載自動測控星三轉換節電。

2. 電動機起動識別模塊

該模塊自動檢測電動機啟動完成時間點，啟動完成后迅速進入“節電運行監控狀態”，以對隨時發生的負載變化工況做出快速反應。以此技術，實現了普通機床只在有效切削時段電動機運轉，非切削的輔助時段電動機停轉，從而又節省了部分電能。

該關鍵技術實現了電動機柔性啟動功能及節電器的第二節電途徑：設備輔助時段電動機停轉節電。

3. 剎車電流、時間和轉速三重自動反饋模塊

一是穩定剎車力量；二是通過該模塊自動識別剎車結束時間同步停止剎車使能；三是實時監控主軸轉速，向軟件模塊提供自動控制的轉速數據。

該關鍵技術實現了節電器的電子剎車功能。

圖1　計算機控制三相電動機通用節電器基本結構圖

輔助技術

1. 電動機規格識別軟件模塊

使用本機操作面板上的顯示屏與按鍵，只要輸入該設備電動機銘牌上標定的額定功率與額定電流二項數據，計算機所有軟件程序就自動按此數據運行。以此技術，本節電器可自動適配4~315kW范圍內的任一款三相異步電動機。

2. 電動機保護功能軟件模塊

具有電流過大報警、電子熱繼電器報警、電路斷線報警、電壓過高報警、電壓過低報警、缺相報警、相序正反報警、溫度監控報警等電動機保護功能軟件模塊。一旦發生任一種危險，計算機立即切斷強電，同時給出報警代號指示問題所在。

3. 電動機起動與運行靜音軟件模塊

清除了電動機起動或運行中瞬時有功負載處于臨界狀態的頻繁跳轉現象，幾乎全部處于靜音運行。

4. 故障一鍵恢復按鈕功能

節電器一旦損壞，只要按下故障一鍵恢復按鈕，機床便與節電器分離，改為不節電的原先強電電路運行，不耽誤生產企業機床使用。

實體結構、電路

節電器長0.10m、寬0.24m、高0.13m，質量是1.2kg。

主要技術指標

電源范圍： 380V +10% ～–15% （320～420V）。

電動機范圍：4～315kW三相異步電動機。

負載特性：適配于平均負載率小于40%的設備。

節省有功電能：應用于普通車床節省有功電能40%～50%；應用于經濟型數控機床，節省有功電能20%～25%。

節省無功電能：應用于普通機床和經濟型數控機床，節省無功電能60%以上。

信號精度：有功功率瞬態測量模塊取樣電動機信號精度0.1%，沒有其他附加誤差，可精確控制電動機星三轉換節電的穩定運行。

圖2　計算機控制三相電動機通用節電器總成結構圖

技術鑒定、獲獎情況

（1）獲得六個實用新型專利和兩個軟件著作權，兩個發明專利已通過初審。

（2）入選北京市發改委《北京市2014年節能低碳技術產品推薦目錄》（京發改（2014）1231號）。

（3）入選國家發改委2015年《國家重點節能低碳技術推廣目錄》。

（4）2015年獲得國家質檢總局中國質量認證中心的“節能技術認定證書”（CQC認證）。

（5）獲得北京市科委、北京市發改委等六家單位核發的2015年“新技術新產品（服務）認定”證書。

圖3　電路流程圖

（6）分別獲得北京節能環保中心的《節能測試報告》和陜西西安節能監察監測中心為寶雞機床廠等兩家使用節電器單位出具的《節能測試報告》。

（7）公司獲得ISO9001認證和高新技術企業認證。

產品特點及優勢

1. 回轉直徑≥400mm的普通車床有兩種節電途徑，節電率高

安裝該節電器前，原機床電動機額定功率7.5kW，運轉時一直處于三角形連接；安裝節電器后，電動機運轉時多數工況下自動處于星形連接。通過電動機瞬態有功負載自動測控星三轉換技術實現20%左右的節電率，為第一節電途徑。

西安節能監察監測中心為使用節電器的兩家單位進行節能測試，出具的《測試報告》顯示第一節電途徑的節電情況如下：

寶雞機床集團公司，一臺機床單位時間節電0.46kW·h，負載工況下，節電率達到39.32%。咸陽周陵機械修造廠，一臺機床單位時間節電0.5kW·h，負載工況下，節電率達到31.45%。

國產C6140~C61100等規格普通車床，上班開機主電動機連續運轉8h，即上活、下活、測量、換刀等輔助工序電動機仍舊處于運轉狀態。這些輔助工序，約占20%的工作時間。安裝節電器后，電動機輔助工時持續運轉改為電動機停轉，又節省20%左右的用電，形成第二節電途徑。

該《測試報告》顯示第二節電途徑的節電情況如下：

寶雞機床集團公司，一臺機床單位時間節電0.81kW·h，空載工況下，節電率達到64.29%。咸陽周陵機械修造廠，一臺機床單位時間節電0.98kW·h，空載工況下，節電率達到66.22%。

《測試報告》結論：“寶雞機床集團公司，每小時節電0.56kW·h，綜合節電率達到46.67%。咸陽周陵機械修造廠，每小時節電0.65kW·h，綜合節電率達到41.67%。”

兩家公司平均綜合節電率達到44.17%。兩種節電途徑的疊加結果令其綜合節電率達到很高的數值。

通常情況下，電動機額定功率越大節能效果越顯著。

2. 三位一體的多功能節電器屬國內首創

該節電器除了節電功能外，還兼具電子柔性啟動與電子剎車制動這二項功能，是具有三位一體功能的節電器，為北京優爾特公司自主創新的技術產品，目前國內獨一無二，為國內同行業的技術領先性產品。

3. 具有高度穩定性的通用節電器

優爾特公司研發的整套計算機邏輯控制體系，通過集成信號采集、人機界面、軟件模塊、控制電路等智能化控制技術，使之適配機床主軸的柔性啟動、節電運行、電子剎車等實用操控功能。具有高度的穩定性，無須現場派人調試參數，特別適合機床制造廠形成新型節能機床的大批量生產。

該節電器也適用于只有單一轉速或者幾個相近轉速，或傳動系統簡潔，或負載大小變化甚少，諸如電梯、抽油機、皮帶輸送機、粉碎機、注塑機、鉆探機、空氣壓縮機等簡單機械的節電配套。

4. 將回轉直徑≥400mm普通機床剎車和柔性摩擦離合機構變為計算機控制的運轉系統

普通機床原有剎車和柔性啟動均為摩擦離合機械機構，由于機械磨損功能逐漸劣化，需要經常人工保養、維修和調整。安裝該節電器后，替換掉構成原剎車制動和摩擦離合啟動的38種機械零配件，原機械結構變為計算機控制的智能化技術結構，免除了日常保養、維修和調整工作量，極大地提高了機床的穩定性，也不改變工人以往操作機床的習慣。

5. 性價比高

該節電器應用于中功率電動機每千瓦售價100元，應用小功率電動機每千瓦售價200~300元。

配套機械式柔性啟動與剎車系統的C6140~C61100普通車床和CJK6140~6266經濟型數控機床，采用該節電器替換原機械系統后，增加了節電功能，不新增生產企業成本，還節約了原結構因機械磨損產生的日常維修費用。

該節電器安裝在普通機床上，雙重節電途徑的疊加使之平均節電率達到40%~50%的高效。用戶改造回轉直徑≥400mm普通機床，年節約電費1 500~2 000元，當年回收改造費用。

與國內同類節電器比較，該節電器性價比好，具有價格優勢，節能又節錢，企業投資回收期短，具有良好的市場競爭力。

采用該節電器可解決國內數以千萬臺在使用的普通三相電動機機械設備的節能問題，避免了淘汰現有高耗能電動機造成的巨大浪費，具有顯著的社會效益和經濟效益。

采用不產生任何新諧波分量的結構設計?！?/p>

作者簡介：劉森，原濟南一機床集團有限公司副總經理；陳冰雪，北京優爾特科技股份有限公司總工程師。