[00004364]风机水泵用双闭环交流调压调速器

技术投资分析： 简介： 一种风机水泵用双闭环交流调压调速器，属于200kW以下风机、水泵用的异步电动机调压调速装置。比一般普通变频调速器的调速范围大，可达10︰1以上。当电网电压变化时，当电机负载改变时，保持转速不变。低速运行时电机不会像用变频器那样发热。任何速度时该调速器本身不像变频器那样热，效率高。如用于恒压/恒流量供水，与变频器不同，不需要另外添加调节器，自身的作为主调节器的转速调节器可作为自动调节系统的调节器。其制造成本永远比变频器低得多，是一种经济型高性能的调速装置。它涉及两个专利： 实用新型名称： 1.风机水泵用双闭环交流调压调速器的控制器（ZL200420033382.X） 2.装在电机轴端的光电测速机构（ZL200420033381.5） 调速器构造： 调速器由主电路、控制器、以及测速机构成，成为带转速主反馈和电流副反馈的双闭环交流调压调速器。 主电路主要为电机的每相电源线中接入一对反并联的晶闸管及一个电流互感器，接成三相星型调压电路。 控制器决定了调速器的转速调节方法，控制器主要包含了，作为主调节器的转速调节器（包含双调积分比例积分放大器和可调比例放大器）、作为副调节器的电流调节器、晶闸管触发电路（高精度）、频率/电压转换电路—它将与器外光电测速机构一起组成主反馈电路、电流/电压转换电路—它将和主电路的电流互感器一起组成副反馈电路、以及含有比例积分给定电路（双斜坡起停）的给定电路部分，按串级方式接成转速、电流双闭环电路。控制器由一块印制电路板和一个20W的控制电源变压器，加上按钮、指示灯和仪表构成。 测速机构用来取电机的转速反馈信号。所用“装在电机轴端的光电测速机构”是一种无固定支架整体式密封式的光电测速机构。 用途及使用范围： 所述调速器，也就是控制器，用于200kW以下风机、水泵、压缩机以及空调、搅拌斧等的调速节能和调压节电。可随意操作控制转速，也可以和压力、流量变送器组成自动调节系统。还可方便地组成一器多机恒压自动控制系统等。 特征性能： 　 （1）转速不随电网电压、负载大小波动，调速范围比一般变频调速器高，可达到10︰1以上； 　 （2）转速响应快，可显见转速表随调整给定变化； （3）具有电机动态限流及起动限流；具有斜坡式软起动及软停机； （4）给定方式有电位器、按钮和4～20mA(1～5V)三种；反馈方式有转速反馈和4～20mA(1～5V)反馈信号两种； 　 （5）为方便多台水泵用一台调速器，设计自动循环软起动恒压供水，除有软起动外，还有转速上下限OC出口和外接点截止接口； （6）电网一秒内停电复起动；超过一秒失压保护； （7）三相六路脉冲显示是否正常工作； （8）有三相电流缺相或不平衡保护，还有过流、过载和晶闸管过热保护。保护通过给定作用消失和脉冲快速截止双通道实现。发生上述故障时，有故障记忆显示，并输出接点信号； （9）考虑了晶闸管失效时产生的过电压烧毁印制电路板问题，设计有过电压吸收电路； （10）有电流百分刻度表和转速/压力/流量百分刻度表； （11）与变频器相比，虽然理论较复杂、但结构简单、可靠性高、维修容易、成本低廉，低速运行温升较低、无电应力疲劳和轴承电蚀以及低速需专用电机问题、研发意义很大。但恒转矩负载不适合、中速时谐波影响较重（但比普通晶闸管设备好，特别是主电路为星形无零线时，主要谐波三次无电流通道，加上风机水泵多用在70%转速以上，谐波少得多），这一缺点可改进，如采用IGBTS电子开关，作等脉宽调制电网来的正弦波电压的大小，可减少谐波对电网的污染。 重要理论依据： 异步电动机的功率平衡关系式为： 　　　　　　　Pm =(1-S)Pm + S Pm 　 式中Pm =Mn1 ，即电磁功率为力矩与同步转速乘积；转差率S = (n1–n)/n1 ，n为轴转速，n1为同步转速。在所带机械为恒转矩负载时，当通过调低电压来降低转速时，Pm 不变，而代表轴功率的(1-S)Pm 下降，则等式中S Pm转差功率（即转子铜耗）上升，使电机发热。所以乞今为止，所有教科书都判定调压调速为耗能型调速方式。 在所带机械为风机、泵类负载时电机功率平衡关系式变为： (1-S)2 Pm =(1-S)3 Pm + S(1-S)2 Pm 等式三项分别代表风机、泵类负载电机的电磁功率、轴功率和转子铜耗，都随转速下降而很快下降，电机输入功率明显下降，且电机不会发烫。 上式的证明如下：风机、泵类负载的力矩与转速的平方成正比，即M=Kn2,则可推得，力矩随转速改变时的电磁功率为Pe=(1-S)2Pm，式中Pm为力矩未改变时的电磁功率，Pe也应满足电机的功率平衡关系。所以上式成立。 此外，异步电动机直流电阻非常小，因此在整个调速范围内都要避免产生直流电。很小的直流电压会产生很大的直流电流和直流磁化，使电机发热。因此，异步电机做到避免产生直流后，电机不会因为发热而需要增加容量。 （五） 应用比较及市场前景 国家计委基础司陈和平曾著文《我国“十五”节能计划中关于“电机系统节能”的设想》，阐明用大量节能来长期支持国民经济快速、健康、持续地发展，努力促进国民经济向节约型发展、可持续发展。节能工作的重点首先逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行。它是量大面广的节能技术。我国电机年耗电6000亿千瓦时，占工业耗电量的80%；电机中80%以上为0.55kW～200kW以下的中小型异步电动机。我国电机驱动系统（电机、调速装置、风机水泵等）的能源利用效率比国外低20%左右，总的节能潜力约为1000亿千瓦时，改造和更新预计需要500亿元左右。 但是，目前调速装置变频器价格贵，并且由于其较高频率载波产生电应力引发电机绝缘的疲劳击穿和电机轴承的电蚀，特别是系统较高频率谐波的存在从另一方面加重了电应力的危害。所以变频调速并非绝对好。努力开发研制经济型调速装置太有必要。 转速电流双闭环调压调速非常好地解决了异步电动机的动、静态特性问题，使调压调速用于风机、水泵以及压缩机，产生了前述一些比变频器还要好的性能。其谐波主要是三次谐波以及五次、七次谐波。没有变频器的电应力问题。三次谐波在主电路接成星型时没有电流通道。所剩谐波就小了。如果采用IGBTS ，用斩波直接调制正弦电压，所用斩波频率比变频器低，既防止了电应力问题，又进一步减少了谐波。因此本专利的调压调速在风机、泵类负载未必比变频差，所有显示，说明它是一种有前途的调速方法。 变频器在我国的销售量占世界总销售量不到4.5%，就是因为太贵，比日本的27%少多了（来自“ARC研究”提供的资料）。我国使用变频器主要用于风机、水泵及压缩机的节能，因此所述新型调压调速器一定会有很大的市场前景。 除恒转矩负载外，本调速器在风机水泵类负载的使用市场领域和变频器一样，有着很广泛的市场。在化工、化肥、热工、冶炼、发电、石油、采矿以及国防工业等等，都有很多风机、压缩机和各种泵。在生产流程中，对压力、流量、浓度、液位以及温度的调整操作控制，往往籍助于调整控制流体的阀门，消耗能量大，控制不准确，影响质量和产量，而且故障多。如果改为调变风机、水泵、压缩机的转速来调节参量，以上问题迎刃而解。 在自动调节系统，如用变频器，系统简化为： 变送器 + 调节器 + 调速器 + 风机、泵类设备 如用带转速反馈的双闭环调压调速器，系统进一步简化为： 变送器 + 调速器 + 风机、泵类设备 比用变频器时，省去了外加系统调节器。 　　众所周知，变频器可以解决前述节能问题和组成自动调节系统问题，但是变频器多用在关键设备上，若要普遍采用，费用相当大。调压调速器的动力元器件只有晶闸管或者IGBTS，其价格便宜且量少，所以这种调速设备很便宜。再加上可靠，维修容易，就可以大面积使用。关键在于减少谐波对电网的污染。在发达国家供电设备和系统上采取了很多办法，对消或补偿谐波。我国也开始做这方面的工作。其谐波污染问题和变频器一样，是可以对抗的。本实用新型也只是起个头。因为消除谐波3、5、7次，如用斩波后，有可能比变频问题少得多。所以调压调速为值得开发的技术。 在风机、各种泵、压缩机、空调、搅拌釜等流体负载，使用带实用新型控制器的调压调速器，和变频器相似，节电非常明显，一般这些设备都有剩余压头扬程和流量，可节电20%～40%。简单比喻，设备不管你用多大出力，它固有的出力都要产生，用的少了，多余的出力要靠闸门、阀门来消耗掉，或放空。要是把电机的转速降下来，使固有出力降下来，就不会大量浪费。这种“调速节能”和变频器一样。另外大家知道，电机轻载运行时效率很低，其原因主要在于铁损耗并不随负载的减小而降低。适当地降低电压运行，可以明显减少铁耗，提高效率，取得明显的节电效果。这就是异步电机“调压节电”。我们看实践比较，你会看到同样运行情况下，变频电机降速后很热，变频器也滚热。相反实用新型调压调速器本身很凉，电机也不会发烫。工矿企业通过现场相对比较，会乐意选用的。这是市场前景看好的第一原因。 调压调速设备功率元件就六只晶闸管（或者三块晶闸模块），不仅发热小，花钱也少。变频器由三部分组成，整流桥的功率元件有六个元件、工作要发热；由大电容和电抗器组成的滤波电路价钱也不少，而且也产生热；很贵而又易损的逆变电路六只逆变功率元件也发热。这三部分价格真不菲，远高于调压调速器。我们的调压调速器堪称经济型调速器。这是市场看好的第二原因。 变频器在可靠性上较差，不仅因为元件多，元件易损，它还有难于克服的高频电应力损坏电机问题，低速电机发热问题。我们的调速设备可靠性高，晶闸管使用赖久，因为便宜，元件容量还可多留。再加上晶闸管设备一般工人都能维护修理，挡然可靠。可靠是市场前景看好的第三原因。 我们计算不出来，将会有多大产值和利润，但上述内在的原因应当令人信服：本实用新型市场前景的开发，大有可为。 实用新型 风机水泵用双闭环交流调压调速器的控制器 有关论证同于调速器。 实用新型 装在电机轴端的光电测速机构 （1）现有转速测量技术： 现有测速方法有光电反射式、光电遮断式、电磁式和电容式等速度发送器，以及测速发电机。它们都有固定支架，以便安装用于取出信号的固定部件。现场安装固定支架很麻烦，往往要动用电焊、水泥、钳工。而且费用高。其中光电遮断式较为简易，它靠与电机轴同转的齿轮片断续遮断槽形光电耦合器的光信号来取得电流频率信号。其频率高低反映了电机转速。但是光耦必须固定才能取电流信号，因此要安装固定支架。这种固定部件与旋转部件分体式结构难免日久变形移位，产生碰撞损坏。所以在生产上不宜使用，因其简单，实验室愿意用。 （2）本实用新型的构造与安装（简介）： 它将旋转部分与固定部分一体化，装在电机或其它转动机械的轴端，靠旋转轴支撑。其不旋转、不动的光电耦合器就可方便地引出信号电线（见现场安装图）。齿轮片与槽形光电耦合器不会相对发生轴向移位和径向移位，根本不用担心相互碰檫；为了防止灰尘污染光电耦合器，本装置全密封，只露出传动轴。以上两点使本装置几乎成为免维护设备。到现场大电机上安装极为方便，如电机轴外伸，用剪切应力很高而又很便宜的AB胶将传动轴与电机轴对接，几分钟即可搞定。如电机有风罩，其传动轴加螺纹套接的辅助轴，便于风罩拆卸。因为整个装置重量才200克左右，惯性小，3000转/分及以下对中要求不高，凭眼睛手装即可。较高转速时靠钳工校准，好在AB胶有七、八分钟固化时间。由以上所述，装在电机轴端的光电测速机构非常理想地解决了测量转速的实用技术问题。 （3）应用： 一般转速变成频率信号，用于测量转速。频率信号可以经过频率/电压转换电路变成电压，用于指针表或作电压反馈用；也可直接用于数值表或计算机等。其原理还延伸用于电磁式等其他速度发送器。 （4）优点： 1）这种分体式结构难免日久发生变形移位以至碰撞损坏。生产上长期运行多用测速发电机，价贵且安装费事。所以仅在不得不用时用。本实用新型提供一种动、静部分一体化光电测速机构，靠电机轴支持，取消了固定支架。 2）槽形光电耦合器怕灰尘，加了密封罩；再加上动静相对固定，不会发生移位失灵或损坏，成为免维护装置。 3）现场安装很方便，只要用AB胶将传动轴（电机轴伸出时）或辅助轴（电机轴未伸出时）与电机轴对粘几分钟即可。对于一般电机，3000转/分及以下的转速，安装对中要求不高。转速较高时安装对中要靠钳工。 4）测速精度高，所产生的信号频率与转速成正比是固定不变的。若采用LM331的频率/电压转换电路的改进电路，误差不超过千分之一。所以测速精度足够满足一般生产要求。 5）成本低，槽型光电耦合器等器件零售都不超过2元；齿轮片用0.5～0.8 mm的铝板（或很薄的钢精铁皮）成叠铣制或者用冲模冲出来，单片不会超过10元；传动轴、辅助轴因受力小，用普通塑料的；密封罩，纸压成型或胶片压制。材料的购买很便宜。加工装配工艺简单，容易自动化。成本进一步降低。 技术的应用领域前景分析： 市场前景： 本装置取代现有的速度信号发生器，包括测速发电机，使很多已经采用速度监控的设备种类得到经济而可靠的速度测量。一些因为测速麻烦而改用间接方法或者放弃转速监控的地方如将它使用起来，对提高产品产量和质量带来预想不到的益处。工业生产需要当然就会带来市场需要。具体到工业部门，那些生产自动化高的，如冶金轧机轧辊等要提高运行速度；机床要提高生产率和精确率；食品机械、医药机械、纺织机械、包装机械、造纸机械等等，凡是传动要求高的地方，都要监控转速。要提高变频调速器的调速范围，也要引入速度反馈。风机水泵类负载采用调压调速要得到10比1以上的调速范围也必须引入速度反馈。所以要用速度测量的地方很多。随着国民经济向高新技术、经济节约型发展。本实用新型的产品需求量会很大。 在生产测速机构同时，还可配套生产测速表计，如采用国际上常用LM331的频/压转换电路，经过改进后的线路与100微安表成套；采用频率数字转换，做成数字式转速表以及计算机配套接口电路等等。还可以生产类似整体式的电磁式转速测量装置。 厂房、设备和人员不好计算，但投资不计广告宣传部分，是很少的。几百万元生产就可搞起来。如准备500平米厂房，小型车床、铣床和冲床各一台。再购置测量转速、频率、电压的标准表和计算机各一台。如开始利用外加工，厂内组装，设备可以慢点买。人员上，一名技术员，二十几名工人，几名供销人员就可起步。1千万元以上的产值，取得几百万元利润，可能没多大问题。至于迅速打开销路，不仅产家积极，商家也感到有利。因为利润空间很大。 这一实用新型本来是为另一专利产品的需要而研制的，但要用它的地方太多了，它应当成为一个独立的产品和组合产品。 效益分析： 年效益200万-2000万 厂房条件建议： 100平米-500平米 备注： 无