一、設(shè)計目的

在目前的實際應(yīng)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(shè)計了一種電動機節(jié)電方法，該方法能測量電動機轉(zhuǎn)速：當電動機空載或輕載時，轉(zhuǎn)速很高，通過CPU比較電動機速度與設(shè)定的速度高值，若電動機速度超過設(shè)定的高值，CPU控制開關(guān)電路斷開，電動機斷電轉(zhuǎn)速逐步下降；由于慣性電動機的轉(zhuǎn)速不會突然地降為零，而是逐漸下降；當轉(zhuǎn)速下降到低于設(shè)定的低值時，CPU控制開關(guān)電路接通，電動機的電轉(zhuǎn)速逐步上升。電動機輕載高速旋轉(zhuǎn)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(xù)轉(zhuǎn)動直到所要求的下限，使電動機達到節(jié)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(xiàn)上述目的，本方法采用了下列技術(shù)方案。

設(shè)計一種電動機節(jié)電裝置，其包括：開關(guān)電路連接在電動機和電源之間，開關(guān)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(zhuǎn)速進行測量，CPU與測速裝置和開關(guān)電路都連接，收集測速裝置的速度數(shù)據(jù)并控制開關(guān)電路的通斷。

1.電動機節(jié)電裝置

其測速裝置包括有：

(1)1個圓盤，其設(shè)置在電機轉(zhuǎn)軸上，上有兩個沿軸心對稱的孔；

(2)1個光電采樣頭，包括發(fā)射部和接收部，分別設(shè)置于圓盤的正反兩側(cè)，發(fā)射部在圓盤的一側(cè)向孔發(fā)射紅外光，在圓盤的另一側(cè)接收從孔透過的紅外光，接收部接收到紅外光后轉(zhuǎn)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(fā)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(yīng)開關(guān)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(guān)電路合上，電動機的電源接通，電動機開始運轉(zhuǎn)；

(2)測速裝置對電動機的轉(zhuǎn)速進行測量；

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

(4)CPU繼續(xù)收集測速裝置的速度數(shù)據(jù)，比較該速度與設(shè)定的速度低值，若速度低于設(shè)定的速度低值， CPU控制開關(guān)電路接通，電動機的電轉(zhuǎn)速逐步上升；

（5）上述步驟（3）和步驟（4）周而復(fù)始。

三、具體設(shè)計

1.開關(guān)電路

如圖1所示，這種電動機節(jié)電裝置包括：開關(guān)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(guān)電路1連接。測速裝置2對電動機的轉(zhuǎn)速進行測量，CPU3收集測速裝置2的速度數(shù)據(jù)。

圖2為本電動機節(jié)電裝置開關(guān)電路的一種設(shè)計，電源為三相交流電源。開關(guān)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(jīng)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(jīng)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(dǎo)通與否實現(xiàn)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(guān)QS。

第一光電耦合器Q1的發(fā)光二極管的正極經(jīng)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(fā)光二極管的正極經(jīng)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(jù)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(zhuǎn)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?qū)1.3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(fā)光二極管的正極經(jīng)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(fā)射極接地，基極經(jīng)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(jīng)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(fā)光二極管的正極經(jīng)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(fā)射極接地，基極經(jīng)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(jīng)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(shè)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(shè)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(jù)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(fā)信號，晶閘管截止；電壓過零，門極有觸發(fā)信號，晶閘管導(dǎo)通。實現(xiàn)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(shè)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(shè)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(jù)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(fā)信號。根據(jù)晶閘管的特性：電流過零，門極無觸發(fā)信號，晶閘管截止；電壓過零，門極有觸發(fā)信號，晶閘管導(dǎo)通。實現(xiàn)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(xiàn)了電動機與三相交流電源的通與斷。當然，開關(guān)電路1除了上述的這種設(shè)計外，也可以采取其他類型的開關(guān)電路，如繼電器開關(guān)電路等等。

2.測速裝置

圖3為該電動機節(jié)電裝置測速裝置的一種設(shè)計。

（1）1個圓盤21，設(shè)置在電動機轉(zhuǎn)軸上，與電動機同速度旋轉(zhuǎn)，上設(shè)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(fā)射部和接收部，分別設(shè)置于圓盤21 的正反兩側(cè)，發(fā)射部在圓盤21的一側(cè)向孔發(fā)射紅外光，接收部在圓盤21的另一側(cè)接收從孔透過的紅外光；接收部接收到紅外光后轉(zhuǎn)換成控制信號。該裝置中的光電采樣頭用光電耦合器，發(fā)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(fā)射極接地。光電耦合器能夠根據(jù)光敏三極管是否接收到二極管發(fā)射的經(jīng)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(fā)射部輸出的電平進行反向整形后輸給CPU3。

圓盤21每旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一周。CPU3上的定時器記錄圓盤21旋轉(zhuǎn)一周的時間，根據(jù)頻率是周期T的倒數(shù)，從而計算出圓盤的轉(zhuǎn)速，即電動機的轉(zhuǎn)速。CPU3根據(jù)測速裝置探測到的速度與CPU3內(nèi)預(yù)先設(shè)定的一個高值和一個低值速度比較，來控制開關(guān)電路1的導(dǎo)通與截止。

（4）該電動機節(jié)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(guān)斷開關(guān)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(yīng)開關(guān)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(yīng)開關(guān)FR1閉合，P1.2引腳變?yōu)榈碗娖?，CPU3接收到P1.2引腳的低電平，控制開關(guān)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(zhuǎn)速。

四、工作原理

該電動機節(jié)電裝置的工作原理如下：

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

當?shù)谝还怆婑詈掀鱍1檢測到晶閘管TV1兩端電壓正向過0時，其發(fā)光二極管從無電流到有電流，光敏三極管從截止到導(dǎo)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(dǎo)通，第三光電雙向晶閘管耦合器Q3的發(fā)光二極管有電流流過，其雙向晶閘管導(dǎo)通，使第一晶閘管TV1雙向?qū)?。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?qū)?，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(zhuǎn)。

電動機空載或輕載時，轉(zhuǎn)速很高，當CPU3檢測到轉(zhuǎn)速超過設(shè)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(fā)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(zhuǎn)速不會突然降為0，而是逐漸下降。

當轉(zhuǎn)速下降到低于設(shè)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(dǎo)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(dǎo)通，第一晶閘管TV1、第二晶閘管TV2在兩端電壓過0時產(chǎn)生門極觸發(fā)信號，都雙向?qū)?，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(zhuǎn)。到達設(shè)定高值時又斷開電動機的電源，如此反復(fù)，大大節(jié)省了電能。

（作者單位：周俊，中山市技師學(xué)院；

陳勁游，中山市供電公司）