济南第一机床厂 刘 森 陈冰雪

微计算机控制三相电动机节电器在机床行业的应用

济南第一机床厂 刘 森 陈冰雪

三相电动机是工业领域广泛使用的能源动力设备。2013年我国电动机保有量达到17亿kW，80%以上是低效电动机，与国外对比电动机效率低3%～5%、系统运行效率低10%～20%。2014年我国电动机耗电约为3万亿kW·h，占全国用电总量的64%和工业用电量的75%。故专家指出：“我国节能的重点是工业领域的节能，而工业领域中，三相电动机的节能又是重中之重。”

目前，采用的稀土永磁节能电动机、变频调速电动机和可控硅触发角电动机节电效果达20%，但价格是普通电动机的3～6倍，不易普及；高效节能电动机略贵，节电效果不理想。

北京优尔特科技股份有限公司于2011年研究开发了节电效能高（普通车床节电40%～50%，数控机床节电20%～25%），价格具有竞争力，同时具备电子刹车功能和柔性启动功能的“微计算机控制三相电动机节电器”。该节电器适用于三相异步电动机为动力的机床、电梯、抽油机、注塑机、输送机、粉碎机、钻探机、面粉机、制砖机、风机、水泵以及空气压缩机等机械设备。

该节电器已使用在宝鸡机床集团公司、宝鸡鑫旺机械厂、宝鸡蔡家坡唯立机械公司、咸阳市周陵机械厂、咸阳市机械厂、陕西汉中机械修造厂、甘肃天水机械制造厂、杭州爱科机械公司、江苏仪征技师学院、江苏真州建筑公司和北京古达仪表有限公司等十几家企业的数百台普通机床、CJK经济型数控机床、铣床和立式钻床上，为批量生产的新型节能机床配套，并为旧机床进行节能改造，最长使用时间超过四年。

技术原理

星三转换是一种传统的电动机起动技术，即电动机起动阶段为星形接法，运转阶段改为三角形接法。

我们自主研发的电动机瞬态有功负载自动测控星三转换节电技术，在国内外首次成功地将星三转换应用于电动机运转阶段。即电动机启动阶段连接“星形”，运转阶段并不转为“三角形”，而是转入实时监控、自动调整状态。当监控到实时负载小于电动机额定功率1/3以下，自动适配为星形接法，即“小马拉小车”；当监控到实时负载大于电动机额定功率1/2以上，自动转入三角形接法，即“大马拉大车”。如此不断自动监控跟踪的结果，令电动机的星形或三角形接法总是随着设备的负载轻重自动适配。

机床在设计电动机容量时，是以将来能够遇到的最大可能性负载为依据。从概率论的角度出发，在实际生产中机床的多数时段处于轻载状态，少数工况处于重载状态。于是机床电动机运行中原设计的稳定三角形接法，多数时段便形成“大马拉小车”的能源浪费。节电技术令机床电动机多数轻载时段自动连接星形，少数重载时段自动连接三角形。由于星形状态下电动机电流仅有三角形状态的1/3，因而产生的无效热损耗也仅有三角形状态下的1/3，节省了近2/3的无效热损耗用电，减少了机床按照最大可能性能耗设计电动机动功率所造成的能源浪费。

该技术与变频器相比，变频器适用于电动机转速可调的设备范围，节电器适用于无须电动机变速的设备范围，各有不同的适用领域。

关键技术

1. 瞬态有功功率测量模块

该节电器在星三转换原理基础上，自主研发出国内独创的取样信号——瞬态有功功率测量模块，用于精确测量电动机瞬态负载功率，测量周期快达15ms（毫秒），测量精度高达千分之一，以控制星形与三角形准确地自动切换。

该关键技术实现了节电器的第一节电途径：电动机瞬态有功负载自动测控星三转换节电。

2. 电动机起动识别模块

该模块自动检测电动机启动完成时间点，启动完成后迅速进入“节电运行监控状态”，以对随时发生的负载变化工况做出快速反应。以此技术，实现了普通机床只在有效切削时段电动机运转，非切削的辅助时段电动机停转，从而又节省了部分电能。

该关键技术实现了电动机柔性启动功能及节电器的第二节电途径：设备辅助时段电动机停转节电。

3. 刹车电流、时间和转速三重自动反馈模块

一是稳定刹车力量；二是通过该模块自动识别刹车结束时间同步停止刹车使能；三是实时监控主轴转速，向软件模块提供自动控制的转速数据。

该关键技术实现了节电器的电子刹车功能。

图1　计算机控制三相电动机通用节电器基本结构图

辅助技术

1. 电动机规格识别软件模块

使用本机操作面板上的显示屏与按键，只要输入该设备电动机铭牌上标定的额定功率与额定电流二项数据，计算机所有软件程序就自动按此数据运行。以此技术，本节电器可自动适配4~315kW范围内的任一款三相异步电动机。

2. 电动机保护功能软件模块

具有电流过大报警、电子热继电器报警、电路断线报警、电压过高报警、电压过低报警、缺相报警、相序正反报警、温度监控报警等电动机保护功能软件模块。一旦发生任一种危险，计算机立即切断强电，同时给出报警代号指示问题所在。

3. 电动机起动与运行静音软件模块

清除了电动机起动或运行中瞬时有功负载处于临界状态的频繁跳转现象，几乎全部处于静音运行。

4. 故障一键恢复按钮功能

节电器一旦损坏，只要按下故障一键恢复按钮，机床便与节电器分离，改为不节电的原先强电电路运行，不耽误生产企业机床使用。

实体结构、电路

节电器长0.10m、宽0.24m、高0.13m，质量是1.2kg。

主要技术指标

电源范围： 380V +10% ～–15% （320～420V）。

电动机范围：4～315kW三相异步电动机。

负载特性：适配于平均负载率小于40%的设备。

节省有功电能：应用于普通车床节省有功电能40%～50%；应用于经济型数控机床，节省有功电能20%～25%。

节省无功电能：应用于普通机床和经济型数控机床，节省无功电能60%以上。

信号精度：有功功率瞬态测量模块取样电动机信号精度0.1%，没有其他附加误差，可精确控制电动机星三转换节电的稳定运行。

图2　计算机控制三相电动机通用节电器总成结构图

技术鉴定、获奖情况

（1）获得六个实用新型专利和两个软件著作权，两个发明专利已通过初审。

（2）入选北京市发改委《北京市2014年节能低碳技术产品推荐目录》（京发改（2014）1231号）。

（3）入选国家发改委2015年《国家重点节能低碳技术推广目录》。

（4）2015年获得国家质检总局中国质量认证中心的“节能技术认定证书”（CQC认证）。

（5）获得北京市科委、北京市发改委等六家单位核发的2015年“新技术新产品（服务）认定”证书。

图3　电路流程图

（6）分别获得北京节能环保中心的《节能测试报告》和陕西西安节能监察监测中心为宝鸡机床厂等两家使用节电器单位出具的《节能测试报告》。

（7）公司获得ISO9001认证和高新技术企业认证。

产品特点及优势

1. 回转直径≥400mm的普通车床有两种节电途径，节电率高

安装该节电器前，原机床电动机额定功率7.5kW，运转时一直处于三角形连接；安装节电器后，电动机运转时多数工况下自动处于星形连接。通过电动机瞬态有功负载自动测控星三转换技术实现20%左右的节电率，为第一节电途径。

西安节能监察监测中心为使用节电器的两家单位进行节能测试，出具的《测试报告》显示第一节电途径的节电情况如下：

宝鸡机床集团公司，一台机床单位时间节电0.46kW·h，负载工况下，节电率达到39.32%。咸阳周陵机械修造厂，一台机床单位时间节电0.5kW·h，负载工况下，节电率达到31.45%。

国产C6140~C61100等规格普通车床，上班开机主电动机连续运转8h，即上活、下活、测量、换刀等辅助工序电动机仍旧处于运转状态。这些辅助工序，约占20%的工作时间。安装节电器后，电动机辅助工时持续运转改为电动机停转，又节省20%左右的用电，形成第二节电途径。

该《测试报告》显示第二节电途径的节电情况如下：

宝鸡机床集团公司，一台机床单位时间节电0.81kW·h，空载工况下，节电率达到64.29%。咸阳周陵机械修造厂，一台机床单位时间节电0.98kW·h，空载工况下，节电率达到66.22%。

《测试报告》结论：“宝鸡机床集团公司，每小时节电0.56kW·h，综合节电率达到46.67%。咸阳周陵机械修造厂，每小时节电0.65kW·h，综合节电率达到41.67%。”

两家公司平均综合节电率达到44.17%。两种节电途径的叠加结果令其综合节电率达到很高的数值。

通常情况下，电动机额定功率越大节能效果越显著。

2. 三位一体的多功能节电器属国内首创

该节电器除了节电功能外，还兼具电子柔性启动与电子刹车制动这二项功能，是具有三位一体功能的节电器，为北京优尔特公司自主创新的技术产品，目前国内独一无二，为国内同行业的技术领先性产品。

3. 具有高度稳定性的通用节电器

优尔特公司研发的整套计算机逻辑控制体系，通过集成信号采集、人机界面、软件模块、控制电路等智能化控制技术，使之适配机床主轴的柔性启动、节电运行、电子刹车等实用操控功能。具有高度的稳定性，无须现场派人调试参数，特别适合机床制造厂形成新型节能机床的大批量生产。

该节电器也适用于只有单一转速或者几个相近转速，或传动系统简洁，或负载大小变化甚少，诸如电梯、抽油机、皮带输送机、粉碎机、注塑机、钻探机、空气压缩机等简单机械的节电配套。

4. 将回转直径≥400mm普通机床刹车和柔性摩擦离合机构变为计算机控制的运转系统

普通机床原有刹车和柔性启动均为摩擦离合机械机构，由于机械磨损功能逐渐劣化，需要经常人工保养、维修和调整。安装该节电器后，替换掉构成原刹车制动和摩擦离合启动的38种机械零配件，原机械结构变为计算机控制的智能化技术结构，免除了日常保养、维修和调整工作量，极大地提高了机床的稳定性，也不改变工人以往操作机床的习惯。

5. 性价比高

该节电器应用于中功率电动机每千瓦售价100元，应用小功率电动机每千瓦售价200~300元。

配套机械式柔性启动与刹车系统的C6140~C61100普通车床和CJK6140~6266经济型数控机床，采用该节电器替换原机械系统后，增加了节电功能，不新增生产企业成本，还节约了原结构因机械磨损产生的日常维修费用。

该节电器安装在普通机床上，双重节电途径的叠加使之平均节电率达到40%~50%的高效。用户改造回转直径≥400mm普通机床，年节约电费1 500~2 000元，当年回收改造费用。

与国内同类节电器比较，该节电器性价比好，具有价格优势，节能又节钱，企业投资回收期短，具有良好的市场竞争力。

采用该节电器可解决国内数以千万台在使用的普通三相电动机机械设备的节能问题，避免了淘汰现有高耗能电动机造成的巨大浪费，具有显著的社会效益和经济效益。

采用不产生任何新谐波分量的结构设计。□

作者简介：刘森，原济南一机床集团有限公司副总经理；陈冰雪，北京优尔特科技股份有限公司总工程师。