摘 要：介绍了复式电动机主控电路应用电器的特性和特点，电器元件的选择原则，主控电路设计要求和原理及原理图，概述电容补偿原理及运行过程。实际表明，电机在负载功率为额定功率的70%－110%时，节能效果显著。
关键词：复式电动机 主控电路的设计
工业上一些电动机工作系统在输入功率不同的情况下，无法改变其输出功率，浪费了大量的电能。为此，设计了复式电机主控电路与双容补偿，可实现大容量电机单独工作、小容量电机单独工作、两台电机同时工作和超负荷停机这几种工作状态的自动切换，使电动机在输入功率变化时自动工作在相应状态下，达到了节能的目的。
一、复式电动机主控电路的设计
大容量电机和小容量电机可以同时运行；大容量电动机和小容量电动机可以分别运行；大小电动机运行过程中，采用电容补偿装置对其进行补偿，补偿其无功功率，提高电动机的功率因数；具有过热过流断相等基本保护装置；主控电路可以由单片机自动根据负载变化实现自动控制起停。
（1）主电路的设计。为了实现对两台电动机的独立拖动主电路可以采用KM1与KM2两个接触器分别控制两台电机的起停。电流互感器CT作为电流采集的元件，其一次绕组中通过电动机的的定子电流，二次测接到微机主板上采样电阻的两端。微机系统中两输出继电器的触点KA1，KA2分别接到主控制回路中与其他元件配合控制电机的运行和停止。根据软件的设置微机自动控制两台电机的工作。
（2）控制电路的设计。控制电路主要是单片机控制低压电器，通过对低压器件的通断来控制高压电路的触点。由电动机的工作原理可知，负载发生变化时，负载电流也会产生相应的变化。由此可以实现当负载电流大于双击容量时，系统停机，当大于大电机容量小于超载时，双击运行。当大于小电机容量小于大电机容量时，大电机单独运行。当小于小电机负载时，小电机单独运行这一状态。
二、原理及原理图
2.1原理
根据电动机工作原理，当负载发生变化时，电机的负载电流会相应的发生变化，因而可以根据负载电流的变化来判断负荷的变化情况。可以预先通过实验确定出各工作状态之间切换的负载临界值，并计算出相对应的电流阈值，将这些电流域值送入单片机，负载电流的变化可以通过电流互感器进行检测。在感应电动机的运行过程中，如果无功功率偏低，将会使功率因数下降。根据感应电机基本的电磁关系，可以得出补偿电容的电流越大，抵消的激磁电流Im越多，功率因数角变小，功率因数变大。为了补偿电动机的无功功率，增大电动机的功率因数，对电动机进行电容补偿。补偿的电容于相应的电机进行并连。同时为了节约成本，降低费用，可以用大小电机所需的电容之差值代替其中一个电容，及小电机工作时，小电容装置对其补偿，大电机工作时两个电容装置一起对其补偿。因为根据电容越大价格越高，这样可以最大限度减低补偿电容成本。该控制柜在实际使用过程中性能稳定，实现了对电机的自动控制，达到了节能的目的，减少了电动机的机械损耗。
图1 主控电路原理图
2.2工作原理
见原理图1。按下起动按钮Q使得线圈C带电，此时常开触点C闭合，从而使得过载保护RA、RB起作用。若转换开关BDA处于闭合时，则电路为手动控制状态。起动后，按按钮T，关掉两台电机。在控制线路表现为常开触点KA1和KA2的闭合与断开。微机系统电源被接通，根据软件设置，微机自动控制两台电机工作。
2.3电器元件的选择
（1）KM1、KM2和C的选择。接触器的选择主要要满足四个要求：接触器的额定绝缘电压要高于主电路的额定电压；额定电流要高于主电路的额定电压；线圈电压要与被控制电路电压符合；触点数要够用且保证电寿命。主电路的电压、电流与电动机的参数有密切的关系，电机的参数，见表1。
（2）电容补偿的原理及实现。感应电动机的运行过程中，如果无功功率偏低，将会使功率因数下降。根据感应电机基本的电磁关系，可以得到向量图[1]。补偿的电容于相应的电机进行串连。同时为了节约成本，降低费用，可以用大小电机所需的电容之差值代替其中一个电容，及小电机工作时，小电容装置对其补偿，大电机工作时两个电容装置一起对其补偿。因为根据电容越大价格越高，这样可以最大限度减低补偿电容成本。
图2 型等效电路及对应向量图
（3）补偿电容的计算与选择。据根电机运行原理，可得到感应电动机空载与负载时激磁电流变化不大，为了便于计算可视为电动机空载，得到简化的向量图。又由感应电动机的基本方程式可以得到型等效电路，见图2。当电容进行补偿时，可以近似地认为电容加载在电压两端，见图3。在等效计算中，由于空载和负载实际励磁电流变化不大，所以电动机近似空载，等效电路可以简化为图4形式，电容中的电流恰为激磁电流的反相量。
载空载情况下，因为，所以
≈0，（1）；≈，（2）；||＝||，（3）；所以||=||，（4）
大容量电机所需电容C1＝，（5）
小容量电机所需电容C2＝，（6）
由电机计算可以得到：Im1＝12.295A，Im2＝7.040A，U1＝400V。带入以上各式可得C1＝614.75PF，C2=352.00PF，差值电容C＝C1―C2＝262.75PF。
设计电路时，可以选择C2与差值电容C这两个电容作为补偿电容，这样可以节约成本。工作原理是，当大电机运行时，C2与C同时为大电机补偿电容。当小电机运行时，由C2对其进行补偿，这样就可以少用一个大电容。通过电容补偿提高了功率因数，而差值电容的应用又节约了成本。
图4 简化后的电容补偿的电路及对应向量图
三、结束语
设计采用容量大小不同的复式电机作为被控对象，在单片机控制下工作在以下几种工作状态：小电机运行、大电机运行、双电机运行、超负荷停车。根据实际负荷状况的变化由单片机控制在不同的工作状态间进行切换，始终使两台电机工作在适当的工作方式下，达到了节能经济的目的。通过双电容补偿装置，补偿了电动机的无功功率，提高了复式电动机的功率因数，同时差值电容的应用又降低了成本，达到了经济实用的目的。
参考文献：
[1]辜承林，陈乔夫.电机学[M].武汉：华中科技大学出版社，2000.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文