基于單片機的三相異步電動機節(jié)能控制方法的研究.doc

基于單片機的三相異步電動機節(jié)能控制方法的研究 基于單片機的三相異步電動機節(jié)能控制方法的研究學生姓名： 指導教師： 所在院系： 所學專業(yè)： 研究方向： 摘要三相交流異步電動機是一種將電能轉化為機械能的電力拖動裝置。它主要由定子、 轉子和它們之間的氣隙構成。對定子繞組通上三相電源后，產生旋轉磁場并切割轉子,獲得轉矩。三相交流異步電動機具有結構簡單、運行可靠、價格便宜、過載能力強及使用、安裝、維護方便等優(yōu)點，被廣泛應用于各個領域。但在很多行業(yè)中電動機的使用并不合理，電機常常工作在輕載甚至空載狀態(tài)下，這使得電動機的功率因數(shù)和效率很低， 不僅浪費了大量電能，而且降低了電網的供電質量。本論文重點研究：電機輕載時降低定子電壓提高功率因數(shù)的電機節(jié)能方式。調壓節(jié)能的主回路一般都采用晶閘管調壓電路由六只兩兩反并聯(lián)的晶閘管組成，串接于電動機的三相供電線路上。用單片機控制晶閘管觸發(fā)角的大小，調節(jié)交流電動機定子電壓以減少電機的鐵損及勵磁電流，從而提高功率因數(shù)及運行效率。關鍵詞：三相異步電動機 調壓節(jié)能 單片機 晶閘管AbstractThree-phase ac induction motor is a kind of energy into mechanical energy of electric drive device. It mainly consists of stator and rotor and between them the air-gap constitutes. General of the stator winding, after three phase power of rotating magnetic field generated and cutting rotor, obtain torque. Three-phase ac asynchronous motor has simple structure, reliable operation, price cheap, overload ability and use, installation, maintenance convenience etc, are widely used in every field. But in many industries motor use did not reasonable, motors often work in light load even under no-load condition, which makes motor power factor and efficiency is very low, not only wastes a lot of energy, and reduces the grid power supply quality. This paper focuses on the research: motor stator voltage decrease when light load of motor improving power factor. Energy way The surge of main loop energy commonly pressure regulating circuit using thyristor by six two LiangFan parallel thyristor composition, strung meet in the three-phase power supply lines motor. Using single-chip microcomputer control thyristor trigger Angle alpha size, adjust ac motor stator voltage to reduce the iron loss and motor excitation current, so as to improve the power factor and operation efficiency. Key words: Three-phase asynchronous motor Microcontroller Pressure regulating energy-saving Thyristor 目錄摘要IAbstractII1.前言11.1節(jié)能的必要性11.2電動機節(jié)能控制的基本方法22.異步電機損耗分析及調壓節(jié)能基本原理52.1 交流異步電機的能耗與效率的分析52.1.1能耗分析52.1.2電機的功率關系62.1.3效率與功率因數(shù)關系82.2降壓節(jié)能原理92.2.1降壓節(jié)能概述92.2.2不同負載情況下的降壓節(jié)能分析92.2.3異步電動機降壓節(jié)能估算132.2.4降壓節(jié)電實用場合143.節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設計153.1節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案設計153.1.1開關元件的選擇153.1.2主控芯片的選擇163.1.3片機最小系統(tǒng)173.1.4供電電源的設計183.2系統(tǒng)主要功能模塊電路設計193.2.1復位電路設計193.2.2 功率因數(shù)檢測電路設計203.2.3 電壓電流檢測電路設計223.2.4觸發(fā)電路設計233.2.5三相不平衡保護電路設計243.2.6鍵盤及顯示電路設計253.3系統(tǒng)的硬件抗干擾技術264.系統(tǒng)舉例與分析284.1檢測目的284.2 接線圖284.3空載時降壓對電機功率因數(shù)的影晌294.4不同負載率下電效果295.總結31參考文獻32致 謝33- IV -1.前言1.1節(jié)能的必要性在世界范圍內，21世紀潛伏著嚴重的能源危機，資源的消費速率遠遠超過了資源的再生能力，有限的儲量和無限的需求使發(fā)生全球性能源危機的可能性一直存在。石油、天然氣、煤炭等可燃礦物燃料占世界能源消費的90%以上，這些億萬年生成的地下資源儲量有限，與消費速率相比是不可再生的，資源耗盡是不可避免的。能源短缺的后果極其嚴重，它不但可能導致能源危機和引發(fā)經濟危機，甚至釀成國際軍事沖突。20世紀50一60年代以發(fā)達國家為主體的西方世界實行的能源“流體化革命”，為它們的經濟發(fā)展帶來了空前的繁榮。20世紀70年代以來，以發(fā)達國家為主體的西方世界，組建了多種國際能源和環(huán)保機構，彼此磋商，相互協(xié)調，不斷調整能源戰(zhàn)略，非常引人注目的把節(jié)約能源置于突出地位，并制定了一系列法規(guī)、標準和政策，推動能源開發(fā)和能源節(jié)約，鼓勵節(jié)能研究和開發(fā)高新節(jié)能產品，強化民眾的節(jié)能意識和環(huán)保意識，大力培育節(jié)能市場，特別是積極研究更適應可持續(xù)發(fā)展要求的資源配置方法和管理方式。隨著我國工農業(yè)生產的迅速發(fā)展，電能的需求量越來越大，開發(fā)和節(jié)約能源已成當務之急。交流異步電動機，由于其結構簡單、制造方便、價格低廉、堅固耐用、運行可靠、很少需要維護及可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，在工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、國防軍事和日常生活中得到了廣泛的應用，當前的大部分的工業(yè)拖動都是以交流異步電動機作為動力，包括風機、水泵、油泵、壓縮機等，其耗電巨大，特別是石油化工行業(yè)，風機泵類的耗電量占其總耗電量的so%以上。這些異步電動機一般都是按照設計的負載進行選擇的，但在實際使用中，大都經常處在輕載，甚至在空載下運行。因此，“大馬拉小車”的現(xiàn)象幾乎是很普通的，如煤礦常用的膠帶輸送機、刮板機、絞車、壓風機、機床等設備在大部分運行時間中，電動機的負荷變動都較大，其平均輸出功率與最高輸出功率之比一般為0.30.4，有的還更低。電動機的負載率低，效率不高，電能的浪費現(xiàn)象十分嚴重。1996年國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)字表明，我國全國年發(fā)電量的60%為各種電機設備所消耗，其中ookw以內的中小功率異步電動機耗能占總電機耗能的70%，即消耗了4200億度電。按我國今年國家規(guī)定0.5元瓜wh的電價計算，其折合人民幣210億元如果這些異步電動機能夠節(jié)電10%，就可節(jié)約21億元人民幣。2002年家電力部統(tǒng)計數(shù)字表明，火力發(fā)電每kwh需投資約1元;三峽水電每kwh需投資約1.13元，建設周期13一17年;核電每kwh需投資2一3元:其他能源(人陽能、風能海洋能等)每kwh需投資3一5元。若僅按中小功率異步電動機節(jié)電10%計算，其年節(jié)電量相當于三峽電站的半年發(fā)電量，可節(jié)約國家投入電站建設資金50億元左右，為國家節(jié)約大量能源和費用。因此在目前我國工業(yè)生產不斷發(fā)展，能源日趨緊張，環(huán)保要求日趨高漲的情況下，提高電機運行效率可以極大緩解能源緊張狀況，提高國民經濟效益，具有十分重要的現(xiàn)實意義。1.2電動機節(jié)能控制的基本方法異步電動機運行時，一般有三種方式可以達到節(jié)能的目的：一是變頻節(jié)能；二是降低定子電壓節(jié)能；三是優(yōu)化電動機本體設計節(jié)能。本論文將重點研究：電機輕載時降低定子電壓提高功率因數(shù)的電機節(jié)能方式。調壓節(jié)能的主回路一般都采用晶閘管調壓電路由六只兩兩反并聯(lián)的晶閘管組成，串接于電動機的三相供電線路上，如圖1.1所示。用單片機控制晶閘管觸發(fā)角的大小，調節(jié)交流電動機定子電壓以減少電機的鐵損及勵磁電流，從而提高功率因數(shù)及運行效率。 圖 1.1 晶閘管調壓主電路為了提高電機的工作效率，多年來世界各國從電機的設計制造、電機的選擇使用、電網供電管理等幾個方面入手，作了大量研究工作，取得了較好的成果。其中從電機的設計制造方面人手，開發(fā)出了高效節(jié)能電動機，使效率顯著提高，可大量節(jié)能。但這種電機造價較高，而且經濟效果較大地取決于負載的情況，即對于長期工作于額定負載、連續(xù)運行的應用場合，其節(jié)能效果能達到最佳。但對大多數(shù)電機用戶來說，怎樣使現(xiàn)有設備上的電機工作于效率較高的狀態(tài)顯得更為現(xiàn)實。在我國，根據(jù)統(tǒng)計分析，風機泵類機械設備每年耗電量占全國發(fā)電量的31%其中變負荷運行占70%，僅上海的總負荷容量為40一50萬kw，如果調速節(jié)能，每年可以節(jié)能6億kwh，相當于一臺10萬kwh火電機組的年發(fā)電量?？梢娖涔?jié)能潛力巨大，這是在各種節(jié)能改造中經濟效益最好的方法。國外從六、七十年代就開始了中小型異步電動機的節(jié)能研究，1975年美國宇航局工程師FraJ吐Nola為減少航天飛機上泵和風扇能耗而研制的功率因數(shù)控制器，即在定子電壓一定的情況下，只要負載率小于額定負載率，交流異步電動機的功率因數(shù)基本是和它的負載率成一一對應的關系。這種裝置的工作原理是通過檢測功率因數(shù)作為控制輸入電壓信號，并通過該類裝置控制定子端電壓來調節(jié)輸入功率，使其隨負載的變化而變化。該類裝置空載時節(jié)電率為40%左右，總節(jié)電率大致為20%左右，功率因數(shù)得到改善。調速技術在當今得到充分的發(fā)展和很好的應用。從本質上講只有兩大類:一是不改變電機中的旋轉磁場的同步轉速ns而調節(jié)轉差率s，這種調速方法簡單，設備價格便宜，易于維護，所以廣泛應用于一些調速范圍不大，電機容量較小的場合。例如:晶閘管調壓調速、轉子串電阻調速;另一類是調節(jié)電機的旋轉磁場的同步速度ns，例如:變頻調速、變極調速等。從控制性能和控制方法來說，變頻調速節(jié)能是最有前途的控制方法，發(fā)展也較快，例如PWM控制、直接轉矩控制、矢量變換控制等方法的應用使電動機的運行性能得到很大的提高。在發(fā)達的國家其在調速中占主要地位，但是在我國應用緩慢，主要原因是由于價格太貴，以調查數(shù)據(jù)表明:三相異步電動機在容量、規(guī)格、性能和重量相似的情況下，中國的電動機產品價格是西歐的1/3一1/5，而變頻器的價格卻是西歐的3一5倍;另外我國的電力電子器件和變頻器制造技術也與國外有差距，產品合格率低，故障率高，維修困難;當設備的運行性能要求不高時，變頻器節(jié)能的優(yōu)點也難以體現(xiàn)。當改變電動機定子的輸入電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得不同的轉速。其主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，自動地改變電源電壓以適應負載的要求。晶閘管調壓調速線路簡單，運行可靠，維護方便。非常適合于變負載類系統(tǒng)節(jié)能改造。特別是高壓大電流地可控硅元件的發(fā)展應用，使調壓調速的閉環(huán)控制實現(xiàn)容易。這方面的研究也正在得到深入的研究。其中，改變輸入電壓節(jié)能的一個關鍵電力電子器件的性能對節(jié)能控制器的發(fā)展有直接的影響。電力電子技術是以實現(xiàn)功率變換、能量傳遞為主要任務的現(xiàn)代工業(yè)電子技術，其應用貫穿在電能的獲取、傳輸、變換和利用的每一個環(huán)節(jié)，發(fā)揮著不可替代的重要作用。近年來，電力電子技術得到迅猛發(fā)展，通過電力電子技術處理的電能在整個國民經濟總耗電量中所占的比例越來越大，發(fā)達國家現(xiàn)在電能的75%左右經過電力電子技術變換和控制后使用。電力電子技術已取得十分輝煌的成就，但它仍是一門方興未艾的技術。電力電子器件的制造技術是電力電子技術的基礎，電子電子器件制造技術的每次重大進步都對電力電子技術的發(fā)展產生深遠影響。迄今為止，用于制造電力電子器件的材料都是硅半導體材料。對于新的材料，如碳化硅等材料的研究已經進行多年，不久的將來可能回取得突破，采用碳化硅制成的電力電子器件壓降小、損耗小、耐壓高，并且可以承受的溫度也遠高于硅材料。因此，碳化硅材料器件的應用將使電力電子器件和裝置的功率密度大幅度提高，性能大為改變，會給電力電子技術帶來革命性的變化。以晶閘管(scR)組成的變壓變流裝置，解決了傳統(tǒng)電能變換裝置中存在的能耗大、效率低和裝置笨重問題，一定程度上控制了工業(yè)噪聲。裝置的壽命也延長了。它的額定容量是所有電力半導體器件中最高，價格同規(guī)格相比最低，所以大容量控制中得到充分的應用。因此，有必要自行研制適合我國國情的國產節(jié)電器以滿足市場對節(jié)電產品的迫切要求。研制中除了借鑒國外產品成功經驗外，還要針對其不足和我國電網不穩(wěn)，負載波動大，電動機空載率高等具體情況，利用先進的人工智能技術和微處理技術，開發(fā)出節(jié)電效果較好的產品來。2.異步電機損耗分析及調壓節(jié)能基本原理 2.1 交流異步電機的能耗與效率的分析2.1.1能耗分析 異步電動機在運行中產生的各種損耗，主要分為鐵損耗、機械損耗、銅損耗及雜散損耗。2.1.1.1銅損耗(Pcu)電動機的銅損耗包括定子銅損耗Pcu1，和轉子銅損耗Pcu2。它們是由定子電流和轉子電流流過定子、轉子繞組而產生的。 (2-1)式中，R1為定子每相電阻;I1為定子每相電流。 (2-2)式中，S為轉差率;Pe為電磁功率。2.1.1.2鐵損耗(PFe) 電動機的鐵損失包括磁滯損失和渦流損失，它是鐵芯在磁場中受交變磁化作用產生的。 (2-3) 式中，k為常數(shù);f為電源頻率;B為磁通密度。 由于 (2-4)式中，為磁通量; E1為定子繞組的感應電動勢U1為定子繞組的相電壓。 所以可以認為，鐵損與端電壓的平方成正比。由于轉子電源頻率很低(一般只有1一一3Hz)，轉子鐵芯的損耗很小，因此可以認為:從空載到額定負載的范圍內，電動機的鐵損耗PFe，僅是定子鐵芯損耗。 2.1.1.3機械損耗(P) 電動機的機械損失包括通風損失和軸承摩擦損失。對于繞線式異步電動機而言，還包括滑環(huán)與電刷之間的摩擦損失。通風損失大約和空氣流通速度的立方成正比。一般說來，對于某一確定的在用電動機，可認為其機械損失為常量。2.1.1.4雜散損失(P) 電動機的雜散損耗包括鐵雜損耗和銅雜損耗。鐵雜損耗發(fā)生在定子與轉子的齒中，是由于齒磁通在轉子旋轉時發(fā)生脈動而產生的，通常稱為脈動損耗或表面損耗?？山普J為:鐵雜損耗與外加電壓的平方成正比。銅雜損耗是由于高次諧波磁勢的影響產生的?？山普J為:銅雜損耗與電流的平方成正比，隨負載的變化而變化。 可見，雜散損耗部分取決于電壓，部分取決于電流。對于感應電動機來說，銅雜損耗是主要的，約占電動機雜散損耗的70%一90%。感應電動機雜散損耗可由測功機法、回饋法、反轉法測得。它在總損失中占的比例很小。在小型鑄鋁轉子籠型感應電動機中，滿載下雜散損失可達輸出功率的1%一3%，在大型的感應電動機中，雜散損失一般為輸出功率的5%。2.1.2電機的功率關系當異步電動機以轉速n穩(wěn)定運行時，從電源輸入的功率為P1 (2-5)其中:U1為定子相電壓，I1為定子相電流;cos1為定子邊功率因數(shù)。定子邊銅損耗為: (2-6)其中:r1為定子相電阻。 正常運行情況下的異步電動機，由于轉子轉速接近于同步轉速，氣隙旋轉磁B與轉子鐵心的相對轉速很小，再加上轉子鐵心和定子鐵心同樣是用0.5mm厚的硅鋼片(大、中型異步電動機還涂漆)疊壓而成，所以轉子鐵損耗很小，可忽略不計，因此電動機的鐵損耗主要為定子鐵損耗，即: (2-7)其中:PFe為電動機鐵損，PFe1為定子鐵損，IO為勵磁電流，rm為勵磁電阻。由三相異步電機的T形等值電路可以看出，如圖2.1所示:圖 2.1 三相異步電機T型等值電路傳輸給轉子回路的電磁功率PM等于轉子回路全部電阻上的損耗。 (2-8)電磁功率也可表示為 (2-9)其中為轉子的內功率因數(shù)。轉子銅損耗: (2-10)電磁功率PM減去轉子繞組中的銅損耗Pcu2就是等效電阻上的損耗。這部分等效損耗實際上是傳輸給電機轉軸上的機械功率，用Pm表示。它是轉子繞組中電流與氣隙旋轉磁密共同作用產生的電磁轉矩，帶動轉子以轉速n旋轉所對應的功率: (2-11) 轉子的機械功率Pm減去機械損耗Pm和附加損耗Ps，才是轉軸上真正輸出的功率，用P2表示: (2-12)可見異步電機運行時，從電源輸入電功率P1到轉軸上輸出功率P2的全過程為: (2-13) 從以上功率關系定量分析中看出，異步電動機運行時電磁功率、轉子回路銅損耗和機械功率三者之間的定量關系為: (2-14)由式說明，若電磁功率一定，轉差率s越小，轉子回路銅損耗越小，機械功率越大2.1.3效率與功率因數(shù)關系 電動機的效率是指電動機的輸出功率和輸入的有功功率之比，電動機的功率因數(shù)是指電動機的輸入的有功功率和輸入的視在功率之比。在額定條件下，電動機運行的功率、損耗、效率和功率因數(shù)之間的關系為:電動機的輸出機械功率如公式(2-14)所示，電動機的效率為: (2-15)功率因數(shù)為： (2-16)從上面式中可以看出，電動機的效率和功率因數(shù)有關。電動機對應不同的負載率，效率和功率因數(shù)的數(shù)值是變化的，在額定負載率左右，可達到最高運行效率和較高的功率因數(shù)，不同的負載率下，電動機效率和功率因數(shù)曲線見下圖所示:圖 2.2 不同負載率下效率與功率因數(shù)關系曲線2.2降壓節(jié)能原理2.2.1降壓節(jié)能概述 對于滿載或重載運行的電動機，降低其端電壓將會造成嚴重后果，隨著端電壓的降低，電動機的磁通和電動勢隨之減小，鐵耗無疑將下降。但與此同時，隨電壓平方變化的電動機轉矩也迅速下降而小于負載轉矩，電動機只能依靠增大轉差率，提高電磁轉矩以達到與負載轉矩相平衡的狀態(tài)。轉差率的增大，引起轉子電流增大，同時引起定子和轉子電壓間的相角增大，導致定子電流增大，從而使定子和轉子銅耗增加值大大超過鐵耗的下降值，這時電動機繞組溫升將會增高，效率將會下降，甚至發(fā)生電動機燒毀事故。因而，一般規(guī)程都規(guī)定了電動機正常運行時電壓變化范圍不得超過額定電壓的95%110%。 然而對于輕載運行的電動機，情況就截然不同，使供電電壓適當降低，在經濟上是有利的。這是因為在輕載運行時，電動機的實際轉差率大大小于額定值，轉子電流并不大，在降壓運行時，轉子電流增加的數(shù)值有限。而另一方面，卻由于電壓的降低，使空載電流和鐵損大幅減少。在這種情況下，電動機的總損耗就可降低，定子溫升，運行效率和功率因數(shù)同時得到改善。由此可見，電動機的運行經濟性與電動機負載率同運行電壓是否合理匹配關系極大。2.2.2不同負載情況下的降壓節(jié)能分析 根據(jù)異步電動機所驅動負載的工作特性，可以將負載分為兩類:恒轉矩負載和變轉矩負載。恒轉矩負載是指負載對電動機的阻轉矩兀相對于電動機轉速n近似為常數(shù)。例如切削機床、傳送機、吊車等。變轉矩負載是指負載對電動機的阻轉矩兀相對于電動機轉速。有較大變化。例如風機，水泵等。對于這類負載其阻轉矩T2可用下式表示: (2-17)其中:TN為負載的額定轉矩;s為轉差率。(l)恒轉矩負載損耗分析異步電動機的輸出轉矩和輸出功率有如下關系: (2-18)其中:P2為電機輸出功率;n為電機轉速。 對于三相異步電機，調整定子電壓時電動機的速度變化很小，因此由上式可以認為電動機的輸出功率幾乎不變。異步電機端電壓變化時，鐵耗與電壓平方成正比。且有如下關系成立: (2-19)其中:PFe為電動機在實際電壓下鐵耗;P0為電動機在額定電壓時的空載損耗;P為電動機的機械損耗; 為電動機的調壓比;U1為電動機實際定子電壓；UN為電動機額定電壓。電機銅耗與電流平方成正比，并且有下式成立: (2-20)其中:Pcu為電動機的實際銅耗;PN為電動機的額定功率;N為電動機的額定效率; 為電動機的負載系數(shù);P2為電動機輸出機械功率。 對于恒轉矩負載調壓時幾不變，負載系數(shù)為定值，這時若電動機的端電壓降低，則銅耗按比例增大，而鐵耗按比例減小。這樣必然存在一個電壓值，使得電機在此電壓下運行時，總的損耗最小。這一電壓稱為在該負載系數(shù)下的最佳運行電壓，記為U1op。相應的電壓比稱為最佳電壓比，記為Kuop。設電動機額定電壓下運行時的總損耗為p，任意電壓下運行時的總損耗為pu，則有： (2-21) (2-22)定義對于在某一負載系數(shù)下運行的電動機，顯然當KP越小，節(jié)電效果越顯著。令可求得在此負載系數(shù)下的最佳調壓比Kuop； (2-23)令： (2-24)由以上分析可以得出如下結論:1.最佳調壓比Kuop與電動機額定運行時的耗損分布有關，一般異步電動機有即，也就是說額定運行時銅耗大于鐵耗，電動機并非運行于損耗最小狀態(tài)。2.當電動機滿載運行時，其最佳調壓比時，但其值不能大于1.1。3.只有當負載系數(shù)時，降低電壓才有節(jié)電意義，且負載系數(shù)越小，降壓節(jié)電效果越好。4.a值越接近1(額定運行時的鐵耗越接近銅耗)的異步電動機，采用降壓節(jié)電的效果越好。綜合以上分析，對于恒轉矩負載，調壓節(jié)能主要是減少電動機的鐵耗和銅耗，以提高電動機的效率。(2)變轉矩負載損耗分析 變轉矩負載的工作特性可用圖所示:圖 2.3 變轉矩負載工作特性曲線如圖2.3所示，當流量為額定值fA，轉速為額定值n1時，阻力為曲線R1，負載工作于A點;這時的負載輸入功率(電機的輸出功率)可以用四邊形APAofA的面積表示。當輸出流量降為fB，如果仍然全壓運行，則系統(tǒng)工作于B點，此時電動機輸出功率用四邊形BPBofB的面積表示。可見輸出功率P2略有下降。 如果當負載率降低時，相應降低端電壓，電機轉速降為n2，負載工作于c點。這時在保證流量的前提下，電動機輸出功率大幅下降，用四邊形CPcofB面積表示。綜上所述，對于變轉矩負載，降低端電壓不僅可以降低電動機本身的鐵耗和銅耗，而且輸出功率的降低進一步減小了電動機的輸入功率，節(jié)能率更高?；蛘呖梢岳斫鉃榻档碗妱訖C端電壓同時提高了電動機本身和負載的效率。2.2.3異步電動機降壓節(jié)能估算 在恒定負載長期輕載運行時，不宜采用降低端電壓而應更換小容量電機。需注意的是：降低定子端電壓并不顯著降低電機轉速，即電機轉差率在允許范圍之內；確定允許降壓系數(shù)值，降壓系數(shù)確定不準確就不會達到比較滿意的效果。根據(jù)不同負載率，電動機損耗最小原則的降壓系數(shù)： (2-25)式中K系數(shù)為：表 2.1 K的取值2級4級6級以上0.150.250.3計算公式： (2-26) 式中：負載率，且，0.150.30。節(jié)省有功功率： (2-27)節(jié)省無功功率： (2-28)式中：Q0電動機空載無功功率。2.2.4降壓節(jié)電實用場合（1）變負載機械，例如膠帶輸送機、粉碎機、磨煤機及各類機床。如果電機運行在=10%左右，降壓運行后，除節(jié)能效果顯著外，還可以降低溫升。（2）周期性工作制的機械負載持續(xù)率FC%(國外用ED%表示) (2-29)FC%愈小，節(jié)電效果愈大。 （3）電動機本身的空載電流較大，或者電網電壓偏高的場合也很適宜降壓節(jié)電運行。綜上所述，降低端電壓有利于電機經濟運行，提高效率，改善功率因數(shù)。三相正弦電壓不同降壓系數(shù)Ku下的電動機效率如圖2.7所示。從圖2.7中曲線可見，輕載時，降低定子端電壓，可以提高電動機效率，但必須降壓合適，否則就不能達到節(jié)能效果。 圖2.7 正弦波調壓時效率曲線3.節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設計 本章是異步電機節(jié)能控制器的硬件設計部分，也是本文的重點之一。在前面理論分析的基礎上，詳細而全面進行了關鍵硬件電路模塊的設計，并對硬件的抗干擾進行了詳細分析。3.1節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案設計 控制器通過對異步電機相電壓與相電流的過零點檢測，計算出異步電機的功率因數(shù)角，經過主控制芯片的處理，由HSO輸出觸發(fā)脈沖，控制雙向晶閘管的導通角，達到降壓節(jié)檢測、觸發(fā)電路、雙向晶閘管電路及控制器供電電路等，此外還有用于顯示與操作的LED顯示電路及鍵盤、斷相保護電路、過壓過流保護電路等。其系統(tǒng)組成如圖所示:圖3.1 系統(tǒng)結構框圖 3.1.1開關元件的選擇 系統(tǒng)控制主開關元件選用可控硅，其優(yōu)點為:可控硅為自關斷器件，由于它電流過零自動關斷，沒有強迫電流存在，電路中不存在由于電感的影響而產生的高次諧波，這是它優(yōu)于變頻的特殊之處。當前可控硅生產技術成熟，性價比高，控制電路簡單、可靠、維護維修方便。由于主開關元件是硬件設備里成本最高的部分，選用可控硅，使研制的控制器的總成本較低，市場易于接收。3.1.2主控芯片的選擇 隨著微電子工藝水平的提高，近十余年來單片機有了飛躍的發(fā)展。世界上著名的集成電路芯片制造商紛紛推出各自的產品，其型號之多，已達到了難以統(tǒng)計的地步。 目前，市場占有率最大的廠商是世界著名的芯片制造業(yè)巨頭Intel公司，其推出的MCS一51系列單片機最先進入我國，成為我國當時市面上用得最廣的單片機。雖然后來還有Philips公司、siemens公司、Motorola等公司推出的單片機陸續(xù)登陸我國，但直到現(xiàn)在，Intel公司推出的MCS一51、MCS一96系列單片機依然占據(jù)了我國大半個市場。比較而言，MCS一96系列單片機是16位單片機，在運算性能及實時性方面有很大的優(yōu)勢，MCS一96系列單片機在以下幾個方面提高了系統(tǒng)的實時性: (l)采用CHMOS工藝，內部進行2分頻，具有更高運算速度，主頻高達50MHz。CPU的算術邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結構，改用寄存器一寄存器結構，CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了一般CPU結構中存在的累加器的瓶頸效應，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。 (2)256字節(jié)單元中，24字節(jié)是專用寄存器，其余232字節(jié)均為通用寄存器(18H一OFFH)或片內存儲器(100H一255H)。其通用寄存器數(shù)量遠比一般CPu的寄存器數(shù)量多。這樣就有可能為各中斷服務程序中的局部變量指定專門的寄存器，免除了中斷服務過程中保護寄存器現(xiàn)場和恢復寄存器現(xiàn)場所支付的軟件開銷，大大方便了程序設計。 (3)有一套效率更高、執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)?？梢詫Х枖?shù)和不帶符號數(shù)進行操作:16位乘16位指令的執(zhí)行時間為:1.4us一6.25us(對不同型號的芯片)，32位16位指令的執(zhí)行時間為2.4us一6.25us;還有符號擴展、數(shù)據(jù)規(guī)格化(用于浮點計算中)等指令。此外，3操作數(shù)指令大大提高了指令效率。 除此之外，80Cl96KB單片機還集成了更為豐富的外設裝置。概括現(xiàn)有資料，80C196KB系列單片機包含的外設裝置有: (1)振蕩器和時鐘發(fā)生器; (2)定時/計數(shù)器; (3)標準輸入/輸出口; (4)全雙工異步和同步串行輸入/輸出口; (5)監(jiān)視定時器(WATCHDOG)，用于提高系統(tǒng)抗干擾能力: (6)模擬/數(shù)字轉換器;(7)高速輸入/輸出器(HSIO)或事件處理器陣列(EPA);(8)脈寬調制輸出;(9)波形發(fā)生器;(10)從口(SLAVE PORT); (11)頻率發(fā)生器;(12)片選輸出單元。80C196KB單片機的結構框圖如下:圖3.2 80C196KB單片機的結構框圖3.1.3片機最小系統(tǒng) 由于80C196KC單片機芯片內的RAM，只能存數(shù)據(jù)，不可能存放程序，也難以存放大量的數(shù)據(jù)，因此80C196KB應用系統(tǒng)需要片外擴展程序存儲器。為了編程方便便于系統(tǒng)操作，外部存貯器選用電可擦除的存貯器故擴展一片27C256EPROM作為程序存儲器，另外擴一片6264作為數(shù)據(jù)存儲器。另外，80C196KB單片機的外部數(shù)據(jù)總線與地址總線的低8位是分時復用的，因需要配置一片地址鎖存器(選用74HC573)。其最小系統(tǒng)硬件連接圖如下圖所示:圖 3.3 單片機最小系統(tǒng)電路圖3.1.4供電電源的設計 對于如何一個電氣系統(tǒng)，電源是不可缺少的部分。80C196KB芯片為+5V供電，而外圍采樣和觸發(fā)電路有需要+12V的電源。在這種情況下，所需電壓的得到一般可通過外部開關電源或交流220v單相電經變壓器、經過橋式整流后再經過電容、電感濾波直接得到，一般來講，這樣得到的+12V和+5V電源負載能力較強但波紋較大，很難直接應用到系統(tǒng)中。因此，一般要經過DC/DC變換將該電壓進行隔離穩(wěn)壓處理。本次設計中電源電路如圖所示，采樣7812和7505對從電網變壓整流后的信號進行穩(wěn)壓處理，以保證系統(tǒng)的正常供電。圖3.4 控制器供電電源電路圖3.2系統(tǒng)主要功能模塊電路設計3.2.1復位電路設計 80C196KB單片機需要有復位電路，以便通過它使自身進入復位狀態(tài).復位電路的功能是產生復位信號，本系統(tǒng)的復位方法包括兩種，上電復位和手動復位在單片機系統(tǒng)中，電源的投入和切除，瞬時短路降壓及由電網串進來的干擾脈沖造成CPU的誤動作、數(shù)據(jù)的丟失占各種干擾的90%以上?？刂品矫妫C抗干擾是一個關鍵問題，要想取得好的效果，最好采用專用芯片。 本次設計采用的復位芯片為C7705，它是電壓監(jiān)視器件，具有電源投入時的復位功能，并能夠監(jiān)測出電源瞬時短路和瞬間降壓而產生的復位信號。該芯片內部具有電源上升時的復位信號解除功能，能正確地監(jiān)測降低的電壓(Vs=4.5一4.6V)，其內部附有溫度補償?shù)幕鶞孰妷?，正負兩種邏輯輸出(集電極開路30mA)，原理圖如下:圖3.5 系統(tǒng)復位電路圖 上圖所示電路除了具有上電自動復位功能外，還可以通過復位按鍵迫使RESET為低電平。當系統(tǒng)掉電時，復位電容里存儲的能量可以以二極管為通路迅速放電，這為單片機在復位上電的情況下可靠復位提供了保證。3.2.2 功率因數(shù)檢測電路設計 電壓、電流過零點信號要送入單片機的高速輸入輸出端口，HSIO一HSD為高速輸入通道，CPU通過它們可以同時接收4個來自外部的脈沖信號，并且隨時記錄脈沖信號中高、低電平的出現(xiàn)時間。HSO0一HSO1為高速輸出通道，能夠產生和輸出寬度與周期均可調節(jié)的脈沖波(亦稱PwM波)。因為異步電動機為感性負載，當電壓過零后尚需一個延遲角電流才過零，其夾角即為功率因數(shù)角。電壓過零檢測就是把輸入電壓轉換成同相位的矩形波，送入單片機的高速輸入端HSI，此矩形波的下降沿既是觸發(fā)脈沖的基準信號，又可作為單片機軟件定時器的開始信號。電流過零檢測是把由電流信號由互感器采集處理后轉換成矩形波，然后送入單片機的高速輸入端HSI，單片機由記錄的電壓和電流過零時間得到一個功率因數(shù)角。 節(jié)能控制中對功率因數(shù)角的檢測，是實現(xiàn)調壓估算的關鍵，通過判斷的大小，可以改變晶閘管的導通角的大小，實現(xiàn)調壓。對功率因數(shù)角檢測的精確性是保證調壓節(jié)能效果的重要環(huán)節(jié)，因此設計一下采樣電路，如圖所示：圖3.6 電壓電流過零檢測電路圖 功率因數(shù)的檢測主要是對電機相電壓與相電流的過零點進行檢測。以A相為例，對A相電壓采樣，相電壓通過Vl、V2穩(wěn)壓，進入比較器與地進行比較，若是在波形的正半周，則有比較器輸出高信號1，若是在負半周，則輸出為低0，在輸出信號為高時，使光偶導通，進入單片機高速輸入HSI.1的信號就為高電平，如圖所示，實現(xiàn)過零點檢測。對電流信號的檢測是對晶閘管兩端電流信號的檢測，通過一個電流互感器對電流信號進行采樣，通過比較器把電流過零點的相位信息轉換成方波信號如圖所示，送入高速輸入HSI.2，進行過零檢測。圖3.7 電壓過零波形圖圖3.8 電流過零波形圖 系統(tǒng)對電流電壓的檢測到對雙向晶閘管的觸發(fā)，在一周20ms中要全部完成，通過對另外兩項的過零檢測，經過單片機的處理，每個周期對系統(tǒng)進行同步。這樣可以消除在每個周期對晶閘管觸發(fā)時累積起來的誤差。3.2.3 電壓電流檢測電路設計電壓電流轉換要送入單片機的A/D進行轉換，80C196KB自帶有8通道的10位A/D轉換器。A/D變化可以將模擬量轉換為等價的數(shù)字量。采集和轉換時間可編程，轉換值在模擬地和參考電壓之間。轉換結果可用來計算增益和零補償誤差，內部零補償電路可以自動的進行零補償調整。A/D有A/D門限探測模式，當門限電壓被超出時，可產生中斷。A/D掃描PTS方式可以便于自動A/D變換和存儲。A/D變換的主要構件是采樣保持電路、10位逐次逼進A/D的變換器。電壓檢測電路是把將線電壓由變壓器隔離降壓，然后對變換后的信號進行整流，得到的直流信號經濾波分壓后送入單片機的A/D端進行模數(shù)轉換，就可得到電壓值，以便對電機端電壓進行判斷，是否進入保護狀態(tài)。檢測占用單片機的ACH0共1個A/D轉換口。圖3.9 電壓檢測電路 電流檢測時利用三個電流互感器分別檢測三相電流，檢測得到的信號經整流橋整流分壓后送入單片機的A/D進行轉換，由此就可以對異步電機的電流進行監(jiān)測，使其與預設值進行比較，大于某個閥值就對電機進行保護，否則繼續(xù)監(jiān)測。檢測占用ACH1一ACH3共3個A/D轉換口。圖3.10 電路檢測電路圖3.2.4觸發(fā)電路設計 晶閘管的導通是靠觸發(fā)電路完成的，因此觸發(fā)電路觸發(fā)的時序的準確性直接影響著節(jié)能控制器的工作狀況，要求其穩(wěn)定性要很高。 觸發(fā)脈沖的電壓和電流必須大于相應的晶閘管的門極觸發(fā)電壓和電流，才能保證晶閘管的可靠工作。同時，觸發(fā)脈沖的幅值和前沿上升的坡度也會影響晶閘管的導通時間。因此脈沖功率放大環(huán)節(jié)的作用就是使輸出脈沖能滿足晶閘管門極觸發(fā)的需要，保證晶閘管的可靠導通，本系統(tǒng)所設計的觸發(fā)電路采樣兩個三極管組成放大電路，把由高速輸出口HSO0輸出的觸發(fā)脈沖放大，如下圖所示:圖3.11 可控硅觸發(fā)電路圖3.2.5三相不平衡保護電路設計 三相電機節(jié)能器在運行中由于負載不對稱等原因常常會造成三相不對稱，產生三相不對稱交流電壓，這將給電氣設備和整個電網帶來不利的影響。解決電機節(jié)能器運行狀態(tài)下的三相不平衡檢測和保護問題，對于保護電氣設備、推廣電機節(jié)能器的應用和節(jié)約能源具有重要的意義。 在三相負載平衡時，交流三相電壓的電壓幅值相等。相位角相差1200時，;一旦三相負載不平衡時，通常的幅值就不再相等，或相位角之差不再為120，。根據(jù)此原理，對之和進行采樣，將采樣值與工程實踐中得到的閾值進行比較，以判斷是否采取保護動作，當采樣值達到閾值，單片機發(fā)出控制信號令主電路中接觸器吸合，電機節(jié)能器斷開，實現(xiàn)對電器設備的保護，其原理框圖如圖所示:圖3.12 三相平衡檢測原理圖 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理:系統(tǒng)上電，單片機延時，等待系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)。當系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)后，同時通過交流不平衡檢測電路對不平衡三相電壓進行采樣。當脈沖計數(shù)或采樣的不平衡三相電壓值達到程序設定的閾值，單片機系統(tǒng)發(fā)出控制信號，令與電機節(jié)能器并聯(lián)的接觸器吸合，將電機節(jié)能器旁通掉;如果脈沖計數(shù)和不平衡三相電壓采樣值均沒達到程序設定的閾值，則單片機系統(tǒng)發(fā)出控制信號，令與電機節(jié)能器并聯(lián)的接觸器斷開，電機節(jié)能器投入運行。3.2.6鍵盤及顯示電路設計 鍵盤及顯示電路主要的功能是使操作人員能對節(jié)能控制器初始設定進行修改，并對節(jié)能控制器的當前狀態(tài)進行監(jiān)控，由于對電機啟動時的相關參數(shù)可以進行靈活設置，使節(jié)能控制器具有更強的適應性。 鍵盤電路中主要功能按鈕有:啟動按鈕、停止按鈕、自動運行狀態(tài)按鈕、手動調節(jié)按鈕、軟啟動按鈕、軟停車按鈕、模式切換按鈕和顯示模式切換按鈕8個按鈕，分別占用單片機的I/O口為P00一P07。顯示電路由兩個8段數(shù)碼管和2個LED燈組成，分別占用單片機的I/O口為P10一P17和P24一P27。其中在默認狀態(tài)下數(shù)碼管顯示電機當前端電壓，在按下顯示模式切換按鈕后，數(shù)碼管顯示電機當前的功率因數(shù)值。LED燈分紅綠兩種，其顯示的不同狀態(tài)代表節(jié)能控制器的運行情況，如綠燈閃爍代表電機還在軟啟動過程中，綠燈長亮代表節(jié)能控制器運行正常。由于80C196KB的I/O端口有限，故采樣MC14495對兩個數(shù)碼管進行16進制譯碼顯示，以節(jié)省有限的I/O口，MC14495是CMOS BCD一七段十六進制鎖存、譯碼驅動芯片。MC14495能完成BCD碼至十六進制數(shù)的鎖存和譯碼，并具有驅動能力。利用MC14495實現(xiàn)的8位靜態(tài)LED顯示接口電路如下圖所示:圖3.13 LED顯示接口電路圖3.3系統(tǒng)的硬件抗干擾技術 異步電機節(jié)電控制器的工作環(huán)境比較復雜和惡劣，其應用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。影響系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結構設計、元器件選擇、安裝和外部環(huán)境條件等。這些因素對節(jié)電控制器造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個方面。 單片機系統(tǒng)常用的抗電磁干擾的硬件措施有濾波技術、去禍電路、屏蔽技術、接地技術等。常用的軟件措施主要有數(shù)字濾波、軟件冗余、程序運行監(jiān)視及故障自動恢復技術等。軟件抗干擾措施將在下一章介紹?，F(xiàn)在主要介紹本節(jié)能控制器的硬件抗干擾措施。(1)濾波技術 濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波器可以顯著地減小傳導干擾的電平，因為干擾頻譜成份不同于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。所以，采用濾波網絡無論是抑制干擾源和消除干擾禍合，或是增強設備的抗干擾能力，都是有力措施.如前面章節(jié)的電壓電流采集電路中用到濾波器(如圖)。(2)去禍電容數(shù)字電路信號電平轉換過程中會產生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供電電源內阻上產生較大的壓降，形成嚴重的干擾。為了抑制這種干擾，在電路中適當配置去禍電容.在節(jié)能控制器設計硬件中，在印制電路板的各個集成電路中配置了0.luF的去禍電容.去禍電容一方面提供和吸收該集成電路開門關門瞬間的充放電能量，另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。(3)屏蔽技術和隔離技術 屏蔽技術可以抑制外部電磁干擾的作用，屏蔽是用屏蔽體把通過空間進行電場、磁場或電磁場禍合的部分隔離開來，割斷其空間場的禍合通道。良好的屏蔽是和接地緊密相連的，因而可以大大降低噪聲禍合，取得較好的抗干擾效果。在本系統(tǒng)中采用了鋁盒將內部電路板屏蔽起來，對外只留有幾個接口。 信號的隔離目的之一是從電