畢業(yè)設(shè)計（論文）三相異步電動機(jī)節(jié)能控制器系統(tǒng)設(shè)計

1、三相異步電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計摘要 三相交流異步電動機(jī)的節(jié)能一直是電機(jī)領(lǐng)域探究的熱點,非凡是近幾年來全國出現(xiàn)電力供給緊張的局面,使得對交流異步電動機(jī)的節(jié)能設(shè)備的探究和推廣更為迫切。但目前市面上的節(jié)能設(shè)備普遍存在成本過高的現(xiàn)象,這在一定程度上阻礙了異步電動機(jī)節(jié)能設(shè)備的推廣使用。 本文從分析異步電動機(jī)的功率損失入手,闡述了三相異步電動機(jī)-y切換降壓運行的工作特性、節(jié)能原理、節(jié)電效果、節(jié)能保護(hù)器應(yīng)采取的抗干擾辦法以及其它應(yīng)注重的新問題。并在此基礎(chǔ)上提出了一整套單片機(jī)控制的三相異步電動機(jī)y/切換節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計方案,獲得了較高的性價比。并針對傳統(tǒng)電動機(jī)y/切換節(jié)能保護(hù)器在y/切換點四周發(fā)生頻繁切換的新

2、問題,提出手動現(xiàn)場整定臨界負(fù)載率和切換時間的解決辦法。 最后,制作出了一臺試驗樣機(jī)并進(jìn)行了性能測試,實驗結(jié)果表明,樣機(jī)達(dá)到了預(yù)期的控制性能和節(jié)能效果,驗證了方案的可行性。本文還在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入的分析和討論,為進(jìn)一步完善本方案提出了改進(jìn)的方向和辦法。關(guān)鍵詞：異步電動機(jī) 節(jié)能y/切換 單片機(jī)the design of three-phase asynchronous motor protectionabstractthree-phase ac induction motor is the motor in the field of energy saving has been expl

3、oring the hot and extraordinary in recent years the country and the power supply tension, makes the ac induction motor energy saving devices and promote a more urgent inquiry. energy-saving equipment available in the market but widespread phenomenon of high cost, which to some extent, hindered the i

4、nduction motor promote the use of energy-saving equipment. from the analysis of induction motor starting power loss to explain the three-phase asynchronous motor -y switch step-down operation of job characteristics, energy principles, energy-saving effect, energy conservation should take anti-jammin

5、g devices and other measures should focus on new issues . and puts forward a set of microcomputer-controlled induction motor y / switching energy protector design, get a higher cost. and traditional motor y / switching energy protector in y / frequent switching occurs around the switching point of t

6、he new problems raised manually setting the scene critical load rate and switching time solutions. finally, make out a test prototype and carried out performance testing, test results show that the prototype to achieve the expected control performance and energy saving effect, verify the feasibility

7、. this is also the basis of experimental results conducted in-depth analysis and discussion, in order to further improve the program proposed to improve the direction and approach.keywords：asynchronous motor energy y/train switching microcontroller目錄摘要1abstract2第1章 緒論51.1我國電動機(jī)保護(hù)器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀簡介51.1.1熱繼電器

8、51.1.2模擬電子式電動機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）51.1.3數(shù)字電子式電動機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）51.2電動機(jī)節(jié)能的必要性61.3電能消耗原因與解決措施的初步分析71.4常用的電動機(jī)節(jié)能保護(hù)方法與分析71.4.1老式的y/轉(zhuǎn)換節(jié)能電路71.4.2電子式軟啟動器91.4.3單片機(jī)控制的y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器91.5本文主要內(nèi)容10第2章 三相異步電動機(jī)節(jié)能原理分析1112.1三相異步電動機(jī)的功率損失112.1.1銅損失()112.1.2鐵損失()112.1.3機(jī)械損失()122.1.4雜散損失()122.1.5總損失()132.2/y轉(zhuǎn)換的工作特性7132.2.1 與關(guān)系分析142.2.2 與關(guān)系分

9、析162.2.3 /y轉(zhuǎn)換時與關(guān)系分析172.3/y轉(zhuǎn)換的節(jié)能原理18第3章 三相異步電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器控制結(jié)構(gòu)的分析2193.1單片機(jī)控制電路主芯片分析193.2三相異步電動機(jī)/y轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器系統(tǒng)框圖820第4章 三相異步電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計214.1電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器的硬件電路設(shè)計與分析5214.1.1線性整流濾波電路214.1.2硬件保護(hù)電路234.1.3保護(hù)器硬件抗干擾分析以及抗擾措施6244.2電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器的軟件電路設(shè)計與分析254.2.1程序流程圖與調(diào)試過程254.2.2保護(hù)器軟件抗干擾分析以及抗擾措施3627第5章 y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器電動機(jī)主電路接線圖及其工作過程29第6章對

10、影響電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器設(shè)計過程的因素的討論4316.1有關(guān)空載電流對保護(hù)器的影響316.1.1采用交流采樣方法316.1.2采用鑒相器電路326.2 對于硬件保護(hù)有可能躲不開的下啟動電流分析336.3其他因素考慮33總結(jié)34致謝35參考文獻(xiàn)36附錄a（p87lpc767 mcu）37附錄b(p87lpc767單片機(jī))43第1章 緒論1.1我國電動機(jī)保護(hù)器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀簡介我國的電動機(jī)保護(hù)裝置大約經(jīng)歷了全面仿蘇、自行設(shè)計、更新?lián)Q代、智能化發(fā)展等幾個階段。值得一提的是由于近年來微處理器技術(shù)的發(fā)展，給電動機(jī)保護(hù)器向智能化、多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺，使得電機(jī)保護(hù)進(jìn)入了一個飛速發(fā)展的階段。1.1.

11、1熱繼電器在建國初期，我們引進(jìn)了蘇聯(lián)的jr系列熱繼電器，從而開始了其在中國電機(jī)保護(hù)行業(yè)中長達(dá)半個世紀(jì)的生涯。熱繼電器在電子業(yè)尚不發(fā)達(dá)的時代曾是電機(jī)過載保護(hù)的首選產(chǎn)品，它是利用雙金屬片熱效應(yīng)原理。但由于熱繼電器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受環(huán)境影響大、重復(fù)性差、誤差大及功能單一等，已無法滿足越來越高的要求，直到1996年國家八部委聯(lián)合發(fā)文強(qiáng)制將其淘汰。1.1.2模擬電子式電動機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）在上個世紀(jì)七八十年代，隨著半導(dǎo)體模擬器件的興起及普及，涌現(xiàn)出了一批性能比較可靠、功能多樣化的電子式電動機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器），為電機(jī)的可靠運行提供了較可靠的保障，但由于其存在整定精度不高、采樣精度不高

12、并且無法實現(xiàn)具有多種保護(hù)功能于一體的全保護(hù)，而隨著社會的發(fā)展，對于保護(hù)器的要求也越來越高，純粹模擬線路的電動機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）正逐漸被其它一些更先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品所代替。1.1.3數(shù)字電子式電動機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）這類電動機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）主要以單片機(jī)作為控制器，可實現(xiàn)電機(jī)的智能化綜合保護(hù)，有的還具有遠(yuǎn)程通訊功能，可在pc機(jī)上實現(xiàn)對多達(dá)256臺聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)實現(xiàn)在線綜合監(jiān)視與控制，在采樣和整定精度方面有質(zhì)的飛躍，可對采樣信號進(jìn)行軟件非線性校正，并可實現(xiàn)真有效值計算，從而極大地降低了被測信號波形畸變的影響，真正實現(xiàn)了高精度采樣，在整定方面采用數(shù)字設(shè)定，通過鍵盤由用戶自行現(xiàn)場設(shè)定，不存在誤差，還

13、可為過載保護(hù)設(shè)置多條更科學(xué)的反時限曲線。因為采用了單片機(jī)就使得在相同硬件條件下集多種功能與一體的綜合保護(hù)器的出現(xiàn)成為可能。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電動機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）正朝著智能化，綜合化，高精度，高可靠方向發(fā)展。1.2電動機(jī)節(jié)能的必要性作為拖動系統(tǒng)中的重要組成部分電動機(jī)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，它的使用幾乎滲透到了各行各業(yè)，是工、農(nóng)業(yè)和國防建設(shè)及人民生活正常進(jìn)行的重要保證，因而確保電動機(jī)的正常運行就顯得十分重要。而我國現(xiàn)有各類電動機(jī)總?cè)萘考s4.2億千瓦，電機(jī)系統(tǒng)年耗電量在6000億度以上，占電力消費總量的50%以上。其中80%以上為0.55-200千瓦以下的中小型電機(jī)，但所有電動機(jī)

14、中相當(dāng)于世界近代技術(shù)水平的j2, j02系列的約占70%，相當(dāng)于70年代水平的y系列電動機(jī)不足30%，具有80年代末水平的yx系列高效電動機(jī)所占的比例更是微乎其微。也就是說，我國在服役的電機(jī)拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家50年代的水平，我國目前制造的電機(jī)僅有5%是高效節(jié)能電機(jī)，但幾乎全部用于出口。我國電機(jī)的平均效率約低于美國和加拿大3-5%，風(fēng)機(jī)和水泵的效率低8-10%，系統(tǒng)效率更低。據(jù)有關(guān)專家估算，由于設(shè)計、制造等各種原因，我國電機(jī)拖動系統(tǒng)的能源利用效率約比發(fā)達(dá)國家低10-30個百分點，總的節(jié)能潛力約為1000億千瓦時，相當(dāng)于20個裝機(jī)容量為1000兆瓦級的大型火電廠的年發(fā)電總量，而

15、進(jìn)行電機(jī)拖動系統(tǒng)的改造和更新的費用需要約500億元人民幣。然而近幾年我國出現(xiàn)了大面積缺電狀況，全國大部分省、市不得不實行錯峰用電，分時拉閘限電，這使得對電機(jī)節(jié)能的研究變的更為重要與迫切。由此看出，比較符合我國國情需要的是既要使電機(jī)的節(jié)能設(shè)備具有較好的節(jié)能效果，又要想辦法盡量降低改造或更新的費用。國家計委對電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能非常重視，已把電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能作為“十五”節(jié)能計劃的重要內(nèi)容。1.3電能消耗原因與解決措施的初步分析從三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運行g(shù)b12497-1995標(biāo)準(zhǔn)來看，工礦企業(yè)中使用著的大量三相交流異步電動機(jī)的運行狀態(tài)可以分為經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)、允許運行狀態(tài)和非經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)。異步電動機(jī)會消耗大量電能，

16、主要是由于異步電動機(jī)及其拖動系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)，同時影響著企業(yè)的效益。糾其原因主要是在進(jìn)行電動機(jī)容量選配時，往往片面的追求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動機(jī)的容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，使電動機(jī)偏離最佳工況點，運行效率和功率因數(shù)降低;另一方面，由于大部分電機(jī)采用直接起動方式，除了造成對電網(wǎng)及拖動系統(tǒng)的沖擊和事故之外，5-7倍的起動電流也造成能量的消耗。因此，要研究異步電動機(jī)節(jié)能主要從“根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)電動機(jī)的端電壓”和“限制電動機(jī)的起動電流”這兩方面入手。1.4常用的電動機(jī)節(jié)能保護(hù)方法與分析1.4.1老式的y/轉(zhuǎn)換節(jié)能電路這種方法適用于正常運行時定子繞組采用三角形接法、在空載或輕

17、載下啟動的電動機(jī)。圖1老式電動機(jī)y/轉(zhuǎn)換節(jié)能電路原理圖圖1為一種老式y(tǒng)/轉(zhuǎn)換節(jié)能電路的原理圖，該電路主要由電流繼電器lj、時間繼電器kt、熱繼電器fr以及相應(yīng)的輔助電路構(gòu)成。其工作原理是:當(dāng)按下sb1時，接觸器kml, km2得電，電機(jī)在y下啟動。限位開關(guān)sq受主軸操縱桿控制，主軸在運轉(zhuǎn)時，sq閉合，時間繼電器kt得電。在空載或輕載時，定子電流小于電流繼電器lj的整定值，lj不動作，電機(jī)保持在y下運行。如在重載下，lj得電，其常開觸點閉合，中間繼電器ka隨之得電，切斷了km2的線圈電路，同時km3得電，電機(jī)切換至下運行。工作完畢后，通過主軸操縱桿使sq斷開，kt失電，km3隨之失電，km2線圈

18、得電，電動機(jī)改為丫下運行。此類節(jié)能電路具有控制方便、無諧波污染等優(yōu)點。但體積大、重量大，如果同時需要加入保護(hù)電路，則其輔助電路與接線將變的十分復(fù)雜，成本也隨之成倍增加。1.4.2電子式軟啟動器電子式軟啟動器的主電路一般都采用晶閘管調(diào)壓電路，啟動時一由單片機(jī)或其它智能控制系統(tǒng)控制晶閘管的導(dǎo)通角，進(jìn)而使得電動機(jī)的端電壓平滑上升。在運行過程中可根據(jù)定子電流控制電動機(jī)的端電壓，從而實現(xiàn)節(jié)能。電子式軟啟動器的框圖如圖2所示圖2電子式軟啟動器框圖電子式軟啟動器具有噪音小，無觸點、重量輕、體積小、電流檢測精度高、起動時間及起動電流可控制，起動過程平滑，起動轉(zhuǎn)矩可根據(jù)負(fù)載情況靈活調(diào)整，起動電流可調(diào)，操作簡單、

19、維護(hù)量小，可以頻繁起動等優(yōu)點。但由于需要采用晶閘管控制，所以有控制復(fù)雜、諧波污染嚴(yán)重等缺點。另外，截止2003年，電子式軟啟動器的價格維持在200-250元人民幣/kw，較高的價格也大大限制了其使用范圍。1.4.3單片機(jī)控制的y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器單片機(jī)控制的y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器是由單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)電流檢測的結(jié)果判定是否進(jìn)行切換，以及保護(hù)是否動作。同上述兩種節(jié)能器相比，單片機(jī)控制的y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器的優(yōu)點十分明顯:成本低、控制簡單、接線容易、重量輕、體積小、無諧波污染(切換與啟動過程時間很短)。 但由于使用y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器的電動機(jī)端電壓只有220v和380v兩種，所以y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器的節(jié)能效果

20、不如電子式軟啟動器。1.5本文主要內(nèi)容本文主要從理論上分析異步電動機(jī)y/轉(zhuǎn)換節(jié)能的基本原理，并在此基礎(chǔ)上提出了一套由單片機(jī)控制的y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計方案。經(jīng)過對單片機(jī)應(yīng)用的分析后，選擇適合的單片機(jī)用以完成設(shè)計對設(shè)計。并進(jìn)一步對節(jié)能保護(hù)器在設(shè)計過程中有影響的因素分析，最后完善整套設(shè)計方案。第2章 三相異步電動機(jī)節(jié)能原理分析1從三相異步電動機(jī)的功率損失分析，近而運用分析的具體情況來分析/y運行的工作特性。從而得出/丫轉(zhuǎn)換節(jié)能的原理。2.1三相異步電動機(jī)的功率損失電動機(jī)是靠電磁感應(yīng)原理工作的，它向電網(wǎng)吸取能量，從軸上輸出機(jī)械能。在電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程中，不可避免地會有一些能量損失。例如：銅損失

21、、鐵損失、機(jī)械損失和雜散損失。2.1.1銅損失()電動機(jī)的銅損失包括定子銅損失和轉(zhuǎn)子銅損失凡。它們是由定子電流和轉(zhuǎn)子電流流過定子、轉(zhuǎn)子繞組而產(chǎn)生的。 1.1式中，r1為定子每相電阻;i1為定子每相電流。 1.2式中，s為轉(zhuǎn)差率;pe為電磁功率。2.1.2鐵損失()電動機(jī)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(chǎn)生的。 1.3式中，k為常數(shù);為電源頻率;為磁通密度。由于 1.4式中，為磁通量;為定子繞組的感應(yīng)電動勢；為定子繞組的相電壓。認(rèn)為鐵損與端電壓的平方成正比。由于轉(zhuǎn)子電源頻率很低,轉(zhuǎn)子的鐵芯損失很小，忽略不計。因此認(rèn)為從空載到額定負(fù)載的范圍內(nèi)，僅是定子鐵芯損失。2.1

22、.3機(jī)械損失()電動機(jī)的機(jī)械損失包括通風(fēng)損失和軸承摩擦損失。對于繞線式異步電動機(jī)而言，還包括滑環(huán)與電刷之間的摩擦損失。通風(fēng)損失大約和空氣流通速度的立方成正比。一般，對于某一確定的在用電動機(jī)，可認(rèn)為其機(jī)械損失為常量。2.1.4雜散損失()電動機(jī)的雜散損失包括鐵雜損失和銅雜損失。鐵雜損失由于齒磁通在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時發(fā)生脈動而產(chǎn)生的，通常稱為脈動損失或表面損失。近似認(rèn)為鐵雜損失與外加電壓的平方成正比。銅雜損失是由于高次諧波磁勢的影響產(chǎn)生的。近似認(rèn)為銅雜損失與電流的平方成正比，隨負(fù)載的變化而變化。雜散損失部分取決于電壓，部分取決于電流。對于感應(yīng)電動機(jī)來說，銅雜損失是主要的，約占電動機(jī)雜散損耗的70%90%.

23、感應(yīng)電動機(jī)雜散損失在總損失中占的比例很小。在小型鑄鋁轉(zhuǎn)子籠型感應(yīng)電動機(jī)中，滿載下雜散損失可達(dá)輸出功率的1%3%，在大型的感應(yīng)電動機(jī)中，雜散損失一般為輸出功率的5% 。2.1.5總損失()圖1-1 感應(yīng)電動機(jī)的功率圖圖中，為輸入功率; 為機(jī)械功率;為輸出功率。電動機(jī)的總損失由定子銅損失、轉(zhuǎn)子銅損失、鐵損失、機(jī)械損失和雜散損失組成。即： 1.5 2.2/y轉(zhuǎn)換的工作特性7轉(zhuǎn)換y后是否節(jié)能的核心問題是施加到定子每相繞組上的電壓，降為接時的，使得電動機(jī)的鐵損、降低為接時的1/3，同時電動機(jī)的定子銅損與轉(zhuǎn)子銅損根據(jù)負(fù)載變化而變化。所以電動機(jī)總的損耗是增加還是減少，則需根據(jù)負(fù)載而定。電動機(jī)的工作特性，是指

24、在電網(wǎng)電壓=380v，頻率=50hz時，電動機(jī)在接和y接兩種狀態(tài)下定子電流、功率因數(shù),效率與負(fù)載率的關(guān)系。其中: 1.6式中的為額定功率。下面對/y轉(zhuǎn)換時各項關(guān)系分別進(jìn)行分析。2.2.1 與關(guān)系分析三相交流異步電動機(jī)的定子一相等效電路如下圖所示:圖1-2三相交流異步電動機(jī)的定子一相等效電路圖中，為定子每相繞組的電抗;為轉(zhuǎn)子相電阻的折算值; 為轉(zhuǎn)子相電抗的折算值; 為激磁電阻;為激磁電抗; 為轉(zhuǎn)子電流的折算值; 為激磁電流。圖1-3電動機(jī)的電流矢量圖當(dāng)電動機(jī)空載時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率0, /，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于開路。此時轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流。即: 1.7 1.8式中，為

25、定子空載電流。式1.8可表示為圖1-3的矢量圖。分析電動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為y接運行時，定子電流，隨負(fù)載的變化情況，則需分析定子空載電流和轉(zhuǎn)子折算電流隨負(fù)載變化的情況?？蛰d電流一方面，電動機(jī)的電勢平衡條件為: 1.9因為、很小，故可以認(rèn)為，當(dāng)電動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為y接運行時，定子每相繞組上感應(yīng)的主電勢e1將近似地隨u1的降低而降為接時的。由: 1.10式中，為定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù); 為繞組系數(shù); 為定子繞組回路的磁通最大值。可見，對于某一在用的電動機(jī)，y接時的也將近似的降為接時的。一般說來，設(shè)計電動機(jī)時選取值在磁化曲線的拐角處，因而，當(dāng)電動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為y接運行時，定子每相繞組的空載相電流將降為接時的還要低

26、一些。綜上所述，當(dāng)電動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為y接運行時，空載線電流將降為接時的1/3.轉(zhuǎn)子折算電流由電動機(jī)的近似等效電路得: 1.11由式1.11可見，電動機(jī)由接轉(zhuǎn)換為y接時，一方面的降低會使減小，另一方面的增大會使增大。一般說來，負(fù)載很輕時，是降低的;隨著負(fù)載的增大，明顯增大，呈上升趨勢。根據(jù)上述內(nèi)容，定子電流i1與的關(guān)系分析如下：圖1-4 接和y接狀態(tài)下與的關(guān)系曲線圖1-4為電動機(jī)在y接時以及接時的與關(guān)系曲線。電動機(jī)在空載情況下，y接時的空載線電流近似等于接時的1/3。輕載時，由于起主要作用，同時尚未增加或增加不大，這就使得y接時的明顯低于接時的。當(dāng)負(fù)載增大到一定程度(大約70%)時，由于電動機(jī)依靠

27、增大轉(zhuǎn)差率來提高電磁轉(zhuǎn)矩以達(dá)到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，導(dǎo)致隨著的增大值超過了空載電流的減少值，使得y接時的大于接時的。2.2.2 與關(guān)系分析電動機(jī)的功率因數(shù)與其端電壓及負(fù)載率之間存在如下關(guān)系: 1.12式中，為電動機(jī)的調(diào)壓系數(shù),( 分別為電動機(jī)額定工況和降壓運行時的實際電壓);電動機(jī)在y接時，為電動機(jī)的空載電流系數(shù)。 1.13式中，為電動機(jī)的空載電流; 為電動機(jī)的額定電流。特定的電動機(jī)，其空載電流系數(shù)為定值。圖1-5 接和丫接狀態(tài)下與的關(guān)系曲線圖1-5為電動機(jī)在接和y接狀態(tài)下與的關(guān)系曲線，由圖可知，y接的要高于接的。2.2.3 /y轉(zhuǎn)換時與關(guān)系分析電動機(jī)的效率與其端電壓及轉(zhuǎn)差率之間存在如下關(guān)系

28、: 1.14式中，為電動機(jī)額定工況時的轉(zhuǎn)差率;為電動機(jī)降壓運行時的轉(zhuǎn)差率;為電動機(jī)額定工況時的效率;為電動機(jī)降壓運行時的效率?？紤]到轉(zhuǎn)差率與功率因數(shù)隨負(fù)載的變化，得出電動機(jī)在接和y接狀態(tài)下與的關(guān)系曲線如圖1-6所示。圖1-6 接和丫接狀態(tài)與的關(guān)系曲線由關(guān)系曲線分析可知：當(dāng)40%時，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與端電壓平方成正比，丫切換后電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之下降而小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)只有依靠增大轉(zhuǎn)差率，提高電磁轉(zhuǎn)矩以達(dá)到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)。由于此時轉(zhuǎn)差率增大，導(dǎo)致i2隨著s的增大值超過了空載電流i0的減少值，定子電流隨之增大，從而使定子銅損pcu1和轉(zhuǎn)子銅損pcu2的增大值超過鐵損pfe的下降值，致使電動機(jī)的

29、效率下降。2.3/y轉(zhuǎn)換的節(jié)能原理電動機(jī)y/轉(zhuǎn)換的節(jié)能方法主要是針對電動機(jī)運行時出現(xiàn)的“大馬拉小車”現(xiàn)象提出的，對于經(jīng)常處于輕載或空載下運行的電動機(jī)，該方法可以收到明顯的節(jié)能效果。一般情況下，當(dāng) vu4a5，硬件保護(hù)保持在未動作狀態(tài)。r54在回路中起限流作用。選擇參數(shù)時需讓c5的充電回路時間常數(shù)小于c4的充電回路時間常數(shù)，這樣就可消除c4對電路的負(fù)面影響。本設(shè)計選c5為500nf，基本上可以使保護(hù)器上電時硬件保護(hù)維持在未動作狀態(tài)。現(xiàn)在對r51和p2構(gòu)成分壓電路的比較參考電壓的進(jìn)行下列計算?？紤]到放大器lm324構(gòu)成的整流電路的輸出電壓(也即硬件保護(hù)環(huán)節(jié)和a/d轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的輸入電壓)最大只能到3.

30、8v，此次設(shè)計將硬件過流保護(hù)的動作值設(shè)為4.5倍的額定電流值。則硬件過流保護(hù)的動作值=4.50.8=3.6vlm339在單電源+5v的工作條件下(帶1k上拉電阻)，輸出的高電平uh至少為4. 8v，輸出的低電平ul最多為0.5v。由疊加原理可得: 3.1當(dāng)硬件保護(hù)未動作時，vizvu4a5。代入式3.1得:vu4a42.05v。當(dāng)硬件保護(hù)動作后，viz=ov,vu4a2=4.8v, vu4avu4a54。代入式3.1得:vu4a4v2.4v。充分考慮安全余量后，選擇vu4a4=2.2v。4.1.3保護(hù)器硬件抗干擾分析以及抗擾措施6本設(shè)計的噪聲源主要來自保護(hù)器內(nèi)部的各電路元器件產(chǎn)生的固有噪聲;來

31、自保護(hù)器內(nèi)部的感性負(fù)載切換時產(chǎn)生的噪聲;來自保護(hù)器外部的感性負(fù)載切換時產(chǎn)生的噪聲;電動機(jī)接觸器切換時產(chǎn)生的噪聲;直流電源部分的噪聲干擾等。為抑制來自保護(hù)器內(nèi)部的感性負(fù)載切換時產(chǎn)生的噪聲，在單片機(jī)驅(qū)動繼電器的電路中采用光耦隔離。并在繼電器線圈上并聯(lián)二極管，以抑制繼電器線圈產(chǎn)生的反電動勢干擾。在單片機(jī)驅(qū)動繼電器的電路中采用光禍隔離也同時抑制了來自保護(hù)器外部的感性負(fù)載切換時產(chǎn)生的噪聲。在直流電源輸入端并聯(lián)濾波電容是本設(shè)計對來自直流電源部分的噪聲干擾的主要抑制方法。4.2電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器的軟件電路設(shè)計與分析系統(tǒng)軟件采用mcs-51匯編語言編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由主程序、判斷啟動子程序、啟動延時

32、子程序、a/d轉(zhuǎn)換子程序、過流(反時限)判斷子程序、三相電流不平衡判斷子程序、判斷切換子程序等多個子程序組成。4.2.1程序流程圖與調(diào)試過程電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器的程序流程圖如圖3-5所示。調(diào)用過程如下:單片機(jī)上電后，主程序先進(jìn)行開機(jī)自檢，然后設(shè)定各i/o口、定時器(包括看門狗定時器)的工作狀態(tài)，再對程序中用到的變量、信號量進(jìn)行初始化，并使用定時器中斷和a/d中斷。系統(tǒng)初始化完畢后，調(diào)用判斷啟動子程序，先判斷電動機(jī)在y下還是下啟動，并以此為依據(jù)設(shè)定相關(guān)參數(shù)的值，再根據(jù)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷定子電流是否為零。若為零，則電動機(jī)未進(jìn)入啟動過程，繼續(xù)調(diào)用判斷啟動子程序;若不為零，則表明電動機(jī)已進(jìn)入啟動過程，程序

33、轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié)。判斷啟動過程中需給硬件保護(hù)電路發(fā)復(fù)位信號，以防止保護(hù)器上電時硬件保護(hù)誤動作。圖3-5 電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器的程序流程圖電動機(jī)進(jìn)入啟動過程后，單片機(jī)調(diào)用啟動延時子程序，判斷啟動過程中不平衡故障。若有，則保護(hù)動作，單片機(jī)進(jìn)入等待復(fù)位狀態(tài);若無，則啟動延時過后，程序轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié)。啟動過程結(jié)束后，單片機(jī)循環(huán)調(diào)用過流(反時限)判斷子程序、三相電流不平衡判斷子程序和判斷切換子程序。若有保護(hù)動作，單片機(jī)進(jìn)入等待復(fù)位狀態(tài);若滿足切換條件，則發(fā)出切換信號，繼續(xù)循環(huán)調(diào)用上述三個子程序;如發(fā)現(xiàn)硬件保護(hù)動作，則單片機(jī)直接進(jìn)入等待復(fù)位狀態(tài)。為了防止電動機(jī)在臨界負(fù)載點附近發(fā)生頻繁的切換(又稱臨界點振蕩)，單片機(jī)

34、在通過a/d采樣采入臨界負(fù)載率以后，程序需加入回差值，本設(shè)計的回差值設(shè)為3%?；夭钪翟O(shè)定臨界負(fù)載率的調(diào)整均為抑制臨界點振蕩的有效方法。4.2.2保護(hù)器軟件抗干擾分析以及抗擾措施36單片機(jī)在程序執(zhí)行過程中，因各種干擾的存在，會使得pc出現(xiàn)錯誤，單片機(jī)程序便脫離正常軌道運行，出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象。當(dāng)程序“跑飛”到某個單字節(jié)指令上時，便自己自動納入正軌;當(dāng)程序“跑飛”到某個雙字節(jié)指令上，若恰恰在取操作碼時刻落到其操作數(shù)上，則cpu誤把操作數(shù)當(dāng)成操作碼，程序仍將出錯;當(dāng)程序“跑飛”到某個三字節(jié)指令上時，由于有兩個操作數(shù)，則cpu誤把操作數(shù)當(dāng)成操作碼的機(jī)率就更大。為盡量減輕“跑飛”現(xiàn)象對整個系統(tǒng)造成的嚴(yán)重后

35、果，在程序設(shè)計時，需加入一些抗干擾措施，以盡快將“跑飛”的程序“拉回來”。 指令冗余。指令冗余是指對某些重要指令的連續(xù)重復(fù)以及在關(guān)鍵地方人為地插入一些單字節(jié)指令nop。例如：對保護(hù)動作指令可在程序中寫入clr p0.2clr p0.2clr p0.2可降低該指令不被執(zhí)行的概率。還可以在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個單字節(jié)指令nop，這可以保證其后面的指令不會被拆散。特別是其后面為對于程序流向起決定作用的指令時(如ret, reti, acall, ljmp, jz等)，或者是某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用的指令(如setb, ea等)，若在這些指令前插入兩個單字節(jié)指令nop，可保證亂飛的程序迅

36、速納入軌道，確保這些指令正常執(zhí)行。軟陷阱。軟陷阱是指在一些沒有寫任何指令的eprom的空閑區(qū)，寫上無條件跳轉(zhuǎn)指令: ljmp main這樣就能使程序“跑飛”到該處時，將程序“拉回”到入口處?？撮T狗技術(shù)?？撮T狗技術(shù)是指當(dāng)程序因干擾而在某處出現(xiàn)死循環(huán)后，一段時間(人為設(shè)定)過后，程序回到入口處。其原理是:人為設(shè)定看門狗定時器的溢出值，程序在看門狗定時器未溢出時，喂看門狗，使得看門狗定時器恢復(fù)到初始定時值;當(dāng)程序因干擾而在某處出現(xiàn)死循環(huán)后;看門狗得不到喂，看門狗定時器溢出，程序回到入口處。本設(shè)計中使用的主芯片p87lpc767單片機(jī)自帶看門狗，喂看門狗就是執(zhí)行指令: wdfeed: mov wdrs

37、t, #leh mov wdrst, #oe1h將以上程序?qū)懭攵〞r器中斷子程序中，就可利用看門狗技術(shù)將“跑飛”的程序“拉回”到入口處。最后,加入硬件與軟件防干擾措施以后全部程序基本上為1.1k左右。第5章 y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器電動機(jī)主電路接線圖及其工作過程圖4-1 三相異步電動機(jī)y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器主電路接線圖7其中220vac接觸器km1, km2分別為控制電動機(jī)下、y下運行的接觸器，km3為保護(hù)動作的接觸器。s2為啟動按鈕，s1為停止按鈕。保護(hù)器內(nèi)的繼電器zjl為控制y切換的繼電器，zj2, zj3分別為單片機(jī)保護(hù)、硬件保護(hù)的輸出繼電器。整個電路的工作過程如下:啟動狀態(tài)輸入。先通過輸入按鍵給保

38、護(hù)器輸入信號(一般情況下，如電動機(jī)為輕載，則需將輸入按鍵撥至y下啟動;如電動機(jī)為重載，則需將輸入按鍵撥至下啟動)，保護(hù)器根據(jù)輸入情況判斷電動機(jī)在下或y下啟動，zjl得電與否決定了km1, km2得電與否，同時也決定了電動機(jī)在下還是在y下啟動。電動機(jī)啟動。按下s2, km3得電，其常開觸點閉合，電動機(jī)通電。松開s2，此時km3的常開觸點形成自鎖，電動機(jī)持續(xù)通電。電動機(jī)停車。按下s1, km3失電，其常開觸點斷開，電動機(jī)從電網(wǎng)上切除。松開sl，此時km3的常開觸點己斷開，電動機(jī)與電網(wǎng)無法再接通。電動機(jī)/y切換。電動機(jī)在下運行時，如在設(shè)定的時間內(nèi)，保護(hù)器檢測到電動機(jī)定子電流均小于額定電流與設(shè)定的臨界

39、負(fù)載率的乘積，則單片機(jī)發(fā)出切換信號控制繼電器zj1的常開觸點閉合，kml線圈失電，km2線圈得電，電動機(jī)切換至y下運行。電動機(jī)在y下運行時，如在設(shè)定的時間內(nèi)，保護(hù)器檢測到電動機(jī)定子電流均大于額定電流與設(shè)定的臨界負(fù)載率的乘積，則單片機(jī)發(fā)出切換信號控制繼電器zjl的常閉觸點閉合，km2線圈失電，km1線圈得電，電動機(jī)切換至下運行。km1與km2的線圈回路有互鎖，從而避免了短路情況的發(fā)生。電動機(jī)保護(hù)動作。如單片機(jī)檢測到電動機(jī)己滿足反時限過流保護(hù)或三相電流不平衡保護(hù)的動作條件，則繼電器zj2得電，其常閉觸點斷開，km3失電，其常開觸點斷開，電動機(jī)從電網(wǎng)上切除。如電動機(jī)發(fā)生大電流短路，則硬件保護(hù)電路先于

40、單片機(jī)保護(hù)電路動作，繼電器zj3先得電，其常閉觸點斷開，km3失電，其常開觸點斷開，電動機(jī)從電網(wǎng)上切除。第6章對影響電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器設(shè)計過程的因素的討論46.1有關(guān)空載電流對保護(hù)器的影響大的空載電流使單片機(jī)無法僅根據(jù)定子電流判斷電動機(jī)的實際負(fù)載大小。如果設(shè)定保護(hù)器/y切換的電流為空載電流4.5a，當(dāng)實際負(fù)載增大到對應(yīng)值時，節(jié)能效果并不顯著。由于大部分電動機(jī)的空載電流設(shè)定在額定電流的30%70%，所以該電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器只適用于空載電流較小的電動機(jī)，因此限制了電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器的應(yīng)用場合?？蛰d電流的問題是由于單片機(jī)未對電壓、電流之間的相位差進(jìn)行采集所致。如單片機(jī)采集了相電壓，并根據(jù)其與相電流算出功率

41、因數(shù)，則控制策略可改為根據(jù)相電流與功率因數(shù)來共同確定是否進(jìn)行/y切換。這樣就可以解決空載電流對電動機(jī)節(jié)能保護(hù)器的應(yīng)用場合的影響。解決方法如下。6.1.1采用交流采樣方法若采用交流采樣作為電動機(jī)二次電壓、電流輸入的方法，則單片機(jī)就可以根據(jù)電壓信號與電流信號過零點的時間差得出功率因數(shù)角，并根據(jù)電流與功率因數(shù)角來共同確定是否進(jìn)行/y切換。與直流采樣相對應(yīng)，交流采樣是另外一種a/d采樣的方法。交流采樣基于在一個周期t內(nèi)對交流量等間隔地進(jìn)行n次采樣，并由這些采樣值算出電壓、電流的有效值，功率因數(shù)等。交流采樣的算法很多，可大體上歸為時域分析算法和頻域分析算法兩大類。時域分析算法主要有積分法和二點法;頻域分

42、析算法主要有離散傅立葉變換法(dft)和快速傅立葉變換法(fft )。為提高精度及運算速度，積分法和傅立葉變換法均可由分段線形插值法和拋物線插值法改進(jìn)。本設(shè)計具有以下特點: 采用單片機(jī)作為主控芯片，其運算能力較差; 戶以d轉(zhuǎn)換器為單極性，不能直接采交流信號; 被采電量信號頻率為電網(wǎng)頻率，穩(wěn)定性高，故可省去頻率信號提取電路及n倍頻電路;根據(jù)以上特點，可采用一種簡化的積分法進(jìn)行交流采樣。交流采樣的輸入是二次電壓、二次電流信號經(jīng)整流以后的脈動直流信號。整流電路為圖3-1的線形整流電路去掉濾波電容 。單片機(jī)只對交流信號進(jìn)a/d采樣，一般在一個周期內(nèi)采樣2n如32次或64次，這樣做是為了在計算平均值的時

43、候，可以用右移運算代替多字節(jié)除法運算，既簡化了程序，又加快了運算速度。所得一個周期內(nèi)各采樣點的a/d結(jié)果的平均值就可作為交流信號的絕對值的平均值。功率因數(shù)的計算是在a/d采樣程序捕捉到電壓過零點時開始記數(shù)，每發(fā)生一次a/d中斷，記數(shù)值加一，直至a/d采樣程序捕捉到對應(yīng)線電流的過零點。由于a/d中斷是等時間間隔發(fā)生的，所以上述的記數(shù)值就對應(yīng)于電壓、電流之間的相位差。運算的精度取決于單片機(jī)在一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)。如單片機(jī)只在一個周期內(nèi)采樣64次，則相位差的誤差只有/64，完全滿足該系統(tǒng)要求?？紤]單片機(jī)的程序存儲器空間是否夠用。當(dāng)采用此算法以后程序為2.3k左右，再加上為串口rs232轉(zhuǎn)usb接口程

44、序預(yù)留的1k左右的代碼空間，總代碼量為3.3k左右，小于單片機(jī)自帶的4k eprom空間，因此方法可行。本系統(tǒng)采用交流采樣的方法以后，對電動機(jī)額定電流、額定電壓與其對應(yīng)的整流環(huán)節(jié)交流輸入電壓的校準(zhǔn)方法大致與3.1.3節(jié)所述相同。不同的是在采用交流采樣后，校準(zhǔn)的對象變成了整流環(huán)節(jié)的交流輸入電壓，即電流互感器并聯(lián)精密電阻后再由電位器分壓輸出的交流電壓信號，而不是整流環(huán)節(jié)的直流輸出電壓信號。6.1.2采用鑒相器電路如繼續(xù)采用直流采樣，可用鑒相器電路將電壓與電流信號的相位作比較，輸出與相位差成比例的電平，將該電平作為a/d采樣的輸入，則單片機(jī)就能根據(jù)電動機(jī)線電流的大小以及功率因數(shù)來確定是否進(jìn)行切換，從而解決前述問題。根據(jù)圖1-4及圖1-5，當(dāng)電動機(jī)在接下運行時，如定子電流小于額定電流的40%,則直接切換至y下運行。如定子電流大于額定電流的40%，此時判斷功率因數(shù)角，若功率因數(shù)角大于600,(對于工頻信號來說，電壓與電流的相位差約為3.3ms。則切換至y下運行;若功率因數(shù)角小于600，則不切換。當(dāng)電動機(jī)在y接下運行時，如定子電流大于額定電流的50%,則直接切換至下運行。如定子電流小于額定電流的50%，則不切換。6.2 對于硬件保護(hù)有可能躲不開的下啟動電流分析有的電動機(jī)下的啟動電流為額定電流的57倍，如按本設(shè)計的硬件保護(hù)整定值，則躲不開下的啟