異步電動機節(jié)能運行控制器設計

1緒論1.1異步電動機節(jié)能控制的意義隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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。作為一種重要的動力設備，異步電動機的用電量是非常大的。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(jīng)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0.3～0.4，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90kW以內(nèi)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/kWh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年國家電力部統(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13~17年；核電每kWh需投資2~3元；其他能源（太陽能、風能、海洋能等）每kWh需投資3~5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(chǎn)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(jīng)濟效益，具有十分重要的現(xiàn)實意義。1.2異步電動機節(jié)能控制器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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(wǎng)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(jīng)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。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FrankNola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，通過后面第二章的分析可以得出：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(diào)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)有一定改善，但并未超過0.5。利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)研制的軟起動器是從70年代開始應用的，以后美國宇航局工程師諾瓦又把功率因數(shù)控制技術(shù)結(jié)合進去，以及采用微電腦代替模擬控制電路，發(fā)展成現(xiàn)在的智能化電機節(jié)能控制器。目前，世界上有許多公司都生產(chǎn)軟起動器，例如：美國Allen-Bradley公司在90年代初期推出了系列的智能控制器（SMC-SmartMotorController）；GE公司生產(chǎn)的軟起動器最大功率為850KW，額定電壓500V，額定電流1.18KA，最大起動電流為5.9KA；在歐洲，德國的金鐘默勒公司的Softpact系列起動器在歐洲銷售得較好；意大利SIEI公司生產(chǎn)的軟起動器額定電壓達到690V，額定電流達到1.6KA。以上的電機控制器都有優(yōu)良的性能。它們集軟起動、節(jié)能、電機保護于一體，并且有良好的用戶界面，通過鍵盤和液晶顯示器可以方便的設置系統(tǒng)參數(shù)和得到控制器運行狀態(tài)。由于能源緊缺我國也從七十年代開展了大規(guī)模節(jié)能裝置的研究。據(jù)國家第七批節(jié)能產(chǎn)品推廣項目介紹，研制出了ID，DJZ，XSZ等等一大批系列節(jié)電器。其空載節(jié)電率大于30%左右，輕載（小于30%負載率）為33~43%左右。與國外相比，國內(nèi)集軟起動、節(jié)能、保護于一體的電機節(jié)能控制器的研制起步較晚，但發(fā)展很快。目前市場上已有天津、上海、西安等多家企業(yè)的產(chǎn)品，系列產(chǎn)品達到320KW。但這些產(chǎn)品功能還不完善，性能不穩(wěn)定，界面不友好，同國外產(chǎn)品比較還有很大差距。而國外產(chǎn)品價格昂貴，操作復雜，對使用人員要求高，限制了在國內(nèi)的推廣。在應用上，國內(nèi)使用智能型電機節(jié)能控制器的場所還很少，傳統(tǒng)的交流電動機起動器仍繼續(xù)占領市場，所以目前研究智能型電機節(jié)能控制器這種產(chǎn)品有非常廣闊的市場前景。因此，有必要自行研制適合我國國情的國產(chǎn)節(jié)電器以滿足市場對節(jié)電產(chǎn)品的迫切要求。研制中除了借鑒國外產(chǎn)品成功經(jīng)驗外，還要針對其不足和我國電網(wǎng)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(shù)和微處理技術(shù)，開發(fā)出具有特色的中國人自己的節(jié)電產(chǎn)品來[1]。1.3異步電動機節(jié)能控制的基本方法異步電動機運行時，一般有四種方式可以達到節(jié)能的目的：(1)調(diào)壓節(jié)能調(diào)壓節(jié)能是利用異步電動機輕載時效率很低,降低輸入電機的端電壓以降低空載損耗來提高效率。電機端電壓降低后,氣隙主磁通也成正比下降,由Φ∝E2∝U2;電機定子電流中的勵磁分量I0也會隨著下降。但Φ下降時,如果電機的負載轉(zhuǎn)矩不變,則轉(zhuǎn)子電流I2將上升,有I2∝1/Φ∝1/E2。這些變化對電機損耗產(chǎn)生影響，電壓下降適當時,電流I1可以減小,銅耗也相應減小。機械損耗則一般變化不大,雜散損耗隨定轉(zhuǎn)子電流而變。當電機輕載或空載時,I1中I0分量所占比例較大,I2分量所占比例較小,定子電流是能夠減小的,降壓運行可以達到降壓節(jié)能的目的。(2)變頻節(jié)能變頻節(jié)能是對變頻器供電的異步電動機實現(xiàn)功率因數(shù)自動控制,使電動機一直處于較高功率因數(shù)下運行,減少無功能量的損耗,根據(jù)實際需要,設計一帶有轉(zhuǎn)速反饋的高功率因數(shù)異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng),從而達到節(jié)能的目的。(3)軟啟動節(jié)能異步電機的啟動性能較差,全壓啟動電流約為額定電流的8～10倍,對于大功率電機,將對電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊,影響同一電網(wǎng)中其他用電設備的正常工作。這樣，全壓啟動對電機的機械部分也產(chǎn)生大的沖擊,縮短機械部分使用壽命，若采用軟啟動措施,平穩(wěn)升高啟動電壓,直至正常工作,這樣既改善了電機啟動對電網(wǎng)的沖擊,同時也減小了機械部分承受的沖擊，通過設計異步電機軟啟動節(jié)能控制器,用于電機的節(jié)能、軟啟動。(4)單片機控制異步電動機Y/D轉(zhuǎn)換節(jié)能通過單片機控制的三相異步電動機Y/D轉(zhuǎn)換節(jié)能器，可對電動機的Y，D之間的轉(zhuǎn)換臨界負載率電流值分別進行設定，并可加入一定的回差值，從而解決了接觸器頻繁轉(zhuǎn)換的問題，對于變載工作的電動機可取得較好的節(jié)能效果[2]。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(diào)壓節(jié)能的主回路一般都采用晶閘管調(diào)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α的大小，調(diào)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。1.4異步電動機調(diào)壓節(jié)能控制方法本論文主要從電機的軟起動控制和輕載調(diào)壓控制兩方面著手，達到節(jié)能的目的。異步電動機的起動控制方式：異步電機是以反電勢來平衡外電壓的，反電勢隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，電動機在起動之初反電勢為零，所以起動時沖擊電流很大，約為額定電流的5~7倍。對于功率較大的異步電機起動時電流會達到幾千安培，會對電網(wǎng)造成很大的沖擊，使電源電壓下降，影響同一電網(wǎng)上的其它設備的起動和正常工作?；谝陨系脑?，電動機一般不允許直接起動，必須對其起停加以控制?？梢詫崿F(xiàn)異步電機軟起動的方式主要有：離心連接方式、變頻調(diào)速起動方式、降壓起動方式。(1)離心連接方式包括液力耦合器，電磁轉(zhuǎn)差離合器等多種形式。其基本原理是在電機和負載之間加入中間級以起到緩沖作用，離心連接可用于調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，精度低。這種起動方式可以防止起動時對負載設備的沖擊，但不能防止起動過程中沖擊電流對電網(wǎng)的影響。(2)變頻調(diào)速起動方式變頻調(diào)速系統(tǒng)除進行電機調(diào)速外，還可以實現(xiàn)平滑起動。在電機起動加速時，逆變器輸出頻率做線性增長，隨頻率增大電壓隨之增高，可使電機起動時的電流限制在1.5I左右。對于有調(diào)速要求的電力拖動系統(tǒng)，宜采用變頻器調(diào)速方式。但這種電機控制器的電路復雜，成本較高，當不需要精確調(diào)速時，不適合應用這種起動方式。(3)降壓起動方式包括常規(guī)的降壓起動和固態(tài)軟起動器起動兩種方法。常規(guī)的降壓起動方式主要有：定子電路中串入起動電抗、星—三角形起動、自耦變壓器降壓起動等。這類起動控制可以達到減小起動時的機械及電器沖擊的基本要求，但它們僅僅是名義上的軟起動控制器，因為它們將起動階段分為兩個或多個步驟，起動電流由一級向相鄰一級跳變時會產(chǎn)生跳躍沖擊，且這類控制器均以接觸器為主要部件，雖然經(jīng)過不斷的設計改進，但還是存在不可消除的缺點，如體積大、機械磨損、觸頭燒熔、工作噪聲、工作時的射頻干擾和機械震動，為此，起動設備需要經(jīng)常維修，實踐表明，這類起動器的性能比電機本身還要差。另外一種降壓起動方式是用固態(tài)起動器起動。固態(tài)起動器是一種新型的無觸點起動器，通過半導體元件來控制。在三相電路的每一相有兩個晶閘管反并聯(lián)連接，控制輸出的觸發(fā)脈沖即可調(diào)整晶閘管的輸出電壓[3]。1.5異步電動機的調(diào)壓節(jié)能控制方式電動機的效率為輸出機械功率與輸入電功率之比。電動機的損耗是輸入的電功率與輸出機械功率之差，小功率三相異步電機的損耗主要損耗是銅耗和鐵耗損，共占總損耗的大約80％。在電動機工作時的三種基本損耗中，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗與其電流平方成正比，鐵耗與其電壓的平方成正比。因此，如果在負載減輕的同時，相應降低電機的端電壓，那么就可以減小銅耗和鐵耗，提高運行效率。為了獲得最佳的節(jié)能效果和最好的運行功率因數(shù)，人們對輕載調(diào)壓節(jié)能技術(shù)進行了仔細的研究，提出了很多優(yōu)化的端電壓控制策略，如：恒功率因數(shù)角控制，最小定子電流控制，最小功率因數(shù)角控制和最小定子輸入功率控制。它們在實施中取得了較好的節(jié)能效果。然而這些研究也顯示出某些不足，在實際應用中，由于缺乏系統(tǒng)的理論分析與完善的控制策略，很難達到最佳的控制效果[4]。綜合上述分析可見，僅從節(jié)能的角度考慮，以最小定子功率控制法(minPin)為最好，但由于采用minPin法必須準確測定電動機定子電流及電壓與電流的相位差，所以從控制器的性能價格比和節(jié)能效果綜合考慮，仍不采用此法。另外，上述四種調(diào)壓控制方式有一個共同的缺點——嚴重依賴電動機的數(shù)學模型，而目前所能找到的公式大多是經(jīng)驗公式和簡化公式，即使能找到精確的數(shù)學模型，由于電動機參數(shù)隨著電動機型號、加工工藝及電動機老化等等因素而改變，再精確的數(shù)學模型也并不準確了，所以采用傳統(tǒng)的數(shù)學解析式方法進行調(diào)壓控制很難達到滿意效果。因此，本文將采用模糊控制技術(shù)等人工智能控制技術(shù)尋找解決問題的突破口，用最簡潔的方式，最實用的方法，最廉價的成本，取得最高效的節(jié)能功效。1.6異步電動機節(jié)能控制器的關鍵技術(shù)(1)功率因數(shù)角的檢測傳統(tǒng)的功率因數(shù)的檢測，需要對電壓、電流的相位角進行精確測量，所需元件較多，運算比較復雜，而且所需成本過高，本文提出的檢測方法是，利用晶閘管的自動關斷特性，對電流過零點進行檢測，通過比較器把電壓過零信號轉(zhuǎn)換成方波信號，便于單片機采集，經(jīng)單片機運算就可得到功率因數(shù)角。在節(jié)能控制器中，檢測到準確的功率因數(shù)角是控制是否精確的關鍵，本系統(tǒng)使用晶閘管的基本特性，能精確測量信號的過零信息，而且不增加額外電路。(2)節(jié)能控制器中的軟件實時性軟件設計采用模塊化的設計思路，包括主程序模塊、電壓中斷程序模塊、電流中斷程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。主程序模塊主要完成控制系統(tǒng)軟件及硬件的初始化，電壓、電流采樣數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，判斷電壓電流是否正常，若有故障則停機。電壓過零點到來時產(chǎn)生電壓中斷，中斷程序首先輸出觸發(fā)脈沖，接著起動定時/計數(shù)器進行計數(shù)；電流過零點到來時產(chǎn)生電流中斷，中斷程序關斷定時/計數(shù)器，并讀取計數(shù)器的數(shù)值，將其送入系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理程序模塊，數(shù)據(jù)處理程序模塊主要完成功率因數(shù)角的計算、找出與預先設定值的差值部分，最終計算出調(diào)壓比，得出PWM觸發(fā)脈沖[6]。1.7本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑：課題要求任務：(1)節(jié)能器功能設計與實現(xiàn)。(2)節(jié)能器的硬件設計與編程。(3)重點研究基于最小能耗的三相異步電動機節(jié)能控制器算法。內(nèi)容：(1)節(jié)能器功能設計包括軟啟動、軟停車、節(jié)能控制、故障綜合保護。(2)研究軟啟動算法、軟停車算法和節(jié)能控制算法。(3)設計出系統(tǒng)硬件電路并編程。要求：(1)基本的軟啟動、軟停車、節(jié)能控制、綜合故障保護功能必需實現(xiàn)(2)單片機選用89C52，硬件設計要求操作簡單，易擴展，抗干擾，LED顯示2節(jié)能器節(jié)能控制原理和控制策略2.1降壓節(jié)能原理2.1.1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，電壓平方變化的電動機轉(zhuǎn)矩也迅速下降而小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機只能依靠增大轉(zhuǎn)差率，提高電磁轉(zhuǎn)矩以達到與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率的增大，引起轉(zhuǎn)電流增大，同時引起定子和轉(zhuǎn)子電壓間的相角增大，導致定子電流增大，從而定子和轉(zhuǎn)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(jīng)濟上是有利的。這是因為在輕載運行時，電動機的實際轉(zhuǎn)差率大大小于額定值，轉(zhuǎn)子電流并不大，在降壓運行時，轉(zhuǎn)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(jīng)濟性與電動機負載率同運行電壓是否合理匹配關系極大。理論分析表明電動機的力能指標(運行效率與功率因數(shù))與其端電壓之間存在如下的數(shù)量關系:(2.1)(2.2)其中:和S為電動機額定工況和降壓運行的轉(zhuǎn)差率;和為電動機額定工況和降壓運行的功率因數(shù);和為電動機額定工況和降壓運行的效率;為電動機的調(diào)壓系數(shù)，，(和為電動機額定電壓和降壓運行時的實際電壓);為電動機的空載電流系數(shù)，，(和為電動機的額定電流和空載電流)從公式(2.2)不難看出:并不是所有的降壓行為都能達到節(jié)電的目的，只有當電壓降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)上升程度時，才能使運行效率提高.實際上，電動機效率隨電壓降低而變化的關系呈馬鞍形曲線，對應于每一個輸出功率(或負載系數(shù))，必然存在一個最佳調(diào)壓系數(shù)，當=時，電動機的損耗最低，效率最高。為電動機的最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。不同負載下最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)可按電動機的負載系數(shù)由下式確定:(2.3)其中:為電動機額定負載時的有功損耗(KW):為電動機的空載損耗(KW);K為計算系數(shù)，（為電動機的機械損耗（KW））為電動機的負載系數(shù)，(為電動機的輸出功率，為電動機的額定功率)。GB12497給出了輕載電動機采用降壓節(jié)電措施后，節(jié)約電能的計算公式為節(jié)約的有功功率為:(2.4)節(jié)約的無功功率△Q為:(2.5)其中:為電動機帶額定負載時的無功功率(Kvar)為電動機的空載無功功率(Kvar)節(jié)約的電能為:(2.6)其中:為無功經(jīng)濟當量，當電動機直連電機母線=0.02～0.04，二次變壓取=0.05～0.07，三次變壓取=0.08～0.10;Tec為電動機年運行時間（h）[16]。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(qū)動負載的工作特性，可以將負載分為兩類:恒轉(zhuǎn)矩負載和變轉(zhuǎn)矩負載。恒轉(zhuǎn)矩負載是指負載對電動機的阻轉(zhuǎn)矩兀相對于電動機轉(zhuǎn)速n近似為常數(shù)。例如切削機床、傳送機、吊車等。變轉(zhuǎn)矩負載是指負載對電動機的阻轉(zhuǎn)矩兀相對于電動機轉(zhuǎn)速。有較大變化。例如風機，水泵等。對于這類負載其阻轉(zhuǎn)矩可用下式表示：(2.7)其中:為負載的額定轉(zhuǎn)矩;s為轉(zhuǎn)差率(l)恒轉(zhuǎn)矩負載損耗分析異步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率有如下關系:(2.8)其中:為電機輸出功率;n為電機轉(zhuǎn)速對于三相異步電機，調(diào)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:(2.9)其中:為電動機在實際電壓下鐵耗;為電動機在額定電壓時的空載損耗;為電動機的機械損耗;為電動機的調(diào)壓比;為電動機實際定子電壓;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:(2.10)其中:為電動機的實際銅耗;為電動機的額定功率;為電動機的額定效率；為電動機的負載系數(shù);為電動機輸出機械功率。對于恒轉(zhuǎn)矩負載調(diào)壓時不變，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，記為相應的電壓比稱為最佳電壓比，記為。設電動機額定電壓下運行時的總損耗為，任意電壓下運行時的總損耗為，則有:.(2.11)(2.12)定義對于在某一負載系數(shù)下運行的電動機，顯然當越小，節(jié)電效果越顯著。令，可求得在此負載系數(shù)下的最佳調(diào)壓比：(2.13)令(2.14)由以上分析可以得出如下結(jié)論:1）最佳調(diào)壓比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(diào)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）當值越接近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(zhuǎn)矩負載，調(diào)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[5]。(2)變轉(zhuǎn)矩負載損耗分析變轉(zhuǎn)矩負載的工作特性可用圖所示圖2.1變轉(zhuǎn)矩負載工作特性曲線如圖所示，當流量為額定值，轉(zhuǎn)速為額定值時，阻力為曲線，負載工作于A點;這時的負載輸入功率(電機的輸出功率)可以用四邊形的面積表示。當輸出流量降為，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的面積表示。可見輸出功率略有下降。如果當負載率降低時，相應降低端電壓，電機轉(zhuǎn)速降為，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，用四邊形面積表示。綜上所述，對于變轉(zhuǎn)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。2.1.3不同負載率下的電壓變比與功率因數(shù)關系由上面的分析可知功率因數(shù)與電壓的變化存在密切的關系，通過調(diào)壓來改善電機的功率因數(shù)非常方便，控制非常簡單。在輕載運行時，電壓的變化對功率因數(shù)的影響很大，異步電機運行在不同負載率時電壓變化對功率因數(shù)影響如下圖所示:圖2.2不同負載率下功率因數(shù)與電壓變比關系曲線功率因數(shù)角變化對晶閘管輸出電壓的影響通過相控調(diào)壓方式控制電機的起動電壓，要使電機的定子電壓按某一特定規(guī)律變化是很困難的，原因是:電機的續(xù)流角決定于其功率因數(shù)角，而功率因數(shù)角又與電機轉(zhuǎn)速相關，在電機起動過程中，電機轉(zhuǎn)速的不斷變化，會導致功率因數(shù)角的變化，因此晶閘管觸發(fā)角的調(diào)整必須跟隨功率因數(shù)角的變化，才可能實現(xiàn)按預期規(guī)律調(diào)節(jié)電機電壓的目的。晶閘管調(diào)壓型軟起動控制器的一相等效電路如下圖所示，其中為電機一相的等效阻抗，為電網(wǎng)的相電壓，為晶閘管輸出電壓.設，。下圖為一相晶閘管的工作電壓示意圖，其中為晶閘管的觸發(fā)角，為電動機的功率因數(shù)角，即的阻抗角，為晶閘管的導通角。圖2.3晶閘管調(diào)壓電路的一相等效電路圖2.4一相晶閘管的工作電壓示意圖由上圖可得:，角的大小決定了晶閘管的輸出電壓，即加在電機端口的電壓。一般對晶閘管正負半周的觸發(fā)是對稱的，晶閘管的輸出電壓有效值可由公式計算:(2.15)是及的函數(shù)。若晶閘管的輸出端接一個恒定負載，即上圖中的，固定不變，則為一常量，此時只須調(diào)整觸發(fā)角，就可使按期望的規(guī)律變化。對于電機類負載，由可知，在電機起動過程中電機的功率因數(shù)角是不斷變化。因此，若要控制的大小，僅按預定規(guī)律去調(diào)整觸發(fā)角，而不考慮功率因數(shù)角的變化是不行的[6]。2.2控制量的選擇及控制策略軟啟動電動機軟起動方式就是控制以不同速率改變晶閘管的導通角，使電機端電壓漸增。這樣可以很好地解決傳統(tǒng)起動方式電流過大及其派生的許多問題。起動過程的控制策略起動過程應考慮快速性和電流過載能力,所以起動時采用脈沖電流起動和電壓斜坡起動相結(jié)合的方案,同時配置限流和限時的安全措施?？稍O置/修改起動初始電壓Ust、起動時間tg1、停車時間tg2。圖2.5電壓斜坡起動和停車示意圖運行過程的控制策略運行過程中負載功率因數(shù)隨工況變化,宜采用功率因數(shù)角負反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)進行節(jié)能控制。同時,考慮到突加負載情況,為防止突加負載引起停車現(xiàn)象發(fā)生,配置突增負載工況的診斷和非線性升壓控制措施;在負載很輕或空載情況下,為減少電動機拖動設備的無效行程,提高節(jié)電率,配置間歇工作機制;對運行期間出現(xiàn)的斷相、三相不平衡、過載故障等配置反時限安全保護措施[9]。移相脈沖可靠性觸發(fā)控制策略對于感性負載,負載電流滯后電壓β角。在以電壓過零作同步信號的系統(tǒng)中,當移相觸發(fā)角α<β情況的“半波整流”現(xiàn)象發(fā)生。為保證移相脈沖的可靠觸發(fā),常要求觸發(fā)信號為寬脈沖或脈沖串。但在雙脈沖觸發(fā)方式下,較大時第二脈沖串可能引起“誤換相觸發(fā)”現(xiàn)象發(fā)生。采用變脈沖串控制策略,即采用ns=table(),可解決上述問題。其中table()為控制決策表,ns為對應移相控制角的脈沖串個數(shù)。小時,ns取大;大時,ns取小。軟起動、軟停車控制算法設電動機正常運行電源電壓為Uc,斜坡起動初始電壓為Ust,分別對應的過零移相觸發(fā)角為c和st,起動時間為tg1,設步距為h=0.02s。則起動進程值（2.16）起動每步距移相角（2.17）起動電壓斜坡升壓控制移相觸發(fā)角（2.18）設電動機正常運行電壓為UC,軟停下限電壓為Uq,分別對應的過零移相觸發(fā)角為c和q,停車時間為tg2,步距h=0.02s。(2.19)則軟停車過程進程值（2.20）停車每步距移相角（2.21）停車電壓斜坡降壓控制移相角度（2.22）2.2.6運行過程有突增負荷時的防停車控制算法運行過程中若負荷瞬間突增,設FIX()為取整函數(shù),Kp為變比例系數(shù)電流變化率（2.23）則移相角為（2.24）這樣當電流變化率為10%、20%、30%、40%?時,調(diào)壓移相角可以按上式進行非線性調(diào)整[10]。運行狀態(tài)下調(diào)的節(jié)能控制算法由異步電動機的運行特性可知,電動機在輕載時效率很低,如果在輕載時降低輸入電壓,減少電動機主磁通,電動機的鐵心損耗及磁化電流將減少,從而電動機的效率、功率因數(shù)將得到提高,為此組成功率因數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效地進行節(jié)能。功率因數(shù)調(diào)節(jié)器的作用是節(jié)能,允許調(diào)節(jié)靜差存在,同時調(diào)節(jié)要求平滑,而對快速性要求不高。所以功率因數(shù)調(diào)節(jié)器選用如下控制算法:①通過比較器,求。其中為給定功率因數(shù)角,為負荷功率因數(shù)角,為被控功率因數(shù)角實時偏差,為被控功率因數(shù)角實時變化率。②設調(diào)節(jié)靜差為。③調(diào)節(jié)步距h=0.02s,步距移相角為。④在條件下,按控制。⑤在或條件下,按調(diào)節(jié),并對限幅,取,,調(diào)節(jié)曲線如圖所示。圖2.6調(diào)節(jié)曲線這種控制算法的優(yōu)點:①調(diào)節(jié)平緩,無階躍沖量。②最小限幅在給定負荷功率因數(shù)角,即永遠使,避免了感性負荷條件下的“半波整流現(xiàn)象”發(fā)生。③最大限幅在,即起到了輕載時的節(jié)能控制,又避免了“停車現(xiàn)象”的發(fā)生。④沒有調(diào)節(jié)參數(shù)的現(xiàn)場整定問題[11]。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(jīng)過主控制芯片的處理，輸出觸發(fā)脈沖，控制雙向晶閘管的導通角，達到降壓節(jié)能的目的。系統(tǒng)主要功能電路有:主控制電路、電流電壓采樣電路、功率因數(shù)角檢測、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:AT89C52雙向晶閘管AT89C52雙向晶閘管觸發(fā)電路采集電路顯示鍵盤電源電動機功率因數(shù)檢測電路電網(wǎng)圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖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(chǎn)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(chǎn)技術(shù)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單片機系統(tǒng)電子技術(shù)、微電子技術(shù)特別是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和成熟，使得計算機不斷的更新?lián)Q代，尤其是微型計算機，其發(fā)展速度之迅猛，應用范圍之廣泛是以往任何技術(shù)都無法比擬的。而作為微型計算機技術(shù)的一個獨特分支的單片機技術(shù)，使得許多領域的技術(shù)水平和自動化程度大大提高，可以說當今世界正在經(jīng)受一場以單片機技術(shù)為標志的新技術(shù)革命浪潮的沖擊。單片機一經(jīng)出現(xiàn)，便以其小巧價廉，功能強，穩(wěn)定可靠，集成度高，運算速度快，功耗低，擴展容易，抗干擾能力強，系列齊全:使用方便靈活等優(yōu)點廣泛應用于工業(yè)過程控制、自動監(jiān)測、智能儀器儀表、家用電器等領域，這使得單片機成為當今世界上銷售量最大、應用面最廣、價格最便宜的微型計算機產(chǎn)品，單片機技術(shù)的開發(fā)和應用水平已成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志之一。為了適應各種應用領域的需要，世界各國都在不斷地進行研制和開發(fā)。目前世界上最具實力的單片機開發(fā)公司有：美國的Intel,ATMEL,荷蘭的Philips，德國的Siemens等。其中Intel公司開發(fā)的MCS-51高性能8位機代表著單片機的發(fā)展方向，成為單片機領域中的主流產(chǎn)品，其他公司則紛紛推出了與MCS-51系列兼容的單片機，ATMEL公司的89系列Flash單片機便是其中的一種。其以Intel80C51/52作為內(nèi)核，并采用可重復編程的FlashROM技術(shù)，是一種源于8051而又優(yōu)于8051的單片機，己成為廣大MCS-51用戶進行電子設計與開發(fā)的優(yōu)選單片機品種。根據(jù)系統(tǒng)的功能和要求，設計選用ATMEL公司89系列標準型單片機AT89C52作為控制中心。器引腳圖如圖圖3.2引腳圖主要引腳功能說明：(1)VCC：電源電壓(2)GND：地(3)P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對斷口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端使用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組端口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。(4)P1口：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（In）。(5)P2口：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。(6)P3口：P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（In）。(7)RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。(8)ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸入脈沖或用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。(9)PSEN：程序存儲允許PSEN輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。(10)EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。(11)XTAL1:振蕩器反相放大器的內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。(12)XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。時鐘電路AT89C52的時鐘方式有兩種，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。本設計從簡化電路方面考慮，采用內(nèi)部時鐘方式。AT89C52單片機內(nèi)有一個高增益的反相放大器，其輸人端（XTAL1）和輸出端（XTAL2）用于外接石英晶體和微調(diào)電容構(gòu)成振蕩器，對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，一般電容值在20pF～40pF時，振蕩器有較高的穩(wěn)定性。本設計用于交流電參數(shù)的測量，數(shù)據(jù)計算又軟件實現(xiàn)，需要穩(wěn)定的振蕩時鐘來保證測量與計算的精度，所以選擇電容值為33pF，晶振頻率為6MHz[11]。電路如圖3.3所示。XTAL1XTAL2XTAL1XTAL2圖3.3時鐘電路引腳介紹X5045它共有8個引腳，各引腳的功能如下：CS：電路選擇端，低電平有效；

SO：串行數(shù)據(jù)輸出端；SI：串行數(shù)據(jù)輸入端；SCK：串行時鐘輸入端；WP：寫保護輸入端，低電平有效；RESET：復位輸出端；VCC：電源端；VSS：接地端。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。89C52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(jīng)變壓器、經(jīng)過橋式整流后再經(jīng)過電容、電感濾波直接得到，一般來講，這樣得到的+l2V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(jīng)過DC/DC變換將該電壓進行隔離穩(wěn)壓處理[16]。本次設計中電源電路如圖所示:圖3.4供電電源3.2系統(tǒng)主要功能模塊電路設計主電路設計大中型電機在直接起動時會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這一方面會引起電機的發(fā)熱損壞，另一方面會對供電電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重影響。因此需要對電機的起動過程加以控制，主要目的是為了降低電機的起動電流。傳統(tǒng)的降壓起動方法，如星/三角降壓起動等，無法對電機的起動電壓進行連續(xù)調(diào)節(jié)，因而導致電機起動時仍然存在較大的沖擊電流。近幾年來，國外一些學者及大公司都在致力于開發(fā)適合于普通三相異步電機起動的專用軟起動控制器，很多學者在這方面作了大量工作。國內(nèi)在該領域開展的研究工作較晚，尤其在系統(tǒng)的控制策略及控制算法方面，缺乏有價值的文獻資料?，F(xiàn)有軟起動器中使用的反饋變量一般為電壓、電流及轉(zhuǎn)速，而本文以電機功率因數(shù)角作為系統(tǒng)的一個反饋控制變量，提出了對電機軟起動系統(tǒng)進行功率因數(shù)角閉環(huán)控制的方法。軟起動控制器的主電路如圖3.5所示，系統(tǒng)主電路主要由空氣開關（K1）、三對反并聯(lián)的晶閘管、三只電流互感器（CT1、CT2、CT3）、交流接觸器組成。系統(tǒng)采用三相平衡調(diào)壓式主回路，將三對反并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)在電動機的三相電路上。它利用晶閘管的開關特性，應用單片機實現(xiàn)控制算法改變晶閘管控制角的大小，來控制晶閘管的開通程度，進而改變電動機起動電壓的大小，來控制電動機的起動特性，使電動機按設定模式平滑起動。當起動完畢后，程序控制將旁路交流接觸器閉合，晶閘管暫停工作使電動機直接投入電網(wǎng)運行，這樣既可以減少對電源的諧波污染，又可以解決軟起動器功率元件的散熱問題。同時微處理器對運行參數(shù)繼續(xù)監(jiān)視，對各類故障進行全程保護。停車時，控制系統(tǒng)給出停車信號后，晶閘管投入工作，旁路接觸器斷開，起動器按設定的停車模式實現(xiàn)軟停車。電流互感器用于檢測電動機三相電流，提取保護信號。這種結(jié)構(gòu)控制簡單、工作可靠，裝置容量大而且造價低。圖3.5晶閘管調(diào)壓電路通過構(gòu)造順序觸發(fā)矩陣來說明其控制算法：以A相電源電壓做為同步信號，每檢測到同步信號并延時某一移相角a后，按照B+A-、C+A-、C+BA+B-、A+C-、B+C-順序觸發(fā)各晶閘管的導通，相臨兩個觸發(fā)單元的間隔為60度電角度。設A相正、負向觸發(fā)脈沖信號、B相正、負向觸發(fā)脈沖信號、C相正、負向觸發(fā)脈沖信號分別用變量Ga+、Ga-、Gb+、Gb-、Gc+、Gc-表示。一個周期內(nèi)六次定時中斷用變量：建立的順序觸發(fā)控制邏輯矩陣如下：上式表示順序觸發(fā)控制邏輯矩陣。依此算法即可實現(xiàn)B+A-、C+A-、C+BA+B-、A+C-、B+C-順序?qū)θ嗑чl管觸發(fā)的時序管理[7]。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，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，產(chǎn)生和輸出寬度與周期均可調(diào)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(zhuǎn)換成同相位的矩形波，送入單片機的高速輸入端，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(zhuǎn)換成矩形波，然后送入單片機的高速輸入端，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(diào)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(diào)壓。對功率因數(shù)角檢測的精確性是保證調(diào)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VT0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(zhuǎn)換成方波信號如圖所示，送入高速輸入VT1，進行過零檢測[14]。圖3.6電壓過零波形圖圖3.7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(jīng)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。電壓電流檢測電路設計電壓電流轉(zhuǎn)換要送入單片機的A/D進行轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809。A/D變化可以將模擬量轉(zhuǎn)換為等價的數(shù)字量。采集和轉(zhuǎn)換時間可編程，轉(zhuǎn)換值在模擬地和參考電壓之間。轉(zhuǎn)換結(jié)果可用來計算增益和零補償誤差，內(nèi)部零補償電路可以自動的進行零補償調(diào)整。A/D有A/D門限探測模式，當門限電壓被超出時，可產(chǎn)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(gòu)件是采樣保持電路、8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(jīng)濾波分壓后送入單片機的A/D端進行模數(shù)轉(zhuǎn)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)。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(jīng)整流橋整流分壓后送入單片機的周D進行轉(zhuǎn)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。檢測占用三個A/D轉(zhuǎn)換口。圖3.8電壓檢測電路圖圖3.9電流檢測電路圖觸發(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，把由高速輸出口輸出的觸發(fā)脈沖放大，如下圖所示:圖3.10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(chǎn)生三相不對稱交流電壓，這將給電氣設備和整個電網(wǎng)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，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閉值進行比較，以判斷是否采取保護動作，當采樣值達到閉值，單片機發(fā)出控制信號令主電路中的接觸器吸合，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3.11所示。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閩值，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閩值，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[15]。圖3.11三相平衡檢測原理圖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。3.3系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)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(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)、去禍電路、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)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(shù)等。軟件抗干擾措施將在下一章介紹。現(xiàn)在主要介紹本節(jié)能控制器的硬件抗干擾措施。濾波技術(shù)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(wǎng)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。去禍電容數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)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。屏蔽技術(shù)和隔離技術(shù)屏蔽技術(shù)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(nèi)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路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，使單片機與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系.隔離的實質(zhì)使把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。本控制器采用的是光電隔離、變壓器和互感器隔離方式。接地技術(shù)接地技術(shù)是抑制噪聲的重要手段，良好的接地可以再很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲禍合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。接地目的有三個:其一是為各電路的工作提供基準電位;其二是為了安全;其三是為了抑制干擾。本控制器采用兩種接地方式，其一是控制器的外殼接地，它能夠保證控制器與大地等電位，保護人身設備安全和屏蔽外部干擾。在控制器電路板上采用單點接地，即在電子線路中，定義一個物理點為接地參考點。其它各個需要接地的點都直接接到這一點上。這點可以理解為一個等電位點或等電位面，是系統(tǒng)的基準電位，并通過此點接大地。提高總線的抗電磁干擾能力當總線處于高阻狀態(tài)時處于懸空狀態(tài)，比較容易接受外界的電磁干擾。當系統(tǒng)受到外界干擾而引起程序亂飛，當亂飛空間超出系統(tǒng)程序存儲器的地址空間時，程序存儲器全部關斷，致使數(shù)據(jù)總線處于高阻狀態(tài)。因此在系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)總線和其他輸入口配上了上拉電阻，使總線具有穩(wěn)定的高電平，同時有助于抑制靜電干擾和削弱反射波干擾。電路抗干擾技術(shù)由于可控硅開關高次諧波、外部干擾等在采用屏蔽和濾波后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求，可以結(jié)合電路屏蔽，采取平衡措施等電路技術(shù)，在電路設計合理布置地線，還可采用其它一些電路技術(shù)，例如接點網(wǎng)絡，整形電路，積分路和選通電路等等.總之，采用電路技術(shù)也是抑制和防止干擾的重要措施。此外，實際的無源元件并不是理想的，其特性與理想的特性是有差異的。元件本身可能就是一個干擾源，因此選用優(yōu)質(zhì)無源元件非常重要。也可以利用元件具有的特性進行抑制和防止干擾[9]。4系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)的軟件設計是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關鍵所在，軟件設計的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的性能，在相同硬件基礎上設計的軟件功能差異可以很大。由于本次設計對實時性要求較高，而且要頻繁的對數(shù)據(jù)進行采集和處理大量的數(shù)據(jù)，占用了CPU的大量資源，因此在優(yōu)化軟件設計的同時，還要注重核心芯片的選擇。異步電機運行時，根據(jù)當時所帶負載大小的不同，電動機的功率因數(shù)等性能指標會有較大的變化，通過對功率因數(shù)等關鍵指標的測量，通過軟件控制算法調(diào)整系統(tǒng)的性能指標，使其達到較理想的要求，并且還能對系統(tǒng)的運行狀況及故障信息進行顯示和報苦。本節(jié)能控制器軟件控制模塊主要包括:初始化子程序、軟起動與軟停車功能子程序、功率因數(shù)檢測子程序和故障中斷子程序。上電后系統(tǒng)開始運行，系統(tǒng)先調(diào)用初始化，對各個外設進行自檢，初始化子程序完成后，進入軟起動子程序設定程序，LED會顯示SE字樣，表示可以進行軟起動初始時間設定，若不設定，系統(tǒng)默認會在20s后自動進入軟啟動。起動完成后進入主循環(huán)，電壓電流過零檢測等功能電路會對系統(tǒng)進行采樣，并由高速輸入端口或模數(shù)轉(zhuǎn)換端口A/D送入主控制器，由相應的子程序進行處理，并進行故障監(jiān)測，若有故障會根據(jù)初始設定對故障進行處理，若沒有則繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)。系統(tǒng)軟件主流程圖圖4.1主流程圖觸發(fā)脈沖流程圖圖4.2INT0中斷流程圖圖4.3T0中斷流程圖圖4.4T1中斷流程圖功率因數(shù)檢測流程圖圖4.5功率因數(shù)檢測流程圖數(shù)據(jù)采集與處理流程圖圖4.6數(shù)據(jù)采集與處理流程圖顯示流程圖圖4.7顯示流程圖鍵輸入流程圖圖4.8鍵輸入流程圖結(jié)論三相異步電動機因其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉和機械性能滿足大多數(shù)機械生產(chǎn)的要求等優(yōu)點廣泛應用于各種工礦企業(yè)、交通運輸?shù)炔块T，電動機的運行及其保護正常與否，直接影響著電動機的使用壽命，提高電動機的運行效率，可以節(jié)約大量的電能，減小電動機的起動電流，可以減小對設備的沖擊。(1)本文針對電動機輕載下的節(jié)能進行了理論分析，對不同性質(zhì)的負載的節(jié)能情況進行了分析。(2)分析了電動機如何節(jié)能，給出了通過調(diào)壓達到節(jié)能的目的，文章重點研究基于最小能耗的三相異步電動機節(jié)能控制器算法。(3)給出以單片機為核心，將異步電動機的保護、節(jié)能控制和軟起動一體化的電動機控制硬件框圖，介紹了主要的硬件電路，對軟件的算法進行了介紹，編制了軟件的流程圖。隨著對異步電動機綜合控制研究的不斷深入，各種保護控制功能不斷完善。因此，異步電動機綜合控制是一項具有很高實用價值的控制技術(shù)。今后，結(jié)合高速發(fā)展的計算機技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)等，實現(xiàn)異步電動機的高級節(jié)能控制是完全可以實現(xiàn)的，而且大有前途。致謝論文是在劉建業(yè)老師的悉心指導下完成的。從選題到論文的各個部分的展開，都得到了劉老師的悉心指導，才使論文得以順利完成。劉老師嚴謹?shù)闹螌W作風、淵博的學識、創(chuàng)造性的思維方法、和藹可親耐心講解的態(tài)度給我留下了深刻的印象，同時，劉老師還教給我解決問題的方法，特別在硬件電路的設計方面，使我受益匪淺。我確實感到，在這半年多的時間里我不僅學到了知識，更重要的是學到了一種獨立從事科學研究的素質(zhì)。在此，向劉老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。同時感謝在論文的研究階段和寫作過程中給了我熱情的無私的幫助的同學們，對他們的全力支持，我深表謝意。在編寫論文階段，參閱了大量國內(nèi)外的有關資料，有些已經(jīng)為本文所用，在此向原作者表示衷心的感謝。參考文獻1徐甫榮.交流異步電動機非調(diào)速運行節(jié)能方案研究綜述.電氣傳動自動化，2003，25(3):1-52李海法，王巖.電機與拖動基礎.北京，清華大學出版社，19943毛慎建.控制異步電動機功率因數(shù)角節(jié)電的方法.北京農(nóng)業(yè)工程大學學報，1991，11(4)4趙學軍，黨選舉.電機節(jié)能控制器的設計.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2002，13(9)5陳國強，章瑋，夏勁雄.異步電機輕載調(diào)壓節(jié)能優(yōu)化控制的微型機實現(xiàn).電工技術(shù)雜志，1998，18(7)6何明中.基于單片機的電機節(jié)電器.河北師范大學學報，2002，11（3）7黃輝，姜學東，瑞昌.三相異步電動機的三相交流調(diào)壓軟啟動及節(jié)能控制的研究.機車電傳動，2005，25（4）8張文生，劉耀年，張玉霞.異步電動機智能軟起動器及其應用.電工技術(shù)，2000，41（11）9石光峰.電機軟起動控制模塊的功能及其應用.電氣傳動,2001(8)10王毅,徐殿國.風機類負載起停控制的電機軟起動控制器.風機技術(shù),2001(11)11李遠輝.地鐵交流異步電動機起動及優(yōu)化節(jié)能1電氣時代,2001(12)金墨,齊永杰.電機軟起動器的探討.中國市政工程華北設計研究院,2002(8)13L.H.TsoukalasandR.E.Vhrig,FuzzyandNeuralApproachesinEngineeringWiley,NY,199714B.K.Bose(Ed.),PowerElectronicssandVariableFrequencyDrives,IEEEPress,NY,199615K.HongandK.Nam,“Adistributetorquecompersationschemeconsideringthespeedmeasurementdelay”,IEEEIASAnnu.Meet,Conf.Rec,pp,403-409,199616ChenBCetal.Self-learningFuzzyNewworksforControlofUncwetainSystemswithTimeDelays.IEEETransonSystem,1997,27(1):142-148附錄A*******************************顯示程序************************************DIR:MOVR0,#79H;MOVR3,#01HMOV