三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計(jì)

論文I三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計(jì)摘要三相交流異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能一直是電機(jī)領(lǐng)域探究的熱點(diǎn),非凡是近幾年來全國出現(xiàn)電力供給緊張的局面,使得對(duì)交流異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)節(jié)能設(shè)備的推廣使用。本文從分析異步電動(dòng)機(jī)的功率損失入手,闡述了三相異步電動(dòng)機(jī)Δ-Y切換降壓運(yùn)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(dòng)機(jī)Y/Δ切換節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計(jì)方案,獲得了較高的性價(jià)比。并針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)Y/Δ切換節(jié)能保護(hù)器在Y/Δ切換點(diǎn)四周發(fā)生頻繁切換的新問題,提出手動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)整定臨界負(fù)載率和切換時(shí)間的解決辦法。最后,制作出了一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了性能測(cè)試,實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了方案的可行性。本文還在實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)節(jié)能Y/△切換單片機(jī)目錄摘要 1Abstract 2第1章緒論 51.1我國電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀簡(jiǎn)介 51.1.1熱繼電器 51.1.2模擬電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器） 51.1.3數(shù)字電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器） 51.2電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)節(jié)能原理分析[1] 112.1三相異步電動(dòng)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[7] 132.2.1與關(guān)系分析 142.2.2與關(guān)系分析 162.2.3△/Y轉(zhuǎn)換時(shí)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(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器控制結(jié)構(gòu)的分析[2] 193.1單片機(jī)控制電路主芯片分析 193.2三相異步電動(dòng)機(jī)△/Y轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器系統(tǒng)框圖[8] 20第4章三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計(jì) 214.1電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)與分析[5] 214.1.1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[6] 244.2電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的軟件電路設(shè)計(jì)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[3][6] 27第5章Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器電動(dòng)機(jī)主電路接線圖及其工作過程 29第6章對(duì)影響電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器設(shè)計(jì)過程的因素的討論[4] 316.1有關(guān)空載電流對(duì)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(duì)于硬件保護(hù)有可能躲不開的△下啟動(dòng)電流分析 336.3其他因素考慮 33總結(jié) 34參考文獻(xiàn) 36附錄A（P87LPC767MCU） 37附錄B(P87LPC767單片機(jī)) 43第1章緒論1.1我國電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀簡(jiǎn)介我國的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置大約經(jīng)歷了全面仿蘇、自行設(shè)計(jì)、更新?lián)Q代、智能化發(fā)展等幾個(gè)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(dòng)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(tái)，使得電機(jī)保護(hù)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的階段。1.1.1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(gè)世紀(jì)的生涯。熱繼電器在電子業(yè)尚不發(fā)達(dá)的時(shí)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(dòng)機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）

在上個(gè)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(dòng)機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器），為電機(jī)的可靠運(yùn)行提供了較可靠的保障

，但由于其存在整定精度不高、采樣精度不高并且無法實(shí)現(xiàn)具有多種保護(hù)功能于一體的全保護(hù)，而隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)于保護(hù)器的要求也越來越高，純粹模擬線路的電動(dòng)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(dòng)機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）這類電動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)256臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)實(shí)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(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行軟件非線性校正，并可實(shí)現(xiàn)真有效值計(jì)算，從而極大地降低了被測(cè)信號(hào)波形畸變的影響，真正實(shí)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(chǎng)設(shè)定，不存在誤差，還可為過載保護(hù)設(shè)置多條更科學(xué)的反時(shí)限曲線。因?yàn)椴捎昧藛纹瑱C(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(dòng)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(dòng)機(jī)節(jié)能的必要性作為拖動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分電動(dòng)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(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行就顯得十分重要。而我國現(xiàn)有各類電動(dòng)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(fèi)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)不足30%，具有80年代末水平的YX系列高效電動(dòng)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(dòng)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(jì)、制造等各種原因，我國電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的能源利用效率約比發(fā)達(dá)國家低10-30個(gè)百分點(diǎn)，總的節(jié)能潛力約為1000億千瓦時(shí)，相當(dāng)于20個(gè)裝機(jī)容量為1000兆瓦級(jí)的大型火電廠的年發(fā)電總量，而進(jìn)行電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的改造和更新的費(fèi)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(shí)行錯(cuò)峰用電，分時(shí)拉閘限電，這使得對(duì)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(fèi)用。國家計(jì)委對(duì)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(jì)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(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》

GB12497-1995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(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以分為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)、允許運(yùn)行狀態(tài)和非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。異步電動(dòng)機(jī)會(huì)消耗大量電能，主要是由于異步電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)影響著企業(yè)的效益。糾其原因主要是在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容量選配時(shí)，往往片面的追求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動(dòng)機(jī)的容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)偏離最佳工況點(diǎn)，運(yùn)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(dòng)方式，除了造成對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)系統(tǒng)的沖擊和事故之外，5-7倍的起動(dòng)電流也造成能量的消耗。因此，要研究異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能主要從“根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的端電壓”和“限制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流”這兩方面入手。1.4常用的電動(dòng)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(yùn)行時(shí)定子繞組采用三角形接法、在空載或輕載下啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。圖1老式電動(dòng)機(jī)Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能電路原理圖圖1為一種老式Y(jié)/△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(shí)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(shí)，接觸器KMl,KM2得電，電機(jī)在Y下啟動(dòng)。限位開關(guān)SQ受主軸操縱桿控制，主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，SQ閉合，時(shí)間繼電器KT得電。在空載或輕載時(shí)，定子電流小于電流繼電器LJ的整定值，LJ不動(dòng)作，電機(jī)保持在Y下運(yùn)行。如在重載下，LJ得電，其常開觸點(diǎn)閉合，中間繼電器KA隨之得電，切斷了KM2的線圈電路，同時(shí)KM3得電，電機(jī)切換至△下運(yùn)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線圈得電，電動(dòng)機(jī)改為丫下運(yùn)行。此類節(jié)能電路具有控制方便、無諧波污染等優(yōu)點(diǎn)。但體積大、重量大，如果同時(shí)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(dòng)器電子式軟啟動(dòng)器的主電路一般都采用晶閘管調(diào)壓電路，啟動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)的端電壓平滑上升。在運(yùn)行過程中可根據(jù)定子電流控制電動(dòng)機(jī)的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。電子式軟啟動(dòng)器的框圖如圖2所示圖2電子式軟啟動(dòng)器框圖電子式軟啟動(dòng)器具有噪音小，無觸點(diǎn)、重量輕、體積小、電流檢測(cè)精度高、起動(dòng)時(shí)間及起動(dòng)電流可控制，起動(dòng)過程平滑，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可根據(jù)負(fù)載情況靈活調(diào)整，起動(dòng)電流可調(diào)，操作簡(jiǎn)單、維護(hù)量小，可以頻繁起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)。另外，截止2003年，電子式軟啟動(dòng)器的價(jià)格維持在200-250元人民幣/kW，較高的價(jià)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(cè)的結(jié)果判定是否進(jìn)行切換，以及保護(hù)是否動(dòng)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(diǎn)十分明顯:成本低、控制簡(jiǎn)單、接線容易、重量輕、體積小、無諧波污染(切換與啟動(dòng)過程時(shí)間很短)。但由于使用Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器的電動(dòng)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)能效果不如電子式軟啟動(dòng)器。1.5本文主要內(nèi)容本文主要從理論上分析異步電動(dòng)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(jì)方案。經(jīng)過對(duì)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(jì)對(duì)設(shè)計(jì)。并進(jìn)一步對(duì)節(jié)能保護(hù)器在設(shè)計(jì)過程中有影響的因素分析，最后完善整套設(shè)計(jì)方案。第2章三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能原理分析[1]從三相異步電動(dòng)機(jī)的功率損失分析，近而運(yùn)用分析的具體情況來分析△/Y運(yùn)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(dòng)機(jī)的功率損失電動(dòng)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(huì)有一些能量損失。例如：銅損失、鐵損失、機(jī)械損失和雜散損失。2.1.1銅損失()電動(dòng)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(dòng)機(jī)的鐵損失包括磁滯損失和渦流損失，它是鐵芯在磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)；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(jì)。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。2.1.3機(jī)械損失()電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失包括通風(fēng)損失和軸承摩擦損失。對(duì)于繞線式異步電動(dòng)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(duì)于某一確定的在用電動(dòng)機(jī)，可認(rèn)為其機(jī)械損失為常量。2.1.4雜散損失()電動(dòng)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(shí)發(fā)生脈動(dòng)而產(chǎn)生的，通常稱為脈動(dòng)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(shì)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(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來說，銅雜損失是主要的，約占電動(dòng)機(jī)雜散損耗的70%～90%.感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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：1.52.2△/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(shí)的，使得電動(dòng)機(jī)的鐵損、降低為△接時(shí)的1/3，同時(shí)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的工作特性，是指在電網(wǎng)電壓=380V，頻率=50Hz時(shí)，電動(dòng)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(duì)△/Y轉(zhuǎn)換時(shí)各項(xiàng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的電流矢量圖當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，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(shí)轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流。即:1.71.8式中，為定子空載電流。式1.8可表示為圖1-3的矢量圖。分析電動(dòng)機(jī)由△接轉(zhuǎn)換為Y接運(yùn)行時(shí)，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。①空載電流一方面，電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)平衡條件為:1.9因?yàn)?、很小，故可以認(rèn)為，當(dāng)電動(dòng)機(jī)由△接轉(zhuǎn)換為Y接運(yùn)行時(shí)，定子每相繞組上感應(yīng)的主電勢(shì)E1將近似地隨U1的降低而降為△接時(shí)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?？梢?，對(duì)于某一在用的電動(dòng)機(jī)，Y接時(shí)的也將近似的降為△接時(shí)的。一般說來，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)選取值在磁化曲線的拐角處，因而，當(dāng)電動(dòng)機(jī)由△接轉(zhuǎn)換為Y接運(yùn)行時(shí)，定子每相繞組的空載相電流將降為△接時(shí)的還要低一些。綜上所述，當(dāng)電動(dòng)機(jī)由△接轉(zhuǎn)換為Y接運(yùn)行時(shí)，空載線電流將降為△接時(shí)的1/3.②轉(zhuǎn)子折算電流由電動(dòng)機(jī)的近似等效電路得:1.11由式1.11可見，電動(dòng)機(jī)由△接轉(zhuǎn)換為Y接時(shí)，一方面的降低會(huì)使減小，另一方面的增大會(huì)使增大。一般說來，負(fù)載很輕時(shí)，是降低的;隨著負(fù)載的增大，明顯增大，呈上升趨勢(shì)。根據(jù)上述內(nèi)容，定子電流I1與β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(dòng)機(jī)在Y接時(shí)以及△接時(shí)的與關(guān)系曲線。電動(dòng)機(jī)在空載情況下，Y接時(shí)的空載線電流近似等于△接時(shí)的1/3。輕載時(shí)，由于起主要作用，同時(shí)尚未增加或增加不大，這就使得Y接時(shí)的明顯低于△接時(shí)的。當(dāng)負(fù)載增大到一定程度(大約≥70%)時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)依靠增大轉(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(shí)的大于△接時(shí)的。2.2.2與關(guān)系分析電動(dòng)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(dòng)機(jī)的調(diào)壓系數(shù),(分別為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電壓);電動(dòng)機(jī)在Y接時(shí)，為電動(dòng)機(jī)的空載電流系數(shù)。1.13式中，為電動(dòng)機(jī)的空載電流;為電動(dòng)機(jī)的額定電流。特定的電動(dòng)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(dòng)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(shí)與關(guān)系分析電動(dòng)機(jī)的效率與其端電壓及轉(zhuǎn)差率之間存在如下關(guān)系:1.14式中，為電動(dòng)機(jī)額定工況時(shí)的轉(zhuǎn)差率;為電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率;為電動(dòng)機(jī)額定工況時(shí)的效率;為電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)的效率。考慮到轉(zhuǎn)差率與功率因數(shù)隨負(fù)載的變化，得出電動(dòng)機(jī)在△接和Y接狀態(tài)下η與β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(shí)，由于Y接下定子鐵損PFe降低為△接下的1/3，定子電流I1的減小使得定子銅損PCu1降低，而轉(zhuǎn)差率S增大的幅度很小，由式1-2可知，轉(zhuǎn)子銅損PCu2的增大幅度也很小，△→丫切換后總的損耗會(huì)降低。此時(shí)△/Y切換可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。當(dāng)>40%時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與端電壓平方成正比，△→丫切換后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之下降而小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)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(shí)轉(zhuǎn)差率增大，導(dǎo)致I’2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(dòng)機(jī)的效率下降。2.3△/Y轉(zhuǎn)換的節(jié)能原理電動(dòng)機(jī)Y/△轉(zhuǎn)換的節(jié)能方法主要是針對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的“大馬拉小車”現(xiàn)象提出的，對(duì)于經(jīng)常處于輕載或空載下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，該方法可以收到明顯的節(jié)能效果。一般情況下，當(dāng)β<40%時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)由△接轉(zhuǎn)換為Y接，定子空載電流I0降低，同時(shí)轉(zhuǎn)子電流I2增加的量有限，從而導(dǎo)致定子電流I1降低，定子銅損PCu1，隨之降低;端電壓U1的降低使得定子鐵損PFe降低;功率因數(shù)cosφ增大;效率η增大，這使得電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)吸取的有功功率與無功功率減少，線路損耗隨之降低。第3章三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器控制結(jié)構(gòu)的分析[2]三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器可以根據(jù)客戶具體要求的保護(hù)器性能來完成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具體的保護(hù)功能。近年來保護(hù)器的發(fā)展迅速，并且更加智能化。本文中采用單片機(jī)芯片為主電路，進(jìn)而分析研究對(duì)保護(hù)器的設(shè)計(jì)。3.1單片機(jī)控制電路主芯片分析本文中選擇的主芯片是自帶A/D轉(zhuǎn)換器的P87LPC767單片機(jī)。該芯片由PHILIPS公司生產(chǎn)。P87LPC767是20腳封裝的單片機(jī)，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合?？梢詽M足許多方面的性能要求。作為PHILIPS小型封裝系列中的一員，P87LPC767提供高速和低速的晶振和RC振蕩方式，可編程選擇。具有較寬的操作電壓范圍?？删幊蘄/O口線輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入，LED驅(qū)動(dòng)輸出。操作電壓范圍為+2.7～6.0VDC，VDD=2.7～4.5V時(shí)，時(shí)鐘頻率最大為10MHz，VDD=4.5～5.5V時(shí)，可達(dá)到的最大時(shí)鐘頻率是20MHz；內(nèi)部集成有128Byte的RAM,4KByte的OTP程序存儲(chǔ)器,2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4路8位的單極性A/D轉(zhuǎn)換通道，32Byte用戶代碼區(qū)可用來存放序列碼及設(shè)置參數(shù)，2個(gè)模擬比較器，8個(gè)鍵盤中斷輸入，另加2路外部中斷輸入，4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，并自帶看門狗與電源監(jiān)控功能。P87LPC767單片機(jī)的引腳接線圖如下：圖2-1P87LP0767單片機(jī)引腳圖這款單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換參考電壓就是電源電壓，最小可以采用+3VDC，在本設(shè)計(jì)中采用+5VDC為單片機(jī)的電源電壓，由A/D轉(zhuǎn)換原理可得:單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量的分辨率對(duì)應(yīng)為5/256≈0.02V在設(shè)計(jì)過程中，如能充分利用該單片機(jī)自身提供的軟硬件資源，并配以簡(jiǎn)單的外圍接口電路，合理考慮各個(gè)環(huán)節(jié)的精度與誤差，并采用合適的控制策略，就能使系統(tǒng)在完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的Y/△轉(zhuǎn)換節(jié)能控制及電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)較高的性價(jià)比。3.2三相異步電動(dòng)機(jī)△/Y轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器系統(tǒng)框圖[8]根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，確定系統(tǒng)的輸入、輸出以及對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)的輸入包括:電動(dòng)機(jī)的三相電流信號(hào)(由電流互感器采集輸入);臨界負(fù)載率、積分時(shí)間信號(hào)(由可調(diào)電位器輸入);△下或Y下啟動(dòng)信號(hào)(由按鍵輸入)。本系統(tǒng)的輸出包括:△/Y切換信號(hào);單片機(jī)保護(hù)輸出;硬件保護(hù)輸出;切換、故障信號(hào)指示電路(由LED輸出)。電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。圖2-2電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的系統(tǒng)框圖由于系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控芯片，其運(yùn)算能力較弱，設(shè)計(jì)過程中為了盡量避免單片機(jī)承擔(dān)過多的運(yùn)算工作，就以I1/IN代替臨界負(fù)載率β作為輸入。第4章三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計(jì)4.1電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)與分析[5]4.1.1線性整流濾波電路由于P87LPC767單片機(jī)引腳較少，而本系統(tǒng)的輸入/輸出量占用的引腳較多，這使得對(duì)程序存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展非常困難。為此選用算法較為簡(jiǎn)單的直流采樣以減少程序大小，從而保證代碼量小于P87LPC767單片機(jī)的4k程序存儲(chǔ)器空間。圖3-1為對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行線形整流濾波的電路原理圖。圖3-1線形整流電路原理圖電流互感器輸出的二次交流電流信號(hào)流經(jīng)精密電阻得到交流電壓信號(hào)，再由電位器(該電位器作校準(zhǔn)額定電流用)分壓接至圖3-1的input端，output端輸出的是電壓信號(hào)經(jīng)過分壓后的絕對(duì)值的平均值。output端輸出的直流信號(hào)一路至單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)對(duì)采樣值進(jìn)行一系列的運(yùn)算以判斷保護(hù)是否動(dòng)作、是否進(jìn)行Y/△轉(zhuǎn)換;另一路至硬件保護(hù)電路以判斷是否由硬件完成過流保護(hù)的動(dòng)作(只取一相電流的信號(hào)經(jīng)整流濾波后至硬件保護(hù)電路)。硬件電路的工作原理：應(yīng)考慮有濾波電容C2、C3的情況。C2(0.5n)為高頻濾波電容，其作用是濾去輸出的高次諧波，使得硬件保護(hù)電路不會(huì)因干擾而誤動(dòng)作;C3(1u)為低頻濾波電容，其作用是求出Vinput的絕對(duì)值的平均值，使得單片機(jī)僅需對(duì)Voutput進(jìn)行直流采樣，從而避免了單片機(jī)進(jìn)行較為復(fù)雜的交流采樣算法。還應(yīng)分析在采用該線形整流濾波電路以后，電動(dòng)機(jī)額定電流所對(duì)應(yīng)的整流電路的輸出電壓(即output端的輸出電壓)取值情況。由于在±5V電源的供電條件下，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3.8V，考慮一定裕量，將3.6V對(duì)應(yīng)4.5倍的額定電流，則額定電流下所對(duì)應(yīng)的整流電路的輸出電壓就為0.8V。額定電流下，Vinput的最大值為0.8π/2≈1.26V。(π/2為正弦信號(hào)從其絕對(duì)值的平均值至其最大值的變換系數(shù)。)當(dāng)Vinput的最大值為1.26V時(shí)，Voutput的仿真波形如下：圖3-2Voutput從Os至2s的全局波形從圖上可以看出，Voutput的波形無超調(diào)量，不會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)作;從OV到0.8V的上升時(shí)間小于0.8s，該響應(yīng)速度對(duì)于控制對(duì)象為電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)來說，是符合要求的。放大波形后額定電流下Voutput的紋波小于3mV，遠(yuǎn)小于單片機(jī)A/D結(jié)果的每個(gè)單位對(duì)應(yīng)的20mV，由Voutput的紋波引起的誤差遠(yuǎn)小于由單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換引起的誤差。該線形整流電路滿足本系統(tǒng)的要求。4.1.2硬件保護(hù)電路單片機(jī)保護(hù)的環(huán)節(jié)較多，可能導(dǎo)致動(dòng)作較慢。當(dāng)電動(dòng)機(jī)短路電流過大時(shí)，若過流保護(hù)沒能及時(shí)動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)可能損壞，甚至燒毀。為解決這個(gè)問題，系統(tǒng)采用遲滯比較器電路作為電動(dòng)機(jī)硬件過流保護(hù)。圖3-4為硬件保護(hù)電路的原理圖。圖3-4硬件保護(hù)電路原理圖硬件保護(hù)電路為由單電源接法的電壓比較器LM339構(gòu)成的遲滯比較器電路。其輸入包括來自圖3-2的線形整流濾波電路的電平信號(hào)，以及來自單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)。其輸出包括兩路電平信號(hào)，一路經(jīng)非門驅(qū)動(dòng)光耦，從而驅(qū)動(dòng)硬件保護(hù)繼電器ZJ3的線圈;另一路作為硬件保護(hù)動(dòng)作與否的信號(hào)輸入單片機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的線電流因故障而增大到5倍額定電流時(shí)，本電路需發(fā)出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)上切除;保護(hù)動(dòng)作后，因?yàn)閬碜詧D3-2的線形整流濾波電路的電平信號(hào)已變成零，所以本電路還需有維持保護(hù)動(dòng)作信號(hào)電平的功能。當(dāng)輸入電平大于某特定值時(shí)，輸出高電平驅(qū)動(dòng)硬件保護(hù)繼電器ZJ3的線圈，保護(hù)動(dòng)作，輸入電平降為零，此時(shí)R55形成的正反饋回路使得U4A的5腳電平始終大于4腳的電平，輸出保持在高電平，這也就使得圖4-1中的KM3的線圈始終維持在失電狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出低電平復(fù)位信號(hào)時(shí)，D15導(dǎo)通，U4A的輸出低電平，這也就使得KM3的線圈得電，電動(dòng)機(jī)重新接入電網(wǎng)。R56是比較器LM339輸出端的上拉電阻。R51和電位器P2構(gòu)成分壓電路，提供比較參考電壓(可通過P2調(diào)節(jié))。C4起到抗干擾，穩(wěn)定參考電壓的作用，其值取0.1μF。R54與C5組成的充電回路可使得保護(hù)器上電時(shí)VU4A4>VU4A5，硬件保護(hù)保持在未動(dòng)作狀態(tài)。R54在回路中起限流作用。選擇參數(shù)時(shí)需讓C5的充電回路時(shí)間常數(shù)小于C4的充電回路時(shí)間常數(shù)，這樣就可消除C4對(duì)電路的負(fù)面影響。本設(shè)計(jì)選C5為500nF，基本上可以使保護(hù)器上電時(shí)硬件保護(hù)維持在未動(dòng)作狀態(tài)。現(xiàn)在對(duì)R51和P2構(gòu)成分壓電路的比較參考電壓的進(jìn)行下列計(jì)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3.8V，此次設(shè)計(jì)將硬件過流保護(hù)的動(dòng)作值設(shè)為4.5倍的額定電流值。則硬件過流保護(hù)的動(dòng)作值=4.5×0.8=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(dòng)作時(shí)，Viz<3.6V，VU4A2=0.5V，VU4A4>VU4A5。代入式3.1得:VU4A4>2.05V。當(dāng)硬件保護(hù)動(dòng)作后，Viz=OV,VU4A2=4.8V,VU4A<VU4A54。代入式3.1得:VU4A4V<2.4V。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(jì)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;來自保護(hù)器內(nèi)部的感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的噪聲;來自保護(hù)器外部的感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的噪聲;電動(dòng)機(jī)接觸器切換時(shí)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(shí)產(chǎn)生的噪聲，在單片機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)勢(shì)干擾。在單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器的電路中采用光禍隔離也同時(shí)抑制了來自保護(hù)器外部的感性負(fù)載切換時(shí)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(jì)對(duì)來自直流電源部分的噪聲干擾的主要抑制方法。4.2電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的軟件電路設(shè)計(jì)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(jì)，主要由主程序、判斷啟動(dòng)子程序、啟動(dòng)延時(shí)子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、過流(反時(shí)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(gè)子程序組成。4.2.1程序流程圖與調(diào)試過程電動(dòng)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(shí)器(包括看門狗定時(shí)器)的工作狀態(tài)，再對(duì)程序中用到的變量、信號(hào)量進(jìn)行初始化，并使用定時(shí)器中斷和A/D中斷。系統(tǒng)初始化完畢后，調(diào)用判斷啟動(dòng)子程序，先判斷電動(dòng)機(jī)在Y下還是△下啟動(dòng)，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(dòng)機(jī)未進(jìn)入啟動(dòng)過程，繼續(xù)調(diào)用判斷啟動(dòng)子程序;若不為零，則表明電動(dòng)機(jī)已進(jìn)入啟動(dòng)過程，程序轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié)。判斷啟動(dòng)過程中需給硬件保護(hù)電路發(fā)復(fù)位信號(hào)，以防止保護(hù)器上電時(shí)硬件保護(hù)誤動(dòng)作。圖3-5電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的程序流程圖電動(dòng)機(jī)進(jìn)入啟動(dòng)過程后，單片機(jī)調(diào)用啟動(dòng)延時(shí)子程序，判斷啟動(dòng)過程中不平衡故障。若有，則保護(hù)動(dòng)作，單片機(jī)進(jìn)入等待復(fù)位狀態(tài);若無，則啟動(dòng)延時(shí)過后，程序轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié)。啟動(dòng)過程結(jié)束后，單片機(jī)循環(huán)調(diào)用過流(反時(shí)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(dòng)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(hào)，繼續(xù)循環(huán)調(diào)用上述三個(gè)子程序;如發(fā)現(xiàn)硬件保護(hù)動(dòng)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(dòng)機(jī)在臨界負(fù)載點(diǎn)附近發(fā)生頻繁的切換(又稱臨界點(diǎn)振蕩)，單片機(jī)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(jì)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(diǎn)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[3][6]單片機(jī)在程序執(zhí)行過程中，因各種干擾的存在，會(huì)使得PC出現(xiàn)錯(cuò)誤，單片機(jī)程序便脫離正常軌道運(yùn)行，出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象。當(dāng)程序“跑飛”到某個(gè)單字節(jié)指令上時(shí)，便自己自動(dòng)納入正軌;當(dāng)程序“跑飛”到某個(gè)雙字節(jié)指令上，若恰恰在取操作碼時(shí)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(cuò);當(dāng)程序“跑飛”到某個(gè)三字節(jié)指令上時(shí)，由于有兩個(gè)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的嚴(yán)重后果，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)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(duì)保護(hù)動(dòng)作指令可在程序中寫入CLRP0.2CLRP0.2CLRP0.2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(gè)單字節(jié)指令NOP，這可以保證其后面的指令不會(huì)被拆散。特別是其后面為對(duì)于程序流向起決定作用的指令時(shí)(如RET,RETI,ACALL,LJMP,JZ等)，或者是某些對(duì)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(gè)單字節(jié)指令NOP，可保證亂飛的程序迅速納入軌道，確保這些指令正常執(zhí)行。②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:LJMPMAIN這樣就能使程序“跑飛”到該處時(shí)，將程序“拉回”到入口處。③看門狗技術(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(shí)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(shí)器的溢出值，程序在看門狗定時(shí)器未溢出時(shí)，喂看門狗，使得看門狗定時(shí)器恢復(fù)到初始定時(shí)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(shí)器溢出，程序回到入口處。本設(shè)計(jì)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:MOVWDRST,#lEHMOVWDRST,#OE1H將以上程序?qū)懭攵〞r(shí)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(dòng)機(jī)主電路接線圖及其工作過程圖4-1三相異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)△下、Y下運(yùn)行的接觸器，KM3為保護(hù)動(dòng)作的接觸器。S2為啟動(dòng)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(gè)電路的工作過程如下:①啟動(dòng)狀態(tài)輸入。先通過輸入按鍵給保護(hù)器輸入信號(hào)(一般情況下，如電動(dòng)機(jī)為輕載，則需將輸入按鍵撥至Y下啟動(dòng);如電動(dòng)機(jī)為重載，則需將輸入按鍵撥至△下啟動(dòng))，保護(hù)器根據(jù)輸入情況判斷電動(dòng)機(jī)在△下或Y下啟動(dòng)，ZJl得電與否決定了KM1,KM2得電與否，同時(shí)也決定了電動(dòng)機(jī)在△下還是在Y下啟動(dòng)。②電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。按下S2,KM3得電，其常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)通電。松開S2，此時(shí)KM3的常開觸點(diǎn)形成自鎖，電動(dòng)機(jī)持續(xù)通電。③電動(dòng)機(jī)停車。按下S1,KM3失電，其常開觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)上切除。松開Sl，此時(shí)KM3的常開觸點(diǎn)己斷開，電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)無法再接通。④電動(dòng)機(jī)△/Y切換。電動(dòng)機(jī)在△下運(yùn)行時(shí)，如在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，保護(hù)器檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)定子電流均小于額定電流與設(shè)定的臨界負(fù)載率的乘積，則單片機(jī)發(fā)出切換信號(hào)控制繼電器ZJ1的常開觸點(diǎn)閉合，KMl線圈失電，KM2線圈得電，電動(dòng)機(jī)切換至Y下運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)在Y下運(yùn)行時(shí)，如在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，保護(hù)器檢測(cè)到電動(dòng)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(hào)控制繼電器ZJl的常閉觸點(diǎn)閉合，KM2線圈失電，KM1線圈得電，電動(dòng)機(jī)切換至△下運(yùn)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。⑤電動(dòng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作。如單片機(jī)檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)己滿足反時(shí)限過流保護(hù)或三相電流不平衡保護(hù)的動(dòng)作條件，則繼電器ZJ2得電，其常閉觸點(diǎn)斷開，KM3失電，其常開觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)上切除。如電動(dòng)機(jī)發(fā)生大電流短路，則硬件保護(hù)電路先于單片機(jī)保護(hù)電路動(dòng)作，繼電器ZJ3先得電，其常閉觸點(diǎn)斷開，KM3失電，其常開觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)上切除。第6章對(duì)影響電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器設(shè)計(jì)過程的因素的討論[4]6.1有關(guān)空載電流對(duì)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(dòng)機(jī)的實(shí)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(shí)際負(fù)載增大到對(duì)應(yīng)值時(shí)，節(jié)能效果并不顯著。由于大部分電動(dòng)機(jī)的空載電流設(shè)定在額定電流的30%～70%，所以該電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器只適用于空載電流較小的電動(dòng)機(jī)，因此限制了電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的應(yīng)用場(chǎng)合?？蛰d電流的問題是由于單片機(jī)未對(duì)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(duì)電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)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(hào)與電流信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)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(duì)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(gè)周期T內(nèi)對(duì)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(shí)域分析算法和頻域分析算法兩大類。時(shí)域分析算法主要有積分法和二點(diǎn)法;頻域分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(yùn)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(jì)具有以下特點(diǎn):①采用單片機(jī)作為主控芯片，其運(yùn)算能力較差;②戶以D轉(zhuǎn)換器為單極性，不能直接采交流信號(hào);③被采電量信號(hào)頻率為電網(wǎng)頻率，穩(wěn)定性高，故可省去頻率信號(hào)提取電路及N倍頻電路;根據(jù)以上特點(diǎn)，可采用一種簡(jiǎn)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(hào)經(jīng)整流以后的脈動(dòng)直流信號(hào)。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(duì)交流信號(hào)進(jìn)A/D采樣，一般在一個(gè)周期內(nèi)采樣2n如32次或64次，這樣做是為了在計(jì)算平均值的時(shí)候，可以用右移運(yùn)算代替多字節(jié)除法運(yùn)算，既簡(jiǎn)化了程序，又加快了運(yùn)算速度。所得一個(gè)周期內(nèi)各采樣點(diǎn)的A/D結(jié)果的平均值就可作為交流信號(hào)的絕對(duì)值的平均值。功率因數(shù)的計(jì)算是在A/D采樣程序捕捉到電壓過零點(diǎn)時(shí)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(duì)應(yīng)線電流的過零點(diǎn)。由于A/D中斷是等時(shí)間間隔發(fā)生的，所以上述的記數(shù)值就對(duì)應(yīng)于電壓、電流之間的相位差。運(yùn)算的精度取決于單片機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù)。如單片機(jī)只在一個(gè)周期內(nèi)采樣64次，則相位差的誤差只有π/64，完全滿足該系統(tǒng)要求?？紤]單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器空間是否夠用。當(dāng)采用此算法以后程序?yàn)?.3k左右，再加上為串口RS232轉(zhuǎn)USB接口程序預(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4kEPROM空間，因此方法可行。本系統(tǒng)采用交流采樣的方法以后，對(duì)電動(dòng)機(jī)額定電流、額定電壓與其對(duì)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(duì)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(hào)，而不是整流環(huán)節(jié)的直流輸出電壓信號(hào)。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(hào)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(dòng)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(dòng)機(jī)在△接下運(yùn)行時(shí)，如定子電流小于額定電流的40%,則直接切換至Y下運(yùn)行。如定子電流大于額定電流的40%，此時(shí)判斷功率因數(shù)角，若功率因數(shù)角大于600,(對(duì)于工頻信號(hào)來說，電壓與電流的相位差約為3.3ms。則切換至Y下運(yùn)行;若功率因數(shù)角小于600，則不切換。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在Y接下運(yùn)行時(shí)，如定子電流大于額定電流的50%,則直接切換至△下運(yùn)行。如定子電流小于額定電流的50%，則不切換。6.2對(duì)于硬件保護(hù)有可能躲不開的△下啟動(dòng)電流分析有的電動(dòng)機(jī)△下的啟動(dòng)電流為額定電流的5～7倍，如按本設(shè)計(jì)的硬件保護(hù)整定值，則躲不開△下的啟動(dòng)電流。但因?yàn)閯倖?dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)處于冷態(tài)，啟動(dòng)過程中的過電流不會(huì)使電動(dòng)機(jī)燒毀。若想解決這一問題，可以使電動(dòng)機(jī)在△下啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)給硬件保護(hù)復(fù)位，硬件保護(hù)推出運(yùn)行，以保證保護(hù)器不因啟動(dòng)過程中的過電流動(dòng)作。這段延時(shí)結(jié)束后，單片機(jī)撤消復(fù)位信號(hào)，硬件保護(hù)投入運(yùn)行。但這段時(shí)間不能過長，否則若這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障，仍有燒毀電機(jī)的可能。采用合理的延時(shí)時(shí)間時(shí)，在啟動(dòng)延時(shí)過程中，單片機(jī)除了持續(xù)給硬件保護(hù)復(fù)位外，還對(duì)三相電流進(jìn)行不平衡判斷，以達(dá)到對(duì)單相接地、兩相間短路的保護(hù)的目的。6.3其他因素考慮除了以上設(shè)計(jì)過程中會(huì)出現(xiàn)的因素，還應(yīng)考慮節(jié)能保護(hù)器自身性價(jià)比的問題。PHILIPS公司生產(chǎn)的P87LPC767單片機(jī)是一款自帶資源較豐富，性價(jià)比較高的單片機(jī)。作為本次設(shè)計(jì)的控制電路主芯片，充分利用其自帶的A/D接口，用電位器代替了鍵盤、LED顯示器或液晶顯示器等輸入、輸出設(shè)備。這不僅使得程序大為簡(jiǎn)化，同時(shí)也獲得了較高的性價(jià)比?？偨Y(jié)本文通過常用的節(jié)能保護(hù)器的分析對(duì)比，對(duì)節(jié)能保護(hù)器原理的分析，根據(jù)客戶需求，選用P87LPC767單片機(jī)控制Y/△切換為電路主芯片，以此完成本次三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器設(shè)計(jì)。在本文中對(duì)于各項(xiàng)功能都有一定的介紹，還可以根據(jù)用戶的需求在程序中加入更多的功能控制，從而實(shí)現(xiàn)了裝置的數(shù)字化。對(duì)在設(shè)計(jì)過程中有影響的因素也有具體的分析以及相應(yīng)的解決方法。使本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器進(jìn)一步完善。當(dāng)然，設(shè)計(jì)過程中還有些其他的環(huán)境因素需要克服，則需要在具體環(huán)境下做具體的分析，具體解決了。參考文獻(xiàn)[1]國安.異步電動(dòng)機(jī)△→Y變換運(yùn)行的節(jié)電原理及其效果[J].電工技術(shù)，1995(5):3～7.[2]李敏、孟臣、孫守昌.單片機(jī)控制三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的研制[J].電工技術(shù)雜志,2001(2):16～18.[3]王桂良、孫明義.單片微機(jī)實(shí)用技術(shù)[M].四川大學(xué)出版社,2000年8月.[4]史玉升、梁書云.三相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能與安全監(jiān)控[J].電氣傳動(dòng),2001(2):48～50.[5]侯崇升.單片機(jī)控制的交流異步電動(dòng)機(jī)節(jié)電器[J].電氣時(shí)代,2002(6):51～52.[6]劉光斌、劉東、姚志成.單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)用抗干擾技術(shù)[M].人民郵電出版社,2003年10月.[7]余平.異步電動(dòng)機(jī)△-Y節(jié)電運(yùn)行實(shí)例[J].電工技術(shù),1993(10):60.[8]潘留占、楊杰慧、熊中朝.單片機(jī)控制的三相電機(jī)保護(hù)器[J].電工技術(shù)雜志,2000(l):36～38.附錄A(P87LPC767單片機(jī))概述P87LPC767是20腳封裝的單片機(jī)，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合?？梢詽M足許多方面的性能要求。作為Philips小型封裝系列中的一員，P87LPC767提供高速和低速的晶振和RC振蕩方式，可編程選擇。具有較寬的操作電壓范圍?？删幊蘄/O口線輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入，LED驅(qū)動(dòng)輸出。有內(nèi)部看門狗定時(shí)器。P87LPC767采用80C51加速處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51MCU的兩倍。特性1、作頻率為20MHz時(shí)，除乘法和除法指令外，加速80C51指令執(zhí)行時(shí)間為300～600ns，VDD=4.5～5.5V時(shí)，時(shí)鐘頻率可達(dá)20MHz,VDD=2.7～4.5V時(shí)，時(shí)釗，頻率最大為l0MHz。2、4通道多路8位A/D轉(zhuǎn)換器。在振蕩器頻率fOSC=20MHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為9.3。3、用于數(shù)字功能時(shí)，操作電壓范圍為2.7～6.0V。4、4K字節(jié)OTP程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM，32Byte用戶代碼區(qū)可用來存放序列碼及設(shè)置參數(shù)。5、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每一個(gè)定時(shí)器均可設(shè)置為溢出時(shí)觸發(fā)相應(yīng)端口輸出。6、內(nèi)含2個(gè)模擬比較器。7、全雙工通用異步接收/發(fā)送器(UART)及I2C通信接口。8、八個(gè)鍵盤中斷輸入，另加2路外部中斷輸入。9、4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。10、看門狗定時(shí)器利用片內(nèi)獨(dú)立振蕩器，無需外接元件，看門狗定時(shí)器溢出時(shí)間有8種選擇。11、低電平復(fù)位。使用片內(nèi)上電復(fù)位時(shí)不需要外接元件。12、低電壓復(fù)位。選擇預(yù)設(shè)的兩種電壓之一復(fù)位，可在掉電時(shí)使系統(tǒng)安全關(guān)閉。也可將其設(shè)置為一個(gè)中斷源。13、振蕩器失效檢測(cè)。看門狗定時(shí)器具有獨(dú)立的片內(nèi)振蕩器，因此它可用于振蕩器的失效檢測(cè)。14、可配置的片內(nèi)振蕩器及其頻率范圍和RC振蕩器選項(xiàng)(用戶通過對(duì)EPROM位編程選擇)。選擇RC振蕩器時(shí)不需外接振蕩器件。15、可編程I/O口輸出模式：準(zhǔn)雙向口，開漏輸出，上拉和只有輸入功能?？蛇x擇施密特觸發(fā)輸入。16、所有口線均有20mA的驅(qū)動(dòng)能力。17、最少15個(gè)I/O口，選擇片內(nèi)振蕩和片內(nèi)復(fù)位時(shí)可多達(dá)18個(gè)I/O口。18、如果選擇片內(nèi)振蕩及復(fù)位時(shí)，P87LPC767僅需要連接電源線和地線。19、串行EPROM編程允許對(duì)芯片進(jìn)行板上編程。2位EPROM保密位可防址程序被讀出。20、空閑和掉電兩種省電模式。提供從掉電模式中喚醒功能(低電平中斷輸入啟動(dòng)運(yùn)行)。典型的掉電電流為1μA。21、20腳DIP和SO封裝。功能描述：強(qiáng)型MCUP87LPC767采用增強(qiáng)型80C51MCU,其運(yùn)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51的2倍，這意味著P87LPC767在lOMHZ時(shí)性能和標(biāo)準(zhǔn)80C51采用20MHZ時(shí)性能相同。一個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)振蕩周期組成，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為6或12個(gè)振蕩周期，用戶亦可選擇工作在標(biāo)準(zhǔn)80C51MCU時(shí)序，這時(shí)一個(gè)機(jī)器周期變?yōu)?2個(gè)振蕩周期?！癕CU時(shí)鐘”指控制內(nèi)部指令執(zhí)行的時(shí)鐘。當(dāng)系統(tǒng)被設(shè)置成為標(biāo)準(zhǔn)80C51時(shí)序(由CLKR位確定)或通過設(shè)定DIVM寄存器分頻時(shí)，"MCU時(shí)鐘”和外部所加時(shí)鐘不同。2、模擬功能P87LPC767內(nèi)部集成了1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)模擬比較器和2個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器。為了獲取最佳性能和降低功耗，作為模擬功能使用的管腳必須關(guān)閉數(shù)字信號(hào)輸入(DAC輸出腳除外)及輸出功能。將口線功能由輸出轉(zhuǎn)為只有輸入功能時(shí)(高阻抗)禁止數(shù)字信號(hào)輸出功能，如I/O口部分所述。使用PT0AD寄存器，可禁比PORTO口的數(shù)字輸入功能，在PTOAD寄存器中每位均對(duì)應(yīng)PORT0相應(yīng)位。置位PTOAD中相應(yīng)位禁止此管腳作為信號(hào)數(shù)字輸入。當(dāng)數(shù)字輸入功能被禁止時(shí)，任何指令讀取該位時(shí)均為“O”。3、A/D轉(zhuǎn)換器P87LPC7