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1、三相异步电动机节能保护器的设计摘要 三相交流异步电动机的节能一直是电机领域探究的热点,非凡是近几年来全国出现电力供给紧张的局面,使得对交流异步电动机的节能设备的探究和推广更为迫切。但目前市面上的节能设备普遍存在成本过高的现象,这在一定程度上阻碍了异步电动机节能设备的推广使用。 本文从分析异步电动机的功率损失入手,阐述了三相异步电动机-Y切换降压运行的工作特性、节能原理、节电效果、节能保护器应采取的抗干扰办法以及其它应注重的新问题。并在此基础上提出了一整套单片机控制的三相异步电动机Y/切换节能保护器的设计方案,获得了较高的性价比。并针对传统电动机Y/切换节能保护器在Y/切换点四周发生频繁切换的新
2、问题,提出手动现场整定临界负载率和切换时间的解决办法。 最后,制作出了一台试验样机并进行了性能测试,实验结果表明,样机达到了预期的控制性能和节能效果,验证了方案的可行性。本文还在实验结果的基础上进行了深入的分析和讨论,为进一步完善本方案提出了改进的方向和办法。关键词：异步电动机 节能Y/切换 单片机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目录摘要1Abstract2第1章 绪论51.1我国电动机保护器的发展历史及现状简介51.1.1热继电器
8、51.1.2模拟电子式电动机保护器（电机保护器）51.1.3数字电子式电动机保护器（电机保护器）51.2电动机节能的必要性61.3电能消耗原因与解决措施的初步分析71.4常用的电动机节能保护方法与分析71.4.1老式的Y/转换节能电路71.4.2电子式软启动器91.4.3单片机控制的Y/转换节能保护器91.5本文主要内容10第2章 三相异步电动机节能原理分析1112.1三相异步电动机的功率损失112.1.1铜损失()112.1.2铁损失()112.1.3机械损失()122.1.4杂散损失()122.1.5总损失()132.2/Y转换的工作特性7132.2.1 与关系分析142.2.2 与关系分
9、析162.2.3 /Y转换时与关系分析172.3/Y转换的节能原理18第3章 三相异步电动机节能保护器控制结构的分析2193.1单片机控制电路主芯片分析193.2三相异步电动机/Y转换节能保护器系统框图820第4章 三相异步电动机节能保护器的设计214.1电动机节能保护器的硬件电路设计与分析5214.1.1线性整流滤波电路214.1.2硬件保护电路234.1.3保护器硬件抗干扰分析以及抗扰措施6244.2电动机节能保护器的软件电路设计与分析254.2.1程序流程图与调试过程254.2.2保护器软件抗干扰分析以及抗扰措施3627第5章 Y/转换节能保护器电动机主电路接线图及其工作过程29第6章对
10、影响电动机节能保护器设计过程的因素的讨论4316.1有关空载电流对保护器的影响316.1.1采用交流采样方法316.1.2采用鉴相器电路326.2 对于硬件保护有可能躲不开的下启动电流分析336.3其他因素考虑33总结34致谢35参考文献36附录A（P87LPC767 MCU）37附录B(P87LPC767单片机)43第1章 绪论1.1我国电动机保护器的发展历史及现状简介我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。1.1.
11、1热继电器在建国初期，我们引进了苏联的JR系列热继电器，从而开始了其在中国电机保护行业中长达半个世纪的生涯。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，它是利用双金属片热效应原理。但由于热继电器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足越来越高的要求，直到1996年国家八部委联合发文强制将其淘汰。1.1.2模拟电子式电动机保护器（电机保护器）在上个世纪七八十年代，随着半导体模拟器件的兴起及普及，涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器（电机保护器），为电机的可靠运行提供了较可靠的保障，但由于其存在整定精度不高、采样精度不高
12、并且无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，而随着社会的发展，对于保护器的要求也越来越高，纯粹模拟线路的电动机保护器（电机保护器）正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。1.1.3数字电子式电动机保护器（电机保护器）这类电动机保护器（电机保护器）主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在PC机上实现对多达256台联网的电机实现在线综合监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，不存在误差，还
13、可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的出现成为可能。随着微电子技术的发展，电动机保护器（电机保护器）正朝着智能化，综合化，高精度，高可靠方向发展。1.2电动机节能的必要性作为拖动系统中的重要组成部分电动机，在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。而我国现有各类电动机总容量约4.2亿千瓦，电机系统年耗电量在6000亿度以上，占电力消费总量的50%以上。其中80%以上为0.55-200千瓦以下的中小型电机，但所有电动机
14、中相当于世界近代技术水平的J2, J02系列的约占70%，相当于70年代水平的Y系列电动机不足30%，具有80年代末水平的YX系列高效电动机所占的比例更是微乎其微。也就是说，我国在服役的电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代的水平，我国目前制造的电机仅有5%是高效节能电机，但几乎全部用于出口。我国电机的平均效率约低于美国和加拿大3-5%，风机和水泵的效率低8-10%，系统效率更低。据有关专家估算，由于设计、制造等各种原因，我国电机拖动系统的能源利用效率约比发达国家低10-30个百分点，总的节能潜力约为1000亿千瓦时，相当于20个装机容量为1000兆瓦级的大型火电厂的年发电总量，而
15、进行电机拖动系统的改造和更新的费用需要约500亿元人民币。然而近几年我国出现了大面积缺电状况，全国大部分省、市不得不实行错峰用电，分时拉闸限电，这使得对电机节能的研究变的更为重要与迫切。由此看出，比较符合我国国情需要的是既要使电机的节能设备具有较好的节能效果，又要想办法尽量降低改造或更新的费用。国家计委对电机系统节能非常重视，已把电机系统节能作为“十五”节能计划的重要内容。1.3电能消耗原因与解决措施的初步分析从三相异步电动机经济运行GB12497-1995标准来看，工矿企业中使用着的大量三相交流异步电动机的运行状态可以分为经济运行状态、允许运行状态和非经济运行状态。异步电动机会消耗大量电能，
16、主要是由于异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行状态，同时影响着企业的效益。纠其原因主要是在进行电动机容量选配时，往往片面的追求大的安全余量，且层层加码，结果使电动机的容量过大，造成“大马拉小车”的现象，使电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低;另一方面，由于大部分电机采用直接起动方式，除了造成对电网及拖动系统的冲击和事故之外，5-7倍的起动电流也造成能量的消耗。因此，要研究异步电动机节能主要从“根据负载调节电动机的端电压”和“限制电动机的起动电流”这两方面入手。1.4常用的电动机节能保护方法与分析1.4.1老式的Y/转换节能电路这种方法适用于正常运行时定子绕组采用三角形接法、在空载或轻
17、载下启动的电动机。图1老式电动机Y/转换节能电路原理图图1为一种老式Y/转换节能电路的原理图，该电路主要由电流继电器LJ、时间继电器KT、热继电器FR以及相应的辅助电路构成。其工作原理是:当按下SB1时，接触器KMl, KM2得电，电机在Y下启动。限位开关SQ受主轴操纵杆控制，主轴在运转时，SQ闭合，时间继电器KT得电。在空载或轻载时，定子电流小于电流继电器LJ的整定值，LJ不动作，电机保持在Y下运行。如在重载下，LJ得电，其常开触点闭合，中间继电器KA随之得电，切断了KM2的线圈电路，同时KM3得电，电机切换至下运行。工作完毕后，通过主轴操纵杆使SQ断开，KT失电，KM3随之失电，KM2线圈
18、得电，电动机改为丫下运行。此类节能电路具有控制方便、无谐波污染等优点。但体积大、重量大，如果同时需要加入保护电路，则其辅助电路与接线将变的十分复杂，成本也随之成倍增加。1.4.2电子式软启动器电子式软启动器的主电路一般都采用晶闸管调压电路，启动时一由单片机或其它智能控制系统控制晶闸管的导通角，进而使得电动机的端电压平滑上升。在运行过程中可根据定子电流控制电动机的端电压，从而实现节能。电子式软启动器的框图如图2所示图2电子式软启动器框图电子式软启动器具有噪音小，无触点、重量轻、体积小、电流检测精度高、起动时间及起动电流可控制，起动过程平滑，起动转矩可根据负载情况灵活调整，起动电流可调，操作简单、
19、维护量小，可以频繁起动等优点。但由于需要采用晶闸管控制，所以有控制复杂、谐波污染严重等缺点。另外，截止2003年，电子式软启动器的价格维持在200-250元人民币/kW，较高的价格也大大限制了其使用范围。1.4.3单片机控制的Y/转换节能保护器单片机控制的Y/转换节能保护器是由单片机控制系统根据电流检测的结果判定是否进行切换，以及保护是否动作。同上述两种节能器相比，单片机控制的Y/转换节能保护器的优点十分明显:成本低、控制简单、接线容易、重量轻、体积小、无谐波污染(切换与启动过程时间很短)。 但由于使用Y/转换节能保护器的电动机端电压只有220V和380V两种，所以Y/转换节能保护器的节能效果
20、不如电子式软启动器。1.5本文主要内容本文主要从理论上分析异步电动机Y/转换节能的基本原理，并在此基础上提出了一套由单片机控制的Y/转换节能保护器的设计方案。经过对单片机应用的分析后，选择适合的单片机用以完成设计对设计。并进一步对节能保护器在设计过程中有影响的因素分析，最后完善整套设计方案。第2章 三相异步电动机节能原理分析1从三相异步电动机的功率损失分析，近而运用分析的具体情况来分析/Y运行的工作特性。从而得出/丫转换节能的原理。2.1三相异步电动机的功率损失电动机是靠电磁感应原理工作的，它向电网吸取能量，从轴上输出机械能。在电能转换为机械能的过程中，不可避免地会有一些能量损失。例如：铜损失
21、、铁损失、机械损失和杂散损失。2.1.1铜损失()电动机的铜损失包括定子铜损失和转子铜损失凡。它们是由定子电流和转子电流流过定子、转子绕组而产生的。 1.1式中，R1为定子每相电阻;I1为定子每相电流。 1.2式中，S为转差率;Pe为电磁功率。2.1.2铁损失()电动机的铁损失包括磁滞损失和涡流损失，它是铁芯在磁场中受交变磁化作用产生的。 1.3式中，k为常数;为电源频率;为磁通密度。由于 1.4式中，为磁通量;为定子绕组的感应电动势；为定子绕组的相电压。认为铁损与端电压的平方成正比。由于转子电源频率很低,转子的铁芯损失很小，忽略不计。因此认为从空载到额定负载的范围内，仅是定子铁芯损失。2.1
22、.3机械损失()电动机的机械损失包括通风损失和轴承摩擦损失。对于绕线式异步电动机而言，还包括滑环与电刷之间的摩擦损失。通风损失大约和空气流通速度的立方成正比。一般，对于某一确定的在用电动机，可认为其机械损失为常量。2.1.4杂散损失()电动机的杂散损失包括铁杂损失和铜杂损失。铁杂损失由于齿磁通在转子旋转时发生脉动而产生的，通常称为脉动损失或表面损失。近似认为铁杂损失与外加电压的平方成正比。铜杂损失是由于高次谐波磁势的影响产生的。近似认为铜杂损失与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。杂散损失部分取决于电压，部分取决于电流。对于感应电动机来说，铜杂损失是主要的，约占电动机杂散损耗的70%90%.
23、感应电动机杂散损失在总损失中占的比例很小。在小型铸铝转子笼型感应电动机中，满载下杂散损失可达输出功率的1%3%，在大型的感应电动机中，杂散损失一般为输出功率的5% 。2.1.5总损失()图1-1 感应电动机的功率图图中，为输入功率; 为机械功率;为输出功率。电动机的总损失由定子铜损失、转子铜损失、铁损失、机械损失和杂散损失组成。即： 1.5 2.2/Y转换的工作特性7转换Y后是否节能的核心问题是施加到定子每相绕组上的电压，降为接时的，使得电动机的铁损、降低为接时的1/3，同时电动机的定子铜损与转子铜损根据负载变化而变化。所以电动机总的损耗是增加还是减少，则需根据负载而定。电动机的工作特性，是指
24、在电网电压=380V，频率=50Hz时，电动机在接和Y接两种状态下定子电流、功率因数,效率与负载率的关系。其中: 1.6式中的为额定功率。下面对/Y转换时各项关系分别进行分析。2.2.1 与关系分析三相交流异步电动机的定子一相等效电路如下图所示:图1-2三相交流异步电动机的定子一相等效电路图中，为定子每相绕组的电抗;为转子相电阻的折算值; 为转子相电抗的折算值; 为激磁电阻;为激磁电抗; 为转子电流的折算值; 为激磁电流。图1-3电动机的电流矢量图当电动机空载时，转子转速接近于同步转速，转差率0, /，转子相当于开路。此时转子电流接近于零，定子电流基本上是激磁电流。即: 1.7 1.8式中，为
25、定子空载电流。式1.8可表示为图1-3的矢量图。分析电动机由接转换为Y接运行时，定子电流，随负载的变化情况，则需分析定子空载电流和转子折算电流随负载变化的情况。空载电流一方面，电动机的电势平衡条件为: 1.9因为、很小，故可以认为，当电动机由接转换为Y接运行时，定子每相绕组上感应的主电势E1将近似地随U1的降低而降为接时的。由: 1.10式中，为定子每相绕组串联的匝数; 为绕组系数; 为定子绕组回路的磁通最大值。可见，对于某一在用的电动机，Y接时的也将近似的降为接时的。一般说来，设计电动机时选取值在磁化曲线的拐角处，因而，当电动机由接转换为Y接运行时，定子每相绕组的空载相电流将降为接时的还要低
26、一些。综上所述，当电动机由接转换为Y接运行时，空载线电流将降为接时的1/3.转子折算电流由电动机的近似等效电路得: 1.11由式1.11可见，电动机由接转换为Y接时，一方面的降低会使减小，另一方面的增大会使增大。一般说来，负载很轻时，是降低的;随着负载的增大，明显增大，呈上升趋势。根据上述内容，定子电流I1与的关系分析如下：图1-4 接和Y接状态下与的关系曲线图1-4为电动机在Y接时以及接时的与关系曲线。电动机在空载情况下，Y接时的空载线电流近似等于接时的1/3。轻载时，由于起主要作用，同时尚未增加或增加不大，这就使得Y接时的明显低于接时的。当负载增大到一定程度(大约70%)时，由于电动机依靠
27、增大转差率来提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态，导致随着的增大值超过了空载电流的减少值，使得Y接时的大于接时的。2.2.2 与关系分析电动机的功率因数与其端电压及负载率之间存在如下关系: 1.12式中，为电动机的调压系数,( 分别为电动机额定工况和降压运行时的实际电压);电动机在Y接时，为电动机的空载电流系数。 1.13式中，为电动机的空载电流; 为电动机的额定电流。特定的电动机，其空载电流系数为定值。图1-5 接和丫接状态下与的关系曲线图1-5为电动机在接和Y接状态下与的关系曲线，由图可知，Y接的要高于接的。2.2.3 /Y转换时与关系分析电动机的效率与其端电压及转差率之间存在如下关系
28、: 1.14式中，为电动机额定工况时的转差率;为电动机降压运行时的转差率;为电动机额定工况时的效率;为电动机降压运行时的效率。考虑到转差率与功率因数随负载的变化，得出电动机在接和Y接状态下与的关系曲线如图1-6所示。图1-6 接和丫接状态与的关系曲线由关系曲线分析可知：当40%时，由于电动机转矩与端电压平方成正比，丫切换后电动机转矩也随之下降而小于负载转矩，电动机只有依靠增大转差率，提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。由于此时转差率增大，导致I2随着S的增大值超过了空载电流I0的减少值，定子电流随之增大，从而使定子铜损PCu1和转子铜损PCu2的增大值超过铁损PFe的下降值，致使电动机的
29、效率下降。2.3/Y转换的节能原理电动机Y/转换的节能方法主要是针对电动机运行时出现的“大马拉小车”现象提出的，对于经常处于轻载或空载下运行的电动机，该方法可以收到明显的节能效果。一般情况下，当 VU4A5，硬件保护保持在未动作状态。R54在回路中起限流作用。选择参数时需让C5的充电回路时间常数小于C4的充电回路时间常数，这样就可消除C4对电路的负面影响。本设计选C5为500nF，基本上可以使保护器上电时硬件保护维持在未动作状态。现在对R51和P2构成分压电路的比较参考电压的进行下列计算。考虑到放大器LM324构成的整流电路的输出电压(也即硬件保护环节和A/D转换环节的输入电压)最大只能到3.
30、8V，此次设计将硬件过流保护的动作值设为4.5倍的额定电流值。则硬件过流保护的动作值=4.50.8=3.6VLM339在单电源+5V的工作条件下(带1K上拉电阻)，输出的高电平UH至少为4. 8V，输出的低电平UL最多为0.5V。由叠加原理可得: 3.1当硬件保护未动作时，VizVU4A5。代入式3.1得:VU4A42.05V。当硬件保护动作后，Viz=OV,VU4A2=4.8V, VU4AVU4A54。代入式3.1得:VU4A4V2.4V。充分考虑安全余量后，选择VU4A4=2.2V。4.1.3保护器硬件抗干扰分析以及抗扰措施6本设计的噪声源主要来自保护器内部的各电路元器件产生的固有噪声;来
31、自保护器内部的感性负载切换时产生的噪声;来自保护器外部的感性负载切换时产生的噪声;电动机接触器切换时产生的噪声;直流电源部分的噪声干扰等。为抑制来自保护器内部的感性负载切换时产生的噪声，在单片机驱动继电器的电路中采用光耦隔离。并在继电器线圈上并联二极管，以抑制继电器线圈产生的反电动势干扰。在单片机驱动继电器的电路中采用光祸隔离也同时抑制了来自保护器外部的感性负载切换时产生的噪声。在直流电源输入端并联滤波电容是本设计对来自直流电源部分的噪声干扰的主要抑制方法。4.2电动机节能保护器的软件电路设计与分析系统软件采用MCS-51汇编语言编写，采用模块化结构设计，主要由主程序、判断启动子程序、启动延时
32、子程序、A/D转换子程序、过流(反时限)判断子程序、三相电流不平衡判断子程序、判断切换子程序等多个子程序组成。4.2.1程序流程图与调试过程电动机节能保护器的程序流程图如图3-5所示。调用过程如下:单片机上电后，主程序先进行开机自检，然后设定各I/O口、定时器(包括看门狗定时器)的工作状态，再对程序中用到的变量、信号量进行初始化，并使用定时器中断和A/D中断。系统初始化完毕后，调用判断启动子程序，先判断电动机在Y下还是下启动，并以此为依据设定相关参数的值，再根据A/D转换结果判断定子电流是否为零。若为零，则电动机未进入启动过程，继续调用判断启动子程序;若不为零，则表明电动机已进入启动过程，程序
33、转入下一环节。判断启动过程中需给硬件保护电路发复位信号，以防止保护器上电时硬件保护误动作。图3-5 电动机节能保护器的程序流程图电动机进入启动过程后，单片机调用启动延时子程序，判断启动过程中不平衡故障。若有，则保护动作，单片机进入等待复位状态;若无，则启动延时过后，程序转入下一环节。启动过程结束后，单片机循环调用过流(反时限)判断子程序、三相电流不平衡判断子程序和判断切换子程序。若有保护动作，单片机进入等待复位状态;若满足切换条件，则发出切换信号，继续循环调用上述三个子程序;如发现硬件保护动作，则单片机直接进入等待复位状态。为了防止电动机在临界负载点附近发生频繁的切换(又称临界点振荡)，单片机
34、在通过A/D采样采入临界负载率以后，程序需加入回差值，本设计的回差值设为3%。回差值设定临界负载率的调整均为抑制临界点振荡的有效方法。4.2.2保护器软件抗干扰分析以及抗扰措施36单片机在程序执行过程中，因各种干扰的存在，会使得PC出现错误，单片机程序便脱离正常轨道运行，出现“跑飞”现象。当程序“跑飞”到某个单字节指令上时，便自己自动纳入正轨;当程序“跑飞”到某个双字节指令上，若恰恰在取操作码时刻落到其操作数上，则CPU误把操作数当成操作码，程序仍将出错;当程序“跑飞”到某个三字节指令上时，由于有两个操作数，则CPU误把操作数当成操作码的机率就更大。为尽量减轻“跑飞”现象对整个系统造成的严重后果，在程序设计时，需加入一些抗干扰措施，以尽快将“跑飞”的程序“拉回来”。 指令冗余。指令冗余是指对某些重要指令的连续重复以及在关键地方人为地插入一些单字节指令NOP。例如：对保护动作指令可在程序中写入CLR P0.2CLR P0.2CLR P0.2可降低该指令不被执行的概率。还可以在双字节指令和三字节指令后插
