三相異步電動機節(jié)能保護器的研究摘要目前有相當多的異步電動機及其拖動系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟運行狀態(tài)，白白地浪費掉大量的電能，影響著企業(yè)的經(jīng)濟效益。結(jié)合我國國情需要的措施是既要使電機的節(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。本文從理論上詳細分析了異步電動機Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能的基本原理，并在此基礎(chǔ)上提出了一整套單片機控制的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器的設(shè)計方案。關(guān)鍵詞電動機、節(jié)能、保護、試驗1緒論11異步電機節(jié)能的必要性我國“十五”期間節(jié)能計劃中關(guān)于“電機系統(tǒng)的節(jié)能計劃”指出電動機是量大面廣的高耗能設(shè)備，我國現(xiàn)有各類電動機總?cè)萘考s42億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時。其中80以上為055200千瓦以下的中小型電機，但所有電動機中相當于世界近代技術(shù)水平的J2,J02系列的約占70，相當于70年代水平的Y系列電動機不足30，具有80年代末水平的YX系列高效電動機所占的比例更是微乎其微。也就是說，我國在服役的電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當于發(fā)達國家50年代的水平，我國目前制造的電機僅有5是高效節(jié)能電機，但幾乎全部用于出口。據(jù)有關(guān)專家估算，由于設(shè)計、制造等各種原因，我國電機拖動系統(tǒng)的能源利用效率約比發(fā)達國家低1030個百分點，總的節(jié)能潛力約為1000億千瓦時，相當于20個裝機容量為1000兆瓦級的大型火電廠的年發(fā)電總量，而進行電機拖動系統(tǒng)的改造和更新的費用需要約500億元人民幣。另一方面，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，這使得對電機節(jié)能的研究變的更為重要與迫切。由上可知，比較符合我國國情需要的措施是既要使電機的節(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。根據(jù)國家標準GB124971995三相異步電動機經(jīng)濟運行的有關(guān)規(guī)定，工礦企業(yè)中使用著的大量三相交流異步電動機的運行狀態(tài)可以分為經(jīng)濟運行狀態(tài)、允許運行狀態(tài)和非經(jīng)濟運行狀態(tài)。目前有相當多的異步電動機及其拖動系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟運行狀態(tài)，白白地浪費掉大量的電能，影響著企業(yè)的經(jīng)濟效益。究其原因，電能的浪費大致是由以下幾種情況造成的1在進行電動機容量選配時，往往片面的追求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動機的容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導致電動機偏離最佳工況點，運行效率和功率因數(shù)降低2由于大部分電機采用直接起動方式，除了造成對電網(wǎng)及拖動系統(tǒng)的沖擊和事故之外，57倍的起動電流也造成能量的消耗?？梢?，研究三相交流異步電動機的節(jié)能需從以下兩方面入手1根據(jù)負載情況調(diào)節(jié)電動機的端電壓2限制電動機的起動電流。12常見的幾種電動機節(jié)能保護器及其優(yōu)缺點121老式的丫/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、在空載下啟動的電動機。圖11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。其工作原理是當按下SB1時，接觸器KML,KM2得電，電機在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線圈得電，電動機改為Y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電路，則其輔助電路與接線將變的十分復雜，成本也隨之成倍增加。122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，啟動時由單片機或其它智能控制系統(tǒng)控制晶閘管的導通角，進而使得電動機的端電壓平滑上升。在運行過程中可根據(jù)定子電流控制電動機的端電壓，從而實現(xiàn)節(jié)能。電子式軟啟動器的框圖如圖12所示。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)負載情況靈活調(diào)整，起動電流可調(diào)，操作簡單、維護量小，可以頻繁起動等優(yōu)點。123單片機控制的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器單片機控制的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器是由單片機控制系統(tǒng)根據(jù)電流檢測的結(jié)果判定是否進行切換，以及保護是否動作。同上述兩種節(jié)能器相比，單片機控制的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器的優(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)能保護器的電動機端電壓只有220V和380V兩種，所以Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器的節(jié)能效果不如電子式軟啟動器。本文從理論上詳細分析了異步電動機Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能的基本原理，并在此基礎(chǔ)上提出了一整套單片機控制的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器的設(shè)計方案，最后制作出了一臺試驗樣機并進行了性能測試，實驗結(jié)果表明，樣機達到了預期的控制性能和節(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)上進行了深入的分析與討論，為進一步完善本方案提出了改進的方向和辦法。2三相異步電動機Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能原理21三相異步電動機的功率損失分析電動機是靠電磁感應(yīng)原理工作的，它向電網(wǎng)吸取能量，從軸上輸出機械能。在電能轉(zhuǎn)換為機械能的過程中，不可避免地會有一些能量損失。電動機的功率損失包括銅損失、鐵損失、機械損失和雜散損失。211銅損失（PCU）電動機的銅損失包括定子銅損失PCU1和轉(zhuǎn)子銅損失PCU2。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。PCU13I12R121式中，R1為定子每相電阻I1為定子每相電流。PCU2SPE22式中，S為轉(zhuǎn)差率PE為電磁功率。212鐵損失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(chǎn)生的。PFEKF13B223式中，K為常數(shù)F為電源頻率B為磁通密度。由于BE1U124式中，為磁通量E為定子繞組的感應(yīng)電動勢U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(zhuǎn)子電源頻率很低一般只有13HZ,轉(zhuǎn)子鐵芯的損失很小，因此可以認為從空載到額定負載的范圍內(nèi)，電動機的鐵損失PFE僅是定子鐵芯損失。213機械損失PFW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，對于某一確定在用電動機，可認為其機械損失為常量。214雜散損失PS電動機的雜散損失包括鐵雜損失和銅雜損失。鐵雜損失發(fā)生在定子與轉(zhuǎn)子的齒中，是由于齒磁通在轉(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?？山普J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?？山普J為銅雜損失與電流的平方成正比，隨負載的變化而變化?？梢姡s散損失部分取決于電壓，部分取決于電流。對于感應(yīng)電動機來說，銅雜損失是主要的，約占電動機雜散損耗的7090。感應(yīng)電動機雜散損失可由測功機法、回饋法、反轉(zhuǎn)法測得。它在總損失中占的比例很小。在小型鑄鋁轉(zhuǎn)子籠型感應(yīng)電動機中，滿載下雜散損失可達輸出功率的13，在大型的感應(yīng)電動機中，雜散損失一般為輸出功率的5。215總損失P電動機的定子銅損失PCU1、轉(zhuǎn)子銅損失PCU2、鐵損失PFE,和機械損失PFW和雜散損失PS組成了電動機的總損失P。即PPCU1十PCU2PFE十PFW十PS25感應(yīng)電動機的功率圖如圖21所示【8】。圖中，P1為輸入功率P為機械功率P2為輸出功率。22丫運行的工作特性電動機由接轉(zhuǎn)換為Y接后是否節(jié)能的核心問題是施加到定子每相繞組上的電壓U1降為接時的1/，使得電動機的鐵損PFE、降低為接時的1/3，同時電動機的定子銅損與轉(zhuǎn)子銅損則根據(jù)負載變化而變化。所以電動機總的損耗是增加還是減少，則需根據(jù)負載而定。因此，對該核心問題的討論就轉(zhuǎn)化為對電動機的各運行參數(shù)隨負載變化情況的討論，即對工作特性的討論。這里所說的工作特性，是指在電網(wǎng)電壓U380V，頻率F50HZ時，電動機在接和Y接兩種狀態(tài)下定子電流I1、功率因數(shù)COS,效率與負載率的關(guān)系。其中P2/PN26式中，PN為額定功率。下面分別進行討論。221I1F關(guān)系三相交流異步電動機的定子一相等效電路如下圖所示圖中，X1為定子每相繞組的電抗R2為轉(zhuǎn)子相電阻的折算值X2為轉(zhuǎn)子相電抗的折算值RM為激磁電阻XM為激磁電抗I2為轉(zhuǎn)子電流的折算值IM為激磁電流。當電動機空載時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率S0、R2/S，轉(zhuǎn)子相當于開路。此時轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流。即IMIO27I1IOI228式中，IO為定子空載電流。式28可表示為圖23的矢量圖。因此要分析電動機由接轉(zhuǎn)換為Y接運行時，定子電流I1隨負載的變化情況，就需分別討論定子空載電流IO和轉(zhuǎn)子折算電流I2,隨負載的變化情況。下面分別進行討論空載電流IO一方面，電動機的電勢平衡條件為U1E1I1R1JX129因為R1、X1很小，故可以認為，當電動機由接轉(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1/。由E1444為FW1KCM210式中，W1為定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù)KC為繞組系數(shù)M為定子繞組回路的磁通最大值?？梢?，對于某一在用的電動機，Y接時的M也將近似的降為接時的1/。一般說來，設(shè)計電動機時選取B值在磁化曲線的拐角處，因而，當電動機由接轉(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1/還要低一些。另一方面，由電工學的知識可知負載接時，線電流等于倍的相電流負載Y接時，線電流等于相電流。也就是說，在相電流相等的情況下，Y接時的線電流是接時的1/。綜上所述，當電動機由接轉(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I2由電動機的近似等效電路得211由式29可見，電動機由接轉(zhuǎn)換為Y接時，一方面U1的降低會使I2減小，另一方面S的增大會使I2增大。最終I2是增大還是減小由負載大小而定。一般說來，負載很輕時，I2是降低的隨著負載的增大，S明顯增大，I2呈上升趨勢。定子電流I1圖24為電動機在Y接時以及接時的I1F關(guān)系曲線。電動機在空載情況下，Y接時的空載線電流近似等于接時的1/3。輕載時，由于IO起主要作用，同時I2尚未增加或增加不大，這就使得Y接時的I1明顯低于接時的I1。當負載增大到一定程度大約70時，由于電動機依靠增大轉(zhuǎn)差率S來提高電磁轉(zhuǎn)矩以達到與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，導致I2隨著S的增大值超過了空載電流IO的減少值，這就使得Y接時的I1大于接時的I1。222COSF關(guān)系電動機的功率因數(shù)與其端電壓及負載率之間存在如下關(guān)系212式中，KU為電動機的調(diào)壓系數(shù)，KUU1/UNUN和U1分別為電動機額定工況和降壓運行時的實際電壓電動機在Y接時，KU1/。K1為電動機的空載電流系數(shù)。K1IO/IN213式中，IO為電動機的空載電流IN電動機的額定電流。對于特定在用的電動機，其空載電流系數(shù)K1為定值。圖25為電動機在接和Y接狀態(tài)COS下與的關(guān)系曲線，對于不同空載電流系數(shù)的電動機，該曲線會略有差異。從上圖可以看出，Y接的COS要高于接的COS。223F關(guān)系電動機的效率與其端電壓及轉(zhuǎn)差率之間存在如下關(guān)系214式中，SN為電動機額定工況時的轉(zhuǎn)差率S為電動機降壓運行時的轉(zhuǎn)差率N為電動機額定工況時的效率為電動機降壓運行時的效率?？紤]到轉(zhuǎn)差率與功率因數(shù)隨負載的變化，得出電動機在接和Y接狀態(tài)下與的關(guān)系曲線如圖26所示?，F(xiàn)分析如下當40時，由于電動機轉(zhuǎn)矩與端電壓平方成正比，所以Y切換后電動機轉(zhuǎn)矩也隨之下降而小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機只有依靠增大轉(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)。由于此時轉(zhuǎn)差率增大，導致I2隨著S的增大值超過了空載電流IO的減少值，定子電流隨之增大，從而使定子銅損CU1和轉(zhuǎn)子銅損CU2的增大值超過鐵損PFE的下降值，致使電動機的效率下降。23一丫切換的節(jié)能原理電動機Y/轉(zhuǎn)換的節(jié)能方法是針對電動機運行時的“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，采用該方法可以收到明顯的節(jié)能效果。一般情況下，當0時，VU3A10，二極管D3導通，D4截止。此時，V20。34由式33、式34可知，VOUTPOT為VINPUT的絕對值。再考慮有濾波電容C2、C3的情況。C205N為高頻濾波電容，其作用是濾去輸出的高次諧波，使得硬件保護電路不會因干擾而誤動作C31U為低頻濾波電容，其作用是求出VINPUT的絕對值的平均值，使得單片機僅需對VOUTPOT進行直流采樣，從而避免了單片機進行較為復雜的交流采樣算法。有關(guān)本系統(tǒng)應(yīng)該采用交流采樣還是直流采樣的討論將在后續(xù)章節(jié)中進行。下面討論的是在采用該線形整流濾波電路以后，電動機額定電流所對應(yīng)的整流電路輸出電壓即OUTPUT端輸出電壓應(yīng)該如何取值。由于在正負5伏電源的供電條件下，由放大器LM324構(gòu)成的整流電路的輸出電壓也即硬件保護環(huán)節(jié)和A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的輸入電壓最大只能到38V，考慮一定裕量，將36V對應(yīng)45倍的額定電流，則額定電流下所對應(yīng)的整流電路的輸出電壓就為08V。額定電流下，VINPUT的最大值為08/2126V。/2為正弦信號從其絕對值的平均值至其最大值的變換系數(shù)。圖34為VINPUT的最大值為126V時，VOUTPOT的仿真波形。從圖上可以看出VOUTPOT的波形無超調(diào)量，不會造成保護誤動作從OV到08V的上升時間小于08S，該響應(yīng)速度對于控制對象為電動機的系統(tǒng)來說，是符合要求的。圖35是VOUTPOT的放大波形。從圖上可以看出額定電流下VOUTPOT的紋波小于3MV，遠小于單片機A/D結(jié)果的每個單位對應(yīng)的20MV，也就是說，由VOUTPOT的紋波引起的誤差遠小于由單片機A/D轉(zhuǎn)換引起的誤差。因此，該線形整流電路滿足本系統(tǒng)的要求。342硬件保護電路如電動機發(fā)生短路，電流過大時，如過流保護沒能及時動作，就可能對電動機造成損壞，甚至燒毀電動機。因為單片機保護的環(huán)節(jié)較多，可能導致動作較慢，為解決該問題，本系統(tǒng)采用遲滯比較器電路作為電動機硬件過流保護。圖36為硬件保護電路的原理圖。本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34的線形整流濾波電路的電平信號，以及來自單片機的復位信號。其輸出包括兩路電平信號，一路經(jīng)非門驅(qū)動光禍，從而驅(qū)動硬件保護繼電器ZJ3的線圈另一路作為硬件保護動作與否的信號輸入單片機。本電路需實現(xiàn)的功能是當電動機的線電流因故障而增大到5倍額定電流時，本電路需發(fā)出保護動作信號，使電動機從電網(wǎng)上切除保護動作后，因為來自圖34的線形整流濾波電路的電平信號已變成零，所以本電路還需有維持保護動作信號電平的功能。其具體實現(xiàn)方法如下當輸入電平大于某特定值時，輸出高電平驅(qū)動硬件保護繼電器ZJ3的線圈，保護動作，輸入電平降為零，此時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38中的KM3的線圈始終維持在失電狀態(tài)。當單片機發(fā)出低電平復位信號時，D15導通，U4A的輸出低電平，這也就使得KM3的線圈得電，電動機重新接入電網(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01UF。R54與C5組成的充電回路可使得保護器上電時VU4A4VU4A5，硬件保護保持在未動作狀態(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對電路的負面影響。本設(shè)計選C5為500NF，經(jīng)實驗驗證，可以使保護器上電時硬件保護維持在未動作狀態(tài)。以下是對R51和P2構(gòu)成分壓電路的比較參考電壓的計算?？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環(huán)節(jié)和A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的輸入電壓最大只能到38V，本設(shè)計將硬件過流保護的動作值設(shè)為45倍的額定電流值。硬件過流保護的動作值450836VLM339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48V，輸出的低電平UL最多為05V。由疊加原理可得35當硬件保護未動作時，VIZVU4A5。代入式35得VU4A4205V。當硬件保護動作后，VIZ0V,VU4A248V,VU4A4VU4A5。代入式35得VU4A424V。充分考慮安全余量，結(jié)合實驗調(diào)試過程，選擇VU4A422V。經(jīng)實驗驗證，可滿足要求。343其它單片機外圍電路臨界負載率的調(diào)整電路臨界負載率由電位器經(jīng)A/D采樣輸入。對于臨界負載率，單片機A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量的分辨率對應(yīng)002V詳細分析參見32節(jié)，為保險起見，取025V對應(yīng)臨界負載率0100，則002V對應(yīng)的臨界負載率為1/128078125臨界負載率的調(diào)整電路的具體用法如下當電動機在下運行時，如果負載率小于臨界負載率，且在一定時間內(nèi)，定子電流的積分平均值小于臨界負載對應(yīng)的電流值，則電動機從下切換至Y下運行。此時可將臨界負載率適當調(diào)大但一般調(diào)的不高于40，大部分電動機在負載率高于40時如在Y下運行，效率反而會更低，參見圖25同樣如電動機從Y下切換至下運行后，也可將臨界負載率適當調(diào)小。使用者可根據(jù)負載的實際情況，選擇不同的臨界負載率，從而在實現(xiàn)節(jié)能目的的基礎(chǔ)上，降低電動機的切換次數(shù)。積分時間的調(diào)整電路積分時間同樣由電位器經(jīng)A/D采樣輸入。對于積分時間，單片機A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量的分辨率對應(yīng)002V詳細分析參見32節(jié)，為保險起見，取025V對應(yīng)積分時間0S128S，則002V對應(yīng)的積分時間為1S。積分時間的調(diào)整電路的具體用法如下在已知負載有較大幅度的變化時，使用者可通過減小積分時間來使電動機在短時間內(nèi)切換至合適的工作狀態(tài)在負載無明顯變化時，使用者可通過增大積分時間來降低切換發(fā)生的概率。Y切換信號與保護輸出信號單片機工I/O口輸出的Y切換信號與保護輸出信號經(jīng)光耦隔離控制繼電器ZJL,ZJ2的線圈，從而實現(xiàn)切換與保護動作。這種隔離驅(qū)動方式同時也加強了系統(tǒng)的抗干擾能力。電動機的運行狀態(tài)以及故障信號的指示單片機I/O口控制的LED指示等用來指示電動機的運行狀態(tài)以及故障信號。其中包括或Y下運行指示、過流故障指示、不平衡故障指示等。校準環(huán)節(jié)針對31節(jié)保護器性能要求的第7點，為實現(xiàn)電動機保護器與電動機功率的無關(guān)性，就必須有校準環(huán)節(jié)，以使得對于不同額定功率的電動機，只要更換CT并校準以后，該保護器照樣可以使用。為此，采用在保護器的整流環(huán)節(jié)前一級加分壓電位器詳見附圖1電動機保護器的原理圖的辦法，以實現(xiàn)校準的目的。也就是說，需調(diào)整分壓電位器，使得電動機額定負載下對應(yīng)的整流環(huán)節(jié)的輸出為即單片機的A/D輸入為08V。有關(guān)選擇為08V對應(yīng)于電動機額定負載的討論參見341節(jié)但是在出廠前，利用調(diào)節(jié)負載至額定負載來進行校準是不現(xiàn)實的，為此提出校準方法如下先確定合適變比的CT以及合適大小的電阻，然后計算出額定電流下對應(yīng)的整流環(huán)節(jié)的輸入信號的交流電壓值，再用信號波發(fā)生器產(chǎn)生相同的電壓信號作為模擬輸入，最后按前述方法進行校準。344保護器的原理圖及硬件抗干擾措施保護器的原理圖見附圖1?？垢蓴_措施包括硬件措施和軟件措施兩種，后者見352節(jié)。本設(shè)計的噪聲源主要有來自保護器內(nèi)部的各電路元器件產(chǎn)生的固有噪聲來自保護器內(nèi)部的感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲，主要是附圖1所示的ZJ1,ZJ2,ZJ3切換時產(chǎn)生的噪聲來自保護器外部的感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲，主要是電動機接觸器切換時產(chǎn)生的噪聲直流電源部分的噪聲干擾等。為抑制來自保護器內(nèi)部的感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲，在單片機驅(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器外部的感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲。本設(shè)計對來自直流電源部分的噪聲干擾的抑制方法是在直流電源輸入端并聯(lián)濾波電容。345保護器的印刷電路板的設(shè)計印刷電路板見附圖2。印刷電路板采用135MM90MM，雙面布線?？紤]到本系統(tǒng)的運行環(huán)境，設(shè)定印刷電路板的主要規(guī)則如下最小安全間距035M數(shù)字信號最小線寬05MM模擬信號最小線寬05MM電源線最小寬度15MM地線最小寬度L5MM。35電動機節(jié)能保護器的軟件設(shè)計351程序流程圖電動機節(jié)能保護器的程序流程圖如圖37所示。系統(tǒng)軟件采用MCS51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。主程序的運行與各子程序的調(diào)用過程如下單片機上電后，主程序先進行開機自檢，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、信號量進行初始化，并使能定時器中斷和A心中斷。系統(tǒng)初始化完畢后，調(diào)用判斷啟動子程序，先判斷電動機在Y下還是下啟動，并以此為依據(jù)設(shè)定有關(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。如為零，則電動機未進入啟動過程，繼續(xù)調(diào)用判斷啟動子程序如不為零，則表明電動機已進入啟動過程，程序轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié)。判啟動過程中需給硬件保護電路發(fā)復位信號，以防止保護器上電時硬件保護誤動作。電動機進入啟動過程后，單片機調(diào)用啟動延時子程序，判斷啟動過程中不平衡故障。如有，則保護動作，單片機進入等待復位狀態(tài)；如無，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。如有保護動作，單片機進入等待復位狀態(tài)如滿足切換條件，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)硬件保護動作，則單片機直接進入等待復位狀態(tài)。說明為了防止電動機在臨界負載點附近發(fā)生頻繁的切換又稱臨界點振蕩，單片機在通過A/D采樣采入臨界負載率以后，程序需加入回差值，本設(shè)計的回差值設(shè)為士3?；夭钪翟O(shè)定與344所述的臨界負載率的調(diào)整均為抑制臨界點振蕩的有效方法。352軟件抗干擾措施51單片機的所有指令均不超過3個字節(jié)，且多為單字節(jié)指令。指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成，操作碼指明CPU完成什么樣的操作如傳送、算術(shù)運算、轉(zhuǎn)移等，操作數(shù)是操作碼的操作對象如立即數(shù)、寄存器、存儲器等。單字節(jié)指令僅有操作碼，隱含操作數(shù)雙字節(jié)指令第一個字節(jié)是操作碼，第二個字節(jié)是操作數(shù)三字節(jié)指令第一個字節(jié)是操作碼，第二個字節(jié)與第三個字節(jié)是操作數(shù)。如何判定EPROM中的某個字節(jié)存的是操作碼還是操作數(shù)完全由取指令順序來確定。CPU復位以后，首先取指令的操作碼，而后順序取出操作數(shù)。當一條完整指令執(zhí)行完后，緊接著取下一條指令的操作碼、操作數(shù)。這些操作時序完全由程序記數(shù)器PC控制。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，單片機程序便脫離正常軌道運行，出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象。當程序“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)當成操作碼，程序仍將出錯當程序“跑飛”到某個三字節(jié)指令上時，因為有兩個操作數(shù)，則CPU誤把操作數(shù)當成操作碼的機率更大。為盡量減輕“跑飛”現(xiàn)象對整個系統(tǒng)造成的嚴重后果，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”。本設(shè)計采用的軟件抗干擾措施如下指令冗余。指令冗余是指對某些重要指令的連續(xù)重復以及在關(guān)鍵地方人為地插入一些單字節(jié)指令NOP。如對保護動作指令可在程序中寫CLRP02CLRP02CLRP02這樣就大大降低了該指令不被執(zhí)行的概率。再如可在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個單字節(jié)指令NOP，這可以保證其后的指令不會被拆散。特別是如果其后為對于程序流向起決定作用的指令如RET，RETI，ACALL，LAP，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，如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LJMPMAIN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到初始定時值當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。P87LPC767單片機自帶看門狗，喂看門狗就是執(zhí)行指令WDFEEDMOVWDRST，LEHMOVWDRST，0ELH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。軟件防干擾還有許多種方法，如重復檢測法、程序卷回法等，由于本設(shè)計并未采用這些方法，在此并不詳細敘述。其它各種方法的敘述參見文獻2。加入防干擾措施以后全部程序為11K左右。36主電路接線圖及其工作過程圖38為一種使用該電動機Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器的電動機主電路接線圖。其中220VAC接觸器KM1、KM2分別為控制電動機下、Y下運行的接觸器，KM3為保護動作的接觸器。S2為啟動按鈕，S1為停止按鈕。保護器內(nèi)的繼電器ZJL為控制Y切換的繼電器，ZJ2,ZJ3分別為單片機保護、硬件保護的輸出繼電器。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護器輸入信號一般情況下，如電動機為輕載，則需將輸入按鍵撥至Y下啟動如電動機為重載，則需將輸入按鍵撥至下啟動，保護器根據(jù)輸入情況判斷電動機在下或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在下還是在Y下啟動。電動機啟動。按下S2，KM3得電，其常開觸點閉合，電動機通電。松開S2，此時KM3的常開觸點形成自鎖，電動機持續(xù)通電。電動機停車。按下S1，KM3失電，其常開觸點斷開，電動機從電網(wǎng)上切除。松開SL，此時KM3的常開觸點己斷開，電動機與電網(wǎng)無法再接通。電動機Y切換。電動機在下運行時，如在設(shè)定的時間內(nèi)，保護器檢測到電動機定子電流均小于額定電流與設(shè)定的臨界負載率的乘積臨界負載率與時間的設(shè)定參見33節(jié)及343節(jié)，則單片機發(fā)出切換信號控制繼電器ZJ1的常開觸點閉合，KM1線圈失電，KM2線圈得電，電動機切換至Y下運行。電動機在Y下運行時，如在設(shè)定的時間內(nèi)，保護器檢測到電動機定子電流均大于額定電流與設(shè)定的臨界負載率的乘積，則單片機發(fā)出切換信號控制繼電器ZJ1的常閉觸點閉合，KM2線圈失電，KM1線圈得電，電動機切換至下運行。KM1與KM2的線圈回路有互鎖，從而避免了短路情況的發(fā)生。電動機保護動作。如單片機檢測到電動機己滿足反時限過流保護或三相電流不平衡保護的動作條件，則繼電器ZJ2得電，其常閉觸點斷開，KM3失電，其常開觸點斷開，電動機從電網(wǎng)上切除。如電動機發(fā)生大電流短路，則硬件保護電路先于單片機保護電路動作，繼電器ZJ3先得電，其常閉觸點斷開，KM3失電，其常開觸點斷開，電動機從電網(wǎng)上切除。5有關(guān)本設(shè)計的幾點討論51有關(guān)空載電流對實驗的影響在實驗階段，遇到了443節(jié)所提的問題。即由于大的空載電流，單片機無法僅根據(jù)定子電流判斷電動機的實際負載大小。如果設(shè)定保護器Y切換的電流為空載電流45A，則當實際負載增大到對應(yīng)值時，由圖24及圖26可知，節(jié)能效果并不顯著。由于大部分電動機的空載電流設(shè)定在額定電流的3070，所以該電動機節(jié)能保護器只適用于空載電流較小的電動機，該問題大大的限制了該電動機節(jié)能保護器的應(yīng)用場合。究其原因，該問題是由于單片機未對電壓、電流之間的相位差進行采集所致。如單片機采集了相電壓，并根據(jù)相電壓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)來共同確定是否進行Y切換。這樣就可以解決空載電流對電動機節(jié)能保護器的應(yīng)用場合的影響。據(jù)此提出如下兩種解決辦法。511采用交流采樣如采用交流采樣作為電動機二次電壓、電流輸入的方法，則單片機就可以根據(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。有關(guān)交流采樣原理與算法的詳細敘述參見參考文獻5。本設(shè)計具有以下特點采用單片機作為主控芯片，其運算能力較差A/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倍頻電路據(jù)此，可采用一種簡化的積分法進行交流采樣。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33的線形整流電路去掉濾波電容C3?，F(xiàn)簡述該算法如下單片機只對交流信號進行A/D采樣，一般在一個周期內(nèi)采樣2N次，如32次或64次，這樣做的好處是在計算平均值的時候，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)的算法是在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在一個周期內(nèi)的樣次數(shù)。如單片機只在一個周期內(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。采用此算法以后程序為23K左右，再加上為串口RS232轉(zhuǎn)USB接口程序預留的1K左右的代碼空間參見CYPRESS網(wǎng)站的S