毕业设计论文电动机节电保护器

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1、摘 要三相交流异步电动机的节电保护一直是电机领域研究的热点，特别是近几年来全国出现电力供应紧张的局面，使得对交流异步电动机的节能设备的研究和推广更为迫切。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、节电原理、节电效果、节能保护器应采取的抗干扰措施以及其它应注意的问题。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/切换节电保护器的设计方案，获得了较高的性价比。并针对传统电动机Y/切换节电保护器在Y/切换点附近发生频繁切换的问题，提出手动现场整定临界负载率和切换时问的解决办法。在此原理的基础上进行了深入的分析与讨论，为进一步完善本方案提出了改进的方向

2、和办法。关键词 异步电动机 节电 Y/切换 单片机ABSTRACTThe research of energy-saving for Asynchronous Motors is always a hotspot in electric machinery area. In recent years, the shortage of electric power supply in China makes it more urgent to research and popularize energy-saving devices for three-phase Asynchronous Mo

3、tors. At a certain extent, this handicaps the popularize of energy-saving devices for three-phase Asynchronous Motors This paper starts with the analysis of power loss of Asynchronous Motors, discusses the performance characteristics, energy-saving theory, energy-saving effects, anti-EMI of protecto

4、rs and other problems that should be noticed when three-phase Asynchronous Motor switches from connection to Y connection. Based on these, a complete design of an energy-saving protector used for the transformation of three-phase asynchronous motor controlled by MCU is presented. To overcome the tra

5、ditional shortcoming of frequent transferring in the transforming point, a method that adjusts the transforming point and the change time manually is presented. Keywords: Asynchronous Motor energysaving transformation: MCU 目录摘要IABSTRACTII前言IV1 绪论1常见的几种电动机节电保护器及其优缺点12三相异步电动机转换节电原理4三相异步电动机的功率损失分析4-Y运行

6、的工作特性5切换的节能原理103三相异步电动机转换节能保护器的设计10性能要求10控制电路主芯片11电动机节电保护器系统框图11电动机节电保护器的硬件电路设计12电动机节电保护器的软件设计18主电路接线图及其工作过程204.有关本设计的几点讨论21有关空载电流对电路的影响214.2 有关性价比22结论23参考文献24致谢25附录26前言为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高，可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即对于长期工作于额定负载、连续运行的

7、应用场合，其节能效果能达到最佳。但大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为现实。1975年美国宇航局工程师为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控制器，即在定子电压一定的情况下，只要负载率小于额定负载率，交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应的关系。这种装置的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号，并通过该类装置控制定子端电压来调节输入功率，使其随负载的变化而变化。利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从70年代开始应用的，以后美国宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控制电路，发展成现在的智能化电机节能控

8、制器。它们集软起动、节能、电机保护于一体，通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统参数和得到系统运行状态。由于能源紧缺我国也从七十年代开展了大规模节能装置的研究。研制出了ID，DJZ，XSZ等等一大批系列节电器。其空载节电率大于30%左右，轻载（小于30%负载率）为3343%左右。国内集软起动、节能、保护于一体的电机节能控制器的研制起步较晚，但发展很快。目前国内一些产品功能还不完善，性能不稳定，同国外产品比较还有很大差距。而国外产品价格昂贵，操作复杂，对使用人员要求高，限制了在国内的推广。在应用上，国内使用智能型电机节能控制器的场所还很少，传统的交流电动机起动器仍继续占领市场，所以有必要自行研制

9、适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的迫切要求。研制中除了借鉴国外产品成功经验外，还要针对其不足和我国电网不稳，负载波动大，电动机空载率高等具体情况，开发出具有特色的中国人自己的节电产品来。本文所做的工作：本文从理论上详细分析了异步电动机转换节电的基本原理，并在此基础上提出了一整套单片机控制的转换节电保护器的设计方案，达到了控制性能和节电效果。本文还对此系统进行了深入的分析与讨论，为进一步完善本方案提出了改进的方向和办法。1 绪论我国“十五”期间节能计划中关于“电机系统的节能计划”指出:电动机是量大面广的高耗能设备，我国现有各类电动机总容量约4.2亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时。据

10、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，另一方面，近几年我国出现了大面积缺电状况，这使得对电机节能的研究变的更为重要与迫切。由上可知，比较符合我国国情需要的措施是: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。电能的浪费大致是由以下几种情况造成的:(1)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，导致电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因

11、数降低；(2)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。可见，研究三相交流异步电动机的节能需从以下两方面入手:(1)根据负载情况调节电动机的端电压；(2)限制电动机的起动电流。常见的几种电动机节电保护器及其优缺点老式的转换节电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、在空载或轻载下启动的电动机。图1为一种老式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KM1, 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

12、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线圈得电，电动机改为Y下运行。此类节能电路控制方便、无谐波污染。但体积大、重量大，需要加入保护电路，则其辅助电路与接线将变复杂，成本也会增加。 380VACFRFUSB1KM1KM2KTKM3KM3KAKM2KM1KTLJSQKAM3ACKM3LJFRSB2KM1KM2图1电动机Y/转换

13、节能电路原理图电子式软启动器A B C隔离开关电压采样电流采样保护键盘输入LED状态显示单片机系统通讯接口晶闸管脉冲隔离放大晶闸管监控数码管显示M脉冲控制电流互感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、维护量小，可以频繁起动等优点

14、。 图3晶闸管调压主电路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。对晶闸管门极触发的要求一般应满足:触发脉冲应有足够的功率,触发脉冲的电压、电流应大于晶闸管要求的数值,并留有一定余量;触发脉冲的相位应在规定范围内移动;触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步、同频,且具有固定的相位关系,使每一周期能在同样的相位上触发;触发波形一定要满足要求。 单片机控制的转换节电保护器单片机控制的转换节电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，单片机控制的转换节电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

15、(切换与启动过程时间很短)。但由于使用转换节能保护器的电动机端电压只有220V和380V两种，所以一般的转换节电保护器的节电效果不如电子式软启动器。 2三相异步电动机转换节电原理三相异步电动机的功率损失分析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。电动机的功率损失包括:铜损失、铁损失、机械损失和杂散损失。铜损失()电动机的铜损失包括定子铜损失和转子铜损失。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。 (2.1) 式中，,为定子每相电阻； 为定子每相电流。 (2.2) 式中，S为转差率；为电磁功率。铁损失(

16、)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。 (2.3)式中，k为常数；f为电源频率；B为磁通密度。由于 B (2.4)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。 所以可以认为，铁损与端电压的平方成正比。 由于转子电源频率很低(一般只有1-3Hz)，转子铁芯的损失很小，因此可以认为:从空载到额定负载的范围内，电动机的铁损失仅是定子铁芯损失。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。一般说来，对于某一确定的在用电动机，可认为其机械损失

17、为常量。杂散损失()电动机的杂散损失包括铁杂损失和铜杂损失。铁杂损失发生在定子与转子的齿中，是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。可近似认为: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。可近似认为:铜杂损失与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。可见，杂散损失部分取决于电压，部分取决于电流。总损失(P)电动机的定子铜损失、转子铜损失、铁损失、机械损失和杂散损失组成了电动机的总损失P 。即: P = + + (2.5)电动机的功率图如图4所示图 4 电动机的功率图图中，为输入功率；为机械功率； 为输出功率。-Y运行的工作特性电动机由接转

18、换为Y接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1/，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则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。 因此，对该核心问题的讨论就转化为对电动机的各运行参数随负载变化情况的讨论，即对工作特性的讨论。 这里所说的工作特性，是指在电网电压U=380V，频率f=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: (2.6)式中，为额定功率。 关系三相交流异步电动机的定子一相等效电路如下图所示:图 5 三相交流异步电动机的定子一相等效电路图中，X1为定子每

19、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 6 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s0，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: (2.7) (2.8)式中，为定子空载电流。式（2.8）可表示为图6的矢量图。因此要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，就需分别讨论定子空载电流和转子折算电流 ,随负载的变化情况。 下面分别进行讨论:空载电流 一方面，电动机的电势平衡条件为: (2.9)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

20、相绕组上感应的主电势，将近似地随的降低而降为接时的。 由: (2.10) 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1/。一般说来，设计电动机时选取B值在磁化曲线的拐角处，因而，当动机由接转换为Y接运行时，定子每相绕组的空载相电流将降为接时的1/还要低一些。 另一方面，由电工学的知识可知:负载接时，线电流等于倍的相电流；负载Y接时，线电流等于相电流。也就是说，在相电流相等的情况下，Y接时的线电流是接时的1/。 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

21、近似等效电路得:= (2.11)由式2.9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S的增大会使增大。最终是增大还是减小由负载大小而定。一般说来，负载很轻时，是降低的;随着负载的增大，S明显增大，呈上升趋势。定子电流入1000100Y图 7 接和Y接状态下与的关系曲线图7为电动机在Y接时以及接时的关系曲线。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，由于电动机依靠增大转差率S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S的增大值超过

22、了空载电流的减少值，这就使得Y接时的，大于接时的。 关系1000100Y图 8 接和Y接状态下与的关系曲线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: (2.12) 式中，K0为电动机的调压系数，K=U/U (U和U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，存。 为电动机的空载电流系数。 (2.13) 式中，为电动机的空载电流； 电动机的额定电流。 对于特定在用的电动机，其空载电流系数，为定值。图8为电动机在接和Y接状态下与的关系曲线，对 于不同空载电流系数的电动机，该曲线会略有差异。从上图可以看出，Y接的要高于接的 关系1001000Y图 9 接和Y接状态下与的关

23、系曲线电动机的效率与其端电压及转差率之间存在如下关系: (2.14)式中，S为电动机额定工况时的转差率； S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9所示。 现分析如下: 当 40%时，由于电动机转矩与端电压平方成正比，所以Y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，导致随着S的增大值超过了空载电流的减少值，定子电流随之增大，从而使定子铜损和转子铜损的增大值超过铁损的下降值，致使电动机

24、的效率下降。切换的节能原理电动机转换的节能方法是针对电动机运行时的“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，采用该方法可以收到明显的节能效果。一般情况下，当 40%时，三相异步电动机由接转换为Y接，定子空载电流降低，同时转子电流增加的量有限，从而导致定子电流，降低，定子铜损，随之降低;端电压,的降低使得定子铁损降低;功率因数增大;效率增大，这使得电动机向电网吸取的有功功率与无功功率减少，线路损耗随之降低。3三相异步电动机转换节能保护器的设计根据用户的实际需要，现提出电动机转换节能保护器性能要求如下: 电源输入为三相交流380V/50Hz。保护功能:包括过流保护(反时限动作

25、)、堵转保护、缺相保护、三相电流不平衡保护(不平衡度为50%)。其中，过流保护动作时间如下表所示: 表 1 反时限过流保护动作时间表过流倍数 动作时间（s） 180 150 100 30 15 7 4断相或三相电流不平衡度大于50%时，保护器在3秒内动作。在电动机运行状态下(不包括启动过程)，电流大于额定电流的5倍时，保护器在1秒内动作。 在Y状态或状态下启动。 在状态下，单片机连续跟踪采样。当电动机实际负载电流小于电动机额定电流的30%至80%(可调)，且在10秒到100秒(连续可调)的积分平均值始终小于电动机额定电流设定的数值时，智能控制部分按预先编好的程序自动切换到Y状态下。 进入Y状态

26、下，单片机连续跟踪采样。当电动机实际负载电流大于电动机额定电流的30%至80%(可调)，且在10秒到100秒(连续可调)的积分平均值始终大于电动机额定电流设定的数值时，智能控制部分按预先编好的程序自动切换到状态下。 转换后，电动机的额定电流降为铭牌上额定电流的1/，所以其过流保护的电流整定值也应调整为接时的1/。 功率规格:从理论上讲，保护器的功率规格与电动机功率无关，对于不同功率的电动机，只需更换电流互感器并校准额定电流即可。输出继电器触点容量为250VAC/5A。根据上述性能要求，选择自带A/D转换器的P87LPC767单片机为本系统的控制电路主芯片。该芯片由PHILIPS公司生产，其引脚

27、图如图10所示。 P87LPC767是20引脚封装的8位单片机，其电源电压为+2.7-6VDC，时钟频率最大可为20MHZ，内部集成有128Byte的RAM, 4KByte的EPROM, 2个16位的定时/计数器，4路8位的单极性A/D转换通道，并自带看门狗与电源监控功能。这款单片机的A/D转换参考电压就是电源电压，本设计采用+5VDC为单片机的电源电压，由A/D转换原理可得:单片机A/D转换数字量的分辨率对应于5/2560.02V。图 10 P87LPC767 单片机引脚图在设计过程中，如能充分利用该单片机自身提供的软硬件资源，并配以简单的外围接口电路，合理考虑各个环节的精度与误差，并采用合

28、适的控制策略，就能使系统在完成对电动机的Y/转换节电控制及电动机保护功能的基础上，实现较高的性价比。根据系统的性能要求，确定本系统的输入、输出及对应的实现方法如下: 本系统的输入包括: 电动机的三相电流信号(由电流互感器采集输入)；临界负载率、积分时间信号(由可调电位器输入)； 下或Y下启动信号(由按键输入)。 本系统的输出包括:切换信号(由ZJ1输出)；单片机保护输出(由ZJ2输出)； 硬件保护输出(由直接跳闸回路经ZJ3输出)； 切换、故障信号指示电路(由LED输出)。 (ZJl, ZJ2, ZJ3与主电路的接法及工作过程见3.5节。) 电动机节能保护器的系统框图如图11所示。Y/转换隔离

29、驱动电路保护继电器隔离驱动电路自带A/DP87LPC767单片机负载率、积分时间输入电路线性整流电路电流互感器直接跳闸电路切换信号、故障信号、指示信号图 11 电动机节电保护器的系统框图由于本系统采用单片机作为主控芯片，其运算能力较弱，设计过程中为了尽量避免单片机承担过多的运算工作，就以I / I、代替临界负载率p作为输入。接和Y接状态下/、与临界负载率的关系曲线见图7。线性整流滤波电路由于P87LPC767单片机引脚较少，而本系统的输入/输出量占用的引脚较多，这使得对程序存储器EPROM的扩展非常困难。为此选用算法较为简单的直流采样以减少程序大小，从而保证代码量小于P87LPC767单片机的

30、4k EPROM空间。图12为对交流信号进行线形整流滤波的电路原理图。图 12 线性整流电路原理图电流互感器输出的二次交流电流信号流经精密电阻得到交流电压信号，再由电位器(该电位器作校准额定电流用)分压接至图13的input端，output端输出的是电压信号经过分压后的绝对值的平均值。output端输出的直流信号一路至单片机的A/D转换口，单片机对采样值进行一系列的运算以判断保护是否动作、是否进行转换；另一路至硬件保护电路以判断是否由硬件完成过流保护的动作(只取一相电流的信号经整流滤波后至硬件保护电路)。 下面讨论该电路的工作原理。 先考虑没有滤波电容C2, C3的情况。 R4, R5, R6

31、, U2A组成加法电路。此时: (3.1) 将电阻值代入式3-1，得: (3.2) 再观察前半部分电路，当0时，V0，二极管D3截止，D4导通。此时，V2=VI。由式3-2得: V=V=V (3.3)当V V，二极管D3导通，D4截止。此时，V2=O。 = (3.4) 由式3-3、式3-4可知，为的绝对值。 再考虑有滤波电容C2, C3的情况。 C2 (0.5n)为高频滤波电容，其作用是滤去输出的高次谐波，使得硬件保护电路不会因干扰而误动作；C3 (1u)为低频滤波电容，其作用是求出的绝对值的平均值，使得单片机仅需对进行直流采样，从而避免了单片机进行较为复杂的交流采样算法。 下面讨论的是:在采

32、用该线形整流滤波电路以后，电动机额定电流所对应的整流电路的输出电压(即output端的输出电压)应该如何取值？ 由于在正负5伏电源的供电条件下，由放大器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3.8V，考虑一定裕量，将3.6V对应4.5倍的额定电流，则额定电流下所对应的整流电路的输出电压就为0.8V。额定电流下，的最大值为。 (为正弦信号从其绝对值的平均值至其最大值的变换系数。) 图13为的最大值为1.26V时，的仿真波形。从图上可以看出的波形无超调量，不会造成保护误动作；从OV到0.8V的上升时间小于0.8s，该响应速度对于控制对象为电动机的

33、系统来说，是符合要求的。0V/0s图 13 Voutput从 0s至2s的全局波形根据的放大波形。可以知道:额定电流下的纹波小于3mV，远小于单片机A/D结果的每个单位对应的20mV，也就是说，由的纹波引起的误差远小于由单片机A/D转换引起的误差。因此，该线形整流电路满足本系统的要求。硬件保护电路如电动机发生短路，电流过大时，如过流保护没能及时动作，就可能对电动机造成损坏，甚至烧毁电动机。因为单片机保护的环节较多，可能导致动作较慢，为解决该问题，本系统采用迟滞比较器电路作为电动机硬件过流保护。图14为硬件保护电路的原理图。图 14 硬件保护电路原理图本电路为由单电源接法的电压比较器LM339构

34、成的迟滞比较器电路。其输入包括来自图13的线形整流滤波电路的电平信号，以及来自单片机的复位信号。其输出包括两路电平信号，一路经非门驱动光耦，从而驱动硬件保护继电器ZJ3的线圈:另一路作为硬件保护动作与否的信号输入单片机。 本电路需实现的功能是:当电动机的线电流因故障而增大到5倍额定电流时，本电路需发出保护动作信号，使电动机从电网上切除；保护动作后，因为来自图14的线形整流滤波电路的电平信号已变成零，所以本电路还需有维持保护动作信号电平的功能。其具体实现方法如下:当输入电平大于某特定值时，输出高电平驱动硬件保护继电器ZJ3的线圈，保护动作，输入电平降为零，此时R55形成的正反馈回路使得U4A的5

35、脚电平始终大于4脚的电平，输出保持在高电平，这也就使得图17中的KM3的线圈始终维持在失电状态。当单片机发出低电平复位信号时，D15导通，U4A的输出低电平，这也就使得KM3的线圈得电，电动机重新接入电网。 R56是比较器LM339输出端的上拉电阻。 R51和电位器P2构成分压电路，提供比较参考电压(可通过P2调节)。C4起到抗干扰，稳定参考电压的作用，其值取0.1uF。R54与C5组成的充电回路可使得保护器上电时，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，可以

36、使保护器上电时硬件保护维持在未动作状态。以下是对R51和P2构成分压电路的比较参考电压的计算。 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3.8V，本设计将硬件过流保护的动作值设为4.5倍的额定电流值。 硬件过流保护的动作值0.8=3.6V LM339在单电源+5V的工作条件下(带1K上拉电阻)，输出的高电平至少为4.8V，输出的低电平最多为0.5V。由叠加原理可得: (3.5)当硬件保护未动作时，, =0.5V, 。代入式3.5得: 2.05V。当硬件保护动作后， =OV, =4.8V,。 代入式3-5得:充分考虑安全余量，选择。即

37、可满足要求。电源电路如下：V0图15 电源电路其它单片机外围电路临界负载率的调整电路临界负载率由电位器经A/D采样输入。对于临界负载率，单片机A/D转换数字量的分辨率对应(详细分析参见3.2节)，为保险起见，取0-2.5V对应临界负载率0%-100%，则0.02V对应的临界负载率为:1/128=0.78125%临界负载率的调整电路的具体用法如下: 当电动机在下运行时，如果负载率小于临界负载率，且在一定时间内，定子电流的积分平均值小于临界负载对应的电流值，则电动机从下切换至Y下运行。此时可将临界负载率适当调大(但一般调的不高于40%，大部分电动机在负载率高于40%时如在Y一下运行，效率反而会更低

38、 )；同样如电动机从Y下切换至下运行后，也可将临界负载率适当调小。使用者可根据负载的实际情况，选择不同的临界负载率，从而在实现节能目的的基础上，降低电动机的切换次数。 积分时间的调整电路 积分时间同样由电位器经A/D采样输入。对于积分时间，单片机A/D转换数字量的分辨率对应0.02V(详细分析参见3.2节)，为保险起见，取0-2.5V对应积分时间Os-128s，则0.02V对应的积分时间为1s。 积分时间的调整电路的具体用法如下: 在已知负载有较大幅度的变化时，使用者可通过减小积分时间来使电动机在短时间内切换至合适的工作状态；在负载无明显变化时，使用者可通过增大积分时间来降低切换发生的概率。

39、切换信号与保护输出信号 单片机I/0口输出的切换信号与保护输出信号经光耦隔离控制继电器ZJ1、ZJ2的线圈，从而实现切换与保护动作。这种隔离驱动方式同时也加强了系统的抗干扰能力。 电动机的运行状态以及故障信号的指示 单片机I/0口控制的LED指示等用来指示电动机的运行状态以及故障信号。其中包括或Y下运行指示、过流故障指示、不平衡故障指示等。 校准环节 针对3.1节保护器性能要求的第7点，为实现电动机保护器与电动机功率的无关性，就必须有校准环节，以使得对于不同额定功率的电动机，只要更换CT并校准以后，该保护器照样可以使用。 为此，采用在保护器的整流环节前一级加分压电位器(详见附图1-电动机节电保

40、护器的原理图)的办法，以实现校准的目的。也就是说，需调整分压电位器，使得电动机额定负载下对应的整流环节的输出为(即单片机的A/D输入)为0.8V。(有关选择为0.8V对应于电动机额定负载的讨论参见节)但是在出厂前，利用调节负载至额定负载来进行校准是不现实的，为此提出校准方法如下:先确定合适变比的CT以及合适大小的电阻，然后计算出额定电流下对应的整流环节的输入信号的交流电压值，再用信号波发生器产生相同的电压信号作为模拟输入，最后按前述方法进行校准。保护器的原理图及硬件抗干扰措施保护器的原理图见附图1。本设计的噪声源主要有:来自保护器内部的各电路元器件产生的固有噪声；来自保护器内部的感性负载切换时

41、产生的噪声，主要是附图1所示的ZJ1, ZJ2, ZJ3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，主要是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耦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。对来自直流电源部分的噪声干扰的抑制方法是:在直流电源输入端并联滤波电容。保护器的软件设计程序流程图电动机节能保护器的程序流程图如图所示。系统初始化判断电动机的启动状态电机启动否N

42、Y启动过程电流采样计算满足跳闸条件稳态下电流采样计算满足跳闸条件否满足切换条件否切 换NN等待复位跳 闸Y图 16 电动机节电保护器的程序流程图系统软件采用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。主程序的运行与各子程序的调用过程如下: 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，并使能定时器中断和A/D)中断。 系统初始化完毕后，调用判断启动子程序，先判

43、断电动机在Y下还是下启动，并以此为依据设定有关参数的值，再根据A/D转换结果判断定子电流是否为零。如为零，则电动机未进入启动过程，继续调用判断启动子程序；如不为零，则表明电动机已进入启动过程，程序转入下一环节。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。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。如有，则保护动作，单片机进入等待复位状态;如无，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。如有保护动作，单片机进入等待复位状态；如满足切换条件，则发出

44、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。软件抗干扰措施在程序执行过程中，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，因为有两个操作数，则CPU误把操作数当成操作码的机率更大。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”。本设计采用的

45、软件抗干扰措施如下: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 。如对护互动作指令可在程序中写: CL CLR P0.2 这样就大大降低了该指令不被执行的概率。再如可在双字节指令和三字节指令后插入两个单字节指令NOP，这可以保证其后的指令不会被拆散。特别是如果其后为对于程序流向起决定作用的指令(如RET, RETI, ACALL, LJMP, JZ等)，或者是某些对系统工作状态起重要作用的指令(如SETB, EA等)，如在这些指令前插入两个单字节指令NOP，可保证乱飞的程序迅速纳入轨道，确保这些指令正常执行。软陷阱。软陷阱是指在一些没有写任何指令

46、的EPROM的空闲区，写上无条件跳转指令:LJMP MAIN这样就能使程序“跑飞”到该处时，将程序“拉回”到入口处。看门狗技术。看门狗技术是指当程序因干扰而在某处出现死循环后，一段时间(人为设定)过后，程序回到入口处。其原理是:人为设定看门狗定时器的溢出值，程序在看门狗定时器未溢出时，喂看门狗，使得看门狗定时器恢复到初始定时值:当程序因干扰而在某处出现死循环后;看门狗得不到喂，看门狗定时器溢出，程序回到入口处。P87LPC767单片机自带看门狗，喂看门狗就是执行指令:WDFeed: MOV WDRST, #1EH MOV WDRST, #OEIH将以上程序写入定时器中断子程序中，就可利用看门狗

47、技术将“跑飞”的程序“拉回”到入口处。380VAC0KM2保护器NFUS1S2KM3KM3ZJ2ZJ3ZJ1KM1KM2KM2KM1KM1MKM3以下是一种使用该电动机转换节能保护器的电动机主电路接线图。其中220VAC接触器KM1, KM2分别为控制电动机下、Y下运行的接触器，KM3为保护动作的接触器。S2为启动按钮，S1为停止按钮。保护器内的继电器ZJ1为控制切换的继电器，ZJ2, ZJ3分别为单片机保护、硬件保护的输出继电器。图 17 主电路接线图整个电路的工作过程如下:启动状态输入。保护器根据输入情况判断电动机在下或Y下启动，ZJ1得电与否决定了KM1 , KM2得电与否，同时也决定了

48、电动机在下还是在Y下启动。电动机启动。按下S2, KM3得电，其常开触点闭合，电动机通电。松开S2，此时KM3的常开触点形成自锁，电动机持续通电。电动机停车。按下S1, KM3失电，其常开触点断开，电动机从电网上切除。松开S1，此时KM3的常开触点己断开，电动机与电网无法再接通。电动机节电的切换。电动机在下运行时，如在设定的时间内，保护器检测到电动机定子电流均小于额定电流与设定的临界负载率的乘积，则单片机发出切换信号控制继电器ZJ1的常开触点闭合，KM1线圈失电，KM2线圈得电，电动机切换至Y下运行。电动机在Y下运行时，如在设定的时间内，保护器检测到电动机定子电流均大于额定电流与设定的临界负载

49、率的乘积，则单片机发出切换信号控制继电器ZJ1的常闭触点闭合，KM2线圈失电，KM1线圈得电，电动机切换至下运行。电动机保护动作。如单片机检测到电动机己满足反时限过流保护或三相电流不平衡保护的动作条件，则继电器ZJ2得电，其常闭触点断开，KM3失电，其常开触点断开，电动机从电网上切除。如电动机发生大电流短路，则硬件保护电路先于单片机保护电路动作，继电器ZJ3先得电，其常闭触点断开， KM3失电，其常开触点断开，电动机从电网上切除。当遇到由于大的空载电流，单片机无法仅根据定子电流判断电动机的实际负载大小。如果设定保护器切换的电流为空载电流，则当实际负载增大到对应值时，由图7及图8可知，节能效果并

50、不显著。由于大部分电动机的空载电流设定在额定电流的30%-70%，所以该电动机节能保护器只适用于空载电流较小的电动机。究其原因，该问题是由于单片机未对电压、电流之间的相位差进行采集所致。如单片机采集了相电压，并根据相电压与相电流算出功率因数，则控制策略可改为根据相电流与功率因数来共同确定是否进行切换。这样就可以解决空载电流对电动机节电保护器的应用场合的影响。据此提出如下两种解决办法。采用交流采样如采用交流采样作为电动机二次电压、电流输入的方法，则单片机就可以根据电压信号与电流信号过零点的时间差得出功率因数角，并根据电流与功率因数角来共同确定是否进行切换。与直流采样相对应，交流采样是另外一种A/

51、D采样的方法。交流采样基于在一个周期T内对交流量等间隔地进行N次采样，并由这些采样值算出电压、电流的有效值，功率因数等。本设计具有以下特点:采用单片机作为主控芯片；转换器为单极性不直接采交流信号；被采电量信号频率为电网频率，稳定性高。据此，可采用一种简化的积分法进行交流采样。交流采样的输入是二次电压、二次电流信号经整流以后的脉冲直流信号。整流电路为图12的线形整流电路去掉滤波电容C3。现简述该算法如下:单片机只对交流信号进行A/D采样，一般在一个周期内采样次。所得一个周期内各采样点的A/D结果的平均值就可作为交流信号的绝对值的平均值。 功率因数的算法是:在A/D采样程序捕捉到电压过零点时开始记

52、数，每发生一次A/D中断，记数值加1，直至A/D采样程序捕捉到对应线电流的过零点。由于A/D中断是等时间间隔发生的，所以上述的记数值就对应于电压、电流之间的相位差。运算的精度取决于单片机在一个周期内的采样次数。如单片机只在一个周期内采样64次，则相位差的误差只有/64，完全满足该系统要求。本系统采用交流采样的方法以后，对电动机额定电流、额定电压与其对应的整流环节交流输入电压的校准方法大致与节所示相同。所不同的一点是:采用交流采样后，校准的对象变成了整流环节的交流输入电压，即电流互感器并联精密电阻后再由电位器分压输出的交流电压信号，而不是整流环节的直流输出电压信号。4.2 有关性价比正如3.2节

53、所述，PHILIPS公司的P87LPC767单片机是一款自带资源较丰富，性价比较高的单片机。本设计中，充分利用其自带的A/D接口，用电位器代替了键盘、LED显示器或液晶显示器等输入、输出设备。这不仅使得程序大为简化，同时也获得了较高的性价比。结论本文针对某客户的实际需要，对现有的异步电动机节能技术进行了分析与对比，在此基础上选用了单片机控制的Y/转换节能保护器作为设计方案。采用单片机以软件方式实现对Y/转换的控制以及各种保护功能，从而实现了装置的数字化。对于经常处于轻载或空载下运行的电动机，采用该节能设备可以收到明显的节能效果。由于在设计过程中充分考虑到Y/转换节能保护器在Y/切换点附近发生频

54、繁切换的问题以及单片机系统在较为恶劣的电磁环境下的抗干扰问题，并采取了一些应对措施，整个装置运行稳定，并未发生接触器误动的情况。采用P87LPC767单片机为主控芯片的异步电动机Y/转换节能保护器具有稳定性高、整机成本低、能适用于各种功率规格的电动机等特点。参考文献1变换运行的节电原理及其效果.电工技术.19952周航慈.PHILIPS 51 LPC系列单片机原理及应用设计.北京航空航天大学出版社.2001，89C2051单片机在/Y节能变换控制线路.电工技术.1997 10史玉升.三相异步电动机的节能与安全监控.电气传动.200113潘留占等.单片机控制的三相电机保护器.电工技术杂志.200

55、0 16侯崇升.单片机控制的交流异步电动机节电器.电气时代.2002 17孟臣等.三相异步电动机节电控制装置的研制.黑龙江八一农垦大学学报，1996 19PHILIPS Semiconductors Corporation. P87LPC767 Low Power, Low Price, Low Pin Count (20 Pin) Microcontroller with 4KB OTP，8-Bit A/D. 2003.20PHILIPS Semiconductors Selection Guide for the 80C51 Microtone-21 T. M. Rowan, T. A. Lip. A Quantitative Analysis of Induction Motor Performance Improvement by SCR Voltage Control. IEEE Trans, 20022223致谢附录