【正文】 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% 。 電動(dòng)機(jī)的總損失由 P? 定子銅損失 1CuP 、轉(zhuǎn)子銅損失 2CuP 、鐵損失 FeP 、機(jī)械損失 fwP 和雜散損失 SP 組成。 其中 : NPP/2?? 式中的 NP 為額定功率。2R 為轉(zhuǎn)子相電阻的折算值 。 mX 為激磁電抗 。 圖 13 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 S ≈ 0, 39。 式 可表示為圖 13 的矢量圖。 由 : mckfwE ?11 ? 式中， 1w 為定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù) 。一般說來，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)選取 B 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 3/1 還要低一些。21139。一般說來，負(fù)載很輕時(shí)， 39。 根據(jù)上述內(nèi)容，定子電流 I1與β的關(guān)系分析如下： 圖 14 △接和 Y 接狀態(tài) 下 NII /1 與 ? 的關(guān)系曲線 圖 14 為電動(dòng)機(jī)在 Y 接時(shí)以及△接時(shí)的 1I 與 ? 關(guān)系曲線。 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 S 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 39。 NIIK /01 ? 式中， 0I 為電動(dòng)機(jī)的空載電流 。 △ /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 : ???? CO SSK CO SS U NNN ?? ??? 2 式中， NS 為電動(dòng)機(jī)額定工況時(shí)的轉(zhuǎn)差率 。 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 16 所示。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。功率因數(shù) cosφ增大 。本文中采用單片機(jī)芯片為主電路，進(jìn)而分析研究對保護(hù)器的設(shè)計(jì)。可以滿足許多方面的性能要求。 操作電壓范圍為 +～ ， VDD=～ 時(shí)，時(shí)鐘頻率最大為 10MHz，VDD=～ ，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，并自帶看門狗與電源監(jiān)控功能。臨界負(fù)載率、積分時(shí)間信號 (由可調(diào)電位器輸入 )。硬件保護(hù)輸出 。 第 4 章 三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的設(shè)計(jì) 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] 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，這使得對程序存儲器 EPROM 的擴(kuò)展非常困難。 output端輸出的直流信號一路至單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)對采樣值進(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 。C3(1u)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(jī)僅需對 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。額定電流下， Vinput 的最大值為 /2≈ 。 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。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)。其輸出包括兩路電平信號，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 。 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 41 中的 KM3 的線圈始終維持在失電狀態(tài)。 C4 起到抗干擾，穩(wěn)定參考電壓的作用，其值取 F。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)。 由疊加原理可得 : 245553 535553 5554 AUizAU VRR RVRR RV ???? 當(dāng)硬件保護(hù)未動(dòng)作時(shí)， Viz， VU4A2=， VU4A4VU4A5。 充分考慮安全余量后，選擇 VU4A4=。電動(dòng)機(jī)接觸器切換時(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。 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)，再對程序中用到的變量、信號量進(jìn)行初始化，并使用定時(shí)器中斷和 A/D 中斷。判斷啟動(dòng)過程中需給硬件保護(hù)電路發(fā)復(fù)位信號，以防止保護(hù)器上電時(shí)硬件保護(hù)誤動(dòng)作。 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。 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177。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 。 ① 指令冗余。特別是其后面為對于程 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。 看門狗技術(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。 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: MOV WDRST, lEH MOV WDRST, 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。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。 ②電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。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。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。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。 空載電流的問題是由于單片機(jī)未對電壓、電流之間的相位差進(jìn)行采集所致。 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)電壓信號與電流信號過零點(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。時(shí)域分析算法主要有積分法和二點(diǎn)法 。 ② 戶以 D 轉(zhuǎn)換器為單極性，不能直接采交流信號 。整流電路為圖 31 的線形整流電路去掉濾波電容 。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)值就對應(yīng)于電壓、電流之間的相位差。當(dāng)采用此算法以后程序?yàn)? 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 左右，小于單片機(jī)自帶的 4k EPROM 空間，因此方法可行。 根據(jù)圖 14 及圖 15，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。 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。 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。 其他因素考慮 除了以上設(shè)計(jì)過程中會出現(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。 總結(jié) 本文通過常用的節(jié)能保護(hù)器的分析對比，對節(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)。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。 對在設(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。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。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。 對于硬件保護(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。則切換至 Y 下運(yùn)行 。不同的是在采用交流采樣后，校準(zhǔn)的對象變成了整流環(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 ，而不是整流環(huán)節(jié)的直流輸出電壓信號。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。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的絕對值的平均值。 根據(jù)以上特點(diǎn)，可采用一種簡化的積分法進(jìn)行交流采樣。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)。交流采樣基于在一個(gè)周期 T 內(nèi)對交流量等間隔地進(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。這樣就可以解決空載電流對電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的應(yīng)用場合的影響。如果設(shè)定保護(hù)器△ /Y 切換的電流為空載電流 ，當(dāng)實(shí)際負(fù)載增大到對應(yīng)值時(shí)，節(jié)能效果并不顯著。 ⑤電動(dòng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作。 ④電動(dòng)機(jī)△ /Y 切換。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。先通過輸入按鍵給保護(hù)器輸入信號 (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) 。 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 41 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。當(dāng)程序因干擾而在某處出現(xiàn)死循環(huán)后 。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 : LJMP MAIN 這樣就能使程序“跑飛”到該處時(shí)，將程序“拉回”到入口處。 例如：對保護(hù)動(dòng)作指令可在程序中寫入 CLR CLR CLR 可降低該指令不被執(zhí)行的概率。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?；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。若滿足切換條件，則發(fā)出切換信號，繼續(xù)循環(huán)調(diào)用上述三個(gè)子程序 。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 。 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 MCS51 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。 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。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 。 當(dāng)硬件保護(hù)動(dòng)作后， Viz=OV,VU4A2=, VU4AVU4A54。 考慮到放大器 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 ，此次設(shè)計(jì)將硬件過流保護(hù)的動(dòng)作值設(shè)為 倍的額定電流值。 R54 在回路中起限流作用。 R56 是比較器 LM339 輸出端的上拉電阻。 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，使電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)上切除 。 圖 34 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。 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) Vinput 的