【正文】 在本文中對于各項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，從而實現(xiàn)了裝置的數(shù)字化。這段延時結束后，單片機撤消復位信號，硬件保護投入運行。如定子電流大于額定電流的 40%，此時判斷功率因數(shù)角，若功率因數(shù)角大于 600,(對于工頻信號來說，電壓與電流的相位差約為 。運算的精度取決于單片機在一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)。 ③ 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 。 與直流采樣相對應，交流采樣是另外一種 A/D 采樣的方法。 第 6 章 對影響電動機節(jié)能保護器設計過程的因素的討論 [4] 有關空載電流對保護器的影響 大的空載電流使單片機無法僅根據(jù)定子電流判斷電動機的實際 負載大小。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。 整個電路的工作過程如下 : ① 啟動狀態(tài)輸入。其原理是 :人為設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 。 指令冗余是指對某些重要指令的連續(xù)重復以及在關鍵地方人為地插入一些單字節(jié)指令 NOP。3%。 圖 35 電動機節(jié)能保護器的程序流程圖 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。 在直流電源輸入端并聯(lián)濾波電容是本設計對來自直流電源部分的噪聲干擾的主要抑制方法。 保護器硬件抗干擾分析以及抗擾措施 [6] 本設計的噪聲源主要來自保護器內(nèi)部的各電路元器件產(chǎn)生的固有噪聲 。 現(xiàn)在對 R51 和 P2 構成分壓電路的比較參考電壓的進行下列計算。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)。圖 34 為硬件保護電路的原理圖。 (π /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)。另一路至硬件保護電路以判斷是否由硬件完成過流保護的動作 (只取一相電流的信號經(jīng)整流濾波后至硬件保護電路 )。切換、故障信號指示電路 (由 LED輸出 )。 P87LPC767 單片機的引腳接線圖如下： 圖 21 P87LP0767 單片機引腳圖 這款單片機的 A/D 轉換參考電壓就是電源電壓，最小可以采用 +3VDC，在本設計中采用 +5VDC 為單片機的電源電壓，由 A/D 轉換原理可得 : 單片機 A/D 轉換數(shù)字量的分辨率對應為 5/256≈ 在設計過程中，如能充分利用該單片機自身提供的軟硬件資源，并配以簡單的外圍接口電路，合理考慮各個環(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)在完成對電動機的 Y/△轉 換節(jié)能控制及電動機保護功能的基礎上，實現(xiàn)較高的性價比。 單片機控制電路主芯片分析 本文中選擇的主芯片是自帶 A/D 轉換器的 P87LPC767 單片機。 △ /Y轉換的節(jié)能原理 電動機 Y/△轉換的節(jié)能方法主要是針對電動機運行時出現(xiàn)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，該方法可以收到明顯的節(jié)能效果。 S 為電動機降壓運行時的轉差率 。2I 隨著 S 的增大值超過了空載電流0I 的減少值，使得 Y 接時的 1I 大于△接時 的 1I 。2I 是降低的 。 綜上所述，當電動機由△接轉換為 Y 接運行時，空載線電流將降為△接時的 1/3. ②轉子折算電流 39。 分析電動機由△接轉換為 Y 接運行時，定子電流 1I ，隨負載的變化情況，則需分析定子空載電流 0I 和轉子折算電流 39。 39。 下面對△ /Y轉換時各項關系分別進行分析。 總損失 ( P? ) 圖 11 感應電動機的功率圖 圖中， 1P 為輸入功率 。 雜散損失 ( sP ) 電動機的雜散損失包括鐵雜損失和銅雜損失。 1E 為定子繞組的感應電動勢； 1U 為定子繞組的相電壓。 I1為定子每相電流。 第 2 章 三相異步電動機節(jié)能原理分析 [1] 從三相異步電動機的功率損失分析，近而運用分析的具體情況來分析△ /Y 運行的工作特性。 但由于需要采用晶閘管控制，所以有控制復雜、諧波污染嚴重等缺點。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。異步電動機會消耗大量電能，主要是由于異步電動機及其拖動系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟運行狀態(tài)，同時影響著企業(yè)的效益。其中 80%以上為 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。熱繼電器在電子業(yè)尚不發(fā)達的時代曾是電機過載保護的首選產(chǎn)品，它是利用雙金屬片熱效應原理。并在此基礎上提出了一整套單片機控制的三相異步電動機 Y/Δ切換節(jié)能保護 器的設計方案 ,獲得了較高的性價比。并針對傳統(tǒng)電動機 Y/Δ切換節(jié)能保護器在 Y/Δ切換點四周發(fā)生頻繁切換的新問題 ,提出手動現(xiàn)場整定臨界負載率和切換時間的解決辦法。 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)文強制將其淘汰。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。糾其原因主要是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，結果使電動機的容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，使電動機偏離最佳工況點，運行效率和功率因數(shù)降低 。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。另外，截止 2021 年，電子式軟啟動器的價格維持在 200250 元人民幣 /kW，較高的價格也大大限制了其使用范圍。從而得出△ /丫轉換節(jié)能的原理。 eCu SPP ?2 式中， S 為轉差率 。 認為鐵損與端電壓的平 方成正比。鐵雜損失由于齒 磁通在轉子旋轉時發(fā)生脈動而產(chǎn)生的，通常稱為脈動損失或表面損失。 ?P 為機械功率 。 1I 與 ? 關系分析 三相交流異步電動機的定子一相等效電路如下圖所示 : 圖 12 三相交流異步電動機的定子一相等效電路 圖中， 1X 為定子每相繞組的電抗 。2I 為轉子電流的折算值 。2I 隨負載變化的情況。2I 由電動機的近似等效電路得 : 239。隨著負載的增大， S 明顯增大， 39。 ?COS 與 ? 關系分析 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系 : 2221)3()1/1()(31c o sc o sUUNKKK????? ??? 式中， UK 為電動機的調(diào)壓系數(shù) , NU UUK /1? ( 1UUN和 分別為電動機額定工況和降壓運行時的實際電壓 )。 N? 為電動機額定工況時的效率 。 一般情況下，當β 40%時，三相異步電動機由△接轉換為 Y 接，定子空載電流 I0 降低，同時轉子電流 I2 增加的量有限，從而導致定子電流 I1 降低，定子銅損PCu1 ，隨之降低 。 該芯片由 PHILIPS 公司生產(chǎn)。 三相異步電動機△ /Y轉換節(jié)能保護器系統(tǒng)框圖 [8] 根據(jù)本次設計的要求，確定系統(tǒng)的輸入、輸出以及對應的實現(xiàn)方法。 電動機節(jié)能保護器的系統(tǒng)框圖如圖 22 所示。 硬件電路的工作 原理： 應考慮有濾波電容 C C3 的情況。 ) 當 Vinput 的最大值為 ， Voutput 的仿真波形如下： 圖 32 Voutput 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，不會造成保護誤動作 。 圖 34 硬件保 護電路原理圖 硬件保護電路為由單電源接法的電壓比較器 LM339 構成的遲滯比較器電路。 R56 是比較器 LM339 輸出端的上拉電阻。 考慮到放大器 LM324 構成的整流電路的輸出電壓 (也即硬件保護環(huán)節(jié)和 A/D 轉換環(huán)節(jié)的輸入電壓 )最大只能到 ，此次設計將硬件過流保護的動作值設為 倍的額定電流值。來自保護器內(nèi)部的感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲 。 電動機節(jié)能保護器的軟件電路設計與分析 系統(tǒng)軟件采用 MCS51 匯編語言編寫，采用模塊化結構設計，主要由主程序、判斷啟動子程序、啟動延時子程序、 A/D 轉換子程序、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。若有，則保護動作，單片機進入等待復位狀態(tài) ?；夭钪翟O定臨界負載率的調(diào)整均為抑制臨界點振蕩的有效方法。 例如：對保護動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。當程序因干擾而在某處出現(xiàn)死循環(huán)后 。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 。 ④電動機△ /Y 切換。如果設定保護器△ /Y 切換的電流為空載電流 ，當實際負載增大到對應值時，節(jié)能效果并不顯著。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。 根據(jù)以上特點，可采用一種簡化的積分法進行交流采樣。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π /64，完全滿足該系統(tǒng)要求。則切換至 Y 下運行 。但這段時間不能過長，否則若這段時間內(nèi)發(fā)生故障，仍有燒毀電機的可能。 對在設計過程中有影響的因素也有具體的分析以及相應的解決方法。 總結 本文通過常用的節(jié)能保護器的分析對比，對節(jié)能保護器原理的分析，根據(jù)客戶需求，選用 P87LPC767 單片機控制 Y/△切換為電路主芯片，以此完成本次三相異步電動機節(jié)能保護器設計。 若想解決這一問題，可以使電動機在△下啟動時，單片機在一段時間內(nèi)持續(xù)給硬件保護復位，硬件保護推出運行，以保證保護器不因啟動過程中的 過電流動作。 根據(jù)圖 14 及圖 15，當電動機在△接下運行時，如定子電流小于額定電流的 40%,則直接切換至 Y 下運行。由于 A/D中斷是等時間間隔發(fā)生的，所以上述的記數(shù)值就對應于電壓、電流之間的相位差。 ② 戶以 D 轉換器為單極性，不能直接采交流信號 。 采用交流采樣方法 若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。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。按下 S1, KM3 失電，其常開觸點斷開，電動機從電網(wǎng)上切除。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。 看門狗技術是指當程序因干擾而在某處出現(xiàn)死循環(huán)后，一段時間 (人為設定 )過后，程序回到入口處。 ① 指令冗余。 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，本設計的回差值設為177。判斷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。 在單片 機驅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。 充分考慮安全余量后，選擇 VU4A4=。本設計選 C5 為 500nF，基本上可以使保護器上電時硬件保護維持在未動作狀態(tài)。 當輸入電平大于某特 定值時，輸出高電平驅動硬件保護繼電器 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 41 中的 KM3 的線圈始終維持在失電狀態(tài)。為解決這個問題，系統(tǒng)采用遲滯比較器電路作為電動機硬件過流保護。額定電流下， Vinput 的最大值為 /2≈ 。 output端輸出的直流信號一路至單片機的 A/D轉換口，單片機對采樣值進行一系列的運算以判斷保護是否動作、是否進行 Y/△轉換 。硬件保護輸出 。 操作電壓范圍為 +～ ， VDD=～ 時，時鐘頻率最大為 10MHz，VDD=～ ，可達到的最大時鐘頻率是 20MHz；內(nèi)部集成有 128Byte 的 RAM, 4KByte 的 OTP 程序存儲器 , 2 個 16 位的定時 /計數(shù)器， 4 路 8 位的單極性 A/D 轉換通道， 32Byte 用戶代碼區(qū)可用來存放序列碼及設置參數(shù)， 2 個模擬比較器， 8 個鍵盤中斷輸入，另加 2 路外部 中斷輸入， 4