【正文】 在本文中對于各項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了裝置的數(shù)字化。這段延時(shí)結(jié)束后，單片機(jī)撤消復(fù)位信號，硬件保護(hù)投入運(yùn)行。如定子電流大于額定電流的 40%，此時(shí)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(yùn)算的精度取決于單片機(jī)在一個(gè)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(yīng)，交流采樣是另外一種 A/D 采樣的方法。 第 6 章 對影響電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器設(shè)計(jì)過程的因素的討論 [4] 有關(guān)空載電流對保護(hù)器的影響 大的空載電流使單片機(jī)無法僅根據(jù)定子電流判斷電動(dòng)機(jī)的實(shí)際 負(fù)載大小。松開 Sl，此時(shí) KM3 的常開觸點(diǎn)己 斷開，電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)無法再接通。 整個(gè)電路的工作過程如下 : ① 啟動(dòng)狀態(tài)輸入。其原理是 :人為設(shè)定看門狗定時(shí)器的溢出值，程序在看門狗定時(shí)器未溢出時(shí)，喂看門狗，使得看門狗定時(shí)器恢復(fù)到初始定時(shí)值 。 指令冗余是指對某些重要指令的連續(xù)重復(fù)以及在關(guān)鍵地方人為地插入一些單字節(jié)指令 NOP。3%。 圖 35 電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的程序流程圖 電動(dòng)機(jī)進(jìn)入啟動(dòng)過程后，單片機(jī)調(diào)用啟動(dòng)延時(shí)子程序，判斷啟動(dòng)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(shè)計(jì)對來自直流電源部分的噪聲干擾的主要抑制方法。 保護(hù)器硬件抗干擾分析以及抗擾措施 [6] 本設(shè)計(jì)的噪聲源主要來自保護(hù)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(gòu)成分壓電路的比較參考電壓的進(jìn)行下列計(jì)算。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出低電平復(fù)位信號時(shí)， D15 導(dǎo)通， U4A 的輸出低電平，這也就使得 KM3 的線圈得電，電動(dòng)機(jī)重新接入電網(wǎng)。圖 34 為硬件保護(hù)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(hù)電路以判斷是否由硬件完成過流保護(hù)的動(dòng)作 (只取一相電流的信號經(jīng)整流濾波后至硬件保護(hù)電路 )。切換、故障信號指示電路 (由 LED輸出 )。 P87LPC767 單片機(jī)的引腳接線圖如下： 圖 21 P87LP0767 單片機(jī)引腳圖 這款單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換參考電壓就是電源電壓，最小可以采用 +3VDC，在本設(shè)計(jì)中采用 +5VDC 為單片機(jī)的電源電壓，由 A/D 轉(zhuǎn)換原理可得 : 單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)字量的分辨率對應(yīng)為 5/256≈ 在設(shè)計(jì)過程中，如能充分利用該單片機(jī)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(gè)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(dòng)機(jī)的 Y/△轉(zhuǎn) 換節(jié)能控制及電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)較高的性價(jià)比。 單片機(jī)控制電路主芯片分析 本文中選擇的主芯片是自帶 A/D 轉(zhuǎn)換器的 P87LPC767 單片機(jī)。 △ /Y轉(zhuǎn)換的節(jié)能原理 電動(dòng)機(jī) Y/△轉(zhuǎn)換的節(jié)能方法主要是針對電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)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(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，該方法可以收到明顯的節(jié)能效果。 S 為電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)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(shí)的 1I 大于△接時(shí) 的 1I 。2I 是降低的 。 綜上所述，當(dāng)電動(dòng)機(jī)由△接轉(zhuǎn)換為 Y 接運(yùn)行時(shí)，空載線電流將降為△接時(shí)的 1/3. ②轉(zhuǎn)子折算電流 39。 分析電動(dòng)機(jī)由△接轉(zhuǎn)換為 Y 接運(yùn)行時(shí)，定子電流 1I ，隨負(fù)載的變化情況，則需分析定子空載電流 0I 和轉(zhuǎn)子折算電流 39。 39。 下面對△ /Y轉(zhuǎn)換時(shí)各項(xiàng)關(guān)系分別進(jìn)行分析。 總損失 ( P? ) 圖 11 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率圖 圖中， 1P 為輸入功率 。 雜散損失 ( sP ) 電動(dòng)機(jī)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(yīng)電動(dòng)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(dòng)機(jī)節(jié)能原理分析 [1] 從三相異步電動(dòng)機(jī)的功率損失分析，近而運(yùn)用分析的具體情況來分析△ /Y 運(yùn)行的工作特性。 但由于需要采用晶閘管控制，所以有控制復(fù)雜、諧波污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。在空載或輕載時(shí)，定子電流小于電流繼電器 LJ 的整定值， LJ 不動(dòng)作，電機(jī)保持在 Y 下運(yùn)行。異步電動(dòng)機(jī)會(huì)消耗大量電能，主要是由于異步電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)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(jī)，但所有電動(dòng)機(jī)中相當(dāng)于世界近代技術(shù)水平的 J2, J02 系列的約占 70%，相當(dāng)于 70 年代水平的 Y 系列電動(dòng)機(jī)不足 30%，具有 80 年代末水平的 YX 系列高效電動(dòng)機(jī)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(dá)的時(shí)代曾是電機(jī)過載保護(hù)的首選產(chǎn)品，它是利用雙金屬片熱效應(yīng)原理。并在此基礎(chǔ)上提出了一整套單片機(jī)控制的三相異步電動(dòng)機(jī) Y/Δ切換節(jié)能保護(hù) 器的設(shè)計(jì)方案 ,獲得了較高的性價(jià)比。并針對傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī) Y/Δ切換節(jié)能保護(hù)器在 Y/Δ切換點(diǎn)四周發(fā)生頻繁切換的新問題 ,提出手動(dòng)現(xiàn)場整定臨界負(fù)載率和切換時(shí)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(fù)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(qiáng)制將其淘汰。也就是說，我國在服役的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家 50 年代的水平，我國目前制造的電機(jī)僅有 5%是高效節(jié)能電機(jī)，但幾乎全部用于出口。糾其原因主要是在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容量選配時(shí)，往往片面的追 求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動(dòng)機(jī)的容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)偏離最佳工況點(diǎn)，運(yùn)行效率和功率因數(shù)降低 。如在重載下， LJ 得電，其常開觸點(diǎn)閉合，中間繼電器 KA 隨之得電，切斷了KM2 的線圈電路，同時(shí) KM3 得電，電機(jī)切換至△下運(yùn)行。另外，截止 2021 年，電子式軟啟動(dòng)器的價(jià)格維持在 200250 元人民幣 /kW，較高的價(jià)格也大大限制了其使用范圍。從而得出△ /丫轉(zhuǎn)換節(jié)能的原理。 eCu SPP ?2 式中， S 為轉(zhuǎn)差率 。 認(rèn)為鐵損與端電壓的平 方成正比。鐵雜損失由于齒 磁通在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生脈動(dòng)而產(chǎn)生的，通常稱為脈動(dòng)損失或表面損失。 ?P 為機(jī)械功率 。 1I 與 ? 關(guān)系分析 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的定子一相等效電路如下圖所示 : 圖 12 三相交流異步電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)子電流的折算值 。2I 隨負(fù)載變化的情況。2I 由電動(dòng)機(jī)的近似等效電路得 : 239。隨著負(fù)載的增大， S 明顯增大， 39。 ?COS 與 ? 關(guān)系分析 電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)與其端電壓及負(fù)載率之間存在如下關(guān)系 : 2221)3()1/1()(31c o sc o sUUNKKK????? ??? 式中， UK 為電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓系數(shù) , NU UUK /1? ( 1UUN和 分別為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電壓 )。 N? 為電動(dòng)機(jī)額定工況時(shí)的效率 。 一般情況下，當(dāng)β 40%時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)由△接轉(zhuǎn)換為 Y 接，定子空載電流 I0 降低，同時(shí)轉(zhuǎn)子電流 I2 增加的量有限，從而導(dǎo)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(dòng)機(jī)△ /Y轉(zhuǎn)換節(jié)能保護(hù)器系統(tǒng)框圖 [8] 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，確定系統(tǒng)的輸入、輸出以及對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法。 電動(dòng)機(jī)節(jié)能保護(hù)器的系統(tǒng)框圖如圖 22 所示。 硬件電路的工作 原理： 應(yīng)考慮有濾波電容 C C3 的情況。 ) 當(dāng) 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(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)作 。 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。 R56 是比較器 LM339 輸出端的上拉電阻。 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。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 。 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。若有，則保護(hù)動(dòng)作，單片機(jī)進(jìn)入等待復(fù)位狀態(tài) ?；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。 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(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) 。 ④電動(dòng)機(jī)△ /Y 切換。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。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。 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。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。則切換至 Y 下運(yùn)行 。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。 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)。 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。 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。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。 ② 戶以 D 轉(zhuǎn)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(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。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。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。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。 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。 ① 指令冗余。 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。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。 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。 充分考慮安全余量后，選擇 VU4A4=。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)。 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)。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)。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(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 。硬件保護(hù)輸出 。 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(chǔ)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