【文章內容簡介】 不同的負載率下，電動機效率和功率因數(shù)曲線見下圖所示:圖 不同負載率下效率與功率因數(shù)關系曲線 對于滿載或重載運行的電動機，降低其端電壓將會造成嚴重后果，隨著端電壓的降低，電動機的磁通和電動勢隨之減小，鐵耗無疑將下降。但與此同時，隨電壓平方變化的電動機轉矩也迅速下降而小于負載轉矩，電動機只能依靠增大轉差率，提高電磁轉矩以達到與負載轉矩相平衡的狀態(tài)。轉差率的增大，引起轉子電流增大，同時引起定子和轉子電壓間的相角增大，導致定子電流增大，從而使定子和轉子銅耗增加值大大超過鐵耗的下降值，這時電動機繞組溫升將會增高，效率將會下降，甚至發(fā)生電動機燒毀事故。因而，一般規(guī)程都規(guī)定了電動機正常運行時電壓變化范圍不得超過額定電壓的95%~110%。 然而對于輕載運行的電動機，情況就截然不同，使供電電壓適當降低，在經(jīng)濟上是有利的。這是因為在輕載運行時，電動機的實際轉差率大大小于額定值，轉子電流并不大，在降壓運行時，轉子電流增加的數(shù)值有限。而另一方面，卻由于電壓的降低，使空載電流和鐵損大幅減少。在這種情況下，電動機的總損耗就可降低，定子溫升，運行效率和功率因數(shù)同時得到改善。由此可見，電動機的運行經(jīng)濟性與電動機負載率同運行電壓是否合理匹配關系極大。 根據(jù)異步電動機所驅動負載的工作特性，可以將負載分為兩類:恒轉矩負載和變轉矩負載。恒轉矩負載是指負載對電動機的阻轉矩兀相對于電動機轉速n近似為常數(shù)。例如切削機床、傳送機、吊車等。變轉矩負載是指負載對電動機的阻轉矩兀相對于電動機轉速。有較大變化。例如風機，水泵等。對于這類負載其阻轉矩T2可用下式表示: (217)其中:TN為負載的額定轉矩。s為轉差率。(l)恒轉矩負載損耗分析異步電動機的輸出轉矩和輸出功率有如下關系: (218)其中:P2為電機輸出功率。n為電機轉速。 對于三相異步電機，調整定子電壓時電動機的速度變化很小，因此由上式可以認為電動機的輸出功率幾乎不變。異步電機端電壓變化時，鐵耗與電壓平方成正比。且有如下關系成立: (219)其中:PFe為電動機在實際電壓下鐵耗。P0為電動機在額定電壓時的空載損耗。PΩ為電動機的機械損耗。 為電動機的調壓比。U1為電動機實際定子電壓；UN為電動機額定電壓。電機銅耗與電流平方成正比，并且有下式成立: (220)其中:Pcu為電動機的實際銅耗。PN為電動機的額定功率。ηN為電動機的額定效率。 為電動機的負載系數(shù)。P2為電動機輸出機械功率。 對于恒轉矩負載調壓時幾不變，負載系數(shù)β為定值，這時若電動機的端電壓降低，則銅耗按比例增大，而鐵耗按比例減小。這樣必然存在一個電壓值，使得電機在此電壓下運行時，總的損耗最小。這一電壓稱為在該負載系數(shù)β下的最佳運行電壓，記為U1op。相應的電壓比稱為最佳電壓比，記為Kuop。設電動機額定電壓下運行時的總損耗為Σp，任意電壓下運行時的總損耗為Σpu，則有： (221) (222)定義對于在某一負載系數(shù)β下運行的電動機，顯然當KP越小，節(jié)電效果越顯著。令可求得在此負載系數(shù)下的最佳調壓比Kuop； (223)令： (224)由以上分析可以得出如下結論:，一般異步電動機有即，也就是說額定運行時銅耗大于鐵耗，電動機并非運行于損耗最小狀態(tài)。，其最佳調壓比時。，降低電壓才有節(jié)電意義，且負載系數(shù)β越小，降壓節(jié)電效果越好。(額定運行時的鐵耗越接近銅耗)的異步電動機，采用降壓節(jié)電的效果越好。綜合以上分析，對于恒轉矩負載，調壓節(jié)能主要是減少電動機的鐵耗和銅耗，以提高電動機的效率。(2)變轉矩負載損耗分析 變轉矩負載的工作特性可用圖所示:圖 變轉矩負載工作特性曲線，當流量為額定值fA，轉速為額定值n1時，阻力為曲線R1，負載工作于A點。這時的負載輸入功率(電機的輸出功率)可以用四邊形APAofA的面積表示。當輸出流量降為fB，如果仍然全壓運行，則系統(tǒng)工作于B點，此時電動機輸出功率用四邊形BPBofB的面積表示?？梢娸敵龉β蔖2略有下降。 如果當負載率降低時，相應降低端電壓，電機轉速降為n2，負載工作于c點。這時在保證流量的前提下，電動機輸出功率大幅下降，用四邊形CPcofB面積表示。綜上所述，對于變轉矩負載，降低端電壓不僅可以降低電動機本身的鐵耗和銅耗，而且輸出功率的降低進一步減小了電動機的輸入功率，節(jié)能率更高?；蛘呖梢岳斫鉃榻档碗妱訖C端電壓同時提高了電動機本身和負載的效率。 在恒定負載長期輕載運行時，不宜采用降低端電壓而應更換小容量電機。需注意的是：降低定子端電壓并不顯著降低電機轉速，即電機轉差率在允許范圍之內；確定允許降壓系數(shù)值，降壓系數(shù)確定不準確就不會達到比較滿意的效果。根據(jù)不同負載率，電動機損耗最小原則的降壓系數(shù)： (225)式中K系數(shù)為：表 K的取值2級4級6級以上計算公式： (226) 式中：β——負載率，且，β。節(jié)省有功功率： (227)節(jié)省無功功率： (228)式中：Q0——電動機空載無功功率。（1）變負載機械，例如膠帶輸送機、粉碎機、磨煤機及各類機床。如果電機運行在β=10%左右，降壓運行后，除節(jié)能效果顯著外，還可以降低溫升。（2）周期性工作制的機械負載持續(xù)率FC%(國外用ED%表示) (229)FC%愈小，節(jié)電效果愈大。 （3）電動機本身的空載電流較大，或者電網(wǎng)電壓偏高的場合也很適宜降壓節(jié)電運行。綜上所述，降低端電壓有利于電機經(jīng)濟運行，提高效率，改善功率因數(shù)。，輕載時，降低定子端電壓，可以提高電動機效率，但必須降壓合適，否則就不能達到節(jié)能效果。 正弦波調壓時效率曲線 本章是異步電機節(jié)能控制器的硬件設計部分，也是本文的重點之一。在前面理論分析的基礎上，詳細而全面進行了關鍵硬件電路模塊的設計，并對硬件的抗干擾進行了詳細分析。 控制器通過對異步電機相電壓與相電流的過零點檢測，計算出異步電機的功率因數(shù)角，經(jīng)過主控制芯片的處理，由HSO輸出觸發(fā)脈沖，控制雙向晶閘管的導通角，達到降壓節(jié)檢測、觸發(fā)電路、雙向晶閘管電路及控制器供電電路等，此外還有用于顯示與操作的LED顯示電路及鍵盤、斷相保護電路、過壓過流保護電路等。其系統(tǒng)組成如圖所示: 系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)控制主開關元件選用可控硅，其優(yōu)點為:可控硅為自關斷器件，由于它電流過零自動關斷，沒有強迫電流存在，電路中不存在由于電感的影響而產(chǎn)生的高次諧波，這是它優(yōu)于變頻的特殊之處。當前可控硅生產(chǎn)技術成熟，性價比高，控制電路簡單、可靠、維護維修方便。由于主開關元件是硬件設備里成本最高的部分，選用可控硅，使研制的控制器的總成本較低，市場易于接收。 隨著微電子工藝水平的提高，近十余年來單片機有了飛躍的發(fā)展。世界上著名的集成電路芯片制造商紛紛推出各自的產(chǎn)品，其型號之多，已達到了難以統(tǒng)計的地步。 目前，市場占有率最大的廠商是世界著名的芯片制造業(yè)巨頭Intel公司，其推出的MCS一51系列單片機最先進入我國，成為我國當時市面上用得最廣的單片機。雖然后來還有Philips公司、siemens公司、Motorola等公司推出的單片機陸續(xù)登陸我國，但直到現(xiàn)在，Intel公司推出的MCS一5MCS一96系列單片機依然占據(jù)了我國大半個市場。比較而言，MCS一96系列單片機是16位單片機，在運算性能及實時性方面有很大的優(yōu)勢，MCS一96系列單片機在以下幾個方面提高了系統(tǒng)的實時性: (l)采用CHMOS工藝，內部進行2分頻，具有更高運算速度，主頻高達50MHz。CPU的算術邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結構，改用寄存器一寄存器結構，CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了一般CPU結構中存在的累加器的瓶頸效應，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。 (2)256字節(jié)單元中，24字節(jié)是專用寄存器，其余232字節(jié)均為通用寄存器(18H一OFFH)或片內存儲器(100H一255H)。其通用寄存器數(shù)量遠比一般CPu的寄存器數(shù)量多。這樣就有可能為各中斷服務程序中的局部變量指定專門的寄存器，免除了中斷服務過程中保護寄存器現(xiàn)場和恢復寄存器現(xiàn)場所支付的軟件開銷，大大方便了程序設計。 (3