【文章內(nèi)容簡介】 損失。鐵雜損失由于齒 磁通在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時發(fā)生脈動而產(chǎn)生的，通常稱為脈動損失或表面損失。近似認為鐵雜損失與外加電壓的平方成正比。銅雜損失是由于高次諧波磁勢的影響產(chǎn)生的。近似認為銅雜損失與電流的平方成正比，隨負載的變化而變化。 雜散損失部分取決于電壓，部分取決于電流。對于感應電動機來說，銅雜損失是主要的，約占電動機雜散損耗的 70%～ 90%. 感應電動機雜散損失在總損失中占的比例很小。在小型鑄鋁轉(zhuǎn)子籠型感應電動機中，滿載下雜散損失可達輸出功率的 1%～ 3%，在大型的感應電動機中，雜散損失一般為輸出功率的 5% 。 總損失 ( P? ) 圖 11 感應電動機的功率圖 圖中， 1P 為輸入功率 。 ?P 為機械功率 。 2P 為輸出功率。 電動機的總損失由 P? 定子銅損失 1CuP 、轉(zhuǎn)子銅損失 2CuP 、鐵損失 FeP 、機械損失 fwP 和雜散損失 SP 組成。即： SfwFeCuCu PPPPPP ?????? 21 △ /Y轉(zhuǎn)換的工作特性 [7] △轉(zhuǎn)換 Y 后是否節(jié)能的核心問題是施加到定子每相繞組上的電壓 U ，降為△接時的 3/1 ，使得電動機的鐵損 FeP 、降低為△接時的 1/3，同時電 動機的定子銅損與轉(zhuǎn)子銅損根據(jù)負載變化而變化。所以電動機總的損耗是增加還是減少，則需根據(jù)負載而定。 電動機的工作特性，是指在電網(wǎng)電壓 U =380V，頻率 f =50Hz 時，電動機在△接和 Y 接兩種狀態(tài)下定子電流 1I 、功率因數(shù) ?COS ,效率 ? 與負載率 ? 的關系。 其中 : NPP/2?? 式中的 NP 為額定功率。 下面對△ /Y轉(zhuǎn)換時各項關系分別進行分析。 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 。 39。2R 為轉(zhuǎn)子相電阻的折算值 。 39。2X 為轉(zhuǎn)子相電抗的折算值 。 mR 為激磁電阻 。 mX 為激磁電抗 。 39。2I 為轉(zhuǎn)子電流的折算值 。 mI 為激磁電流。 圖 13 電動機的電流矢量圖 當電動機空載時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率 S ≈ 0, 39。2R /S →∞，轉(zhuǎn)子相當于開路。此時轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流。即 : 0IIm ?? ? 201 III ??? ??? 式中， 0I 為定子空載電流。 式 可表示為圖 13 的矢量圖。 分析電動機由△接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子折算電流 39。2I 隨負載變化的情況。 ①空載電流 0I 一方面，電動機的電勢平衡條件為 : )( 11111 jXRIEU ???? ??? 因為 1R 、 1X 很小，故可以認為，當電動機由△接轉(zhuǎn)換為 Y 接運行時，定子每相繞組上感應的主電勢 E1將近似地隨 U1的降低而降為△接時的 3/1 。 由 : mckfwE ?11 ? 式中， 1w 為定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù) 。 ck 為繞組系數(shù) 。 m? 為定子繞組回路的磁通最大值。 可見，對于某一在用的電動機， Y 接時的 m? 也將近似的降為△接時的 3/1 。一般說來，設計電動機時選取 B 值 在磁化曲線的拐角處，因而，當電動機由△接轉(zhuǎn)換為 Y 接運行時，定子每相繞組的空載相電流將降為△接時的 3/1 還要低一些。 綜上所述，當電動機由△接轉(zhuǎn)換為 Y 接運行時，空載線電流將降為△接時的 1/3. ②轉(zhuǎn)子折算電流 39。2I 由電動機的近似等效電路得 : 239。21239。21139。2)()( XXSRRUI???? 由式 可見，電動機由△接轉(zhuǎn)換為 Y 接時，一方面 1U 的降低會使 39。2I 減小，另一方面 S 的增大會使 39。2I 增大。一般說來，負載很輕時， 39。2I 是降低的 。隨著負載的增大， S 明顯增大， 39。2I 呈上升趨勢。 根據(jù)上述內(nèi)容，定子電流 I1與β的關系分析如下： 圖 14 △接和 Y 接狀態(tài) 下 NII /1 與 ? 的關系曲線 圖 14 為電動機在 Y 接時以及△接時的 1I 與 ? 關系曲線。電動機在空載情況下，Y 接時的空載線電流近似等于△接時的 1/3。輕載時，由于 0I 起主要作用，同時 39。2I 尚未增加或增加不大，這就使得 Y 接時的 1I 明顯低于△接時的 1I 。 當負載增大到一定程度 (大約 ? ≥ 70%)時，由于電動機依靠增大轉(zhuǎn)差率 S 來提高電磁轉(zhuǎn)矩以達到與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，導致 39。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 。 ?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 )。電動機在 Y 接時， 3/1?UK 1K 為電動機的空載電流系數(shù)。 NIIK /01 ? 式中， 0I 為電動機的空載電流 。 NI 為電動機的額定電流。 特定的電動機，其空載電 流系數(shù) 1K 為定值。 圖 15 △接和丫接狀態(tài) ?COS 下與 ? 的關系曲線 圖 15 為電動機在△接和 Y 接狀態(tài)下 ?COS 與 ? 的關系曲線，由圖可知， Y 接的 ?COS 要高于△接的 ?COS 。 △ /Y 轉(zhuǎn)換時 ?與 ? 關系分析 電動機的效率與其端電壓及轉(zhuǎn)差率之間存在如下關系 : ???? CO SSK CO SS U NNN ?? ??? 2 式中， NS 為電動機額定工況時的轉(zhuǎn)差率 。 S 為電動機降壓運行時的轉(zhuǎn)差率 。 N? 為電動機額定工況時的效率 。 ? 為電動機降壓運行時的效率。 考慮到轉(zhuǎn)差率與功率因數(shù)隨負載的變化，得出電動機在△接和 Y 接狀態(tài)下η與β的關系曲線如圖 16 所示。 圖 16 △接和丫接狀態(tài) ? 與 ? 的關系曲線 由關系曲線分析可知： 當 ? 40%時，由于 Y 接下定子鐵損 PFe降低為△接下的 1/3，定子電流 I1的減小使得定子銅損 PCu1降低，而轉(zhuǎn)差率 S 增大的幅度很小， 由式 12 可知，轉(zhuǎn)子銅損PCu2的增大幅度也很小，△→丫切換后總的損耗會降低。此時△ /Y切換可實現(xiàn)節(jié)能。 當 ? 40%時，由于電動機轉(zhuǎn)矩與端電壓平方成正比，△→丫切換后電動機轉(zhuǎn)矩也隨之下降而小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機只有依靠增大轉(zhuǎn)差率，提高電磁轉(zhuǎn)矩以達到與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)。由于此時轉(zhuǎn)差率增大，導致 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，致使電動機的效率下降。 △ /Y轉(zhuǎn)換的節(jié)能原理 電動機 Y/△轉(zhuǎn)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。 一般情況下，當β 40%時，三相異步電動機由△接轉(zhuǎn)換為 Y 接，定子空載電流 I0 降低，同時轉(zhuǎn)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 。端電壓 U1的降低使得定子鐵損 PFe降低 。功率因數(shù) cosφ增大 。效率η增大，這使得電動機向電網(wǎng)吸取的有功功率與無功功率減少，線路損耗隨之降低。 第 3 章 三相異步電動機節(jié)能保護器 控制結(jié)構(gòu)的分析 [2] 三相異步電動機節(jié)能保護器可以根據(jù)客戶具體要求的保護器性能來完成，進而實現(xiàn)具體的保護功能。近年來保護器的發(fā)展迅速，并且更加智能化。本文中采用單片機芯片為主電路，進而分析研究對保護器的設計。 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(zhuǎn)換器的 P87LPC767 單片機。 該芯片由 PHILIPS 公司生產(chǎn)。 P87LPC767 是 20 腳封裝的單片機，適合于許多要求高集成度、低成本的場合?？梢詽M足許多方面的性能要求。作為 PHILIPS 小型封裝系列中的一員， P87LPC767 提供高速 和低速的晶振和 RC 振蕩方式，可編程選擇。具有較寬的操作電壓范圍。可編程 I/O 口線輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入， LED 驅(qū)動輸出。 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(zhuǎn)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 個中斷優(yōu)先級，并自帶看門狗與電源監(jiān)控功能。 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(zhuǎn)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(zhuǎn)換原理可得 : 單片機 A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 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。 三相異步電動機△ /Y轉(zhuǎn)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。 本系統(tǒng)的輸入包括 : 電動機的三相電流信號 (由電流互感器采集輸入 )。臨界負載率、積分時間信號 (由可調(diào)電位器輸入 )。△下或 Y 下啟動信號 (由按鍵輸入 )。 本系統(tǒng)的輸出包括 : △ /Y切換信號 。單片機保護輸出 。硬件保護輸出 。切換、故障信號指示電路 (由 LED輸出 )。 電動機節(jié)能保護器的系統(tǒng)框圖如圖 22 所示。 圖 22 電動機節(jié)能保護器的系統(tǒng) 框圖 由于系統(tǒng)采用單片機作為主控芯片，其運算能力較弱，設計過程中為了盡量避免單片機承擔過多的運算工作，就以 I1/IN 代替臨界負載率β作為輸入。 第 4 章 三相異步電動機節(jié)能保護器的設計 電動機節(jié)能保護器的硬件電路設計與分析 [5] 線性整流濾波電路 由于 P87LPC767 單片機引腳較少，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 的擴展非常困難。為此選用算法較為簡單的直流采樣以減少程序大小，從而保證代碼量小于 P87LPC767 單片機的 4k程序存儲器空間。圖 31 為對交 流信號進行線形整流濾波的電路原理圖。 圖 31 線形整流電路原理圖 電流互感器輸出的二次交流電流信號流經(jīng)精密電阻得到交流電壓信號，再由電位器 (該電位器作校準額定電流用 )分壓接至圖 31 的 input 端， output 端輸出的是電壓信號經(jīng)過分壓后的絕對值的平均值。 output端輸出的直流信號一路至單片機的 A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換 。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 )。 硬件電路的工作 原理： 應考慮有濾波電容 C C3 的情況。 C2 ()為高頻濾波電容，其作用是濾去輸出的高次諧波，使得硬件保護電路不會因干擾而誤動作 。C3(1u)為低頻濾波電容，其作用是求出 Vinput 的絕對值的平均值，使得單片機僅需對 Voutput 進行直流采樣，從而避免了單片機進行較為復雜的交流采樣算法。 還應分析在采用該線形整流濾波電路以后，電動機額定電流所對應的整流電路的輸出電壓 (即 output 端的輸出電壓 )取值情況。 由于在177。 5V電源的供電條件下，放大器 LM32