【正文】 原因是電動(dòng)機(jī)的輸出功率和電動(dòng)機(jī)本身的損耗，那么電壓的變化對(duì)這三者有什么影響呢?簡(jiǎn)析如下:（1）電壓變化對(duì)輸出功率的影響由前分析可知，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，無(wú)論是在重載還是在輕載狀況下，電動(dòng)機(jī)的輸出功率常數(shù)，基本不變。而對(duì)于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，情況就大不一樣了。由于電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)也能保持穩(wěn)定運(yùn)行，因此，允許的電壓、轉(zhuǎn)差率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速的變化范圍較大，而變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩是隨著轉(zhuǎn)速的增減而增減的，例如機(jī)泵類的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系。因此，變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的輸出功率將隨電壓的降低而降低。降低的程度，隨電動(dòng)機(jī)性能的不同而不同。（2）電壓變化對(duì)電動(dòng)機(jī)的損耗影響 電動(dòng)機(jī)的損耗，: (332) 電壓變化對(duì)各項(xiàng)損耗的影響如下: 1）機(jī)械損耗 機(jī)械損耗與轉(zhuǎn)速成正比，由于電壓變化所引起的轉(zhuǎn)速變化不大，因此可認(rèn)為 常數(shù) (333) 2）附加損耗 附加損耗與電流的平方成正比，與電壓的平方成反比 (334)3）定子鐵耗當(dāng)電壓接近額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的磁路趨于飽和:當(dāng)電壓低于額定值時(shí)，鐵耗近似地與外加電壓的平方成正比，即 （335）4）轉(zhuǎn)子銅耗轉(zhuǎn)子銅耗的大小主要取決于轉(zhuǎn)子電流的大小，而轉(zhuǎn)子電流的大小又取決于電壓和負(fù)載的大小，如式(331)所示。當(dāng)電壓變化時(shí)，由于主磁通與電壓成正比變化，所以轉(zhuǎn)子電流的大小與電壓成反比變化，因此轉(zhuǎn)子銅耗與電壓的平方成反比變化，可表示為： (336)因此，降低電壓總會(huì)引起轉(zhuǎn)子電流和銅耗的增大，這是所不希望的。還可以由轉(zhuǎn)差率直接算出轉(zhuǎn)子銅耗的大小，故轉(zhuǎn)子銅耗又稱為轉(zhuǎn)差損耗或轉(zhuǎn)差功率： （337 ）對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載來(lái)說(shuō)，由于輸入功率幾乎不變，所以當(dāng)降壓運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子銅耗將隨轉(zhuǎn)差率的增大而增大。對(duì)于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因其輸入功率君隨電壓的降低而降低，轉(zhuǎn)子銅耗要比恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載小得多，其值為： （338）其中表示在，時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大機(jī)械輸出功率，如忽略定子損耗，近似等于時(shí)的輸入功率。5）定子銅耗定子銅耗取決于定子電流的大小。定子電流是轉(zhuǎn)子電流與勵(lì)磁電流的向量和，因此定子電流的大小不僅與負(fù)載的性質(zhì)、輕重等有關(guān)，而且還與勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子電流的比值有關(guān)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)輕載或空載時(shí)，中分量所占的比重較大，分量所占的比重較小，電壓適當(dāng)下降時(shí)，定子電流能夠減小，相應(yīng)地定子銅耗也可以減小。（3）電壓變化對(duì)功率因數(shù)的影響由于電壓降低總是使勵(lì)磁電流減小，轉(zhuǎn)子電流增大，盡管定子電流可能增大或者減小，但定子電流與電源電壓之間的相角總是減小的，因此，功率因數(shù)將隨電壓的增大而減小，隨電壓的減小而增大。第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 概述 三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)負(fù)荷時(shí)，基本上處于周期性變化之中，這種變化主要引起電流及功率因數(shù)的變化，因此也可由電流或功率因數(shù)的變化獲知負(fù)載的變化情況，從而便可以將電流或功率因數(shù)作為反饋量來(lái)對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在對(duì)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能方法進(jìn)行比較研究后，我們的目的就是研制以異步電動(dòng)機(jī)電流作為反饋量應(yīng)用模糊控制的智能抽油機(jī)節(jié)能控制裝置，其基本控制思路是:控制裝置在工作過(guò)程中不斷實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流，經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換單元變?yōu)閿?shù)字量，并將采樣值輸入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)的程序與給定的標(biāo)準(zhǔn)額定值相比較處理后，從單片機(jī)輸出口產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)串接在異步電動(dòng)機(jī)供電回路中的雙向晶閘管導(dǎo)通角，使之根據(jù)負(fù)載的大小自動(dòng)調(diào)整異步電動(dòng)機(jī)的定子輸入電壓，實(shí)現(xiàn)“銅耗=鐵耗”的控制目的。節(jié)能控制系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖41所示?！?80VK節(jié)能裝置抽油機(jī)M～圖41 抽油機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 抽油機(jī)節(jié)能裝置主電路抽油機(jī)節(jié)能裝置的主電路系統(tǒng)按功能可以劃分為六個(gè)部分：第一部分為功率控制電路部分。第二部分為節(jié)能裝置控制部分。第三部分為節(jié)能裝置監(jiān)測(cè)反饋部分。第四部分為IO接口裝置通訊部分。第五部分為節(jié)能裝置內(nèi)部故障保護(hù)部分。第六部分為電動(dòng)機(jī)缺相保護(hù)部分?！?80V圖42 節(jié)能裝置主電路KM1的觸點(diǎn)KM2KM2的觸點(diǎn)SB1SB2KM1指示燈電流互感器電流互感器電流互感器電壓互感器電源變壓器1516～25V～12V～9VKM3SSR電容器M～ 功率控制電路 該部分由晶閘管交流調(diào)壓電路組成 （1）晶閘管的特性:晶閘管的轉(zhuǎn)換效率高(可達(dá)95%～97%)，體積小、重量輕、時(shí)間延遲小、功耗低，是工業(yè)中實(shí)現(xiàn)大容量功率變換和控制的主要器件。晶閘管有三個(gè)電極：陽(yáng)極、陰極和門極。晶閘管的通斷規(guī)律為：1）當(dāng)晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓，即0時(shí)，不論門陰極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。2）當(dāng)晶閘管承受正向電壓，即0時(shí)，僅在門極承受正向電壓( 0)的情況下晶閘管刁一能導(dǎo)通。3）晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極電壓是正還是負(fù)，晶閘管保持導(dǎo)通。4）要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽(yáng)極正向電壓(=0)，或者給陽(yáng)極加反壓( 0)；或者降低陽(yáng)極正向電壓，使通過(guò)晶閘管的電流降低到維持電流以下。5）當(dāng)門極未加觸發(fā)電壓時(shí)，晶閘管具有正向阻斷能力，這是一般二極管所不具備的。（2）交流調(diào)壓電路用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。常用的晶閘管交流調(diào)壓控制方法有兩種：。即把晶閘管作為開(kāi)關(guān)將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期(工頻1周期為20ms)，然后再斷開(kāi)數(shù)個(gè)周期，以改變通斷時(shí)間比值達(dá)到調(diào)壓的目的。這里晶閘管起到一個(gè)通斷頻率可調(diào)的快速開(kāi)關(guān)的作用。這種控制方式電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)高，適用于有較大時(shí)間常數(shù)的負(fù)載，缺點(diǎn)是輸出電壓或功率調(diào)節(jié)不平滑。b：相位控制。它是使晶閘管在電源電壓每一周期中，在選定的時(shí)刻內(nèi)將負(fù)載與電源接通，改變選定的時(shí)刻可達(dá)到調(diào)壓的目的。在交流調(diào)壓器中，相位控制應(yīng)用較多，下面主要分析相位控制的交流調(diào)壓電路，先闡述作為基礎(chǔ)的單向交流調(diào)壓電路。單相交流調(diào)壓電路如圖43所示，其中晶閘管和反并聯(lián)連接與負(fù)載電阻R串聯(lián)接到交流電源上。當(dāng)電源電壓正半周開(kāi)始時(shí)觸發(fā)，負(fù)半周開(kāi)始時(shí)觸發(fā)，形同一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，允許頻繁操作，因?yàn)闊o(wú)電弧，所以壽命長(zhǎng)。若正負(fù)半周以同樣的移相角觸發(fā)和，則負(fù)載電壓有效值可以隨角而改變，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓，圖43示出其波形。b 波形圖a 調(diào)壓電路20圖43 晶閘管單向交流調(diào)壓電路及其波形 由上圖可以看出，改變控制角，可得到不同的負(fù)載電壓波形，角越大，在每個(gè)周期中晶閘管的導(dǎo)通角越小，加在該相負(fù)載上的電壓有效值越??；反之，角越小，加在負(fù)載上的電壓有效值越大，從而使電路起到調(diào)壓的作用。交流調(diào)壓的原理就是利用晶閘管導(dǎo)通角的變化來(lái)改變輸出電壓的有效值以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電路輸入電壓的調(diào)節(jié)。在電路中為使波形的正負(fù)半周對(duì)稱，反并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管的控制角應(yīng)該相等。在圖42中使用的是三相交流調(diào)壓電路，相當(dāng)于三個(gè)單相晶閘管交流調(diào)壓電路的組合，電路中晶閘管承受的電壓、電流就是每相間的單相調(diào)壓器需要考慮的數(shù)值，所不同的是晶閘管承受的電壓為線電壓，而流過(guò)反并聯(lián)晶閘管的電流為線電流而己，其工作原理和每相負(fù)載上的電壓波形與單相交流調(diào)壓情況有點(diǎn)類似但卻不完全相同。三相交流調(diào)壓電路是三相對(duì)稱電路，所以任一時(shí)刻需要位于不同相中兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，工作時(shí)電路中一相電流必須和另一相構(gòu)成回路。至于各晶閘管門極的觸發(fā)脈沖，同相間兩管的觸發(fā)脈沖應(yīng)互差，三相間的同方向晶閘管的觸發(fā)脈沖要互差，要采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)，在這里采用的是雙窄脈沖觸發(fā)方式。設(shè)U為線電壓的有效值，則三相線電壓分別為： （41） 圖42中六只晶閘管從右往左依次為、、六只晶閘管門極觸發(fā)的相序是、觸發(fā)相位依次滯后，、的觸發(fā)相位又分別滯后于、的觸發(fā)相位，這樣，觸發(fā)相位自至，依次滯后間隔為。4. 4節(jié)能裝置控制部分控制電路是整個(gè)節(jié)能裝置的核心，接收檢測(cè)信號(hào)、發(fā)出指令，控制節(jié)能裝置的所有操作，如圖44所示，控制電路的系統(tǒng)構(gòu)成包括主控CPU，電壓、電流的采樣，電壓與電流的相位角檢測(cè)，A/D和D/A轉(zhuǎn)換，缺相保護(hù)，繼電器輸出，監(jiān)控和電源。圖44 控制裝置控制電路的系統(tǒng)構(gòu)成框圖輸入電壓電流采樣A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換主控CPU電壓與電流的相位差對(duì)應(yīng)的角度檢測(cè)缺相保護(hù)部分監(jiān)控部分繼電器輸出控制交流接觸器AC380VM～ 抽油機(jī)節(jié)能裝置主電路中的電壓和電流經(jīng)電壓互感器和電流互感器進(jìn)入電壓、電流采樣輸入部分進(jìn)行采樣，采樣后的信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，形成數(shù)字量，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理。另外，來(lái)自互感器的電壓、電流信號(hào)還進(jìn)入電壓與電流的相位角檢測(cè)電路，獲得它們之間的相位角，單片機(jī)利用得到的相位角來(lái)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的銅耗和鐵耗。缺相保護(hù)部分用來(lái)監(jiān)測(cè)來(lái)自電流互感器的三相電流，只要缺少任何一相，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出指令，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。鍵盤部分利用一些獨(dú)立式按鍵來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作以及有關(guān)顯示的部分。單片機(jī)計(jì)算的銅耗、鐵耗以及它們的差值經(jīng)模糊控制器的模糊判決后，形成控制信號(hào)的精確量，然后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬電壓信號(hào)，進(jìn)入KC6SM2型晶閘管觸發(fā)控制板，控制晶閘管的導(dǎo)通角，改變加在電動(dòng)機(jī)定子電壓的有效值。當(dāng)需要甩開(kāi)節(jié)能裝置或晶閘管出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)發(fā)出一控制信號(hào)，由直流固態(tài)繼電器控制交流接觸器KM3，使其觸點(diǎn)接通，工頻三相電源直接加于三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組上。主控CPU是整個(gè)控制電路的核心，它決定了整個(gè)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和其他外圍器件的選擇。由于控制電路的輸入變量和輸出變量較少，所要求的運(yùn)算速度和精度不是很高。因此選用P87LPC762為主控CPU。P87LPC762的主要特性如下：1）操作頻率為20MHz時(shí)，除乘法和除法指令外，加速80C51指令執(zhí)行時(shí)間為300～600ns。VDD=～，時(shí)鐘頻率可達(dá)20MHz，VDD=～，時(shí)鐘頻率最大為10MHz；2）用于數(shù)字功能時(shí)，～；3）2K字節(jié)OTP程序存儲(chǔ)器；4）128字節(jié)的RAM；5）32字節(jié)用戶代碼區(qū)可用來(lái)存放序列碼及設(shè)置參數(shù)；6）2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每一個(gè)定時(shí)器均可設(shè)置為溢出時(shí)觸發(fā)相應(yīng)端口出；7）2個(gè)模擬比較器；8）全雙工UART；9）8個(gè)鍵盤中斷輸入，另加2路外部中斷輸入；10）4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；11）低電平復(fù)位。使用片內(nèi)上電復(fù)位時(shí)不需要外接元件；、電流采樣由一個(gè)電壓互感器和三個(gè)電流互感器構(gòu)成。將高電壓、大電流電流變換為安全的測(cè)量用電壓、電流信號(hào)，輸入測(cè)量、保護(hù)電路。設(shè)計(jì)的電壓互感器的變比為50:1，其輸出電壓輸入到控制電路里進(jìn)行電壓信號(hào)采樣、檢測(cè)。電流互感器的變比設(shè)計(jì)為10000:1，電流互感器的輸出有一路進(jìn)入控制電路里進(jìn)行采樣和檢測(cè)，另一路作為保護(hù)取樣信號(hào)。采樣和檢測(cè)電路獲得的的電壓和電流信號(hào)為計(jì)算銅耗、鐵耗做準(zhǔn)備，控制電路里還利用來(lái)自三個(gè)電流互感器的電流進(jìn)行缺相保護(hù)。VD2VD5VD1VD6RP1VS1U1U2UP12VD4VD7VD3VD8RP2VS2I1I2IP12圖48 電壓、電流的采樣電路圖如圖48所示為電壓、電流的采樣電路圖，上圖為電壓采樣圖，下圖為電流采樣圖。從電壓互感器取出的信號(hào)經(jīng)過(guò)橋式整流后，由電容濾波，形成的直流電壓信號(hào)再經(jīng)分壓，加在電位器RP1上，VS1為穩(wěn)壓管。調(diào)節(jié)電位器，使采樣環(huán)節(jié)輸出電壓的范圍為0～5V時(shí)，對(duì)應(yīng)三相交流電壓范圍0～380V。采集到的電壓信號(hào)經(jīng)U端進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，給單片機(jī)提供可處理的數(shù)字量。P12在這里作為單片機(jī)的輸出端口，控制著晶體管和的通斷。圖中晶體管和的作用是:開(kāi)始時(shí)單片機(jī)的P12口為高電平，使和飽和導(dǎo)通，則U端和I端為低電平。需要采樣時(shí)，再使P12口變?yōu)榈碗娖?，和截止，這時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓信號(hào)或電流信號(hào)進(jìn)行采樣。和起到了保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換器免受干擾信號(hào)沖擊的作用。對(duì)電流信號(hào)采樣，需要先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器才能對(duì)其進(jìn)行采樣。為此，將來(lái)自電流互感器的電流信號(hào)流經(jīng)一個(gè)電阻，然后從該電阻兩端取出電壓信號(hào)，再進(jìn)行整流、濾波、采樣，圖中和的作用都是為了濾除高頻干擾，保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換器。 與的相位角檢測(cè) 測(cè)量電壓與電流的相位角的目的是為了用來(lái)計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)的銅耗。圖49是U和1相位角的檢測(cè)原理圖。 從電壓互感器引出的交流12V電壓加在U3, U4兩端，為限流電阻，為濾波電容， V穩(wěn)壓管和的雙向穩(wěn)壓后，輸入到雙比較器LM393的同相端，而LM393的反相端接地，成為過(guò)零比較器。交流電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)LM393后，輸出為方波信號(hào)，這個(gè)電壓方波信號(hào)與三相電源具有相同的頻率。同理，從電流互感器引出的電流信號(hào)，也經(jīng)過(guò)限流、濾波、雙向穩(wěn)壓后進(jìn)入過(guò)零比較器的同相端，輸出為電流方波信號(hào)，這個(gè)方波信號(hào)也與三相電源有著相同的頻率。由于三相電源電壓信號(hào)和電流信號(hào)在相位上相差一個(gè)角度，所以電壓方波信號(hào)與電流方波信號(hào)也相差一個(gè)角度。二極管和構(gòu)成與門，兩路方波信號(hào)作為這個(gè)與門的兩路輸入，與門的輸出信號(hào)為這兩路方波信號(hào)“相與”的結(jié)果，為一矩形波。該矩形波利用二極管的單相導(dǎo)電性，使二極管的輸出端波形僅為正脈沖。該正脈沖所反映的正是電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位差。圖49 U與I相位角檢測(cè)原理圖U3U4I3I4LM393LM393+9VINT1–++–將正脈沖輸入到單片機(jī)的INT1引腳，通過(guò)對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的方式寄存器TMOD編程，置位門控位GATE，并選擇計(jì)數(shù)器方式。當(dāng)GATE=“1”和TR=“1”時(shí)，計(jì)數(shù)器啟動(dòng)受外部中斷信號(hào)INT1的控制，此時(shí)，只要INT1為高電平，計(jì)數(shù)器就開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)INT1為低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)，利用這一特性就能夠測(cè)量這個(gè)正脈沖的寬度，即電壓和電流的相位角。圖中用來(lái)獲取電壓信號(hào)，穩(wěn)壓管用來(lái)使輸入單片機(jī)的脈沖電壓穩(wěn)定在5V左右，小電容可以濾除輸入電壓信號(hào)的尖