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1、三相异步电动机节能保护器的设计摘要三相交流异步电动机的节能一直是电机领域探究的热点,非凡是近几年来全国出现电力供给紧张的局面,使得对交流异步电动机的节能设备的探究和推广更为迫切。但目前市面上的节能设备普遍存在成本过高的现象,这在一定程度上阻碍了异步电动机节能设备的推广使用。本文从分析异步电动机的功率损失入手,阐述了三相异步电动机-Y 切换降压运行的工作特性、节能原理、节电效果、节能保护器应采取的抗干扰办法以及其它应注重的新问题。并在此基础上提出了一整套单片机控制的三相异步电动机Y/切换节能保护器的设计方案,获得了较高的性价比。并针对传统电动机 Y/切换节能保护器在 Y/切换点四周发生频繁切换的
2、新问题,提出手动现场整定临界负载率和切换时间的解决办法。最后,制作出了一台试验样机并进行了性能测试,实验结果表明,样机达到了预期的控制性能和节能效果,验证了方案的可行性。本文还在实验结果的基础上进行了深入的分析和讨论,为进一步完善本方案提出了改进的方向和办法。关键词：关键词：异步电动机 节能 Y/切换 单片机The Design of Three-phase AsynchronousMotor ProtectionAbstractThree-phase AC induction motor is the motor in the field of energy saving has beene
3、xploring the hot and extraordinary in recent years the country and the power supply tension,makes the AC induction motor energy saving devices and promote a more urgent inquiry.Energy-saving equipment available in the market but widespread phenomenon of high cost,which to some extent,hindered the in
4、duction motor promote the use of energy-savingequipment.From the analysis of induction motor starting power loss to explain the three-phase asynchronous motor-Y switch step-down operation of job characteristics,energyprinciples,energy-saving effect,energy conservation should take anti-jamming device
5、s andother measures should focus on new issues.And puts forward a set of microcomputer-controlled induction motor Y/switching energy protector design,get a higher cost.Andtraditional motor Y/switching energy protector in Y/frequent switching occurs aroundthe switching point of the new problems raise
6、d manually setting the scene critical load rateand switching time solutions.Finally,make out a test prototype and carried out performancetesting,test results show that the prototype to achieve the expected control performance andenergy saving effect,verify the feasibility.This is also the basis of e
7、xperimental resultsconducted in-depth analysis and discussion,in order to further improve the program proposedto improve the direction and approach.Keywords：Asynchronous motor energy Y/train switching microcontroller目录I.摘要I.Abstract错误！未定义书签。错误！未定义书签。.第 1 章 绪论5.1.1 我国电动机保护器的发展历史及现状简介5.1.1.1 热继电器5.1.1
8、.2 模拟电子式电动机保护器（电机保护器）5.1.1.3 数字电子式电动机保护器（电机保护器）6.1.2 电动机节能的必要性7.1.3 电能消耗原因与解决措施的初步分析7.1.4 常用的电动机节能保护方法与分析7.1.4.1 老式的 Y/转换节能电路8.1.4.2 电子式软启动器8.1.4.3 单片机控制的 Y/转换节能保护器9.1.5 本文主要内容9.第 2 章 三相异步电动机节能原理分析19.2.1 三相异步电动机的功率损失9.2.1.1 铜损失(CuP)错误！未定义书签。错误！未定义书签。.2.1.2 铁损失(FeP)错误！未定义书签。错误！未定义书签。.2.1.3 机械损失(fwP)错
9、误！未定义书签。错误！未定义书签。.2.1.4 杂散损失(sP)错误！未定义书签。错误！未定义书签。.2.1.5 总损失(P)错误！未定义书签。错误！未定义书签。.2.2/Y 转换的工作特性7错误！未定义书签。错误！未定义书签。.2.2.11I与关系分析错误！未定义书签。错误！未定义书签。.2.2.2COS与关系分析错误！未定义书签。错误！未定义书签。.2.2.3/Y 转换时与关系分析错误！未定义书签。错误！未定义书签。.2.3/Y 转换的节能原理错误！未定义书签。错误！未定义书签。.第 3 章 三相异步电动机节能保护器控制结构的分析2错误！未定义书签。错误！未定义书签。.3.1 单片机控制电
10、路主芯片分析错误！未定义书签。错误！未定义书签。.3.2 三相异步电动机/Y 转换节能保护器系统框图8错误！未定义书签。错误！未定义书签。.第 4 章 三相异步电动机节能保护器的设计错误！未定义书签。错误！未定义书签。.4.1 电动机节能保护器的硬件电路设计与分析5错误！未定义书签。错误！未定义书签。.4.1.1 线性整流滤波电路错误！未定义书签。错误！未定义书签。.4.1.2 硬件保护电路错误！未定义书签。错误！未定义书签。.4.1.3 保护器硬件抗干扰分析以及抗扰措施6错误！未定义书签。错误！未定义书签。.4.2 电动机节能保护器的软件电路设计与分析错误！未定义书签。错误！未定义书签。.4
11、.2.1 程序流程图与调试过程错误！未定义书签。错误！未定义书签。.4.2.2 保护器软件抗干扰分析以及抗扰措施36错误！未定义书签。错误！未定义书签。.第 5 章 Y/转换节能保护器电动机主电路接线图及其工作过程错误！未定义书签。错误！未定义书签。.第 6 章对影响电动机节能保护器设计过程的因素的讨论4错误！未定义书签。错误！未定义书签。.6.1 有关空载电流对保护器的影响错误！未定义书签。错误！未定义书签。.6.1.1 采用交流采样方法错误！未定义书签。错误！未定义书签。.6.1.2 采用鉴相器电路错误！未定义书签。错误！未定义书签。.6.2 对于硬件保护有可能躲不开的下启动电流分析错误！
12、未定义书签。错误！未定义书签。.6.3 其他因素考虑错误！未定义书签。错误！未定义书签。.总结错误！未定义书签。错误！未定义书签。.致谢错误！未定义书签。错误！未定义书签。.参考文献错误！未定义书签。错误！未定义书签。.附录 A（P87LPC767 MCU）错误！未定义书签。错误！未定义书签。.附录 B(P87LPC767 单片机)第 1 章 绪论1.1 我国电动机保护器的发展历史及现状简介我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速
13、发展的阶段。1.1.1 热继电器在建国初期，我们引进了苏联的 JR 系列热继电器，从而开始了其在中国电机保护行业中长达半个世纪的生涯。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，它是利用双金属片热效应原理。但由于热继电器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足越来越高的要求，直到 1996 年国家八部委联合发文强制将其淘汰。1.1.2 模拟电子式电动机保护器（电机保护器）在上个世纪七八十年代，随着半导体模拟器件的兴起及普及，涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器（电机保护器），为电机的可靠运行提供了较可靠的保障，但由于
14、其存在整定精度不高、采样精度不高并且无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，而随着社会的发展，对于保护器的要求也越来越高，纯粹模拟线路的电动机保护器（电机保护器）正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。1.1.3 数字电子式电动机保护器（电机保护器）这类电动机保护器（电机保护器）主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在 PC 机上实现对多达256 台联网的电机实现在线综合监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通
15、过键盘由用户自行现场设定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的出现成为可能。随着微电子技术的发展，电动机保护器（电机保护器）正朝着智能化，综合化，高精度，高可靠方向发展。1.2 电动机节能的必要性作为拖动系统中的重要组成部分电动机，在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。而我国现有各类电动机总容量约 4.2 亿千瓦，电机系统年耗电量在 6000亿度以上，占电力消费总量的 50%以上。其中 80%以上
16、为 0.55-200 千瓦以下的中小型电机，但所有电动机中相当于世界近代技术水平的 J2,J02 系列的约占 70%，相当于 70 年代水平的 Y 系列电动机不足 30%，具有 80 年代末水平的 YX 系列高效电动机所占的比例更是微乎其微。也就是说，我国在服役的电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家 50 年代的水平，我国目前制造的电机仅有 5%是高效节能电机，但几乎全部用于出口。我国电机的平均效率约低于美国和加拿大 3-5%，风机和水泵的效率低 8-10%，系统效率更低。据有关专家估算，由于设计、制造等各种原因，我国电机拖动系统的能源利用效率约比发达国家低 10-30 个百分点，总的节
17、能潜力约为 1000 亿千瓦时，相当于 20 个装机容量为 1000 兆瓦级的大型火电厂的年发电总量，而进行电机拖动系统的改造和更新的费用需要约 500 亿元人民币。然而近几年我国出现了大面积缺电状况，全国大部分省、市不得不实行错峰用电，分时拉闸限电，这使得对电机节能的研究变的更为重要与迫切。由此看出，比较符合我国国情需要的是既要使电机的节能设备具有较好的节能效果，又要想办法尽量降低改造或更新的费用。国家计委对电机系统节能非常重视，已把电机系统节能作为“十五”节能计划的重要内容。1.3 电能消耗原因与解决措施的初步分析从三相异步电动机经济运行 GB12497-1995 标准来看，工矿企业中使用
18、着的大量三相交流异步电动机的运行状态可以分为经济运行状态、允许运行状态和非经济运行状态。异步电动机会消耗大量电能，主要是由于异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行状态，同时影响着企业的效益。纠其原因主要是在进行电动机容量选配时，往往片面的追求大的安全余量，且层层加码，结果使电动机的容量过大，造成“大马拉小车”的现象，使电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低;另一方面，由于大部分电机采用直接起动方式，除了造成对电网及拖动系统的冲击和事故之外，5-7 倍的起动电流也造成能量的消耗。因此，要研究异步电动机节能主要从“根据负载调节电动机的端电压”和“限制电动机的起动电流”这两方面入手。1.4 常
19、用的电动机节能保护方法与分析1.4.1 老式的 Y/转换节能电路这种方法适用于正常运行时定子绕组采用三角形接法、在空载或轻载下启动的电动机。图 1 老式电动机 Y/转换节能电路原理图图 1 为一种老式 Y/转换节能电路的原理图，该电路主要由电流继电器LJ、时间继电器 KT、热继电器 FR 以及相应的辅助电路构成。其工作原理是:当按下 SB1 时，接触器 KMl,KM2 得电，电机在 Y 下启动。限位开关 SQ 受主轴操纵杆控制，主轴在运转时，SQ 闭合，时间继电器 KT 得电。在空载或轻载时，定子电流小于电流继电器 LJ 的整定值，LJ不动作，电机保持在 Y 下运行。如在重载下，LJ 得电，其
20、常开触点闭合，中间继电器 KA 随之得电，切断了 KM2 的线圈电路，同时 KM3 得电，电机切换至下运行。工作完毕后，通过主轴操纵杆使 SQ 断开，KT 失电，KM3 随之失电，KM2 线圈得电，电动机改为丫下运行。此类节能电路具有控制方便、无谐波污染等优点。但体积大、重量大，如果同时需要加入保护电路，则其辅助电路与接线将变的十分复杂，成本也随之成倍增加。1.4.2 电子式软启动器电子式软启动器的主电路一般都采用晶闸管调压电路，启动时一由单片机或其它智能控制系统控制晶闸管的导通角，进而使得电动机的端电压平滑上升。在运行过程中可根据定子电流控制电动机的端电压，从而实现节能。电子式软启动器的框图
21、如图 2 所示图 2 电子式软启动器框图电子式软启动器具有噪音小，无触点、重量轻、体积小、电流检测精度高、起动时间及起动电流可控制，起动过程平滑，起动转矩可根据负载情况灵活调整，起动电流可调，操作简单、维护量小，可以频繁起动等优点。但由于需要采用晶闸管控制，所以有控制复杂、谐波污染严重等缺点。另外，截止 2003 年，电子式软启动器的价格维持在 200-250 元人民币/kW，较高的价格也大大限制了其使用范围。1.4.3 单片机控制的 Y/转换节能保护器单片机控制的 Y/转换节能保护器是由单片机控制系统根据电流检测的结果判定是否进行切换，以及保护是否动作。同上述两种节能器相比，单片机控制的 Y
22、/转换节能保护器的优点十分明显:成本低、控制简单、接线容易、重量轻、体积小、无谐波污染(切换与启动过程时间很短)。但由于使用 Y/转换节能保护器的电动机端电压只有 220V 和380V 两种，所以 Y/转换节能保护器的节能效果不如电子式软启动器。1.5 本文主要内容本文主要从理论上分析异步电动机 Y/转换节能的基本原理，并在此基础上提出了一套由单片机控制的 Y/转换节能保护器的设计方案。经过对单片机应用的分析后，选择适合的单片机用以完成设计对设计。并进一步对节能保护器在设计过程中有影响的因素分析，最后完善整套设计方案。第 2 章 三相异步电动机节能原理分析1从三相异步电动机的功率损失分析，近而运用分析的具体情况来分析/Y 运行的工作特性。从而得出/丫转换节能的原理。2.1 三相异步电动机的功率损失电动机是靠电磁感应原理工作的，它向电网吸取能量，从轴上输出机械能。在电能转换为机械能的过程中，不可避免地会有一些能量损失。例如：铜损失、铁损失、机械损失和杂散损失。)CuP2.1.1 铜损失(电动机的铜损失包括定子铜损失