论文部分内容阅读
【摘要】多数电机在大部分运行时间的负荷率都在50%～60%，所以实际运行时的效率都是比较低的。因此，提高这部分电机的运行效率，有着巨大经济效益和社会效益。
【关键词】三相异步电动机；分类；节能原理；硬件设计；软件设计
三相异步电动机是广泛使用的一种动力机械，每年的耗电量占我国总耗电量的60%以上，占工业总用电量的75%左右。在满负荷工况条件下，电机的效率一般较高，通常在85%左右，有些可达95%以上；然而，一旦负荷下降，电机的效率便随之显著下降。因为电机选型时是按最大可能负荷和最坏工况所需的功率而定的，多数电机在大部分运行时间的负荷率都在50%～60%，所以实际运行时的效率都是比较低的。因此，提高这部分电机的运行效率，有着巨大经济效益和社会效益。
1. 三相异步电动机的分类
（1）按三相异步电动机的转子结构形式可分为鼠笼式电动机和绕线式电动机。
（2）按三相异步电动机的防护型式可分为开启式（IP00）三相异步电动机、防护式三相异步电动机（IP22/IP23/IP24）、封闭式三相异步电动机（IP44/IP54）、防爆式三相异步电动机（IP54/IP55）等。
（3）按三相异步电动机的通风冷却方式可分为自冷式三相异步电动机、自扇冷式三相异步电动机、他扇冷式三相异步电动机、管道通风式三相异步电动机等。
（4）按三相异步电动机的安装结构形式可分为卧式三相异步电动机、立式三相异步电动机、带底脚三相异步电动机、带凸缘三相异步电动机等。
（5）按三相异步电动机的绝缘等级可分B级、F级、H级三相异步电动机。
（6）按定额可分为连续三相异步电动机、断续三相异步电动机、间歇三相异步电动机等。
（7）按运动类型可分为静止电机（变压器） 、旋转电机、直线电机等。
（8）按功率大小、机座号可分为微特电机、小型电机、中型电机、大型电机。
2. 节能原理
电机的效率是电机输出功率与输入功率的比值的百分数。因此供给电机的电能即输入功率并不仅用来驱动电机即输出功率，还有一部分将成为电机固有的损耗。电机的主要损耗为铜耗和铁损，其中铜耗是由于电流流过电机绕组而产生，与电流的平方成正比；铁损是由于定子和转子铁芯中的磁化电流而产生，与供电电压成正比。其它损耗很小，可忽略。调压节电原理是当负荷下降时，可以适当降低电源电压以减少铁损，同时电流随之下降也减少了铜损及无谓的浪费，此时电机的效率将得到改善。电机负荷的检测通常采用功率因数法进行：电机负荷大，则它的功率因数大；电机负荷小，则它的功率因数小。
3. 技术难点及解决
3.1功率因数角的检测。通常情况下电流波形是完整的，通过检测电压和电流的过零点获得的相位差即是功率因数角。但本控制器由于采用了可控硅交流调压，当导通角较小时，电流波形出现断续。电流继续使电流过零检测失效。为此，我们采取电流与微电平比较来获取其正半周连续波形的部分，进而取得近似的相位差。
3.2电压和电流有效值的检测。一般按有效值的定义进行检测的电路需要用到模拟乘法器，因而电路比较复杂，成本也高。由于有效值和绝对平均值之间存在一定的对应关系，并且此处对检测精度要求不高，故我们先检测绝对平均值，再转化为有效值。
3.3强干扰下的系统加固。如果本电器在工厂的恶劣环境下，强电磁干扰会严重影响微机系统的正常，为此我们采取了多种保护措施：将数字电路部分单独安装在金属机壳中，以屏蔽空间电磁干扰；选用优质开关电源和传感器，以减少从线路串入的干扰；在微机外围电路中广泛采用串行接口芯片，以简化电路板布线；采用广泛使用的WDT电路，提高软件抗干扰能力。
3.4可控硅的移相触发电路。在三相交流调压电路中，一个很重要的指标是三相平衡问题。以前的三相交流调压常采用3个单相移相触发芯片设计（如TA785），要细心调试才能达到三相平衡。我们采用最新推出的三相移相触发芯片AT787，简化了电路设计，使该电路免于繁杂的调试；同时还采用了可控硅的强触发技术，使其触发得更准确。
4. 硬件设计
（1）本控制器主要由3部分组成：可控硅及移相触发电路部分，接收控制板的控制信号，实施交流电压的调节；信号检测板部分，接收传感器的信号并进行处理，得到标准电压和电流的有效值及功率因数有送控制板；单片机控制板部分，接收信号检测板的信号，通过控制运算发出控制信号到移相触发电路，实施最佳功率因数控制，同时控制板还通过键盘显示面板对控制器参数进行修改，并显示控制器运行状态。例如：从同步变压器来的三相过零信号经C1、C2、C3电容耦合到6V的直流信号上送入18、2、1脚。TC787对其进行过零检测，经积分电容C4、C5、C6形成以过零点为起点的三角波，与由VR引入的触发控制信号比较，再经C7调制成触发脉冲，由12、9、10、7、8、11脚输出，由脉冲变压器驱动可控硅。
（2）此电路基于基本的绝对值电路，增加了滤波电容C1，将交流信号的绝对值变为平均值；合理设计R5的阻值，将平均值变为有效值。电压信号VA和电流信号IA经与微电平信号REF比较，取得电压和电流信号的正半周；经RC滤波后由信号“或”电路，形成含有功率因数角的信号；由单片机去除其中的电压半周期，即得功率因数角。
（3）TLC0834是4路8位A/D转换器，采集1路电压和3路电流信号；TLC5615是10位串行D/A，将控制量变为模拟电压信号，去控制可控硅交流调压；X25045是含WDT和EEPROM的多功能电路，负责单片机系统的安全监视和重要参数的保护；SN75176是RS485接口，实现连网监控。
5. 软件设计
（1）单片机软件采用C51语言编程，C51与汇编语言相比，有编程效率高、代码易维护等优点。程序主要由键盘与显示监控部分、串行接口芯片驱动部分和信号采集与实时控制部分组成。
（2）串行接口芯片驱动部分，主要是根据芯片厂商时序图，以单片机的I/O口模拟串行口，以实现对串行芯片的读写操作。本课题由于单片机I/O较多，各个芯片采用单独的I/O信号。
（3）信号采集与实时控制部分，以实时时钟为基准，采集电压电流信号对系统的安全进行监视。采集功率因数信号与最优值比较，以PI控制算法进行运算，适时发出控制指令，对电动机进行调压，使其运行于高效率状态。
6. 系统调试
在系统调试过程中，我们发现并处理了如下几个问题。
6.1电动机可控硅交流调压的稳定性问题。由于电动机是大电感性负载，在按外三角接法时最好采用半控形式。其中的数据管发挥了吸收谐波的作用。要使用全控形式，最好采用内三角形式。该接法中各个绕组单独供电，绕组之间不会产生相互干扰。
6.2三相调压移相触发板的器件选择问题。3个积分电容的值必须相互一致，误差在1%以内，调制电容C7的值不能太大，耦合电容C1、C2、C3亦不能太大，不然会使电路不能长期运行，或出现三相的不平衡。
6.3节电控制器的最佳功率因数设定问题。最佳值一般在0.85附近，风机可以设定在0.9附近，针对不同电机而稍有不同。如果超出了此范围，则属不正常现象。因为电动机从理论上有一个在75%～95%负载率附近的最高效率点，若电动机老化而无此特性，则节能不能成立。应用中必须注意此原则。
参考文献
[1]国安.异步电动机△→Y变换运行的节电原理及其效果[J].电工技术，1995（5）：3～7.
[2]李敏、孟臣、孙守昌.单片机控制三相异步电动机节能保护器的研制[J].电工技术杂志，2001（2）：16～18.
[3]王桂良、孙明义.单片微机实用技术[M].四川大学出版社，2000年8月.
[4]史玉升、梁书云.三相异步电动机的节能与安全监控[J].电气传动，2001（2）：48～50.
[5]侯崇升.单片机控制的交流异步电动机节电器[J].电气时代，2002（6）：51～52.
【关键词】三相异步电动机；分类；节能原理；硬件设计；软件设计
三相异步电动机是广泛使用的一种动力机械，每年的耗电量占我国总耗电量的60%以上，占工业总用电量的75%左右。在满负荷工况条件下，电机的效率一般较高，通常在85%左右，有些可达95%以上；然而，一旦负荷下降，电机的效率便随之显著下降。因为电机选型时是按最大可能负荷和最坏工况所需的功率而定的，多数电机在大部分运行时间的负荷率都在50%～60%，所以实际运行时的效率都是比较低的。因此，提高这部分电机的运行效率，有着巨大经济效益和社会效益。
1. 三相异步电动机的分类
（1）按三相异步电动机的转子结构形式可分为鼠笼式电动机和绕线式电动机。
（2）按三相异步电动机的防护型式可分为开启式（IP00）三相异步电动机、防护式三相异步电动机（IP22/IP23/IP24）、封闭式三相异步电动机（IP44/IP54）、防爆式三相异步电动机（IP54/IP55）等。
（3）按三相异步电动机的通风冷却方式可分为自冷式三相异步电动机、自扇冷式三相异步电动机、他扇冷式三相异步电动机、管道通风式三相异步电动机等。
（4）按三相异步电动机的安装结构形式可分为卧式三相异步电动机、立式三相异步电动机、带底脚三相异步电动机、带凸缘三相异步电动机等。
（5）按三相异步电动机的绝缘等级可分B级、F级、H级三相异步电动机。
（6）按定额可分为连续三相异步电动机、断续三相异步电动机、间歇三相异步电动机等。
（7）按运动类型可分为静止电机（变压器） 、旋转电机、直线电机等。
（8）按功率大小、机座号可分为微特电机、小型电机、中型电机、大型电机。
2. 节能原理
电机的效率是电机输出功率与输入功率的比值的百分数。因此供给电机的电能即输入功率并不仅用来驱动电机即输出功率，还有一部分将成为电机固有的损耗。电机的主要损耗为铜耗和铁损，其中铜耗是由于电流流过电机绕组而产生，与电流的平方成正比；铁损是由于定子和转子铁芯中的磁化电流而产生，与供电电压成正比。其它损耗很小，可忽略。调压节电原理是当负荷下降时，可以适当降低电源电压以减少铁损，同时电流随之下降也减少了铜损及无谓的浪费，此时电机的效率将得到改善。电机负荷的检测通常采用功率因数法进行：电机负荷大，则它的功率因数大；电机负荷小，则它的功率因数小。
3. 技术难点及解决
3.1功率因数角的检测。通常情况下电流波形是完整的，通过检测电压和电流的过零点获得的相位差即是功率因数角。但本控制器由于采用了可控硅交流调压，当导通角较小时，电流波形出现断续。电流继续使电流过零检测失效。为此，我们采取电流与微电平比较来获取其正半周连续波形的部分，进而取得近似的相位差。
3.2电压和电流有效值的检测。一般按有效值的定义进行检测的电路需要用到模拟乘法器，因而电路比较复杂，成本也高。由于有效值和绝对平均值之间存在一定的对应关系，并且此处对检测精度要求不高，故我们先检测绝对平均值，再转化为有效值。
3.3强干扰下的系统加固。如果本电器在工厂的恶劣环境下，强电磁干扰会严重影响微机系统的正常，为此我们采取了多种保护措施：将数字电路部分单独安装在金属机壳中，以屏蔽空间电磁干扰；选用优质开关电源和传感器，以减少从线路串入的干扰；在微机外围电路中广泛采用串行接口芯片，以简化电路板布线；采用广泛使用的WDT电路，提高软件抗干扰能力。
3.4可控硅的移相触发电路。在三相交流调压电路中，一个很重要的指标是三相平衡问题。以前的三相交流调压常采用3个单相移相触发芯片设计（如TA785），要细心调试才能达到三相平衡。我们采用最新推出的三相移相触发芯片AT787，简化了电路设计，使该电路免于繁杂的调试；同时还采用了可控硅的强触发技术，使其触发得更准确。
4. 硬件设计
（1）本控制器主要由3部分组成：可控硅及移相触发电路部分，接收控制板的控制信号，实施交流电压的调节；信号检测板部分，接收传感器的信号并进行处理，得到标准电压和电流的有效值及功率因数有送控制板；单片机控制板部分，接收信号检测板的信号，通过控制运算发出控制信号到移相触发电路，实施最佳功率因数控制，同时控制板还通过键盘显示面板对控制器参数进行修改，并显示控制器运行状态。例如：从同步变压器来的三相过零信号经C1、C2、C3电容耦合到6V的直流信号上送入18、2、1脚。TC787对其进行过零检测，经积分电容C4、C5、C6形成以过零点为起点的三角波，与由VR引入的触发控制信号比较，再经C7调制成触发脉冲，由12、9、10、7、8、11脚输出，由脉冲变压器驱动可控硅。
（2）此电路基于基本的绝对值电路，增加了滤波电容C1，将交流信号的绝对值变为平均值；合理设计R5的阻值，将平均值变为有效值。电压信号VA和电流信号IA经与微电平信号REF比较，取得电压和电流信号的正半周；经RC滤波后由信号“或”电路，形成含有功率因数角的信号；由单片机去除其中的电压半周期，即得功率因数角。
（3）TLC0834是4路8位A/D转换器，采集1路电压和3路电流信号；TLC5615是10位串行D/A，将控制量变为模拟电压信号，去控制可控硅交流调压；X25045是含WDT和EEPROM的多功能电路，负责单片机系统的安全监视和重要参数的保护；SN75176是RS485接口，实现连网监控。
5. 软件设计
（1）单片机软件采用C51语言编程，C51与汇编语言相比，有编程效率高、代码易维护等优点。程序主要由键盘与显示监控部分、串行接口芯片驱动部分和信号采集与实时控制部分组成。
（2）串行接口芯片驱动部分，主要是根据芯片厂商时序图，以单片机的I/O口模拟串行口，以实现对串行芯片的读写操作。本课题由于单片机I/O较多，各个芯片采用单独的I/O信号。
（3）信号采集与实时控制部分，以实时时钟为基准，采集电压电流信号对系统的安全进行监视。采集功率因数信号与最优值比较，以PI控制算法进行运算，适时发出控制指令，对电动机进行调压，使其运行于高效率状态。
6. 系统调试
在系统调试过程中，我们发现并处理了如下几个问题。
6.1电动机可控硅交流调压的稳定性问题。由于电动机是大电感性负载，在按外三角接法时最好采用半控形式。其中的数据管发挥了吸收谐波的作用。要使用全控形式，最好采用内三角形式。该接法中各个绕组单独供电，绕组之间不会产生相互干扰。
6.2三相调压移相触发板的器件选择问题。3个积分电容的值必须相互一致，误差在1%以内，调制电容C7的值不能太大，耦合电容C1、C2、C3亦不能太大，不然会使电路不能长期运行，或出现三相的不平衡。
6.3节电控制器的最佳功率因数设定问题。最佳值一般在0.85附近，风机可以设定在0.9附近，针对不同电机而稍有不同。如果超出了此范围，则属不正常现象。因为电动机从理论上有一个在75%～95%负载率附近的最高效率点，若电动机老化而无此特性，则节能不能成立。应用中必须注意此原则。
参考文献
[1]国安.异步电动机△→Y变换运行的节电原理及其效果[J].电工技术，1995（5）：3～7.
[2]李敏、孟臣、孙守昌.单片机控制三相异步电动机节能保护器的研制[J].电工技术杂志，2001（2）：16～18.
[3]王桂良、孙明义.单片微机实用技术[M].四川大学出版社，2000年8月.
[4]史玉升、梁书云.三相异步电动机的节能与安全监控[J].电气传动，2001（2）：48～50.
[5]侯崇升.单片机控制的交流异步电动机节电器[J].电气时代，2002（6）：51～52.