三相异步电动机降压节电运行应用研究

学号 业 设计( 论 文 ) 题 目：三相异步电动机降压节电运行应用研究作 者 邹勇 届 别 2015 系 别 机械工程学院 专 业 机械电子工程 指导老师 李荣华 职 称 副教授 完成时间 2015 年 5 月 20 日 1摘要三相交流异步电动机的节电降压运行一直都是电机领域研究的热点,尤其是如何实现电机节能。本次设计着重从电机节能与降压运行两方面入手，分析运行电压变化对电机损耗的影响；分析电机 Y/ 切换降压运行的工作原理、节能原理、节电效果、节能保护器的使用以及其抗干扰的方法；分析研究降压运行对电机负载能力的及输出转矩的影响；研究降压运行时电机过载保护的整定等问题。在此基础上提出由单片机控制异步电机 Y/ 变换节能保护器的设计方案，并且针对老式电机 Y/ 切换节能保护器在切换时出现的问题提出利用整定临界负载与切换时间的解决方案。最后，通过一系列的实验及材料证明方案的可行性且达到了预期的效果。针对在方案中出现的问题进行更加深层次的探讨，提出进一步的完善了本设计方案方法。关键词：异步电动机; 节能;Y/切换;单片机2AbstractEnergy-saving three-phase AC induction motor is always running down a hot motor field of research, in particular how to achieve electrical energy. The design focuses on electrical energy and run down from two aspects, analyze the impact of changes in operating voltage motor losses; analyzing motor Y / switching step-down operation works, energy principle, energy-saving effect, saving the protected use as well as its interference method; impact analysis study buck running motor load capacity and output torque; research buck runtime tuning motor overload protection and other issues. On this basis, put forward by the SCM induction motor Y / transform energy-protector design, and propose the use of tuning the critical load and switching time solutions switching energy-saving protection that occur when switching problem for the old motor Y / . Finally, through a series of experiments and materials to prove the feasibility of the program and to achieve the desired effect. To explore more in depth against appearing in the scenario problem, further improvement of the present design methodKeywords：Induction motor;Energy saving;Y / switch;Single-Chip Microcomputer3目录摘要 .1Abstract.2第 1章 绪论 .51.1我国电机保护器的发展历史及现状简介 .51.1.1热继电器.51.1.2模拟电子式电动机保护器（电机保护器）.51.1.3数字电子式电动机保护器（电机保护器）.51.2电动机节能的必要性 .61.3电能消耗原因与解决措施的初步分析 .61.4常用的电动机节能保护方法与分析 .61.4.1老式的 Y/转换节能电路.61.4.2电子式软启动器.81.4.3单片机控制的 Y/转换节能保护器.8第 2章 三相异步电动机节能原理分析 .92.1三相异步电动机的功率损失 .92.1.1电机铜损失( ).9CuP2.1.2电机铁损失( ).9Fe2.1.3电机机械损失( ) .9fw2.1.4电机其它损失( ).10sP2.1.5总损失( ).102.2/Y 转换的工作特性 .102.2.1 与 关系分析 .111I2.2.2 与 关系分析 .12COS2.2.3 /Y 转换时 与 关系分析 .1242.3/Y 转换的节能原理.14第 3章 三相异步电动机节能保护器控制结构的分析 .153.1单片机控制电路主芯片分析 .153.2三相异步电动机/Y 转换节能保护器系统框图 .16第 4章 三相异步电动机节能保护器的设计 .174.1电动机节能保护器的硬件电路设计与分析 .174.1.1线性整流滤波电路.174.1.2硬件保护电路.174.1.3保护器硬件抗干扰分析以及抗扰措施.184.2电动机节能保护器的软件电路设计与分析 .184.2.1程序流程图与调试过程.194.2.2保护器软件抗干扰分析以及抗扰措施.20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 .22第 6章对影响电动机节能保护器设计过程的因素的讨论.246.1有关空载电流对保护器的影响 .246.1.1采用交流采样方法.246.1.2采用鉴相器电路.246.2 对于硬件保护有可能躲不开的下启动电流分析 .256.3其他因素考虑 .25总结.26致谢.27参考文献.285第 1章 绪论1.1我国电机保护器的发展历史及现状简介我国的电机保护装置进行完整的仿苏联对自己的设计，升级和智能化的发展阶段。而且，由于微处理器技术在近几年的发展，到电机保护向智能化，多功能的方向提供了一个硬件平台，促使电机保护的快速发展。1.1.1热继电器在建国不久后，我们就推出了苏联的 JR 系列热继电器，开始其电动机保护行业在中国处于职业生涯的半个世纪。在电子行业热继电器尚不发达的时代是电机过载保护，这是使用了双金属片热效应原理的第一选择。然而，由于热继电器存在致命的缺陷，其中包括毛坯设定，受环境影响，重复性差，误差大及功能单一，不能满足日益增长的需求，直到 1996 年八部委联合下发了该淘汰的强制性文件。1.1.2模拟电子式电动机保护器（电机保护器）在上世纪七十年代和八十年代，随着半导体的模拟设备的兴起和普及，更有一批性能可靠，电子式电机保护（电机保护器），电机的可靠运行功能多样化的出现，提供了更可靠的保障的，但因为它的存在调谐的精度不高，采样精度不高，不能达到的各种保护功能于一体的充分保护，并与社会的发展，对于的要求的保护也越来越高，电机保护纯模拟线（电机保护器）正逐渐被取代其他更先进的技术产品。1.1.3数字电子式电动机保护器（电机保护器）这种电机保护（电机保护器）主要以单片机作为控制器，集成的智能电动机保护，有的还具有远程通讯功能，可实现多达 256 个电机联网的 PC 机上实现全面的在线监测和控制，采样和调整精度一个质的飞跃，采样信号可以是非线性校准软件，可实现真有效值计算，从而大大减少了信号波形失真的影响，真正实现了高采样精度，在设置方面采用数字设定，自己的网站通过键盘用户设置，没有错误，但也设置了一些更科学的过载反时限曲线。因为使用单个芯片的使各种硬件在一个集成的保护成为可能的相同的条件下的功能。随着微电子技术，电机保护器（电机保护器）正朝着智能化，集成化，6高精度，高可靠性方向发展。1.2电动机节能的必要性电动机作为拖动系统中的重要组成部分，在国民经济中占重大比例，它几乎应用到了各行各业中，是人民正常生活的重要前提。因此，保证电机节能显得十分重要。我国现在服役的电机系统的总体水平相当于其他发达国家 50 年代的水平，而我国现在制造的高效节能电机所占比例不超 5%且几乎全出口国外。因而电机节能在我国势在必行。近几年在我国的许多省、市出现了缺电的情况，许多地方因此而不得不实行错峰用电，分段限电等。国家计委也对电机节能这方面的发展十分重视，并且在“十一五”节能计划上专门提出，充分说明电机节能在我国发展中的地位。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，在大部分企业应用的电机运行状态大致可以分为非经济运行状态、允许运行状态和经济运行状态。电机之所以会大量消耗电能，主要是因为电机及其系统还在非经济运行状态下运行，同时会大大影响企业的工作效益。纠其主要原因，其实是大部分企业在选配电机容量时，过于追求其较大的安全余量，层层加码，造成电机容量过甚，出现“大马拉小车”的现象，使电机不能被最大化利用，电机的效率及功率因数降低;而且，许多企业在使用电机时采用直接起动，不仅造成对电网及拖动系统的冲击和事故，其高强的起动电流也造成能量的损耗。因此，电机节能的两个方法分别是：根据其负载的不同而调节电机的运行电压；降低其起动电流。1.4常用的电动机节能保护方法与分析1.4.1老式的 Y/转换节能电路这种电路通常应用在电机空载或轻载下启动，其定子绕组采用三角形接7法。 图 1 老式电动机 Y/转换节能电路原理图该电路主要由 LJ（电流继电器）、KT（时间继电器）、FR（热继电器）以及辅助电路组成。其工作原理是:启动 SB1，KMl, KM2 通电，电机在 Y 的方式下启动。SQ（限位开光）受主轴的控制，在主轴启动时， SQ 关闭，KT 通电。在空载或轻载的情况下，定子通过的电流小于 LJ 的额定值，LJ 保持原状，电机仍在 Y 运转。如果在重载地情况下，LJ 通电，其常开开光闭合，KA（中间继电器）通电 KM2 断开，KM3 通电，电机变换为运行。完成后，主轴使 SQ 断开， KT 断开，KM3 断开，KM2 通电，电动机变换为丫运行。该种类形的节能电路控制方便、无谐波污染。但其体积过大、重量过大，保护电路的辅助电路与接线十分复杂，成本也较高。81.4.2电子式软启动器该启动器的主电路一般都采用晶闸管调压电路，启动时，通过单片机等控制系统控其导通角，从而使电机的端电压稳步提升。在运行过程中，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如图 2 所示图 2 电子式软启动器框图该启动器的启动电流较小、转矩平滑、噪音小、检测电流的精度较高、起动时间可控、起动转矩可调、起动电流可调、操作简单、体积小，但其控制复杂、有谐波污染严重且其价格昂贵，因而限制了它的使用范围。1.4.3单片机控制的 Y/转换节能保护器该节能保护器是根据电流检测的结果由单片机控制其是否进行切换以及运行。同前面两种节能器比较，该节能保护器的优点如下:成本低廉、控制较为简单、质量轻、体积小、无谐波污染且切换与启动时间短。但由于现在Y/转换节能保护器电机端电压只有 220V 和 380V 两种，所以其节能效果不如电子式软启动器。9第 2章 三相异步电动机节能原理分析2.1三相异步电动机的功率损失电动机的工作原理为电磁感应，将电能转化为机械能，而在其能量转换的过程中，有些能量的损失时不可避免的，如：铜损失、铁损失、机械损失及其它一些较杂散的损失。2.1.1电机铜损失( )CuP电机的铜损失由两部分组成:定子电流通过定子绕组产生的铜损失； 转子电流通过转子绕组产生的铜损失 。1CuP 2CuP二者的计算公式为：1213RICu其中，R 1 定子电阻;I 1 定子电流。.eCuSP2其中，S 转差率 ;Pe 电磁功