（机械电子工程专业论文）异步电动机节能控制器的研制.pdf

论文题目：异步电动机节能控制器的研制 专业：机械电子工程 硕士生：文微 指导教师：郝迎吉 摘要 ( 签名) 盘i 生 ( 签名) 竿堡l 本论文采用晶闸管相控调压技术，提高异步电动机在轻载或变载运行时的经济性 能。文中阐述了异步电动机调压节能原理，分析了电机降压运行对电机性能的影响以及 电机允许降压范围跟电机负载率的关系。在此基础上，本文提出了一套以单片机为核心、 以晶闸管为调压元件的异步电机节能控制器设计方案，给出了硬件和软件的具体设计思 想。 系统采用嵌入式a t m e g a 4 8 单片机作为控制核心，设计了高压电气隔离、信号变送 测量电路；针对输出功率调节，研制了基于定时计数器的晶闸管相控调压电路。软件采 用模块化思想，完成了基于嵌入式芯片内部资源的功率因数检测、电流电压测量和带有 功率调节功能的晶闸管闭环移相触发等程序设计；采用功率因数和电机电流为依据的双 闭环调压算法，实现了系统的自动调压控制，提出了解决系统输出稳定性和快速性之间 矛盾的新方法；在系统智能化技术研究方面，本文设计了能对多个被控对象实现远程监 控的c a n 通讯网络。 论文首先用m a t l a b 对设计的交流调压方案进行了仿真试验，为优化硬件电路设 计提供了依据，也论证了该方案的可行性。按论文设计方案制作了一台功能样机，完成 了硬件电路设计调试与软件编程，以3 8 0 v 2 2 k w 的三相异步电动机为试验对象进行了 实际加载性能测试，电机在空载运行时功率因数提高了1 6 4 、节电大约2 4 。 关键宇：单片机；异步电动机；节能；晶闸管 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ed e v e l o p m e n to fe n e r g y - s a v i n gc o n t r o l l e rf o ra s y n c h r o n o u s m o t o r s p e c m l t y ：m e c h a t r o n i ee n g i n e e r i n g n a m e：w e nw e i i n s t r u c t o r ：h a oy i n g - j i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g 船t u 吐j 出跚。 t h i sp a p e ra d o p t st h et e c l m o l o g yo fp h a s ec o n t m | t i n gv o l t a g eb a s e do nt h y r i s t o rt o i n c r e a s e a s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o re c o n o m i c a le f f i c i e n c y , a n a l y z e st h ee n e r g y - s a v i n g p r i n c i p l eo fa l t e m a t i n gv o l t a g ef o ra s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o r , d i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo ft h e v o l t a g ec h a n g i n go nm o t o r sp e r f o r m a n c ea n dt h ea l l o w i n gs c o p eo fr e g u l a t i n gv o l t a g ew i t h c h a n g e so fl o a d s b a s e d0 1 1t h e s e ，t h ep a p e rp r e s e n t sa s c h e m eo fe n e r g y - s a v i n g ，w h i c hi s c o r e da sm i c r o c o m p u t e ra n dr e g u l a t e db yt h y r i s w r , a n dg i v e sd e s i g ni d e a sb o t ho fh a r d w a r e a n ds o f t w a r e t h i ss y s t e mu s e sa t m e g a 4 8m i c r o c o m p u t e r 鹊ac o l e , d e s i g n sh i g h - v o l t a g ei s o l a t i o n c i r c u i t s ，s i g n a l sc o n v e r t e da n dm e a s u r e dc i r c u i t s , a n dt h et h y r i s t o r sp h a s ec o n t r o l l e dc i r c u i t s f o rr e g u l a t i n gm o t o r so u t p u tp o w e r t h es o f t w a r ea d o p t sm o d u l a ri d e a , d e s i g n sp o w e rf a c t o r h k a s i h e dp r o g r a m s , v o l t a g e sa n dc u r r e n t so fm o t o rm e a s u r e dp r o g r a m sa n dt t r f i s t 甜 t r i g g e r e dp r o g r a m s t h i ss y s t e ma d o p t sd o u b l ec l o s el o o p sc o n t r o lo fb o t hp o w e rf a c t o ra n d c u r f e i l tt or e a l i z ea u t o m a t i c a l l yr e g ：i l i a t em o t o r sv o l t a g e s p u t sf o r w a r dt h en e ww a yt 0r e d u c e t h ec o n f l i c tb e | 旧嘞s t a b i l i t ya n df a s tr e s p o n , s e , d e s i g n sc a nb u sw h i c hi sc o n v e n t i o n a lt o r e a l i z er e m o t en 组s 峨a n dc o n t r 0 1 f i r s t , t h ep a p e rl i s 部m a t l a b 协s i m u l a t et h er e g i l l a t i u gv o l t a g es c h e m ef o rt e s t i f y m g t h ef e s s i b i l i t ya n do p t i 玎l 啦i t sh a l d w a z - ed e s i g n t h e n ，w em a k eo n es a m p l e ，h a v ed e s i g n e d a n dd e b u g g e di t sh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e ，a n dh a v ef i n i s h e dt h el o a d i n gp e r f o r m a n c e t e s to n3 8 0 v 2 2 k wt h r e ea s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o r t h er e s u l ts h o w st h i se q u p m e n ts a v e s 2 4 3 e l e c t r i c i t yq u a n t i t i e sa n dp o w e rf a c t o ri n 程错i s e s1 6 4 w h e nm o t o r i sr u n n i n gw i t h o u t l o a d 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：文和a 日期：d ) 声碉卯习 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：鼢 指导教师签名：妖矾 叼年厂月2 以e t 1 绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 l 绪论 1 1 1 本课题的研究背景 交流异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、 很少需要维护及可用于恶劣环境等优点，在工业、农业、交通运输、国防军事和日常生 活中得到了广泛的应用，当前大部分工业拖动都是以交流异步电动机作为动力，包括风 机、水泵、油泵、压缩机等，其耗电巨大，用电量占电网总负荷的6 0 以上【l j 。 电机耗电量如此之大，在使用过程中其效率又是如何? 为此，作者分别在陕西黄陵 2 号煤矿和甘肃长庆油田进行了现场测量。黄陵2 号煤矿风机电机的额定电压为l l k v ， 额定功率为5 螂。采用华东测控公司出品的p d m 8 0 眙c m 智能综合电量变送器对风 机各种电量进行采集，测试结果如图1 1 所示。在图1 1 中，可以明显看到风机电机的 功率因数不是很高，其最大功率因数不超过o 5 9 ，最高负载率不超过5 7 。 甘肃长庆油田抽油机使用的电机额定电压为3 8 0 v ，额定功率为1 8 5 k w 。其测试数 据如图1 2 所示。由于长庆油田采用游梁式抽油机，电机负载为变负载。抽油机在吸油( 即 油杆提升) 过程中，电动机处于重负载运行状态：而当抽油杆下降时，电动机则处于轻 载或空载状态。图1 2 中，抽油机曲柄上升到最高点时( 曲柄转角为1 8 0 0 ) ，电机处于重 负载状态，功率因数为0 5 1 ；抽油机曲柄下降到最低点时( 曲柄转角为3 6 0 。) ，功率因数 仅为0 0 7 。 1 m t o o 月量， 功 皇 因 薮 值 图1 a 黄陵2 号煤矿电机特性曲线 图1 2 长庆油田电机特性曲线 从图1 1 、图1 2 中可以看到异步电机工作点常远离额定工况点。众所周知，在额定 谤功奉互一 研柚 挪撕脚 功奉因数值 西安科技大学硕士学位论文 工况条件下，电机的效率一般较高，通常在8 0 左右：然而，一旦负荷下降，电机的效 率便随之显著下降。而电机选型是按最大可能负荷和最坏工况所需功率确定的。大多数 情况下，电机工作在轻载和变负载工况下，造成了“大马拉小车”的情况，导致电机偏 离最佳工作点，运行效率较低，势必造成了很大的电能浪费，因此提高异步电动机的效 率很有必要。 1 1 2 本课题的研究意义 能源是国民经济的基础产业，对经济持续快速健康发展和人民生活的改善发挥着十 分重要的促进与保障作j 羽1 2 1 。随着我国经济的快速发展，能源生产与消费的矛盾、能源 与环境的矛盾越来越严重。从长期来看，我国的能源形势非常严峻。我国人均能源占有 量与世界平均水平比较，煤炭为5 1 3 0 、石油为1 1 3 0 0 , 4 、天然气为3 7 8 。因此，为 了实现可持续发展，我国必须建立起高效的常规能源利用体系，并积极开发可再生能源。 其中，提高能源利用效率应该作为我国目前能源政策的首要选择 3 1 。 电机节能不但能产生巨大的社会效益，而且能带来巨大的经济效益。据统计电动机 节能率每提高一个百分点，我国每年就能节省电费几十亿元 4 1 。因此，至今研究异步电 动机降耗节能仍有重要的实际意义。 1 2 异步电动机节能控制的基本方法 1 2 1 用高效电机取代高耗能电机【5 】网 电机是量大面广的高耗能产品，我国电机的总装机容量已达4 亿多千瓦。我国各类 在用电机中，8 0 以上的为0 5 5 2 0 0 k w 以下的中小型异步电动机，其中相当于世界5 0 年代技术水平的j 0 2 系列的电机约占3 0 ，相当于7 0 年代末的y 系列电机不足7 0 0 4 ， 具有年代水平的y x 系列的高效电机所占的比重更是微乎其微，我国在用电机拖动 系统的总体装备水平仅相当于发达国家5 0 年代的水平。 由于我国电机系统的效率较低、设计、选型匹配不尽合理等各种原因，使得我国电 机拖动系统的能源利用效率约比国外低2 0 0 , 4 以上。因此用高效电机取代一般的高耗能电 机，提高我国电机的运行效率，节能效果显然是巨大的。但是，电机更新换代，所需成 本巨大。业内有关专家估算，改造和更新预计需要5 0 0 亿元左右。高效电机不但造价较 高，而且经济效果极大的取决于负载情况。对于长期工作在额定负载附近的场合，其节 能效果达到最佳。 1 2 2 变频调速节能 变频调速是通过改变供电电压的频率，从而改变电动机气隙中的旋转磁场速度来进 2 1 绪论 行调速的。因此，运行时转差率总是很小，所以转子电流和转子铜耗都不大。通常按 u f 为常数的原则进行调速，所以气隙磁通密度可保持不变，激磁电流也不变，定子电 流不大，定子铜耗很小。随频率的降低，铁耗也相应降低，达到节能的目的。 近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术与电力开关器件的发展，交流变频技 术从理论到实践逐渐走向成熟。交流变频调速以其效率高、调速范围大、调速精度高、 特性硬、无级调速等优点，在各种交流调速系统中逐渐占主导地位，特别是在风机，泵 类负载中，得到了广泛的运用。但由于变频器价格昂贵，在一定程度上限制了它的推广 应用。 1 2 3 无功补偿节能 电动机可看作一个感性负载，其在能量传递过程中建立磁场，在一个周期内吸收的 功率和释放的功率相等。无功功率对电机的运行是十分重要的，不可缺少的。无功功率 是由电网经变压器输送到电机的。对用户而言，无功功率最大危害是增加设备及线路电 耗。 通过无功补偿，加入电容后，将电动机所吸收的无功功率由电容来补偿，从而使电 网输送的无功功率减少，功率损耗下降，达到节电目的。试验表明，在7 台2 2 k w 的电 动机上装配7 5 k v a 电容器后，电动机功率因数平均由2 6 提高到4 3 ，可使线路损耗减 少6 3 4 i 刀。无功就地补偿只对长期空载或轻载运行的电动机有用。对于负载频繁变化 的电机，没有必要采用自动投切的电容器组补偿，这样会增加成本，降低可靠性，是得 不偿失之举。 1 2 4 异步电机碉压节能 在调压节能控制方法中，主电路一般采用晶闸管调压电路，六只两两反向并联的晶 闸管串接在电动机的三相供电线路中通过改变晶闸管控制角的大小，调节交流电动机 定子端电压以减少电机的铁损和铜损，从而提高电机功率因数和效率。本文将采用这种 方法提高电机在轻载或变载运行时的经济性。 1 3 异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势 国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，1 9 7 5 年美国宇航局工 程师f r a n kn o l a 为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控制器唧。这种装置 的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号，并通过该类装置控制定子端电 压来调节输入功率，使其随负载的变化而变化。目前，世界上有许多公司都生产节能控 制器，如美国a l l e n - b r a d l e y 公司，g e 公司等。这些公司的产品集软起动、节能、电机 保护于一体，并且有良好的用户界面，通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统参数 3 西安科技大学硕士学位论文 和得到控制器运行状态。 我国也从八十年代开展了大规模节能装置的研究。据国家第七批节能产品推广项目 介绍，研制出了i d ，d j z ，x s z 等等一大批系列节电器。其空载节电率大于3 0 左右， 轻载( 小于3 0 负载率) 为3 3 4 3 左右【9 l 。与国外相比，国内集软起动、节能、保护 于一体的电机节能控制器的研制起步较晚，但发展很快。目前市场上已有深圳、山东德 州等多家企业的产品。但这些产品功能还不完善，性能不稳定，界面不友好，同国外产 品比较还有很大差距。而国外产品价格昂贵，操作复杂，对使用人员要求高，限制了在 国内的推广。在应用上，国内使用智能型电机节能控制器的场所还很少，所以目前研究 智能型电机节能控制器这种产品有非常广阔的市场前景和社会意义。 1 4 本课题的主要工作内容 本课题的目标是研制出异步电机节能控制器，它能够根据电机负载的实际情况改变 晶闸管控制角，调节电机端供电电压，使电机输入功率和输出功率匹配，减少电机损耗， 从而提高电机运行效率。本课题主要工作内容如下： ( 1 ) 分析异步电机降压节能原理和降压运行对电机性能的影响。 ( 2 ) 设计三相交流调压电路，并进行电路仿真。 ( 3 ) 完成功率因数在线检测。由于采用晶闸管调压，输出电压不再是完整的正弦波， 电机电流有可能出现断流现象。为了保证测量的准确性，因此有必要研制出一种新型的 功率因数在线检测技术。 ( 4 ) 采用a t m e g a 4 8 单片机为核心控制单元完成电机节能控制器的硬件设计 ( 5 ) 完成电机节能控制器的软件设计。 ( 6 ) 制作功能样机并进行实际性能测试。 4 2 异步电动机调压节能基本原理 2 异步电动机调压节能的基本原理 2 1 异步电机损耗分析 电动机根据电磁感应原理工作，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耗。电动机的功率损耗包括：铜损耗、 铁损耗、风摩损耗和杂散损耗嘲。 2 1 1 铜损耗p 0 l 电动机的铜损包括定子铜损p 伽和转子铜损p 。它们是由定子电流和转子电流流 过定子、转子绕组而产生的焦耳热。 p c e l = 3 i i z r l ( 2 1 ) 式中，i l ，为定子每相电流；r l 为定子每相电阻； p c u 2 = s p m ( 2 2 ) 式中，s 为转差率；p m 为电磁功率。 2 1 2 铁损耗p f c r 电动机的铁损耗包括磁滞损耗和涡流损耗，它是铁芯在磁场中受交变磁化作用产生 的。定子铁心损耗可由式( 2 3 ) 计算。 p f e l _ k 1 岔+ k 2 产b 2 d 3 8 2 ( 2 3 ) 式中f 为磁通变化密度；b 为磁通密度；k l ，k 2 ，k 为电机常数；f ，为磁通变化频 率，也就是电源频率。 式( 2 3 ) 中k l 妇b 2 为磁滞损耗，k 2 f 2 8 2 为涡流损耗。对叠片铁心，一般磁滞损耗占主要 成分，所以总铁损大致与f 的1 3 次方成正比，与b 的平方成正比。由于铁损p f e 正比 于磁通密度的平方，而磁通密度又大致与电机端供电电压u l 成正比。所以，p r e o o u l 2 。 由于转子电压频率很低( 一般只有1 3 h z ) ，转子铁芯的损耗很小，因此可以认为 异步电动机的铁损耗仅是定予铁芯损耗，即p i k - - p h l 。 2 1 4 风摩损耗p f w 风摩损耗p 主要包括通风系统损耗及轴承摩擦损耗。通风系统损耗主要为产生冷 却电机的气流所需的风扇总功率，它跟通风风量的立次方成正比。 一般认为，对某一确定的电动机，其风摩损耗为常量。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 1 5 杂散领耗p z t s l 电动机的杂散损耗包括铁杂损耗和铜杂损耗。铁杂损耗发生在定子与转子的齿隙 中，是由于齿磁通在转子旋转时发生脉动而产生的，通常称为脉动损耗或表面损耗。可 近似认为：铁杂损耗与外加电压的平方成正比。铜杂损耗是由于高次谐波磁势的影响产 生的。可近似认为：铜杂损耗与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。 可见，杂散损耗部分取决于电压，部分取决于电流。对于感应电动机来说，铜杂损 耗是主要的，约占电动机杂散损耗的7 0 9 0 。 感应电动机杂散损耗可由测功机法、回馈法、反转法测得。它在总损耗中占的比例 很小。在小型铸铝转子笼型感应电动机中，满载下杂散损耗可达输出功率的1 3 ， 在大型的感应电动机中，杂散损耗一般为输出功率的5 。 2 2 异步电机功率关系 进行频率和绕组规算后，得到异步电动机的t 型等效电路【瑚，如图2 1 所示： 图2 1 三相异步电动机的t 型等效电路 在图2 1 中，r l ，电机定子每相的绕线电阻；x t ，电机定子每相漏电抗；，辟， ， 励磁电阻，它是等效铁损耗的参数；轴，励磁电抗；等，折算到定子边的转予绕线 d 电阻；x 2 ，折算到定子边的转子漏电抗；s ，转差率；u - ，定子的相电压；1 1 ，定 子电流；l ，定子的励磁电流分量；，2 ，折算到定子侧的转子电流。 从图2 1 可见，异步电动机从电源输入的电功率p l ，其中一部分将消耗于定子绕组 的电阻而变成铜耗p 钿，一部分将消耗于定子铁心变为铁耗p f e t ，余下的大部分功率将 借助于气隙旋转磁场的作用，从定子通过气隙传送到转予，这部分功率称为电磁功率， 用p h 表示 写成方程有： p m - - - - p l p o i i p f a ( 2 4 ) 6 2 异步电动机调压节能基本原理 传送到转子的电磁功率p m 中，部分转变为转子铜耗，其余部分转换为机械功 率p 派机械功率p 中扣除风摩损耗p 和杂散损耗p z ，可得转子轴上输出的机械功 率p 2 。 p 2 = p 一p f w p z( 2 5 ) 从式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可以得到异步电动机功率流程图，如图2 2 所示。 嚣呸斋 p c u lp f 1p c u 2 p p - r + p z 圈2 2 异步电机功率流程图 2 3 异步电机调压节能基本原理 f 2 大部分异步电动机运行点并不在额定工况。有些负载是变动的，运行点常偏离额定 点，如抽油机电机的工况点；有些由于选择电机容量偏大，长期运行于轻载工况。当负 载小于额定值三分之一时，即俗称“大马拉小车”，这时电机的效率和功率因数都很低。 而一般异步电动机是根据满载或四分之三负载的效率值作为设计依据，并没有顾及轻载 点，因而异步电动机具有很大的节能潜力。 调压节能的基本原理是在电动机轻载时，降低电机输入端的电压，减少电机铁损， 来提高电机运行效率。电压降低后，气隙主磁通大体上成正比下降，即如u i ，电机定 子电流中的励磁分量，也随着下降，由于饱和程度的下降，使，值随u - 下降的冥次大 1 1 于1 。但一下降后，在电机轴输出功率不变的情况，由于，：o o o o ：j = l ，电机转子电流j ： 曲 u 1 1 将会上升这些变化对电机损耗影响如下：转子铝损函f 2 2 0 0 去，定子铁损 u t 。 p 椭咖2 0 0 u ：定子电流五由死及五两向量和成。电压下降合适时，电流五可以减小， 定子铜耗也相应的减少。当然下降不合适时也会使定子电流，t 增大，定子铜损也会相应 增加。风摩损耗贝一般变化不大，杂耗随定转子电流大小而变。因而总损耗是否能减少， 取决于铁损，定子铜耗与转子铝耗三者的关系，很重要取决与定子电流是否减少。如图 2 3 所示，元与万及瓦的合成关系与 的大小及t p 角有很大的影响，对于妒角大及，大 的电机，- 中，。的分量占的比例较大，特别是轻载时，1 2 分量较少，减压运行可以达 到节能的目的。从这个定性上分析可以得到调压节能的条件嘲： ( 1 ) 电机的励磁电流 较大，功率因数较低； ( 2 ) 铁损较大； ( 3 ) 轻载运行 7 西安科技大学硕士学位论文 | 1 1 1 1 1 1 i i | i i i i l 根据这三个条件可知，中小型电机比较符合前两条，而大型电机一般不符合上述条 件。所以，调压节能适合于轻载运行的中小型异步电动机。 圈2 3 异步电机向量图 2 4 电压变化对电机性能的影响 2 4 1 电压变化对电机输出转矩的影响 电机输出转矩不仅与电动机的结构参数有关，而且还与电源电压【，频率极对 数有关1 1 l 【1 2 】，如式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 、式( 2 8 ) 所示。 肘2 不两p x u 2 孚 肘= c k ，2 c o s 恤 m s | s - + s i | s ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 正常情况下，电机转矩随时随地与负载转矩相平衡，只要负载不要超过额定值，电 动机总是能保持稳定运行。但如果电机端电压发生变化时，电机是否还能保持稳定运行 呢? 本文对恒转矩和变转矩这两类不同性质的负载分别进行分析。 ( 1 ) 恒转矩负载 由式( 2 6 ) 知，降低电机供电电压时，电动机的转矩m 将按电压的平方降低，但临 界转差率鼬不变。降低电压时，某一台电动机的人为特性曲线如图2 4 所示。由图可知： 对于恒转矩负载，当异步电动机在轻载运行时，即使供电电压变化很大，转速变化不大， 电动机总能保持稳定运行，如图2 4 中的工况点a ；而电机运行在重载时，如果电压降 低，转速很快下降，使电动机失去稳定，直至停转，如图2 4 中的工况点b 。所以说，。 降低电压的节能措施，能否使系统保持稳定运行是有一定条件的。本文将在下节详细阐 述保持电机稳定运行的条件 8 2 异步电动机调压节能基本原理 弋 夕”广 肜 图2 4 异步电机人为特性曲线 ( 2 ) 变转矩负载 变转矩负载可表示为 缸= m - + k m 4 ，式中a 为负载性质指数。对大多数风机、泵 类负载，可写为： ， m c ：m o + o 8 5 ( 马2 肠。 ( 2 9 ) 万 可见机械转矩与转速的平方成正比，这是因为转速降低后，风量、水量也跟着降低 的缘故。当电机转速降低后，转差率s 也有一定程度的降低，同时转矩埘0 也跟着降低， 这就允许调压的范围变大。不仅在o 抽的线性工作段可以稳定工作，而且在转矩曲线 处( 如图2 5 中的c 点) 也能稳定工作。 图2 5 变转矩负载的机械特性 2 4 2 异步电机调节电压的允许范围 异步电动机采用降压节能方式运行时，必须满足两个先决条件：首先必须保证电机 的稳定运行。也就是在一定负载下，电压降低时，必须使电机保持最大转矩倍数。其次， 转子电流不能超过额定电流值，否则会造成转子过热，严重时会烧毁电机【1 3 1 。对于异步 9 西安科技大孕硕士擘位论文 电动机有如下关系成立。 & ；坐： ( 2 1 0 ) n = 1 。f p 2 n ( 2 1 1 ) h = 篆 ( 2 1 2 ) 知 、7 & = 篆 如 批= 篆 胁 、 6 , = 旦 ( 2 1 5 ) 其中p ，电机的极对数；，电机供电电压；坛，任意负载是电机可以输出的最 大转矩；m s ，额定负载时电机的输出转矩；m c ，任意负载时电机的阻转矩；b s ，额 定负载时电机的最大转矩倍数；乱，任意负载时电机的最大转矩倍数；眦，电机负载 率；疋，调压后的实际电压与额定电压之比。 要想使任意负载和一定电压下保持最大转矩倍数，也就是h 。由式( 2 1 0 ) 可知， 则只要令! 竺l 就行了，即忍磊。因此，电机负载率越低，降压范围就越宽。只要 知道负载率眦。就可求出电压的允许降低率缸电机k 通常在1 6 2 2 之间，实际上 如果电机没有什么振动和其他干扰，在这种情况下，只要孔保证在在1 3 1 4 倍就可以。 例如，在负载率眦= o 4 ，b n = 1 6 时，电机供电电压从3 8 0 v 降到2 2 0 v 时， 挑= 笔届1 = 石1 j 6 j 2 寻2 02 = 1 3 4 。其过载能力基本满足。在这种情况下同时校验转子电 流是否超过额定值。由式( 2 1 1 ) 可知； t 尝i2 7 1 = 卺 ( 2 1 6 ) 尼 、7 在上例中，船= o 4 ，缸= 2 2 0 3 8 0 = o 5 7 9 。= ：* o 6 9 l ，也同样满足要求。 因此，如果电机在轻载时i 降压后可稳定运行。如果在重载时，是不允许降压运行的 例如，电动机的b s = 1 6 ，负载为恒转矩负载，并在重载运行。当电机端电压降至o 8 撕时， 由式( 2 1 3 ) 可知，此时机“1 ，膨* 厶，即负载转矩已达到了电机的最大转矩，电机已经 没有过载能力。此时若受电压或频率的波动，电动机就可能因不能承受而降速，直至停 1 0 2 异步电动机调压节能基本原理 r t 转。另一方面，转子电流随电压降低而增大，当，2 = 毒；兰l * 1 2 5 j 2 3 ，达到额定电流 u 5 m e 1 2 5 倍时，转子绕组就可能因过热而烧坏。 顺便指出，对恒转矩轻负载，调压仅仅在于提高电动机的功率因数，节约电动机本 身的有功和无功损耗；而对变转矩负载来说，除了节约这部分损耗外，还可以减少输出 功率，节能效果更为显著。 2 4 3 电压变化对电机功率因数的影响 由于电压降低总是使电机励磁电流 减少，转子电流i 2 增大。在图3 4 图可知， 尽管定子电流，有可能增大或减少，但定子电流，- 和电源之间的相角妒总是减少的。所 以说，功率因数将随电压的增加而减小，随电压的减小而增大。 表2 1 列出了不同负载时电压变化对电机各项性能的影响。 表2 1 电压变化对异步电动机性能的影响旧 电压变化范围 9 0 电压比例关系1 1 0 电压 启动转矩 弋1 7 1 9 ) , 4 f也1 - 2 3 ) 转差率 + 2 3 l ，u 2- 1 7 额定负载时转速 + 1 5 + l 额定负荷 一2 稍有增加 效率3 4 负荷无变化无变化 i 2 负荷吖l 以) 一1 - 2 1 额定负荷 + 1 3 功率因数3 4 负荷h 2 3 ) 啪 1 2 负荷 h 扣5 ) - ( “) 额定负荷时的电流 + i l 一7 启动电流- ( i o - 1 2 ) o , 4 v 吖1 0 , - - 1 2 ) o , 4 额定负荷时的温升q 6 0 ) - 1 2 ) 电磁噪音稍微降低 略有增加 2 5 本章小节 本章分析了异步电动机的功耗，阐述了异步电机降压节能基本原理，讨论了降低定 予端电压对电机性能的影响，并由此确定电机在安全运行条件下，电动机调压范围跟其 负载率的关系。 西安科技大学硕士学位论文 3 1 主电路的选取 3 1 1 调压方式的选取 3 系统总体设计 在工频电源和负载之间接入晶闸管调压器，就可以改变负载端的电压。用晶闸管调 压的方法有两种：一种是相控调压，另一种是斩波调压f 1 4 】。斩波调压就是用双向晶闸管 作为静止接触器，交替的接通与切断几个周波的电源电压，用改变接通时间与切断时间 之比来控制输出电压的有效值。但是斩波调压用在异步电动机上，通断交替的频率不能 太低。否则一方面会引起电动机转速的波动，而另一方面每次接通电流相当于一次异步 电动机重合闸过程。当电源断开时，电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持， 并随转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电势频率将有所变化。当断流时间间隔 稍长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电压在相位上可能会有 相当大的差别，这样就会出现较大的电流冲击，可能危及晶闸管的安全如通断交替频 率较高，每次通断时间隔中交流电周波数较少，采用整周波斩波控制方法可能调压不够 平滑，所以在异步电动机的调压控制中多用相控技术，当然采用相控技术在输出电压波 形中含有相当大的谐波，在异步电动机中会引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。 此外，由于异步电动机是感性负载，当交流调压电路带感性负载时，只有当移相角0 大 于感性负载的功率因数角9 时，才能起调压的作用，因为当0 矿时，电流导通的时间 将始终保持在1 8 0 0 ，相控不起任何调压作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下， 还会出现只有一个方向的晶闸管在工作，负载上可能出现直流分量，危害晶闸管的安全。 因此在使用相控晶闸管电路是必须采用宽脉冲或脉冲串触发，移相范围限制在 d p o 1 8 0 。 在晶闸管交流调压系统中，晶闸管可以借负载电流波形过零而自行关断，不需另加 换流电路，所以其主要优点是线路简单、调压装置体积小，价格低廉、使用及维修方便。 本系统采用晶闸管相控调压的技术，采用图3 1 所示的主电路，用六个两两反向并 联的晶闸管串连在电机主供电回路中 3 系统总体设计 图3 1 交流调压主电路 3 1 2 晶闸管相控调压原理 晶闸管调压单相等效电路如图3 2 所示，其中z l 为电机一相等效阻抗，u i 为电网相 电压，u l 为晶闸管输出电压。设所= 压u s i n w t 。 u i 霪 一 伊 黝办 图3 2 晶闸管单相调压电路图3 3 晶闸管输出电压波形 图3 3 为一路晶闸管输出波形示意图。晶闸管控制角0 和功率因数角伊决定了晶闸 管的输出电压值。晶闸管正负半周的触发是对称的，晶闸管的输出电压有效值u 。可由式 0 1 ) 计算： u l = = u = f ( u ，0 ，力 ( 3 1 ) 可见，u l 是晶闸管控制角0 、功率因数角矿及供电电压u 的函数。当供电电压不 变时，通过改变晶闸管的控制角，可以改变晶闸管的输出电压。 1 3 西安科技大学硕士擘位论文 3 2 系统总体结构设计 当电机节能控制器的控制对象为三相异步电动机时，主电路需要串入6 只两两反向 并联的晶闸管，如图3 1 所示。主电路中3 对两两反向并联的晶闸管，系统分别对其触 发，如图3 4 所示。从控触发板l ，同步电压来自u 幽负责触发t a + 、1 a ；从控触发板 2 ，同步电压来自u 。负责触发t c + ，t c - ；主控触发板，同步电压来自u b 负责触发 t b + 、t b 一。各个触发板以及触发板与工控机之间通过c a n 总线交换数据。主控触发板 根据所检测到的功率因数和电流值的大小实时调整晶闸管的控制角，再通过c a n 总线 把调整后的控制角，传送给从触发板，以保证每个晶闸管的控制角相等。主触发板和从 触发板的硬件设计完全相同，只是主触发板的软件设计增加了晶闸管调压子程序，其它 软件部分完全相同，所以本文在下面的章节中只介绍主触发板软硬件的具体设计。 采用这种电路的好处是：由于各相同步电压分别取自各自的线电压，因而系统不需 要零线；另外，当相序改变时，同步电压随之改变，可以保证系统正常工作。 图3 4 系统总体结构 3 3 系统主要硬件组成 系统硬件结构如图3 5 所示。主要由电源模块、同步信号检测模块，功率因数测量 模块、电流值检测模块、电压值检测模块、触发电路以及数据传输模块等组成。电源模 块从线电压中获取能量，然后转换成各个模块所需要的电压本系统中需要+ 1 0 v ，+ 5 v ， 5 v 的直流电压，通过变压器、整流桥、l m 7 8 0 5 ，7 6 6 0 s 等硬件来实现。功率因数测量 模块，首先把正弦波形或者准正弦波的电压、电流信号调理成幅值为5 v 的方波信号， 然后送入单片机的捕获引脚，通过单片机内部的捕获单元来测量电压与电流之间的相位 差。触发电路主要由脉冲变压器和驱动器构成，完成晶闸管可靠触发。电压值检测模块 和电流值检测模块首先调理待检测信号，然后把调理后的信号送入单片机内部a d 进行 1 4 3 系统总体设计 模数转换。数据传输模块采用c a n 总线，主要完成上下位机以及触发板之间的数据传 输，实现相互之间的数据交换 电源模块l 一同步信号检测 功率因数检测l c p u一触发电路 电流值检测卜- 电压值检测卜_ 一数据传输模块 3 4 系统总体软件设计 3 4 1 控制量的选取 图3 5 系统硬件结构框图 由图2 1 可知，降低电机供电电压后，定子电流可能增大或减少，但定子电流与电源 之间的相角c p 总是减少的，电机功率因数是增大的。当负载增大时，电机输出有功功率 增大，转子电流增大，电机功率因数也相应的增加。所以电机功率因数可以反映电机负 载变化。当负载率低时，功率因数也较低。这时候，可以通过降低电机端电压来提高其 功率因数。 本控制器首选功率因数作为系统的一个反馈控制量。在稳态下，负载和转速保持恒 定时，电机功率因数控制法是一种简单有效的能量最优控制方法1 1 5 j 同时，为防止突加负载引起停车现象发生，引入电流反馈控制量。根据电流变化量 的大小，来配置突增负载工况诊断和快速升压控制措施。当电机电流变化不大，系统主 要以功率因数调节器调节晶闸管控制角；当负载突然增大时，电机电流也会发生突变， 这时候系统主要以电流调节器迅速调节晶闸管控制角，来快速提高电机端电压，避免电 机堵转。所以，增加电流反馈量，不但可以提高控制器的响应速度，而且便于系统增加 过电流保护功能。 3 4 2 总体软件设计 该系统涉及到节能控制器下位机软件设计和上位机软件设计。下位机选用w m a v r 作为编译调试软件，上位机选用l a bw m d o w s c v i6 0 作为调试编译环境。 下位机软件需要完成功率因数、电机电压、电机电流各信号的检测，以及根据这些 1 5 西安科技大学硕士学位论丈 信号量，采用预先设定的算法，来调整晶闸管的导通角并完成晶闸管的移相触发。下位 机软机主要包括晶闸管调压程序、外部中断程序、功率因数检测程序，电流电压采集程 序等。上位机主要与节能控制器交换数据，功能较为简单，而下位机需要实现各参数的 检测和电机电压的实时调整，所以下位机软件是整个软件设计的重心 3 5 本章小节 本章介绍了系统的组成和工作原理。通过本章分析，表明该系统融合了单片机技术、 控制技术、晶闸管变流技术，实现了电机节能控制器的自动化和数字化。 1 6 4 系统硬件设计 4 系统硬件设计 系统的硬件电路由主电路和控制电路组成。主电路如图3 1 所示，主要由晶闸管等 单元组成；控制电路如图3 5 所示，主要由a t m e g a 4 8 单片机、晶闸管触发模块、同步 电路、功率因数检测模块、模拟信号采集模块、通信模块、电源模块和看门狗电路等组 成，下面逐一介绍。 4 1c p u 单元 4 1 1 主控芯片的选取 电机节能保护器需要在一个周期内( 5 0 h z ) 根据所检测的功率因数和电流值计算出 下个周期晶闸管控制角的大小，并发出触发脉冲串触发晶闸管，因而对节能器主控芯片 的处理速度要求不是特别高。目前市场上的主流单片机和d s p 时钟周期基本上都在1 m 以上，可以满足节能控制器计算速度要求。而且单片机跟d s p 其他微控制器相比具有 价格低廉，开发环境简单易学等优势，所以本课题采用单片机为主控芯片。 目前市场上常见的单片机有5 l 系列，a v r 系列，8 0 5 1 f 系列。5 l 系列单片机在国 内有广泛的市场，应用面比较广。8 0 5 1 f 系列单片机完全兼容5 1 系列单片机，集成了 f l a s h ，r a m ，高精度a d ，d a 等外围电路，因而其价格也相对偏高。a v r 中的a t m e g a 4 8 单片机内部集成了较大容量的存储器( 4 k ) 和丰富强大的硬件接口电路而采用小引脚封 装，所以其价格与低档单片机相当，另外其稳定性和抗干扰性方面较8 9 s 5 1 单片机更为 出色。笔者曾经用a t m e g a 4 8 与8 9 s 5 1 单片机做过对比实验。a t m e g a 4 8 单片机关闭内 部看门狗后，采用非隔离方式直接驱动继电器，其运行稳定，不会出现程序跑飞和复位 现象。而采用8 9 s 5 1 单片机作为控制芯片，系统经常复位。这是由于a t m e g a 4 8 单片机 采用c m o s 工艺，可以在宽电源范围内( 2 7 v - - - 5 5 v ) 工作，所以其稳定性较为出色。因 此，综合考虑本系统选用a t m e g a 4 8 单片机作为整个系统的主控芯片 4 1 2a t m e g a 4 8 单片机简介 在市场上，其他系列单片机的一般规律是：低档型单片机的引脚少，同时在内部集 成的存储器容量也比较小，功能也比较简单；而中高档型单片机则在内部集成的存储器 容量较大，功能也较多，但引脚数一般为4 0 个对于一些不需要单片机有较多的外围 引脚，同时系统需要大量的运算，程序代码较长，功能较复杂的应用，往往没有合适的 芯片1 1 6 1 。为了解决这一矛盾，a t m e l 公司在2 0 0 2 年第一季度推出了一款新型a v r 高 档单片机。在a v r 家族中，a t m e g a 4 8 是一个高档单片机，