（电路与系统专业论文）异步电动机自适应节能控制器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、 转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通上三相电源后，产生旋转磁场并切割转子， 获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使 用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。但在很多行业中电动机的使用并 不合理，电机常常工作在轻载甚至空载状态下，这使得电动机的功率因数和效率很低， 不仅浪费了大量电能，而且降低了电网的供电质量。 本文首先对交流异步电机的能耗进行了分析，然后着重对异步电机的功率关系以及 效率、功率因数、最小电流与转差率之间关系进行了深入分析。在此基础上还对工厂电 费构成结构进行了详细分析。本文在以上理论分析基础上，从如何最大限度降低异步电 机耗电费用出发，提出了最小输入有功功率最优控制方法来控制异步电机经济运行。最 小输入有功功率最优控制不仅可以最大限度的降低异步电机轻载时耗费的有功电量，同 时也能有效提高功率因数。考虑到电机负载变化以及电网早晚压差较大的情况，本电机 节电控制器会随着负载变化以及早晚电压波动自动寻找最佳工作曲线。本文对三相三线 制接法的异步电机有功功率的计算方法进行了分析，为最后实现最小输入有功功率最优 控制奠定了理论基础。 在电路设计方面，本文选择了a t m e g a l 6 l 单片机作为节电控制器的主控芯片，由 于a t m e g a l 6 l 单片机i o1 3 具有大电流1 0 - 2 0 m a ( 输出电流) 或4 0 m a ( 吸电流) 的特点， 所以省去了很多外围驱动电路。本文所设计的节电控制系统还包括了过载保护、缺相保 护以及三相不平衡保护等故障判断和保护功能，提高了电机寿命，从而也极大降低了电 机的使用成本。最后通过大量的实验证明，该节电控制器节电效果明显，控制系统稳定 可靠，具有很好的推广和应用前景。 关键字：三相异步电动机，最小输入有功功率最优控制，a v r 单片机 a b s t r a c t e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ri sak i n do fe l e c t r i cd r i v ed e v i c ew h i c hc a nt r a n s l a t e e l e c t r i c a le n e r g yi n t om e c h a n i c a le n e r g y i ti sm a i n l ym a d eu po ft h es t a t o r , r o t o ra n dt h ea i r g a pb e t w e e nt h e m w h e nt h es t a t o rw i n d i n g sa r ec o n n e c t e dt ot h et h r e e p h a s ep o w e r , t h e s t a t o rw i n d i n g sw i l lf o r mr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l da n dc u tr o t o r t oo b t a i nt h et o r q u e t h r e e - p h a s ea c i n d u c t i o nm o t o r sw i t ha d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b i l i t ya n d l o w c o s t ， e t c 。a r ew i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s h o w e v e r , m o s to fm o t o r sa r en o tu s e de 衔c i e n t l yi n m a n yi n d u s t r i e s ，s i n c et h el o a d sa r eu s u a l l ye m p t yo rl i g h t ，w h i c hm a k et h em o t o rp o w e r f a c t o ra n de f f i c i e n c yv e r yl o w t h i sw i l ln o to n l yw a s t eal o to fe n e r g y , b u ta l s or e d u c e st h e q u a l i t yo fe l e c t r i c i t ys u p p l y f i r s t l y , t h em o t o rp o w e rc o n s u m p t i o na r ea n a l y z e di nt h ea r t i c l e ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i p a m o n gp o w e re f f i c i e n c y , p o w e rf a c t o r ，s m a l l e s tc u r r e n ta n dt h es l i pr a t i oa r ea n a l y z e da sw e l l a n dt h e nt h ec o m p o n e n t so ft h ee l e c t r i c i t yf e ea r ea l s og i v e n b a s e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa b o v e ，t h eo p t i m a ls m a l l e s ti n p u ta c t i v ep o w e rc o n t r o lm e t h o di sc h o s e nt oc o n t r o l t h em o t o r t i l i sm e t h o dc a nn o to n l yr e d u c et h ea c t i v ep o w e r , b u ta l s oc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v e t h ep o w e rf a c t o r t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec h a n g e si nt h ee l e c t r i c a l1 0 a d a sw e l la st h ev o l t a g e v i b r a t i o nb e t w e e nm o r n i n ga n dn i g h t ，t h em e t h o dc a l la d a p tt of i n dt h eb e s tc o n t r o lc u r v e a u t o m a t i c a l l y t h et h e o r yo fa c t i v ep o w e ro ft h em o t o ri nt h r e e p h a s et h r e e w i r ec o n n e c t i o n s y s t e mi sa n a l y z e d ，w h i c hl a yf o u n d a t i o no nt h ef i n a li m p l e m e n t a t i o no ft h es m a l l e s ti n p u t a c t i v ep o w e rc o n t r o lm e t h o d a t m e g a l6 li ss e l e c t e da st h em a s t e rc o n t r o l l e r ；s i n c ei t si op o r tc a np r o v i d e10 2 0 m a s o u r c ec u r r e n ta n d4 0 m as i n kc u r r e n t w h i c hc a ns a v eal o to fp e r i p h e m ld r i v i n gc i r c u i t t h o s ef u n c t i o n s ，s u c ha so v e r l o a dp r o t e c t i o n , o p e n - p h a s ep r o t e c t i o na n du n b a l a n c e d t h r e e - p h a s ef a u l tp r o t e c t i o na r ea l s oi m p l e m e n t e dw h i c hc a ne l o n g a t et h es e r v i c el i f eo ft h e m o t o r f i n a l l y , al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ee n e r g y - s a v i n gp o w e rc o n t r o l l e ri s e f f e c t i v e ；t h ec o n t r o ls y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l ew i t hg o o dp r o s p e c t sf o rp r o m o t i o na n d a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：t h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o lt h es m a l l e s ti n p u ta c t i v ep o w e rc o n t r o l ，a v r s i n g l ec h i pc o n t r o l l e r 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学 位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版 发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：酉堑堡 日 期：逊：l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日 期： 电话： 邮编： 鞋 东北师范大学硕士学位论文 0 1 课题背景和研究意义 引言 能源是社会和经济发展的重要物质基础，也是提高人们生活水平的先决条件。人类 社会要发展，必须建筑在大量消耗能源的基础上。然而现有的不可再生能源已经被人类 过度消费。 随着我国工农业的发展，电能的需求量越来越大。我国电力工业目前发电装机容量 达到3 1 6 亿k w ，年发电量达到了1 3 5 0 0 亿k w h 。我国的电力消耗仅次于美国位居世界 第二位，但我国人均用电只有1 0 3 8 k w h ，还不到发达国家用电水平的1 0 。 近几年，我国夏季持续高温酷热，导致部分城市由于电力供应紧张拉闸限电。用电 紧张从往年的季节性转变为全年性，出现电力、电量双缺口，机组长期高负荷运转，故 障增多。我国正处于向大规模工业化和城市化过渡的快速发展阶段，能源消费增长巨大， 目前我国电力能源利用效率较低、消耗高、浪费大。在过去的2 0 年里，我国已在能源 利用上取得“g d p 翻两番而能源消费仅翻一番的令人瞩目的成绩，但我国能源消耗， 尤其工业用电设备浪费电能严重。据有关专家介绍：2 0 0 2 年我国能源消费强度为1 1 8 吨标准煤千美元g d p ，远远高于发达国家，创造每万美元g d p 所消耗的能源数量，我国 是美国的3 倍、德国的5 倍、日本的近6 倍，能源系统效率为3 3 4 ，低于国际先进水 平1 0 个百分点左右。面对用电效率不高，电力供应形势不容乐观的现实，如何科学节 约用电的话题今天又引起各行各业的高度关注。 2 0 世纪5 0 年代以来，中国能源工业从小到大，不断发展，特别是改革开放以后， 能源供给能力不断增强，促进了经济持续快速发展，但在经济发展过程中，能源供给不 足的矛盾十分突出。随着工业化城镇化进程加快，能源需求继续增加，可持续发展面临 挑战。居民消费结构升级换代，能源需求的不断增长，作为主要的动力机械，无论在工 业部门还是在日常生活领域，各种各样的电机每年都消耗着大量的电能，根据有关资料 的估计，通用三相异步电机每年耗电量约为全球总发电量的5 0 ，如何降低电机能耗， 实现节能和高效，越来越为人们所重视。电机系统包括电动机、被拖动装置、传动控制 系统及管网负荷。电机系统用电量约占全国用电量的6 0 ，其中风机、泵类、压缩机和 空调制冷机的用电量分别占全国用电量的1 0 4 、2 0 9 、9 4 和6 。 电机系统量大面广，节电潜力巨大。全国现有各类电机系统总装机容量约4 2 亿千 瓦，运行效率比国外先进水平低1 0 一2 0 个百分点，相当于每年浪费电能约1 5 0 0 亿千瓦 时。电机系统存在的主要问题是：电动机及被拖动设备效率低，电动机、风机、泵等设 l 东北师范大学硕士学位论文 备陈旧落后，效率比国外先进水平低2 5 个百分点；系统匹配不合理，”大马拉小车” 现象严重，设备长期低负荷运行；系统调节方式落后，大部分风机、泵类采用机械节流 方式调节，效率比调速方式约低3 0 。 目前我国人均能源消费量比较低，随着经济社会发展，今后还会有所增加，总量也 会继续扩大。但中国不能照搬发达国家依靠大量消耗世界资源，实行能源高消费的传统 发展模式，而要努力探索新的发展道路，坚持实施节能优先战略，在节约的发展中实现 工业化，城镇化和现代化。 0 2 国内外节能电机控制器及相关技术发展和研究现状 为了提高电机运行效率，避免“大马拉小车”的现象出现，世界各国从电机的设计 制造、电机的选择使用以及电网供电管理等几个方面入手，做了大量的研究工作，并取 得了一定的成果。就电机本身设计制造而言，目前已有针对不同用途的高效节能电机， 稀土永磁电机是其中的典型代表。但这种电机造价比较高，而且经济效果较大的取决于 负载情况，即对于长期工作在额定负载或重载的情况下，其节能效果比较明显。但对于 大多电机用户以及中小企业来说，如何在不更换电机的情况下，使已有电机工作于效率 较高的状态显得更为现实。 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，并由美国宇航局工程 师f 砌【1 kn o l a 在1 9 7 5 年研制出功率因数控制器。其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断电压来调节输入功率，使其随负载的变化 而变化。功率因数控制技术时至今日还在继续沿用，并取得了一定的节能效果。随着科 学技术的不断发展，又出现了调速技术。调速节能又可细分为：串级调速节能、变压调 速节能、变频调速节能大致这几类刚。 串级调速是将异步电机运行时转子线圈中的感应电势通过滑环装置引出，经三相整 流桥变为直流，再由三相全控桥将其逆变为5 0 h z 或6 0 h z 的交流电流，通过变压器将 转差功率返回电源。这样就可以通过调节逆变桥的晶闸管触发角来调节电机的转速。由 于电转差率以电能的形式由定子从电网中吸收进来，又以同样的能量形式反馈电网，这 样就形成了一种无谓的功率循环。这种无谓循环的结果，一方面是增大了损耗降低效率。 另外更为不利的是加重了定子的负担。 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过 改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频调速系统的主要设备是提供变 频电源的变频器，变频器可分成交流一直流一交流变频器和交流一交流变频器两大类， 目前国内大都使用交一直一交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应 用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；但变频技术复杂， 造价高，维护检修困难，所以变频调速适用于要求精度高、调速性能较好场所。但是对 于负载变化较大而不需要调速的场合其节能优点很难体现。所以对于负载周期性变化， 且经常处于轻载或空载状态下的异步电动机，通过调节电动机端电压，可使自身损耗减 2 东北师范大学硕士学位论文 小，提高效率，达到节能的目的。 调压节能其基本原理就是使输入电压跟随负载的变化，保证电动机一直工作在最高 效率附近，关键在于选取合适的切实反映负载变化的控制量。同时在对于电动机的变负 载，轻载和功率因数较低等情况下，可选择可控硅调压技术。通过改变可控硅导通角大 小降低电压而达到节电目的。 在调压节能中所依赖的电力电子器件本身的性能，对节能控制器有着重要而且直接 的影响。电力电子器件的发展对电力电子技术起着决定性的作用，电力电子器件制造技 术的每次重大进步都对电力电子技术的发展产生深远的影响。从美国通用电气公司研制 出的第一个晶闸管到后来的电子管、晶体管，在到七、八十年代的门极可关断晶闸管、 电力双极型晶体管、绝缘栅极双极型晶体管等为代表的电力电子器件，在当时都把电力 电子技术推进到一个新的发展阶段。 以晶闸管( s c r ) 组成的变压变流装置，解决了传统电能变换装置中存在的能耗大、 效率低和装置笨重问题，一定程度上控制了工业噪声，装置的寿命也延长了。它的额定 容量是所有电力半导体器件中最高，价格同规格相比最低，所以大容量控制中得到充分 的应用。 长期以来，人们在中小型异步电机节能方面做了许多有益的尝试，除了以上提到 了几种方法外，在提高电机本身效率、寻找更为行之有效的节能方法上也做了大量的工 作，并取得了一定的成果。异步电机节能是一个非常复杂的问题，选择方案时要考虑电 动机效率、功率因数、系统增效、成本投入等很多实际问题。 因此，有必要结合国情以及不同用户对异步电机节能的不同要求，生产出符合实 际情况的电机节电器。研制中除了借鉴国内外产品成功经验外，还要针对其不足和我国 电网不稳，负载波动大，电动机空载率高等具体情况，利用先进的人工智能技术和微处 理技术，开发出节电效果好的产品来。 0 3 主要研究内容 1 - 根据电费跟有功电量的关系，采用a v r 单片机设计和开发了一种电机节能控制器， 本文根据设计之初考虑到对各项功能以及对运算速度的要求，选择采用a v r 单片机， a v r 是8 位单片机中第一个真正的r i s c 结构的单片机。它采用了大型快速存取寄存器 组，快速的单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得a v r 单片机具有高达 1 m i p s m h z 的高速运行能力，其中m i p s 是( m i l l i o ni n s t r u c t i o np e rs e c o n d ) 缩写，即计 算机每秒钟执行的百万指令数，是衡量计算机速度的指标。 2 研究了异步电机有功电量、功率因数与电机端电压、电流等各项参数之间的关系， 这也是本文研究的重点内容。根据企业电费的构成发现，实际的电量电费不仅跟功率因 数有关而且还跟有功、无功功率以及变压器的容量有关。 3 通过对电流电压采集所得到的数据进行分析，得到对电机过载、缺相和三相不平 衡进行控制的方法。通过在实际现场的测试，发现当电机过载和缺相以及三相不平衡 3 东北师范大学硕士学位论文 时，电机的端电压和三相电流上都能有一定的体现。所以通过对端电压以及三相电流判 断并做出相应的控制，可以起到对电机的保护作用。 4 研究了晶闸管的本身的开关特性，利用晶闸管进行调压，其输出电压大小由晶闸 管的导通角决定。因此在电动机起动过程中，通过控制晶闸管控制角的大小，即可使电 动机的定子端电压和起动电流根据工作要求设定的规律进行变化，从而使电动机的起动 方式和起动电流均可任意调整和设置，处于最佳的起动过程。 4 东北师范大学硕士学位论文 第一章异步电动机能耗及电机调压特性分析 1 1 交流异步电机的能耗与效率分析 1 1 1 能耗分析 异步电动机在运行中产生的各种损耗，主要分为铁损耗、机械损耗、铜损耗及杂 散损耗。 1 铁损耗 铁心损耗p f e 亦称铁耗，指主磁场在电动机贴心中交变所引起的涡流损耗和磁滞 损耗。异步电动机在正常运行时，转差率很小，转子铁心中磁通变化的频率很小，一般 仅为每秒1 - 3 周，故异步电动机铁损耗主要为定子铁心损耗。铁损耗主要是由交变磁场 在定、转子铁心中产生磁滞及涡流损耗，大小取决于组成电动机的铁心材料性能、频率 及磁通密度，近似公式为： 磁滞损耗p h k l 归三 ( 2 1 ) 涡流损耗= k 2 f 2 瑗 ( 2 2 ) 其中：毛、乞为铁损系数，吃为磁通密度，为转子磁通变化的频率。工程上通常把 它们和在一起称为铁心损耗= 只+ 。铁耗一般占异步电动机总损耗的2 0 2 5 。 2 机械损耗 机械损耗己通常包括通风系统损耗昂及轴承摩擦损耗弓，绕线式转子还有电刷摩 擦损耗。通风系统的风摩损耗主要为产生冷却电机的气流所需的风扇总功率： 0 ：9 8 1hvkv3(2-3) j | l 其中：h 为风扇有效压力，v 为气体流量，刁为风扇效率。轴承摩擦损耗主要与 轴承型号，装配水平，润滑有关。对于滚动轴承，轴承摩擦损耗一般形式为： 弓= 9 8 1 g v , g( 2 - 4 ) 5 东北师范大学硕士学位论文 其中：g 为轴承承受的负载，k 为轴径线速度，为摩擦系数。机械损耗一般占总损耗 的1 0 5 0 ，电动机容量越大，由于通风损耗变大，在总损耗中比重也增大。 3 铜损耗 负载损耗主要是指电动机运行时，定子、转子绕组通过电流而引起的损耗，亦称铜 耗。 p 。= m 1 2 ， ( 2 5 ) 其中：m 为相数，i 为每相电流，r 为每相电阻。铜耗约占总损耗的2 0 7 0 ，电动机 容量越大，铜耗占比例越小。 4 杂散损耗 杂散损耗只包括杂散铁损和杂散铜损，杂散损耗是由气隙谐波磁链相对于定子和转 子铁芯表面移动而在定子和转子铁芯表面产生的损耗，以及由于定、转子间齿槽相对移 动、磁阻变化使齿内磁链脉动而在齿中产生的损耗之和；杂散铜耗是槽漏磁链引起导体 中电流肌肤效益而使等效电阻增加所产生的损耗。这些损耗约占总损耗的1 0 1 5 。 1 1 2 异步电机的功率关系 当异步电动机以转速n 稳定运行时，输入的有功功率为异 互= u 厶c o s q 毛( 2 - 6 ) 其中：u 为定子相电压，厶为定子相电流；c o s q 为定子边功率因数。 定子边铜损耗为： 吃。= 3 矸，i ( 2 7 ) 其中：，i 为定子相电阻。 正常运行情况下的异步电动机，由于转子转速接近于同步转速，气隙旋转磁密b 占与 转子铁芯的相对转速很小，再加上转子铁芯和定子铁芯同样是用o 5 m m 厚的硅钢片( 大、 中型异步电动机还涂漆) 叠压而成，所以转子铁损耗很小，可忽略不计，因此电动机的 铁损耗主要为定子铁损耗，即： 心= 。= 3 e ( 2 8 ) 其中：吃为电动机铁损，吃。为定子铁损，l 为励磁电流，_ 为励磁电阻。 由三相异步电机的t 形等值电阻电路可以看出，如图2 1 所示： 6 东北师范大学硕士学位论文 图2 。1 三相异步电机t 形等值电路 由t 型等值电路可知，感应电动机定子绕组从电源输入的有功功率中，有- - d , 部分 消耗在定子绕组铜损耗及旋转磁场在定子铁芯中的铁损耗如= e ( 由于咒z 强，石 很低，而且转子铁芯也为迭片而成，所以转子铁耗忽略不计) 剩下的大部分即为通过电 磁感应而进入转子的电磁功率匕，即 p u = 日一吃l p 忍 ( 2 9 ) 带入具体表达式即 p u = m 。e 2 1 2c o s 0 2 = m 。略 铂譬砭= 砚乎譬沪+ ( 2 - 1 0 ) 电磁功率也可以表示为： p 射= 3 e ：z ：c o s 缈2 = m2 e 2 ，2c o s 矽2( 2 1 1 ) 其中：c o s 够2 为转子的内功功率因数。 转子铜损耗： p 。：= 3 尊巧= 哦 ( 2 - 1 2 ) 电磁功率匕减去转子绕组中的铜损耗纸：就是等效电阻幽五上的损耗。这部分等效 损耗实际上是传输给电机转轴上的机械功率，用以表示。它是转子绕组中电流与气隙 旋转磁密共同作用产生的电磁转矩，带动转子以转速n 旋转所对应的功率： = 匕一p c , ：= 3 譬业之= o - s ) e , , ( 2 - 1 3 ) 转子的机械功率p m 和附加损耗见，才是转轴上真正输出的功率用仍表示： 仍= 己一p m 一见 ( 2 1 4 ) 可见异步电机运行时，从电源输入电功率a 到转轴上输出功率仍的全过程为： 东北师范大学硕士学位论文 最= 冀一p c 1 一p 而一p c 2 一一见 ( 2 1 5 ) 从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和 机械功率三者之间的定量关系为 匕：p c 2 ：乞= l ：s ：( 1 一j ) ( 2 - 1 6 ) 由上式说明，若电磁功率一定，转差率s 越小，转子回路铜损耗越小，机械功率越大。 i i 3 效率、功率因素、最小电流与转差率的关系 异步电动机的简化等效电路如图2 2 所示，对于容量较大的电动机因为墨 6 0 0 ，则号 0 ；若阻抗角妒 一6 0 0 ， 则只 0 。这样，会发生功率表的指针反向偏转的现象，便不能读出功率的数值。在这 种情况下，将该功率表的电流线圈反接，并且将读数在求和时以负数处理。其中任意一 个功率表的读数是没有意义的。 a b c 图2 6 接线示意图 1 8 东北师范大学硕士学位论文 第二章异步电机节电控制器的硬件平台设计 2 1 系统概述 本文采用a t m e g a l 6 l 单片机作为主控芯片，由于其自身带有8 路l o 位a d 转换器， 所以可以不用外接a d 芯片就可以采集电压和电流互感器所传递来的信息。在主控芯片 检测到其中某一相电流过零后就起动对电压和电流互感器传递来的信息进行采集，然后 将采集到的数据进行计算处理，处理后得到的值的变化情况可以体现出当前有功功率的 变化情况，再通过主控芯片的计算后经过光耦送出触发脉冲，从而控制可控硅的导通角。 通过对电流电压计算出值进行比较，找到最小有功功率所对应的可控硅最佳导通时间。 控制电路主要有：单片机最小系统、脉冲触发电路、电流过零检测电路、电流电压采样 电路、键盘显示电路、继电器控制电路、双向晶闸管电路等。系统框图如下： 图3 1 系统结构框图 1 9 东北师范大学硕士学位论文 2 2 系统硬件电路设计 2 2 1a t m e g a l 6 l 单片机 a t m e l 公司是世界著名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟 i c 芯片的半导体制造公司。在单片微控制器方面，a t m e l 公司有基于8 0 5 1 内核、基 于a v r 内核和基于a r m 内核的三大系列单片机产品，a t m e l 公司的a v r 是8 位单 片机中第一个采用真正r i s c 结构的单片机。市场上家喻户晓的a t 8 9 c 5 1 、a t 8 9 c 5 2 、 a t 8 9 c 1 0 5 1 就是a t m e l 公司基于8 0 5 1 内核系列单片机中典型产品。 8 0 51 结构的单片机采用复杂指令系统c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 体系。 由于c i s c 结构存在指令系统不等长，指令数多，c p u 利用效率低，执行速度慢等缺陷， 已不能满足和适应设计中高档电子产品和嵌入式系统应用的需要。a t m e l 公司发挥其 f l a s h 存储器技术的特长，于1 9 9 7 年研发和推出了全新配置采用精简指令集 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p u ) 结构的新型单片机，简称a v p 单片机 a v r 系列单片机中比较典型芯片是a t m e g a l 6 。这款芯片具备了a v r 系列单片机 的主要的特点和功能，其主要特点有： ( 1 ) 采用先进r i s c 结构的a v r 内核 1 3l 条机器指令，且大多数指令的执行时间为单个系统时钟周期；3 2 个8 位通用工 作寄存器；工作在1 6 m h z 时具有1 6 m i p s 的性能。 ( 2 ) 片内含有较大容量的非易失性的程序和数据存储器 1 6 k 字节在线可编程( i s p ) f l a s h 程序存储器( 擦写次数l 万次) ，采用b o o tl o a d 技术支持i a p 功能； 5 1 2 个字节片内在线可编程e e p r o m 数据存储器( 寿命1 0 万次) ； ( 3 ) 片内含j t a g 接口 支持符合j t a g 标准的边界扫描功能用于芯片检测； 支持扩展的片内在线调试功能； 可通过j t a g 口对片内的f l a s h 、e e p r o m 、配置熔丝位和锁定加密位实施下载编 程： ( 4 ) 外围接口 2 个带有分别独立、可设置预分频器的8 位定时器计数器； 1 个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的1 6 位定时器计数器； 片内含独立振荡器的实时时钟i 盯c ； 4 路p w m 通道； 8 路l o 位a d c ； 面向字节的两线接口t w i ( 兼容1 2 c 硬件接口) ； 1 个可编程的增强型全双工的，支持同步异步通信的串行接口u s a r t ； 东北师范大学硕士学位论文 1 个可工作于主机从机模式的s p i 串行接口( 支持i s p 程序下载) ； 片内模拟比较器； 内含可编程的，具有独立片内振荡器的看门狗定时器w d t ； ( 5 ) 其它特点 片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路b o d ； 片内含有l m 2 m 4 m 8 m ，经过标定的、可校正的r c 振荡器，可作为系统时钟使 用： 多达2 1 个各种类型的内外部中断源； 有6 种休眠模式支持省电方式工作； ( 6 ) 宽电压、高速度、低功耗 工作电压范围宽：a t m e g a l 6 l 2 7 _ - 5 5 v ，a t m e g a l 64 5 5 5 v ； 运行速度：a t m e g a l 6 l 卜8 m ，a t m e g a l 6 卜1 6 m ； 低功耗：a t m e g a l 6 l 工作在1 m h z 、3 v 、2 5 度时的典型功耗为，正常工作模式 1 1 m a ，空闲工作模式0 3 5 m a ，掉电工作模式 l u a ； a t m e g a l 6 l 单片机结构框图如下 q 一 ，髑- p 臂 簟optto-te,tt， 图3 2 a t m e g a l 6 l 单片机结构框图 2 l 卜 东北师范大学硕士学位论文 2 2 2 单片机最小系统 由于a t m e g a l 6 l 自身的特点，如1 6 k 字节在线可编程f l a s h 程序存储器，以及l k 字节的片内s r a m 数据存储器、5 1 2 字节的可编程的e e p r o m 数据存储器，所以完全 足够满足本节电控制器程序和数据所需空间，另外a t m e g a l 6 l 本身自带8 路l o 位a d c 所以不需要在外接a d 转换芯片，所以这样即节省了电路板的空间和系统的成本，同时 还提高了系统稳定性。由于a t m e g a l 6 li o 口具有大电流1 0 2 0 m a ( 输出电流) 或 4 0 m a ( 吸电流1 的特点，可直接驱动l e d 、光藕和继电器，所以不需要外接驱动电路。 其最小系统图如下： 2 2 3 供电电源设计 图3 3 单片机最小系统 由于考虑到该节电器主要用于偏远地区的油田抽油机，同时考虑到本节电器是采用 的是三相三线制，所以供电电源是从三相中任意取出两相经变压器变压至1 2 v ，然后再 经过整流桥整流最后在通过l m 2 5 7 6 t 稳压后输出5 v 电源。在选择稳压器件方面，由 于考虑到8 位数码管耗电量较大，所以选择了l m 2 5 7 6 t 。l m 2 5 7 6 t 能提供3 a 的开关 电流。供电电源电路图如下： 图3 4 主控芯片电源电路 东北师范大学硕士学位论文 2 2 4 三路电流过零信号检测电路设计 在本节电器中电流过零信号其实就是可控硅关断信号，所以在可控硅关断以后延时 一段时间在给可控硅送出触发脉冲让其导通，通过这种方式就可以改变电机的端电压， 从而达到调压的目的。其具体工作原理以i i l l 这一路为例：当可控硅处于导通阶段时， k 2 1 和k 1 1 之间电压差很小，不足以使光耦导通，所以光耦输出端5 脚和6 脚断开，8 脚和7 脚断开。则比较器的5 脚处的电压为高电平。当通过可控硅的电流反向时可控硅 会自动关断，这时k 2 1 和k 1 l 之间的电压很大几乎接近3 8 0 v 电源电压，这时光耦中有 一组光耦会导通，最后导致比较器的第5 引脚处的电平变为低电平，所以通过此种方式 就可以准确的判断电流过零。 2 2 5 触发电路设计 图3 5 电流过零信号检测电路 可控硅的导通是通过触发电路给出的触发脉冲来实现的，当电流检测电路电测到电 流过零后，触发电路部分就会在电流过零后延时一定时间后给出触发脉冲让可控硅导 通。其电路图如下： 东北师范大学硕士学位论文 2 2 6 电压电流检测电路设计 图3 6触发电路 两路电压信号和三路电流信号最后都是通过a t m e g a l 6 l 自带的a d 转换器把模拟 量转换成数字量然后送给主控芯片进行运算，采集和转换时间可通过编程进行设定，转 换值在模拟地和参考电压之间。a t m e g a l 6 l 的数模转换器a d c 具有大致如下特点： o ) 1 0 位精度 ( 2 ) o 5 l s b 积分非线形误差 ( 3 ) 2 l s b 的绝对精度 ( 4 ) 1 3 u s - - , 2 6 0 u s 的转换时间 ( 5 ) 可选择的内部2 5 6 v 的a d c 参考电压源 ( 6 ) a d c 自动转换触发模式选择和转换完成中断 东北师范大学硕士学位论文 图3 7 三路电流采样电路 三路电流采样电路均是通过电流互感器将电机的电流变化转换成电压变化，然后在 通过整流和电容滤波最后变成稳定的电压信号送给单片机进行采样。 电压采样电路则是通过变压器把3 8 0 v 电压信号转换成3 8 v 电压，然后经过整流和 电容滤波和电阻分压最后送给单片机的a d 引脚进行采样。通过采样得到的电压值可用 来判断上电时三相电源电压是否正常，如果时因为连接不牢或者电源本身缺相导致一路 电压没有，则可断开继电器从而切断整个设备与电源的连接，从而起到保护电机的作用。 其电路图如下： i 【r l l 4 越j d 1 0 l c 2 1 己 a d c v 已- - - - c z 墨：、 1 0 时，切断主交流接触器让电机停机。 本节电器的缺相保护主要是针对由于电网自身原因或者由于人为原因导致的电源 缺相。在现场实验的过程中，人为断掉一相电源，发现另外两相电流会持续增大。这时 用上面提到的计算方法计算出的数据发现不平衡度超过5 0 。因此软件也能判别出是否 缺相，一旦检测到缺相就立刻断电并显示报警。 3 3 东北师范大学硕士学位论文 第四章系统实验结果分析 在油田实地测试证明该节电器是稳定可靠的，同时其节电效果是明显的。通过比较 油田磕头机在不安装该节电器运行后得到的数据和安装该节电器运行得到数据，发现各 项指标都有很大的改善。 4 1 系统实物图 图4 1 节电控制器实物图 从图4 1 可以看出该系统主要由主控制电路、中间继电器、交流接触器以及电流电 压互感器组成。图中两个交流接触器分别是主交流接触器和旁路交流接触器，主交流接 触器主要是对电机出现缺相和三相不平衡时切断电源，起到掉电保护作用。旁路交流接 触器则主要是是起到电机过载保护作用，电机过载时通过闭合旁路交流接触器把电源电 压直接接到电机输入端，从而最大限度的提高电机带负载能力。 4 2 数据对比分析 由于实验时间有限，没有得到电机长时间运行的数据结果，现以电机运行半小时所 得数据进行比较，实验过程是：先让电机在不安装该节电器情况下运行半小时，用检测 仪器实时检测这半小时内电机运行的各项数据并保存，同样在安装节电器后电机运行半 小时，用检测仪器检测这半小时内电机运行的各项数据并保存，然后进行对比分析。以 东北师范大学硕士学位论文 下数据均是在电机负载为2 4 左右情况下所测得。 1现场对y 系列8 极3 7 k w 电机在不安装节电控制器情况下测试所得数据如表： l 平均电流平均电压功率因数有功电量 3 6 5 7 a3 9 3 1 v 0 4 1 5 5 3 7 8 1 3 k 纷乃 表4 1 不安装节电控制器情况下测试所得数据 2 现场对y 系列8 极3 7 k w 电机在安装节电控制器情况下测试所得数据如表： 平均电流平均电压功率因数有功电量 2 1 2 4 a3 4 8 1 v0 8 0 13 7 4 5 0 1 k 纷西 表4 2 安装节电控制器情况下测试所得数据 由上面数据对比可以看出，在使用节电控制系统后其电机端电压、三相平均电流、 功率因数以及有功功率变化情况都有不同程度的改善，同时也能看出在用最小输入有功 功率最优控制电机运行的情况下，功率因数也得到了提高。使用节电器比不使用节电器 在半小时内节约了1 6 度电，由计算得出节电率为3 0 左右。由于节电控制器的节电率 还跟电机负载有着密切的关系，当负载变大时本电机节电控制器的节电率会随之下降， 所以本电机节电控制器在油田这种电机轻载比较严重，同时耗电量比较大的情况下，节 电效果非常明显。 3 5 东北师范大学硕士学位论文 结论 随着社会发展，能源需求进一步加大，一方面人们开始积极探索新的可再生能源， 另一方面人们在如何节约和充分利用现有能源方面也做了很多积极的尝试。鉴于当前我 国能源紧缺大力提倡节约能源的形式下，解决我国大量老式异步电机耗电量大的问题具 有现实意义。 本文首先了解了国内外异步电机节电控制器的发展现状，对电机的能耗进行了分 析，同时对电机现有的几种节能控制方法进行了分析。在一定程度上最小电流控制、最 小输入有功功率控制以及最大功率因数控制都属于恒转差率控制，但是在实际应用中， 以速度为控制量不易实现。所以在分析了工厂电费的构成基础上，本文选择了最小输入 有功功率控制作为本节电控制系统的控制方法。 本文在设计初期做了大量的实验，最后选择a t m e g a l 6 l 作为节电控制器的主控芯 片。由于a t m e g a l 6 l 具有宽电压、高速度、低功耗等很多优越性，所以非常适合对实 时性要求较高的电机节电控制。同时由于a t m e g a l 6 l 的i o 引脚具有很强的驱动能力， 所以省去了外部驱动电路，这样即节省了成本，同时又提高了系统稳定性。本文所设计 的节电器实现了电机的软起动与软刹车、过载保护、缺相以及三相不平衡保护，通过在 实验室以及油田现场实验，证明其功能是可靠的。在油田多次测试所得到的大量数据证 明其节电效果是明显的，具有很好的应用价值和推广前景。 本文的关键技术就是利用最小输入有功功率最优控制方法实现电机经济运行，通过 三路电流和两路电压采集得来数据，计算出一个精确值，该值能表征电机在一段时间的 平均有功功率的变化情况，通过调整电机运行曲线来判断电机有功功率的变化情况，最 后找到电机有功功率最小的工作曲线，至此动态寻找过程结束。同时根据早晚电压有一 定压差，系统会在一定时间内重新进入动态寻优过程。 东北师范大学硕士学位论文 参考文献 1 】王兆安，黄俊电力电子技术 m 】北京：机械工业出版社，2 0 0 0 8 5 1 2 】林瑞光电机与拖动基础 m 】浙江大学出版社，2 0 0 2 1 0 5 1 9 2 【3 刘新平，李军单片机在电机功率因数测量中的应用【j 】计算机工程与设计，2 0 0 7 2 8 ( 2 ) ： 4 0 0 - 4 0 1 4 】顾绳谷电机及拖动基础 m 】北京，机械工业出版社，1 9 9 7 【5 】l i nsc ，c h e nyy d e s i g no fa d a p t i v ef u z z ys l i d i n gm o d en o n l i n e a rs y s t e mc o n t r 0 1 p r o co fi e e ec o n f o ni n t e l l i g e n t & f u z z ys y s t e m , 19 91 ：3 5 - 3 9 【6