（电力电子与电力传动专业论文）三相异步电动机节能保护器的研究.pdf

v t l 川大学颂士学位论文( 2 0 0 5 ) t h er e s e a r c ho nt h ee n e r g y s a v i n gp r o t e c t o ro f t h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r s p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e s p o s t g r a d u a t e ：g a or u it u t o r ：h u a n gn i a n - c i t i l er e s e a r c ho fe n e r g y s a v i n gf o rt h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r s i sa l w a y sah o t s p o ti ne l e c t r i cm a c h i n e r ya r e a e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ， t h es h o r t a g eo fe l e c t r i cp o w e rs u p p l yi nc h i n am a k e si tm o r eu r g e n tt o r e s e a r c ha n d p o p u l a r i z ee n e r g y - s a v i n g d e v i c e s f o r t h r e e - p h a s e a s y n c h r o n o u sm o t o r s ，b u ta tp r e s e n t ，t h ec o s to fm o s te n e r g y s a v i n g d e v i c e si st o oh i g h a tac e r t a i ne x t e n t “sh a n d i c a p st h ep o p u l a i z eo f e n e r g y s a v i n gd e v i c e sf o rt h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r s t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h ea _ 1 a l y s i so fp o w e rl o s so fa s y n c h r o n o u s m o t o r s ，d i s c u s s e st h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，e n e r g y - s a v i n gt h e o r y e n e r g y - s a v i n ge f f e c t s ，a n t i e m io fp r o t e c t o r sa n do t h e rp r o b l e m st h a t s h o u l db en o t i c e dw h e nt h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o rs w i t c h e sf r o m ac o n n e c t i o nt oyc o n n e c t i o n b a s e do nt h e s e ，ac o m p l e t ed e s i g no fa l l e n e r g y s a v i n gp r o t e c t o ru s e df o rt h ey t r a n s f o r m a t i o no ft h r e e p h a s e a s y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o l l e db ym c u i sp r e s e n t e d t oo v e r c o m et h e t r a d i t i o n a ls h o r t c o m i n go f 矗e q u e n tt r a u s f e r r i n gi nt h ey at r a n s f o n n i n g p o i n t ，a m e t h o dt h aa d j u s t st h ey a t r a n s f o r m i n gp o i n ta n dt h ec h a n g e t i m em a n u a l l yi sp r e s e n t e d a tl a s t ，ah i g h p e r f o r m a n c e - c o s t r a t i o e n e r g y s a v i n gp r o t e c t o r p r o t o t y p eh a sb e e nm a d e a f t e ras u c c e s s f o le x p e r i m e n t ，m o r em a a l y s i s a n dd i s c u s s i o nl l a v eb e e nd o n eb a s e do nt h er e s u l ta n ds o m ed i r e c t i o n s 叫川大学硕士学位论史( 2 0 0 5 ) a n dm e t h o d st h a tw i l lm a k et h ep r o j e c tm o r ep e r f e c ta r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ；e n e r g y s a v i n g ；y a i r o n s f o r m a t i o n ；m c u 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 1 绪论 1 1 异步电机节能的必要性”町 我国“十五”期间节能计划中关于“电机系统的节能计划”指出： 电动机是量大面广的高耗能设备，我国现有各类电动机总容量约4 2 亿千瓦，年耗电量达6 0 0 0 亿千瓦时。其中8 0 以上为0 5 5 2 0 0 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 j 2 、j 0 2 系列的约占7 0 ，相当于7 0 年代水平的y 系列电动机不足 3 0 9 6 ，具有8 0 年代末水平的y x 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5 0 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。 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1 沪_ 3 0 个百分点，总的节能潜力 约为1 0 0 0 亿千瓦时，相当于2 0 个装机容量为1 0 0 0 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 5 0 0 亿元人民币。另一方面，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。由上可知，比较符合我国国情需要 的措施是：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。 根据国家标准g b l 2 4 9 7 - - 1 9 9 5 三相异步电动机经济运行的有 关规定，工矿企业中使用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。目前有相当 多的异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行状态，白白地浪费掉 大量的电能，影响着企业的经济效益。究其原因，电能的浪费大致是 由以下几种情况造成的： ( 1 ) 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，导致电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数 心川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 降低； ( 2 )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。 可见，研究三相交流异步电动机的节能需从以下两方面入手： ( 1 )根据负载情况调节电动机的端电压； ( 2 )限制电动机的起动电流。 1 2 常见的几种电动机节能保护器及其优缺点 1 2 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 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l j 、时间继电器k t 、热继电器f r 以及相应的辅助电 路构成。 其工作原理是：当按下s b l 时，接触器k i l l 、k m 2 得电，电机在 y 下启动。限位开关s q 受主轴操纵杆控制，主轴在运转时，s q 闭合， 时间继电器k t 得电。在空载或轻载时，定子电流小于电流继电器l j 的整定值，l j 不动作，电机保持在y 下运行。如在重载下，l j 得电， 其常开触点闭合，中间继电器k a 随之得电，切断了k m 2 的线圈电路， 同时l ( m 3 得电，电机切换至下运行。工作完毕后，通过主轴操纵杆 使s q 断开，k t 失电，g t , t 3 随之失电，k m 2 线圈得电，电动机改为y 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。 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 3 8 0v _ a c f r 、一 吕甲罗1罂 一s b 2 刈r r 廿 暖 咐 气 一翌心 l j ti 硎1 l 【l 3 a c ”i f k m 3 卜一i l i - - - - - - - - - - - - 一 f l 删2 图1 - 1 电动机丫转换节能电路原理图 1 2 2 电子式软启动器 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 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如图1 - 2 所示咖3 。 图卜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2 0 0 3 年，电子式软启动器的价格维持在2 0 0 - - - 2 5 0 元人民币k w ，较高的价格也大大限制了其使用范围。 1 2 3 单片机控制的y a 转换节能保护器 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 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 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2 2 0 v 和 3 8 0 v 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 3 本文所做的工作 本文从理论上详细分析了异步电动机y ，转换节能的基本原 理，并在此基础上提出了一整套单片机控制的y ，转换节能保护器 的设计方案，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与讨论，为进一步 完善本方案提出了改进的方向和办法。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 三相异步电动机y 转换节能原理。1 2 1 三相异步电动机的功率损失分析 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母 损失。 电动机的功率损失包括：铜损失、铁损失、机械损失和杂散损失。 2 1 1 铜损失( 圪，) 电动机的铜损失包括定子铜损失圪。和转子铜损失p c 。：。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。 p c 。1 = 3 1 12 r l 2 - 1 式中，兄为定子每相电阻； 为定子每相电流。 b 。2 = 5 e 2 2 式中，s 为转差率； 只为电磁功率。 2 1 2 铁损失( 气) 电动机的铁损失包括磁滞损失和涡流损失，它是铁芯在磁场中受 交变磁化作用产生的。 名“矿”b 2 2 - 3 式中，k 为常数； f 为电源频率； b 为磁通密度。 由于 b o c 庐。c e t u 1 2 - - 4 式中，夺为磁通量； e 为定子绕组的感应电动势； 为定子绕组的相电压。 四j i 大学_ 砸士学位论文( 2 0 0 5 ) 所以可以认为，铁损与端电压的平方成正比。 由于转子电源频率很低( 一般只有l 一3 h z ) ，转子铁芯的损失很 小，因此可以认为：从空载到额定负载的范围内，电动机的铁损失 仅是定子铁芯损失。 21 3 机械损失( ) 电动机的机械损失包括通风损失和轴承摩擦损失。对于绕线式异 步电动机而言，还包括滑环与电刷之间的摩擦损失。通风损失大约和 空气流通速度的立方成正比。 一般说来，对于某一确定的在用电动机，可认为其机械损失为常 量。 2 ，1 4 杂散损失( 只) 。“ 电动机的杂散损失包括铁杂损失和铜杂损失。铁杂损失发生在 定子与转子的齿中，是由于齿磁通在转子旋转时发生脉动而产生的， 通常称为脉动损失或表面损失。可近似认为：铁杂损失与外加电压的 平方成正比。铜杂损失是由于高次谐波磁势的影响产生的。可近似认 为：铜杂损失与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。 可见，杂散损失部分取决于电压，部分取决于电流。对于感应 电动机来说，铜杂损失是主要的，约占电动机杂散损耗的7 铲_ 9 0 。 感应电动机杂散损失可由测功机法、回馈法、反转法测得。它 在总损失中占的比例很小。在小型铸铝转子笼型感应电动机中，满载 下杂散损失可达输出功率的】3 ，在大型的感应电动机中，杂散 损失一般为输出功率的5 。 21 5 总损失( 尸) 电动机的定予锔损失圪。、转子铜损失屹。：、铁损失只。、机械 损失p ，和杂散损失b 组成了电动机的总损失p 。即： a p = 足。l + 2 + + + b 2 - 5 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 感应电动机的功率图如图2 - 1 所示叫。 气l 图2 1 感应电动机的功率图 + b 图中，只为输入功率； r 为机械功率； 只为输出功率。 2 2 一y 运行的工作特性 电动机由接转换为y 接后是否节能的核心问题是：施加到定 子每相绕组上的电压u ，降为a 接时的1 3 ，使得电动机的铁损心 降低为a 接时的1 3 ，同时电动机的定子铜损与转子铜损则根据负载 变化而变化。所以电动机总的损耗是增加还是减少，则需根据负载而 定。 因此，对该核心问题的讨论就转化为对电动机的各运行参数随 负载变化情况的讨论，即对工作特性的讨论。 这里所说的工作特性，是指在电网电压u = 3 8 0 v ，频率f ：5 0 h z 时，电动机在接和y 接两种状态下定子电流，、功率因数c o s 中、 效率n 与负载率p 的关系。其中： p = & 1p h 2 - 6 式中，r 为额定功率。 下面分别进行讨论。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 2 1 i 。= r p ，关系 三相交流异步电动机的定子一相等效电路如下图所示： 图2 - 2 三相交流异步电动机的定子一相等效电路 图中，x ，为定子每相绕组的电抗 丘为转子相电阻的折算值； x ，为转子相电抗的折算值； r 。为激磁电阻； z 。为激磁电抗； ，；为转子电流的折算值； ，。为激磁电流。 才l 一 图2 - 3 电动机的电流矢量图 当电动机空载时，转子转速接近于同步转速，转差率sz0 ， 月：s 斗o 。，转子相当于开路。此时转子电流接近于零，定子电流基 四川大学硕士学位论文c 2 0 0 5 ) 本上是激磁电流。即 i 。，o f l j n i ； 27 2 8 式中，。为定子空载电流。 式2 - 8 可表示为图2 3 的矢量图。 因此，要分析电动机由接转换为y 接运行时，定子电流，随 负载的变化情况，就需分别讨论定子空载电流l 和转子折算电流， 随负载的变化情况。 下面分别进行讨论： 空载电流，n 方面，电动机的电势平衡条件为： u 1 = 一e l + ，l ( r l + 工) 2 - 9 因为咒、x ，很小，故可以认为，当电动机由接转换为y 接 运行时，定子每相绕组上感应的主电势e 将近似地随u 的降低而降为 接时的l 3 。 由： e i = 4 4 4 f w l k 。， 2 - 1 0 式中，m 为定子每相绕组串联的匝数； k ，为绕组系数； 十。，为定子绕组回路的磁通最大值。 可见，对于某一在用的电动机，y 接时的十。也将近似的降为 接时的l 3 。一般说来，设计电动机时选取b 值在磁化曲线的拐角 处，因而，当电动机由接转换为y 接运行时，定子每相绕组的空 载相电流将降为接时的i 3 还要低一些。 另一方面，由电工学的知识可知：负载接时，线电流等于3 倍 的相电流；负载y 接时，线电流等于相电流。也就是蜕，在相电流 相等的情况下，y 接时的线电流是按时的1 3 。 综上所述，当电动机由接转换为y 接运行时，空载线电流将 降为接时的l 3 。 i o 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 s ) 转子折算电流，： 由电动机的近似等效电路得 ，2 = 2 1 l 由式2 - 9 可见，电动机由接转换为y 接时，一方面u 的降低 会使：1 减小，另方面s 的增大会使，2 增大。最终：。是增大还是减 小由负载大小而定。一般说来，负载很轻时，：是降低的；随着负 载的增大，s 明显增大，：。呈上升趋势。 定子电流五 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 一；：， 扩 一夕 ， ， ， y b ， 0 2 0 4 0 6 0 8 01 0 0 图2 _ 4 接和y 接状态下i 与b 的关系曲线1 1 图2 4 为电动机在y 接时以及接时的，= 厂r pj 关系曲线。电 动机在空载情况下，y 接时的空载线电流近似等于接时的l 3 。轻 载时，由于厶起主要作用，同时，尚未增加或增加不大，这就使得 y 按时的，明显低于接时的，。当负载增大到一定程度( 大约 p 7 0 9 6 ) 时，由于电动机依靠增大转差率s 来提高电磁转矩以达到 与负载转矩相平衡的状态，导致，。随着s 的增大值超过了空载电流 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 。的减少值，这就使得y 接时的1 1 大于a 接时的。 2 2 2 j ( d = f ( f t ) 关系 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 c o s 巾o o ， 、 一 、， ， | |， f ， ， b ，一 0 2 0 4 06 08 01 0 0 图2 - 5 接和y 接状态c o s 由下与b 的关系曲线 电动机的功率因数与其端电压及负载率之间存在如下关系 c o s q ， c o s q 。 2 j 2 式中，k u 为电动机的调压系数，k u = u 1 u n ( u n 和u 1 分别为电动机 额定工况和降压运行时的实际电压) ；电动机在y 接时，k u = l j 。 k 。为电动机的空载电流系数。 k 。= i o i n 式中，i 。为电动机的空载电流； l n 电动机的额定电流。 2 1 3 对于特定在用的电动机，其空载电流系数k ，为定值。 图2 - 5 为电动机在接和y 接状态c o s 巾下与1 3 的关系曲线，剥 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 于不同空载电流系数的电动机，该曲线会略有差异。从上图可以看出 y 接的c o s 巾要高于接的c o s 中。 2 2 3n = f ( f 3 ) 关系 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 t l “ 、 f ， tf y f 1 3 o , t o 0 2 04 06 08 01 0 0 图2 - 6 接和y 接状态n 下与b 的关系曲线 电动机的效率与其端电压及转差率之间存在如下关系： ”：s n 。广c o s o u 一 q ” 2 一1 4 k ；s 。c o 聊 式中，s n 为电动机额定工况时的转差率： s 为电动机降压运行时的转差率； n n 为电动机额定工况时的效率； n 为电动机降压运行时的效率。 考虑到转差率与功率因数随负载的变化，得出电动机在接和y 接状态下n 与b 的关系曲线如图2 6 所示。 现分析如下： 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 当 4 0 时，由于电动机转矩与端电压平方成正比，所以一 y 切换后电动机转矩也随之下降而小于负载转矩，电动机只有依靠增 大转差率，提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。由于此时 转差率增大，导致，随着s 的增大值超过了空载电流。的减少值， 定子电流随之增大，从而使定子铜损咒，和转子铜损b 。，的增大值超 过铁损民的下降值，致使电动机的效率下降。 2 3 吖切换的节能原理 电动机y 转换的节能方法是针对电动机运行时的“大马拉小 车”现象提出的，对于经常处于轻载或空载下运行的电动机，采用该 方法可以收到明显的节能效果。一般情况下，当b o 时，v u 3 a i 2 0 5 v 。 当硬件保护动作后，v i z = o v ，v t j 4 a 2 = 4 8 v ，v u 4 a 4 ( v u 4 a 5 。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 代入式3 5 得：v u 4 a 4 ( 2 4 v 。 充分考虑安全余量，结合实验调试过程，选择v u 4 a 4 = 2 2 v 。经实 验验证，可满足要求。 34 3 其它单片机外围电路 临界负载率的调整电路 临界负载率由电位器经a d 采样输入。 对于临界负载率，单片机a d 转换数字量的分辨率对应0 0 2 v ( 详 细分析参见3 ，2 节) ，为保脸起见，取o 一2 ，5 v 对应临界负载率o 赌一 1 0 0 ，则0 0 2 v 对应的临界负载率为： 1 1 2 8 = 0 7 8 1 2 5 临界负载率的调整电路的具体用法如下： 当电动机在下运行时，如果负载率小于临界负载率，且在一定 时间内，定子电流的积分平均值小于临界负载对应的电流值，则电动 机从下切换至y 下运行。此时可将临界负载率适当调大( 但一般 调的不高于4 0 ，大部分电动机在负载率高于4 0 时如在y 下运行， 效率反而会更低，参见图2 5 ) ；同样如电动机从y 下切换至下运 行后，也可将临界负载率适当调小。使用者可根据负载的实际情况， 选择不同的临界负载率，从而在实现节能目的的基础上，降低电动机 的切换次数。 积分时间的调整电路 积分时间同样由电位器经a d 采样输入。 对于积分时间，单片机a d 转换数字量的分辨率对应0 。0 2 v ( 详 细分析参见3 2 节) ，为保险起见，取0 2 5 v 对应积分时间0 s 一 1 2 8 s ，则o 0 2 v 对应的积分时间为1 s 。 积分时间的调整电路的具体用法如下： 在己知负载有较大幅度的变化时，使用者可通过减小积分时间来 使电动机在短时间内切换至合适的工作状态；在负载无明显变化时， 使用者可通过增大积分时间来降低切换发生的概率。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 一y 切换信号与保护输出信号 单片机i o 口输出的一y 切换信号与保护输出信号经光耦隔离 控制继电器z j l 、z j 2 的线圈，从而实现切换与保护动作。这种隔离 驱动方式同时也加强了系统的抗干扰能力。 电动机的运行状态以及故障信号的指示 单片机i 0 口控制的l e d 指示等用来指示电动机的运行状态以及 故障信号。其中包括或y 下运行指示、过流故障指示、不平衡故障 指示等。 校准环节 针对3 1 节保护器性能要求的第7 点，为实现电动机保护器与电 动机功率的无关性，就必须有校准环节，以使得对于不同额定功率的 电动机，只要更换c t 并校准以后，该保护器照样可以使用。 为此，采用在保护器的整流环节前一级加分压电位器( 详见附图 卜电动机保护器的原理图) 的办法，以实现校准的目的。也就是说， 需调整分压电位器，使得电动机额定负载下对应的整流环节的输出为 ( 即单片机的a d 输入) 为o 8 v 。( 有关选择为0 8 v 对应于电动机 额定负载的讨论参见3 4 1 节) 但是在出厂前，利用调节负载至额定 负载来进行校准是不现实的，为此提出校准方法如下： 先确定合适变比的c t 以及合适大小的电阻，然后计算出额定电 流下对应的整流环节的输入信号的交流电压值，再用信号波发生器产 生相同的电压信号作为模拟输入，最后按前述方法进行校准。 3 4 4 保护器的原理图及硬件抗干扰措施 保护器的原理图见附图1 。抗干扰措施包括硬件措施和软件措施 两种，后者见3 5 2 节。 本设计的噪声源主要有：来自保护器内部的各电路元器件产生的 固有噪声：来自保护器内部的感性负载切换时产生的噪声，主要是附 图l 所示的z j l 、z j 2 、z j 3 切换时产生的噪声；来自保护器外部的感 性负载切换时产生的噪声，主要是电动机接触器切换时产生的噪声； 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 直流电源部分的噪声干扰等。 为抑制来自保护器内部的摩| 生负载切换时产生的噪声，在单片机 驱动继电器的电路中采用光耦隔离。并在继电器线圈上并联一极管， 以抑制继电器线圈产生的反电动势干扰。 在单片机驱动继电器的电路中采用光耦隔离也同时抑制了来自 保护器外部的感性负载切换时产生的噪声。 本设计对来自直流电源部分的噪声干扰的抑制方法是：在直流电 源输入端并联滤波电容。 3 4 5 保护器的印刷电路板的设计 印刷电路板见附图2 。 印刷电路板采用1 3 5 珊n 9 0 r a m ，双面布线。考虑到本系统的运 j ： 环境，设定印刷电路板的主要规则如下： 最小安全间距0 3 5 n _ n ； 数字信号最小线宽0 5 r n m ； 模拟信号最小线宽0 5 r r n ； 电源线最小宽度1 5 m m ； 地线最小宽度1 5 r a m 。 3 5 电动机节能保护器的软件设计 3 51 程序流程图 电动机节能保护器的程序流程图如图3 _ 7 所示。 系统软件采用m c s 一5 1 汇编语言编写，采用模块化结构设计，主 要由主程序、判断启动子程序、启动延时子程序、a d d 转换子程序、 过流( 反时限) 判断子程序、三相电流不平衡判断子程序、判断切换 子程序等多个子程序组成。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 图3 7 电动机节能保护器的程序流程图 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 主程序的运行与各子程序的调用过程如下： 单片机上电后，主程序先进行开机自检，然后设定各i o 口、定 时器( 包括看门狗定时器) 的工作状态，再对程序中用到的变量、信 号量进行初始化，并使能定时器中断和a d 中断。 系统初始化完毕后，调用判断启动子程序，先判断电动机在y 下还是下启动，并以此为依据设定有关参数的值，再根据a d 转 换结果判断定子电流是否为零。如为零，则电动机未进入启动过程， 继续调用判断启动子程序；如不为零，则表明电动机已进入启动过程， 程序转入下一环节。判启动过程中需给硬件保护电路发复位信号，以 防止保护器上电时硬件保护误动作。 电动机进入启动过程后，单片机调用启动延时子程序，判断启动 过程中不平衡故障。如有，则保护动作，单片机进入等待复位状态； 如无，则启动延时过后，程序转入下一环节。 启动过程结束后，单片机循环调用过流( 反时限) 判断子程序、 三相电流不平衡判断子程序和判断切换子程序。如有保护动作，单片 机进入等待复位状态；如满足切换条件，则发出切换信号，继续循环 调用上述三个子程序；如发现硬件保护动作，则单片机直接进入等待 复位状态。 说明；为了防止电动机在临界负载点附近发生频繁的切换( 又称 临界点振荡) ，单片机在通过a d 采样采入临界负载率以后，程洋需 加入回差值。本设计的回差值设为3 。回差值设定与3 4 4 所述的 临界负载率的调整均为抑制临界点振荡的有效方法。 3 5 2 软件抗干扰措施 5 1 单片机的所有指令均不超过3 个字节，且多为单字节指令。 指令由操作码和操作数两部分组成，操作码指明c p u 完成什么样的 操作( 如传送、算术运算、转移等) ，操作数是操作码的操作对象( 如 立即数、寄存器、存储器等) 。单字节指令仅有操作码，隐含操作数； 双字节指令第一个字节是操作码，第二个字节是操作数；三字节指令 四川大学硕士学位论史( 2 0 0 5 ) 第一个字节是操作码，第二个字节与第三个字节是操作数。如何判定 e p r o m 中的某个字节存的是操作码还是操作数完全由取指令顺序 来确定。c p u 复位以后，首先取指令的操作码，而后顺序取出操作 数。当一条完整指令执行完后，紧接着取下一条指令的操作码、操作 数。这些操作时序完全由程序记数器p c 控制。 在程序执行过程中，因各种干扰的存在，会使得p c 出现错误， 单片机程序便脱离正常轨道运行，出现“跑飞”现象。当程序“跑l s ” 到某个单字节指令上时，便自己自动纳入正轨；当程序“跑飞”到某 个双字节指令上，若恰恰在取操作码时刻落到其操作数上，则c p u 误把操作数当成操作码，程序仍将出错；当程序“跑飞”到某个i 字 节指令上时，因为有两个操作数，则c p u 误把操作数当成操作码的 机率更大。 为尽量减轻“跑飞”现象对整个系统造成的严重后果，在程序设 计时，需加入一些抗干扰措施，以尽快将“跑飞”的程序“拉回来”。 本设计采用的软件抗干扰措施如下： 指令冗余。指令冗余是指对某些重要指令的连续重复以及存关 键地方人为地插入一些单字节指令n o p 。 如对保护动作指令可在程序中写： c i 且p 0 2 c l rp q 盘 ，c ir 、。p 0 2 这样就大大降低了该指令不被执行的概率。 再如可在双字节指令和三字节指令后插入两个单字节指令 n o p ，这可以保证其后的指令不会被拆散。特别是如果其后为对于程 序流向起决定作用的指令( 如r e t 、r e t i 、a c a l l 、l j m p 、j z 等) ， 或者是某些对系统工作状态起重要作用的指令( 如s e t b 、e a 等) ， 如在这些指令前插入两个单字节指令n o p ，可保证乱飞的程序迅速 纳入轨道，确保这些指令正常执行。 软陷阱。软陷阱是指在一些没有写任何指令的e p r o m 的空闲 四门大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 区，写上无条件跳转指令： l j m pm a 小j 这样就能使程序“跑飞”到该处时，将程序“拉回”到入口处。 看门狗技术。看门狗技术是指当程序因干扰而在某处出现死循 环后，段时间( 人为设定) 过后，程序回到入口处。其原理是：人 为设定看门狗定时器的溢出值，程序在看门狗定时器未溢出时，喂看 门狗，使得看门狗定时器恢复到初始定时值；当程序因干扰而在某处 出现死循环后：看门狗得不到喂，看门狗定时器溢出，程序回到入口 处。 p 8 7 l p c 7 6 7 单片机自带看门狗，喂看门狗就是执行指令： w d f e e &m o vw d r s t ，撑l e h m o vw d r s t ， o b l h 将以上程序写入定时器中断子程序中，就可利用看门狗技术将 “跑飞”的程序“拉回”到入口处。 软件防干扰还有许多种方法，如重复检测法、程序卷回法等，山 于本设计并未采用这些方法，在此并不详细叙述。其它各种方法的叙 述参见文献2 。 加入防干扰措施以后全部程序为1 1 k 左右。 3 6 主电路接线图及其工作过程 图3 1 8 为种使用该电动机y 转换节能保护器的电动机主电 路接线图。其中2 2 0 v a c 接触器k m l 、k m 2 分别为控制电动机下、 y 下运行的接触器，k m 3 为保护动作的接触器。s 2 为启动按钮，s 1 为停止按钮。保护器内的继电器z 1 1 为控制a y 切换的继电器， z j 2 、z j 3 分别为单片机保护、硬件保护的输出继电器。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) n n h u h 臼 u s l 硎3 s 2 见 硎3 n 白 u 删3 j 2i三j 1 z j 3 m j 、刖1 0 i !l 2 刚1 碉m 2 刖2 聊1 图3 - 8 主电路接线图 整个电路的工作过程如下： 启动状态输入。先通过输入按键给保护器输入信号( 一般情 况下，如电动机为轻载，则需将输入按键拨至y 下启动；如电动机 为重载，则需将输入按键拨至下启动) ，保护器根据输入情况判断 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 电动机在下或y 下启动，z j l 得电与否决定了k m l 、k m 2 得电 与否，同时也决定了电动机在下还是在y 下启动。 电动机启动。按下s 2 ，k m 3 得电，其常开触点闭合，电动机 通电。松开s 2 ，此时k m 3 的常开触点形成自锁，电动机持续通电。 电动机停车。按下s 1 ，i ( m 3 失电，其常开触点断开，电动机 从电网上切除。松开s 1 ，此时k m 3 的常开触点已断开，电动机与电 网无法再接通。 电动机- y 切换。电动机在下运行时，如在设定的时间 内，保护器检测到电动机定子电流均小于额定电流与设定的临界负载 率的乘积( 临界负载率与时间的设定参见3 3 节及3 4 3 节) ，则单 片机发出切换信号控制继电器z j l 的常开触点闭合，i n l 线圈失电， k m 2 线圈得电，电动机切换至y 下运行。电动机在y 下运行时，如在 设定的时间内，保护器检测到电动机定子电流均大于额定电流与设定 的临界负载率的乘积，则单片机发出切换信号控制继电器z j l 的常闭 触点闭合，k m 2 线圈失电，酬1 线圈得电，电动机切换至下运行。 i ( m l 与k n 2 的线圈回路有互锁，从而避免了短路情况的发生。 电动机保护动作。如单片机检测到电动机已满足反时限过流保 护或三相电流不平衡保护的动作条件，则继电器z j 2 得电，其常闭触 点断开，k m 3 失电，其常开触点断开，电动机从电网上切除。如电动 机发生大电流短路，贝硬件保护电路先于单片机保护电路动作，继电 器z j 3 先得电，其常闭触点断开，3 失电，其常开触点断开，电动 机从电网上切除。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 4 三相异步电动机y 转换节能保护器的实验 为了验证本方案的正确性及可行性，制作了台样机并进行了测 试。 4 1 实验目的 通过对单片机控制的三相异步电动机y a 转换节能保护器节能 效果与降压启动的钡i 试，验证电动杌保护器电流采集单元( 包括线性 整流部分和a d 转换部分) 的准确性，单片机运算程序和控制策略 的正确性，以及单片机在电动机启动、运行、接触器动作等电磁环境 下的抗干扰能力。 说明：各保护功能通过信号波发生器模拟电流互感器输入的方法 进行验证，本实验之前已验证过，由于可能对电动机造成伤害，所以 本实验并未做有关保护功能的验证。 4 2 实验仪器 1 、j 0 2 4 1 4 型三相异步电动机1 台，额定功率4 k w ；连续工作 方式；额定电压3 8 0 v ；额定电流8 4 2 a ；额定转