异步电动机节能运行控制器设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 49 页 共 50 页1 绪论1.1异步电动机节能控制的意义随着我国工农业生产的迅速发展，电能的需求量越来越大，开发和节约能源已成当务之急。作为一种重要的动力设备，异步电动机的用电量是非常大的。这些异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择的，但在实际使用中，大都经常处在轻载，甚至在空载下运行。因此，“大马拉小车”的现象几乎是很普通的，如煤矿常用的胶带输送机、刮板机、绞车、压风机、机床等设备在大部分运行时间中，电动机的负荷变动都较大，其平均输出功率与最高输出功率之比一般为0.30.4，有的还更低。电动机的负载率低，效率不高，电能的浪费现象十分严重。1996年国家统计局统计数字表明，我国全国年发电量的60为各种电机设备所消耗，其中90kW以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的70%，即消耗了4200亿度电。按我国今年国家规定0.5元/kWh的电价计算，其折合人民币210亿元。如果这些异步电动机能够节电10%，就可节约21亿元人民币。2002年国家电力部统计数字表明，火力发电每kWh需投资约1元；三峡水电每kWh需投资约1.13元，建设周期1317年；核电每kWh需投资23元；其他能源（太阳能、风能、海洋能等）每kWh需投资35元。若仅按中小功率异步电动机节电10%计算，其年节电量相当于三峡电站的半年发电量，可节约国家投入电站建设资金50亿元左右，为国家节约大量能源和费用。因此在目前我国工业生产不断发展，能源日趋紧张，环保要求日趋高涨的情况下，提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况，提高国民经济效益，具有十分重要的现实意义。1.2 异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。其中从电机的设计制造方面人手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高，可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合，其节能效果能达到最佳。但对大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的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，1975年美国宇航局工程师Frank Nola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，通过后面第二章的分析可以得出：即在定子电压一定的情况下，只要负载率小于额定负载率，交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应的关系。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。该类装置空载时节电率为40左右，总节电率大致为20左右，功率因数有一定改善，但并未超过0.5。利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从70年代开始应用的，以后美国宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控制电路，发展成现在的智能化电机节能控制器。目前，世界上有许多公司都生产软起动器，例如：美国Allen-Bradley公司在90年代初期推出了系列的智能控制器（SMC-Smart Motor Controller）；GE公司生产的软起动器最大功率为850KW，额定电压500V，额定电流1.18KA，最大起动电流为5.9KA；在欧洲，德国的金钟默勒公司的Softpact系列起动器在欧洲销售得较好；意大利SIEI公司生产的软起动器额定电压达到690V，额定电流达到1.6KA。以上的电机控制器都有优良的性能。它们集软起动、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和得到控制器运行状态。由于能源紧缺我国也从七十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ID，DJZ，XSZ等等一大批系列节电器。其空载节电率大于30%左右，轻载（小于30%负载率）为3343%左右。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。目前市场上已有天津、上海、西安等多家企业的产品，系列产品达到320KW。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，传统的交流电动机起动器仍继续占领市场，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。因此，有必要自行研制适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的迫切要求。研制中除了借鉴国外产品成功经验外，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，开发出具有特色的中国人自己的节电产品来1。1.3异步电动机节能控制的基本方法异步电动机运行时，一般有四种方式可以达到节能的目的：(1) 调压节能调压节能是利用异步电动机轻载时效率很低,降低输入电机的端电压以降低空载损耗来提高效率。电机端电压降低后,气隙主磁通也成正比下降,由 E2U2 ;电机定子电流中的励磁分量I0 也会随着下降。但 下降时,如果电机的负载转矩不变,则转子电流I2 将上升,有I2 1 / 1 /E2。这些变化对电机损耗产生影响，电压下降适当时, 电流I1可以减小, 铜耗也相应减小。机械损耗则一般变化不大,杂散损耗随定转子电流而变。当电机轻载或空载时, I1中I0分量所占比例较大, I2分量所占比例较小,定子电流是能够减小的,降压运行可以达到降压节能的目的。(2) 变频节能变频节能是对变频器供电的异步电动机实现功率因数自动控制, 使电动机一直处于较高功率因数下运行, 减少无功能量的损耗,根据实际需要, 设计一带有转速反馈的高功率因数异步电动机变频调速系统, 从而达到节能的目的。(3) 软启动节能异步电机的启动性能较差, 全压启动电流约为额定电流的810 倍, 对于大功率电机, 将对电网产生很大冲击, 影响同一电网中其他用电设备的正常工作。这样，全压启动对电机的机械部分也产生大的冲击, 缩短机械部分使用寿命，若采用软启动措施,平稳升高启动电压, 直至正常工作, 这样既改善了电机启动对电网的冲击, 同时也减小了机械部分承受的冲击，通过设计异步电机软启动节能控制器, 用于电机的节能、软启动。(4) 单片机控制异步电动机Y/D转换节能通过单片机控制的三相异步电动机Y/D转换节能器，可对电动机的Y，D之间的转换临界负载率电流值分别进行设定，并可加入一定的回差值，从而解决了接触器频繁转换的问题，对于变载工作的电动机可取得较好的节能效果2。本论文将重点研究电机轻载时降低定子电压提高功率因数的电机节能方式。调压节能的主回路一般都采用晶闸管调压电路由六只两两反并联的晶闸管组成，串接于电动机的三相供电线路上，用单片机控制晶闸管触发角的大小，调节交流电动机定子电压以减少电机的铁损及励磁电流，从而提高功率因数及运行效率。1.4 异步电动机调压节能控制方法本论文主要从电机的软起动控制和轻载调压控制两方面着手，达到节能的目的。异步电动机的起动控制方式：异步电机是以反电势来平衡外电压的，反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动之初反电势为零，所以起动时冲击电流很大，约为额定电流的57倍。对于功率较大的异步电机起动时电流会达到几千安培，会对电网造成很大的冲击，使电源电压下降，影响同一电网上的其它设备的起动和正常工作。基于以上的原因，电动机一般不允许直接起动，必须对其起停加以控制。可以实现异步电机软起动的方式主要有：离心连接方式、变频调速起动方式、降压起动方式。(1) 离心连接方式包括液力耦合器，电磁转差离合器等多种形式。其基本原理是在电机和负载之间加入中间级以起到缓冲作用，离心连接可用于调速，但调速范围不大，精度低。这种起动方式可以防止起动时对负载设备的冲击，但不能防止起动过程中冲击电流对电网的影响。(2) 变频调速起动方式变频调速系统除进行电机调速外，还可以实现平滑起动。在电机起动加速时，逆变器输出频率做线性增长，随频率增大电压随之增高，可使电机起动时的电流限制在1.5I左右。对于有调速要求的电力拖动系统，宜采用变频器调速方式。但这种电机控制器的电路复杂，成本较高，当不需要精确调速时，不适合应用这种起动方式。(3) 降压起动方式包括常规的降压起动和固态软起动器起动两种方法。常规的降压起动方式主要有：定子电路中串入起动电抗、星三角形起动、自耦变压器降压起动等。这类起动控制可以达到减小起动时的机械及电器冲击的基本要求，但它们仅仅是名义上的软起动控制器，因为它们将起动阶段分为两个或多个步骤，起动电流由一级向相邻一级跳变时会产生跳跃冲击，且这类控制器均以接触器为主要部件，虽然经过不断的设计改进，但还是存在不可消除的缺点，如体积大、机械磨损、触头烧熔、工作噪声、工作时的射频干扰和机械震动，为此，起动设备需要经常维修，实践表明，这类起动器的性能比电机本身还要差。另外一种降压起动方式是用固态起动器起动。固态起动器是一种新型的无触点起动器，通过半导体元件来控制。在三相电路的每一相有两个晶闸管反并联连接，控制输出的触发脉冲即可调整晶闸管的输出电压3。1.5 异步电动机的调压节能控制方式电动机的效率为输出机械功率与输入电功率之比。电动机的损耗是输入的电功率与输出机械功率之差，小功率三相异步电机的损耗主要损耗是铜耗和铁耗损，共占总损耗的大约80。在电动机工作时的三种基本损耗中，定子、转子的铜耗与其电流平方成正比，铁耗与其电压的平方成正比。因此，如果在负载减轻的同时，相应降低电机的端电压，那么就可以减小铜耗和铁耗，提高运行效率。为了获得最佳的节能效果和最好的运行功率因数，人们对轻载调压节能技术进行了仔细的研究，提出了很多优化的端电压控制策略，如：恒功率因数角控制，最小定子电流控制，最小功率因数角控制和最小定子输入功率控制。它们在实施中取得了较好的节能效果。然而这些研究也显示出某些不足，在实际应用中，由于缺乏系统的理论分析与完善的控制策略，很难达到最佳的控制效果4。综合上述分析可见，仅从节能的角度考虑，以最小定子功率控制法(minPin)为最好，但由于采用minPin法必须准确测定电动机定子电流及电压与电流的相位差，所以从控制器的性能价格比和节能效果综合考虑，仍不采用此法。另外，上述四种调压控制方式有一个共同的缺点严重依赖电动机的数学模型，而目前所能找到的公式大多是经验公式和简化公式，即使能找到精确的数学模型，由于电动机参数随着电动机型号、加工工艺及电动机老化等等因素而改变，再精确的数学模型也并不准确了，所以采用传统的数学解析式方法进行调压控制很难达到满意效果。因此，本文将采用模糊控制技术等人工智能控制技术寻找解决问题的突破口，用最简洁的方式，最实用的方法，最廉价的成本，取得最高效的节能功效。1.6 异步电动机节能控制器的关键技术 (1) 功率因数角的检测传统的功率因数的检测，需要对电压、电流的相位角进行精确测量，所需元件较多，运算比较复杂，而且所需成本过高，本文提出的检测方法是，利用晶闸管的自动关断特性，对电流过零点进行检测，通过比较器把电压过零信号转换成方波信号，便于单片机采集，经单片机运算就可得到功率因数角。在节能控制器中，检测到准确的功率因数角是控制是否精确的关键，本系统使用晶闸管的基本特性，能精确测量信号的过零信息，而且不增加额外电路。 (2) 节能控制器中的软件实时性软件设计采用模块化的设计思路，包括主程序模块、电压中断程序模块、电流中断程序模块、数据处理模块。主程序模块主要完成控制系统软件及硬件的初始化，电压、电流采样数据送入数据处理模块进行处理，判断电压电流是否正常，若有故障则停机。电压过零点到来时产生电压中断，中断程序首先输出触发脉冲，接着起动定时/计数器进行计数；电流过零点到来时产生电流中断，中断程序关断定时/计数器，并读取计数器的数值，将其送入系统数据处理程序模块，数据处理程序模块主要完成功率因数角的计算、找出与预先设定值的差值部分，最终计算出调压比，得出PWM 触发脉冲6。1.7 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：课题要求任务：(1)节能器功能设计与实现。(2)节能器的硬件设计与编程。(3)重点研究基于最小能耗的三相异步电动机节能控制器算法。内容：(1)节能器功能设计包括软启动、软停车、节能控制、故障综合保护。(2)研究软启动算法、软停车算法和节能控制算法。(3)设计出系统硬件电路并编程。要求：(1)基本的软启动、软停车、节能控制、综合故障保护功能必需实现(2)单片机选用89C52，硬件设计要求操作简单，易扩展，抗干扰，LED显示2 节能器节能控制原理和控制策略2.1 降压节能原理2.1.1 降压节能概述对于满载或重载运行的电动机，降低其端电压将会造成严重后果，随着端电压的降低，电动机的磁通和电动势随之减小，铁耗无疑将下降。但与此同时，电压平方变化的电动机转矩也迅速下降而小于负载转矩，电动机只能依靠增大转差率，提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。转差率的增大，引起转电流增大，同时引起定子和转子电压间的相角增大，导致定子电流增大，从而定子和转子铜耗增加值大大超过铁耗的下降值，这时电动机绕组温升将会增高，效率将会下降，甚至发生电动机烧毁事故。因而，一般规程都规定了电动机正运行时电压变化范围不得超过额定电压的95%110%。然而对于轻载运行的电动机，情况就截然不同，使供电电压适当降低，在经济上是有利的。这是因为在轻载运行时，电动机的实际转差率大大小于额定值，转子电流并不大，在降压运行时，转子电流增加的数值有限。而另一方面，却由于电压的降低，使空载电流和铁损大幅减少。在这种情况下，电动机的总损耗可降低，定子温升，运行效率和功率因数同时得到改善。由此可见，电动机的运行经济性与电动机负载率同运行电压是否合理匹配关系极大。理论分析表明电动机的力能指标(运行效率与功率因数)与其端电压之间存在如下的数量关系: (2.1) (2.2)其中: 和S为电动机额定工况和降压运行的转差率;和为电动机额定工况和降压运行的功率因数;和为电动机额定工况和降压运行的效率;为电动机的调压系数，(和为电动机额定电压和降压运行时的实际电压);为电动机的空载电流系数，(和为电动机的额定电流和空载电流)从公式(2.2)不难看出:并不是所有的降压行为都能达到节电的目的，只有当电压降低程度大于转差率及功率因数上升程度时，才能使运行效率提高.实际上，电动机效率随电压降低而变化的关系呈马鞍形曲线，对应于每一个输出功率(或负载系数)，必然存在一个最佳调压系数，当=时，电动机的损耗最低，效率最高。为电动机的最佳电压调节系数。不同负载下最佳电压调节系数可按电动机的负载系数由下式确定: (2.3)其中: 为电动机额定负载时的有功损耗(KW):为电动机的空载损耗(KW);K为计算系数， （为电动机的机械损耗（KW）为电动机的负载系数， (为电动机的输出功率， 为电动机的额定功率)。GB12497给出了轻载电动机采用降压节电措施后，节约电能的计算公式为节约的有功功率为: (2.4)节约的无功功率Q为: (2.5)其中: 为电动机带额定负载时的无功功率(Kvar)为电动机的空载无功功率(Kvar)节约的电能为: (2.6)其中: 为无功经济当量，当电动机直连电机母线=0.020.04，二次变压取=0.050.07，三次变压取=0.080.10;Tec为电动机年运行时间（h）16。2.1.2 不同负载情况下的降压节能分析根据异步电动机所驱动负载的工作特性，可以将负载分为两类:恒转矩负载和变转矩负载。恒转矩负载是指负载对电动机的阻转矩兀相对于电动机转速n近似为常数。例如切削机床、传送机、吊车等。变转矩负载是指负载对电动机的阻转矩兀相对于电动机转速。有较大变化。例如风机，水泵等。对于这类负载其阻转矩可用下式表示： (2.7)其中: 为负载的额定转矩;s为转差率(l)恒转矩负载损耗分析异步电动机的输出转矩和输出功率有如下关系: (2.8)其中: 为电机输出功率;n为电机转速对于三相异步电机，调整定子电压时电动机的速度变化很小，因此由上式可以认为电动机的输出功率几乎不变。异步电机端电压变化时，铁耗与电压平方成正比。且有如下关系成立: (2.9)其中: 为电动机在实际电压下铁耗; 为电动机在额定电压时的空载损耗;为电动机的机械损耗; 为电动机的调压比; 为电动机实际定子电压; 为电动机额定电压。电机铜耗与电流平方成正比，并且有下式成立: (2.10)其中:为电动机的实际铜耗; 为电动机的额定功率; 为电动机的额定效率；为电动机的负载系数; 为电动机输出机械功率。对于恒转矩负载调压时不变，负载系数为定值，这时若电动机的端电压降低，则铜耗按比例增大，而铁耗按比例减小。这样必然存在一个电压值，使得电机在此电压下运行时，总的损耗最小。这一电压称为在该负载系数下的最佳运行电压，记为相应的电压比称为最佳电压比，记为。设电动机额定电压下运行时的总损耗为，任意电压下运行时的总损耗为，则有:. (2.11) (2.12)定义对于在某一负载系数下运行的电动机，显然当越小，节电效果越显著。令，可求得在此负载系数下的最佳调压比： (2.13)令 (2.14)由以上分析可以得出如下结论:1）最佳调压比与电动机额定运行时的耗损分布有关，一般异步电动机有，即，也就是说额定运行时铜耗大于铁耗，电动机并非运行于损耗最小状态。2）当电动机满载运行时，其最佳调压比时，但其值不能大于1.1。3）只有当负载系数时，降低电压才有节电意义，且负载系数越小，降压节电效果越好。4）当值越接近1(额定运行时的铁耗越接近铜耗)的异步电动机，采用降压节电的效果越好。综合以上分析，对于恒转矩负载，调压节能主要是减少电动机的铁耗和铜耗，以提高电动机的效率5。(2)变转矩负载损耗分析变转矩负载的工作特性可用图所示 图2.1 变转矩负载工作特性曲线如图所示，当流量为额定值，转速为额定值时，阻力为曲线，负载工作于A点;这时的负载输入功率(电机的输出功率)可以用四边形的面积表示。当输出流量降为，如果仍然全压运行，则系统工作于B点，此时电动机输出功率用四边形的面积表示。可见输出功率略有下降。如果当负载率降低时，相应降低端电压，电机转速降为，负载工作于c点。这时在保证流量的前提下，电动机输出功率大幅下降，用四边形面积表示。综上所述，对于变转矩负载，降低端电压不仅可以降低电动机本身的铁耗和铜耗，而且输出功率的降低进一步减小了电动机的输入功率，节能率更高。或者可以理解为降低电动机端电压同时提高了电动机本身和负载的效率。2.1.3 不同负载率下的电压变比与功率因数关系由上面的分析可知功率因数与电压的变化存在密切的关系，通过调压来改善电机的功率因数非常方便，控制非常简单。在轻载运行时，电压的变化对功率因数的影响很大，异步电机运行在不同负载率时电压变化对功率因数影响如下图所示: 图2.2 不同负载率下功率因数与电压变比关系曲线2.1.4 功率因数角变化对晶闸管输出电压的影响通过相控调压方式控制电机的起动电压，要使电机的定子电压按某一特定规律变化是很困难的，原因是:电机的续流角决定于其功率因数角，而功率因数角又与电机转速相关，在电机起动过程中，电机转速的不断变化，会导致功率因数角的变化，因此晶闸管触发角的调整必须跟随功率因数角的变化，才可能实现按预期规律调节电机电压的目的。 晶闸管调压型软起动控制器的一相等效电路如下图所示，其中为电机一相的等效阻抗，为电网的相电压，为晶闸管输出电压.设，。下图为一相晶闸管的工作电压示意图，其中为晶闸管的触发角，为电动机的功率因数角，即的阻抗角，为晶闸管的导通角。 图2.3 晶闸管调压电路的一相等效电路 图2.4 一相晶闸管的工作电压示意图由上图可得: ，角的大小决定了晶闸管的输出电压，即加在电机端口的电压。一般对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可由公式计算: (2.15)是及的函数。若晶闸管的输出端接一个恒定负载，即上图中的，固定不变，则为一常量，此时只须调整触发角，就可使按期望的规律变化。对于电机类负载，由可知，在电机起动过程中电机的功率因数角是不断变化。因此，若要控制的大小，仅按预定规律去调整触发角，而不考虑功率因数角的变化是不行的6。2.2 控制量的选择及控制策略2.2.1 软启动 电动机软起动方式就是控制以不同速率改变晶闸管的导通角，使电机端电压渐增。这样可以很好地解决传统起动方式电流过大及其派生的许多问题。2.2.2 起动过程的控制策略起动过程应考虑快速性和电流过载能力 , 所以起动时采用脉冲电流起动和电压斜坡起动相结合的方案 , 同时配置限流和限时的安全措施。可设置/修改起动初始电压 Ust、起动时间 tg1、停车时间 tg2 。 图2.5 电压斜坡起动和停车示意图2.2.3 运行过程的控制策略运行过程中负载功率因数随工况变化 , 宜采用功率因数角负反馈闭环调节进行节能控制。同时 ,考虑到突加负载情况 , 为防止突加负载引起停车现象发生 , 配置突增负载工况的诊断和非线性升压控制措施; 在负载很轻或空载情况下 , 为减少电动机拖动设备的无效行程 , 提高节电率 , 配置间歇工作机制;对运行期间出现的断相、三相不平衡、过载故障等配置反时限安全保护措施9。2.2.4 移相脉冲可靠性触发控制策略对于感性负载 , 负载电流滞后电压角。在以电压过零作同步信号的系统中 , 当移相触发角情况的“半波整流”现象发生 。为保证移相脉冲的可靠触发 , 常要求触发信号为宽脉冲或脉冲串。但在双脉冲触发方式下 , 较大时第二脉冲串可能引起“误换相触发”现象发生 。采用变脉冲串控制策略 , 即采用 ns= table() , 可解决上述问题。其中table () 为控制决策表 , ns为对应移相控制角的脉冲串个数。小时 , ns 取大; 大时 , ns取小。2.2.5 软起动、软停车控制算法设电动机正常运行电源电压为 Uc , 斜坡起动初始电压为 Ust , 分别对应的过零移相触发角为c和st , 起动时间为tg1, 设步距为 h = 0.02s。则起动进程值 （2.16）起动每步距移相角 （2.17）起动电压斜坡升压控制移相触发角 （2.18）设电动机正常运行电压为UC, 软停下限电压为 Uq , 分别对应的过零移相触发角为 c和q, 停车时间为 tg2 , 步距 h = 0.02s。 (2.19)则软停车过程进程值 （2.20）停车每步距移相角 （2.21）停车电压斜坡降压控制移相角度 （2.22）2.2.6 运行过程有突增负荷时的防停车控制算法运行过程中若负荷瞬间突增, 设FIX () 为取整函数, Kp 为变比例系数 电流变化率 （2.23）则移相角为 （2.24） 这样当电流变化率为10 %、20 %、30 %、40 %时, 调压移相角可以按上式进行非线性调整10。2.2.7 运行状态下调的节能控制算法 由异步电动机的运行特性可知, 电动机在轻载时效率很低, 如果在轻载时降低输入电压, 减少电动机主磁通, 电动机的铁心损耗及磁化电流将减少, 从而电动机的效率、功率因数将得到提高, 为此组成功率因数的闭环控制系统可以有效地进行节能。功率因数调节器的作用是节能, 允许调节静差存在, 同时调节要求平滑, 而对快速性要求不高。所以功率因数调节器选用如下控制算法: 通过比较器, 求。其中为给定功率因数角, 为负荷功率因数角, 为被控功率因数角实时偏差, 为被控功率因数角实时变化率。设调节静差为。调节步距h =0.02s , 步距移相角为。在条件下, 按 控制。在或条件下, 按调节, 并对 限幅, 取, 调节曲线如图所示。 图2.6 调节曲线 这种控制算法的优点: 调节平缓, 无阶跃冲量。最小限幅在给定负荷功率因数角, 即永远使, 避免了感性负荷条件下的“半波整流现象”发生。 最大限幅在 , 即起到了轻载时的节能控制, 又避免了“停车现象”的发生。没有调节参数的现场整定问题11。3 节能控制系统的硬件设计 本章是异步电机节能控制器的硬件设计部分，也是本文的重点之一。在前面理论分析的基础上，详细而全面进行了关键硬件电路模块的设计，并对硬件的抗干扰进行了详细分析。3.1 节能控制系统总体方案设计 控制器通过对异步电机相电压与相电流的过零点检测，计算出异步电机的功率因数角，经过主控制芯片的处理，输出触发脉冲，控制双向晶闸管的导通角，达到降压节能的目的。系统主要功能电路有:主控制电路、电流电压采样电路、功率因数角检测、触发电路、双向晶闸管电路及控制器供电电路等，此外还有用于显示与操作的LED显示电路及键盘、断相保护电路、过压过流保护电路等。其系统组成如图所示: AT89C52双向晶闸管触发电路采集电路显示键盘电源电动机功率因数检测电路电网 图3.1 系统结构框图3.1.1 开关元件的选择系统控制主开关元件选用可控硅，其优点为:可控硅为自关断器件，由于它电流过零自动关断，没有强迫电流存在，电路中不存在由于电感的影响而产生的高次谐波，这是它优于变频的特殊之处。当前可控硅生产技术成熟，性价比高，控制电路简单、可靠、维护维修方便。由于主开关元件是硬件设备里成本最高的部分，选用可控硅，使研制的控制器的总成本较低，市场易于接收。3.1.2 单片机系统电子技术、微电子技术特别是大规模和超大规模集成电路技术的飞速发展和成熟，使得计算机不断的更新换代，尤其是微型计算机，其发展速度之迅猛，应用范围之广泛是以往任何技术都无法比拟的。而作为微型计算机技术的一个独特分支的单片机技术，使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说当今世界正在经受一场以单片机技术为标志的新技术革命浪潮的冲击。单片机一经出现，便以其小巧价廉，功能强，稳定可靠，集成度高，运算速度快，功耗低，扩展容易，抗干扰能力强，系列齐全:使用方便灵活等优点广泛应用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域，这使得单片机成为当今世界上销售量最大、应用面最广、价格最便宜的微型计算机产品，单片机技术的开发和应用水平已成为一个国家工业发展水平的标志之一。为了适应各种应用领域的需要，世界各国都在不断地进行研制和开发。目前世界上最具实力的单片机开发公司有：美国的Intel, ATMEL,荷兰的Philips，德国的Siemens等。其中Intel公司开发的MCS-51高性能8位机代表着单片机的发展方向，成为单片机领域中的主流产品，其他公司则纷纷推出了与MCS-51系列兼容的单片机，ATMEL公司的89系列Flash单片机便是其中的一种。其以Intel 80C51/52作为内核，并采用可重复编程的Flash ROM技术，是一种源于8051而又优于8051的单片机，己成为广大MCS-51用户进行电子设计与开发的优选单片机品种。根据系统的功能和要求，设计选用ATMEL公司89系列标准型单片机AT89C52作为控制中心。器引脚图如图 图3.2 引脚图主要引脚功能说明：(1) VCC：电源电压(2) GND：地(3) P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端使用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组端口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。(4) P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（In）。(5) P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。(6) P3口：P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（In）。(7) RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。(8) ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输入脉冲或用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。(9) PSEN：程序存储允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。(10) EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。(11) XTAL1:振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端。(12) XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3.1.3 时钟电路 AT89C52的时钟方式有两种，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本设计从简化电路方面考虑，采用内部时钟方式。AT89C52单片机内有一个高增益的反相放大器，其输人端（XTAL1）和输出端（XTAL2）用于外接石英晶体和微调电容构成振荡器，对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，一般电容值在20pF40pF时，振荡器有较高的稳定性。本设计用于交流电参数的测量，数据计算又软件实现，需要稳定的振荡时钟来保证测量与计算的精度，所以选择电容值为33pF，晶振频率为6MHz11。电路如图3.3所示。XTAL1XTAL2 图3.3 时钟电路3.1.4 引脚介绍X5045它共有8个引脚，各引脚的功能如下：CS ：电路选择端，低电平有效；SO ：串行数据输出端；SI ：串行数据输入端； SCK：串行时钟输入端；WP ：写保护输入端，低电平有效；RESET ：复位输出端；VCC ：电源端；VSS ：接地端。3.1.5供电电源的设计对于如何一个电气系统，电源是不可缺少的部分。89C52芯片为+5V供电，而外围采样和触发电路有需要+12V的电源。在这种情况下，所需电压的得到一般可通过外部开关电源或交流220V单相电经变压器、经过桥式整流后再经过电容、电感滤波直接得到，一般来讲，这样得到的+l2V和+5V电源负载能力较强但波纹较大，很难直接应用到系统中。因此，一般要经过DC/DC变换将该电压进行隔离稳压处理16。本次设计中电源电路如图所示: 图3.4 供电电源3.2 系统主要功能模块电路设计3.2.1 主电路设计大中型电机在直接起动时会产生很大的冲击电流，这一方面会引起电机的发热损坏，另一方面会对供电电网产生严重影响。因此需要对电机的起动过程加以控制，主要目的是为了降低电机的起动电流。传统的降压起动方法，如星/三角降压起动等，无法对电机的起动电压进行连续调节，因而导致电机起动时仍然存在较大的冲击电流。近几年来，国外一些学者及大公司都在致力于开发适合于普通三相异步电机起动的专用软起动控制器，很多学者在这方面作了大量工作。国内在该领域开展的研究工作较晚，尤其在系统的控制策略及控制算法方面，缺乏有价值的文献资料。现有软起动器中使用的反馈变量一般为电压、电流及转速，而本文以电机功率因数角作为系统的一个反馈控制变量，提出了对电机软起动系统进行功率因数角闭环控制的方法。软起动控制器的主电路如图3.5所示，系统主电路主要由空气开关（K1）、三对反并联的晶闸管、三只电流互感器（CT1、CT2、CT3）、交流接触器组成。系统采用三相平衡调压式主回路，将三对反并联的晶闸管串联在电动机的三相电路上。它利用晶闸管的开关特性，应用单片机实现控制算法改变晶闸管控制角的大小，来控制晶闸管的开通程度，进而改变电动机起动电压的大小，来控制电动机的起动特性，使电动机按设定模式平滑起动。当起动完毕后，程序控制将旁路交流接触器闭合，晶闸管暂停工作使电动机直接投入电网运行，这样既可以减少对电源的谐波污染，又可以解决软起动器功率元件的散热问题。同时微处理器对运行参数继续监视，对各类故障进行全程保护。停车时，控制系统给出停车信号后，晶闸管投入工作，旁路接触器断开，起动器按设定的停车模式实现软停车。电流互感器用于检测电动机三相电流，提取保护信号。这种结构控制简单、工作可靠，装置容量大而且造价低。 图3.5 晶闸管调压电路通过构造顺序触发矩阵来说明其控制算法：以A相电源电压做为同步信号，每检测到同步信号并延时某一移相角a后，按照B+A-、C+A-、C+B A+B-、A+C-、B+C-顺序触发各晶闸管的导通，相临两个触发单元的间隔为60度电角度。设A相正、负向触发脉冲信号、B相正、负向触发脉冲信号、C相正、负向触发脉冲信号分别用变量Ga+、Ga-、Gb+、Gb-、Gc+、Gc-表示。一个周期内六次定时中断用变量：建立的顺序触发控制逻辑矩阵如下： 上式表示顺序触发控制逻辑矩阵。依此算法即可实现B+A-、C+A-、C+B A+B-、A+C-、B+C-顺序对三相晶闸管触发的时序管理7。3.2.2 功率因数检测电路设计电压电流过零点信号要送入单片机的高速输入输出端口，CPU通过它们可以同时接收4个来自外部的脉冲信号，并且随时记录脉冲信号中高、低电平的出现时间，产生和输出宽度与周期均可调节的脉冲波(亦称PWM波)。因为异步电动机为感性负载，当电压过零后尚需一个延迟角电流才过零，其夹角即为功率因数角。电压过零检测就是把输入电压转换成同相位的矩形波，送入单片机的高速输入端，此矩形波的下降沿既是触发脉冲的基准信号，又可作为单片机软件定时器的开始信号。电流过零检测是把由电流信号由互感器采集处理后转换成矩形波，然后送入单片机的高速输入端，单片机由记录的电压和电流过零时间得到一个功率因数角。节能控制中对功率因数角的检测，是实现调压估算的关键，通过判断的大小，可以改变晶闸管的导通角的大小，实现调压。对功率因数角检测的精确性是保证调压节能效果的重要环节，因此设计一下采样电路，如图所示: 图3.6 电压电流过零检测电路图功率因数的检测主要是对电机相电压与相电流的过零点进行检测。以A相为例，对A相电压采样，相电压通过Vl、V2稳压，进入比较器与地进行比较，若是在波形的正半周，则有比较器输出高信号1，若是在负半周，则输出为低0，在输出信号为高时，使光偶导通，进入单片机高速输入VT0的信号就为高电平，如图所示，实现过零点检测。对电流信号的检测是对晶闸管两端电流信号的检测，通过一个电流互感器对电流信号进行采样，通过比较器把电流过零点的相位信息转换成方波信号如图所示，送入高速输入VT1，进行过零检测14。 图3.6 电压过零波形图 图3.7 电流过零波形图系统对电流电压的检测到对双向晶闸管的触发，在一周20ms中要全部完成，通过对另外两项的过零检测，经过单片机的处理，每个周期对系统进行同步。这样可以消除在每个周期对晶闸管触发时累积起来的误差。3.2.3 电压电流检测电路设计 电压电流转换要送入单片机的A/D进行转换，A/D转换器采用ADC0809。A/D变化可以将模拟量转换为等价的数字量。采集和转换时间可编程，转换值在模拟地和参考电压之间。转换结果可用来计算增益和零补偿误差，内部零补偿电路可以自动的进行零补偿调整。A/D有A/D门限探测模式，当门限电压被超出时，可产生中断。A/D扫描PTS方式可以便于自动A/D变换和存储。A/D变换的主要构件是采样保持电路、8位逐次逼进A/D的变换器。电压检测电路是把将线电压由变压器隔离降压，然后对变换后的信号进行整流，得到的直流信号经滤波分压后送入单片机的A/D端进行模数转换，就可得到电压值，以便对电机端电压进行判断，是否进入保护状态。 电流检测时利用三个电流互感器分别检测三相电流，检测得到的信号经整流桥整流分压后送入单片机的周D进行转换，由此就可以对异步电机的电流进行监测,使其与预设值进行比较，大于某个阀值就对电机进行保护，否则继续监测。检测占用三个A/D转换口。 图3.8 电压检测电路图 图3.9 电流检测电路图3.2.4 触发电路设计晶闸管的导通是靠触发电路完成的，因此触发电路触发的时序的准确性直接影响着节能控制器的工作状况，要求其稳定性要很高。触发脉冲的电压和电流必须大于相应的晶闸管的门极触发电压和电流，才能保证晶闸管的可靠工作。同时，触发脉冲的幅值和前沿上升的坡度也会影响晶闸管的导通时间。因此脉冲功率放大环节的作用就是使输出脉冲能满足晶闸管门极触发的需要，保证晶闸管的可靠导通，本系统所设计的触发电路采样两个三极管组成放大电路，把由高速输出口输出的触发脉冲放大，如下图所示: 图3.10 可控硅触发电路图3.2.5 三相不平衡保护电路设计 三相电机节能器在运行中由于负载不对称等原因常常会造成三相不对称，产生三相不对称交流电压，这将给电气设备和整个电网带来不利的影响。解决电机节能器运行状态下的三相不平衡检测和保护问题，对于保护电气设备、推广电机节能器的应用和节约能源具有重要的意义。在三相负载平衡时，交流三相电压、的电压幅值相等。相位角相差时，;一旦三相负载不平衡时，通常、的幅值就不再相等，或相位角之差不再为，根据此原理，对之和进行采样，将采样值与工程实践中得到的闭值进行比较，以判断是否采取保护动作，当采样值达到闭值，单片机发出控制信号令主电路中的接触器吸合，电机节能器断开，实现对电器设备的保护，其原理框图如图3.11所示。系统功能实现原理:系统上电，单片机延时，等待系统进入稳定状态。当系统进入稳定状态后，同时通过交流不平衡检测电路对不平衡三相电压进行采样。当脉冲计数或采样的不平衡三相电压值达到程序设定的闽值，单片机系统发出控制信号，令与电机节能器并联的接触器吸合，将电机节能器旁通掉;如果脉冲计数和不平衡三相电压采样值均没达到程序设定的闽值，则单片机系统发出控制信号，令与电机节能器并联的接触器断开，电机节能器投入运行15。 图3.11 三相平衡检测原理图3.2.6 键盘及显示电路设计键盘及显示电路主要的功能是使操作人员能对节能控制器初始设定进行修改，并对节能控制器的当前状态进行监控，由于对电机启动时的相关参数可以进行灵活设置，使节能控制器具有更强的适应性。3.3 系统的硬件抗干扰技术异步电机节电控制器的工作环境比较复杂和恶劣，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。影响系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计