三相异步电动机节能保护器的研究毕业设计

三相异步电动机节能保护器的研究摘要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。结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。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。关键词电动机、节能、保护、试验1绪论11异步电机节能的必要性我国“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42亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时。其中80以上为055200千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J2,J02系列的约占70，相当于70年代水平的Y系列电动机不足30，具有80年代末水平的YX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50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1030个百分点，总的节能潜力约为1000亿千瓦时，相当于20个装机容量为1000兆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500亿元人民币。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GB124971995三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，57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。12常见的几种电动机节能保护器及其优缺点121老式的丫/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、在空载下启动的电动机。图11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LJ、时间继电器KT、热继电器FR以及相应的辅助电路构成。其工作原理是当按下SB1时，接触器KML,KM2得电，电机在Y下启动。限位开关SQ受主轴操纵杆控制，主轴在运转时，SQ闭合，时间继电器KT得电。在空载或轻载时，定子电流小于电流继电器LJ的整定值，LJ不动作，电机保持在Y下运行。如在重载下，LJ得电，其常开触点闭合，中间继电器KA随之得电，切断了KM2的线圈电路，同时KM3得电，电机切换至下运行。工作完毕后，通过主轴操纵杆使SQ断开，KT失电，KM3随之失电，KM2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。122电子式软启动器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12所示。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。123单片机控制的Y/转换节能保护器单片机控制的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220V和380V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。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。2三相异步电动机Y/转换节能原理21三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量损失。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。211铜损失（PCU）电动机的铜损失包括定子铜损失PCU1和转子铜损失PCU2。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。PCU13I12R121式中，R1为定子每相电阻I1为定子每相电流。PCU2SPE22式中，S为转差率PE为电磁功率。212铁损失PFE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。PFEKF13B223式中，K为常数F为电源频率B为磁通密度。由于BE1U124式中，为磁通量E为定子绕组的感应电动势U为定子绕组的相电压。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13HZ,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PFE仅是定子铁芯损失。213机械损失PFW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，对于某一确定在用电动机，可认为其机械损失为常量。214杂散损失PS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7090。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13，在大型的感应电动机中，杂散损失一般为输出功率的5。215总损失P电动机的定子铜损失PCU1、转子铜损失PCU2、铁损失PFE,和机械损失PFW和杂散损失PS组成了电动机的总损失P。即PPCU1十PCU2PFE十PFW十PS25感应电动机的功率图如图21所示【8】。图中，P1为输入功率P为机械功率P2为输出功率。22丫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U1降为接时的1/，使得电动机的铁损PFE、降低为接时的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U380V，频率F50HZ时，电动机在接和Y接两种状态下定子电流I1、功率因数COS,效率与负载率的关系。其中P2/PN26式中，PN为额定功率。下面分别进行讨论。221I1F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中，X1为定子每相绕组的电抗R2为转子相电阻的折算值X2为转子相电抗的折算值RM为激磁电阻XM为激磁电抗I2为转子电流的折算值IM为激磁电流。当电动机空载时，转子转速接近于同步转速，转差率S0、R2/S，转子相当于开路。此时转子电流接近于零，定子电流基本上是激磁电流。即IMIO27I1IOI228式中，IO为定子空载电流。式28可表示为图23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I1随负载的变化情况，就需分别讨论定子空载电流IO和转子折算电流I2,随负载的变化情况。下面分别进行讨论空载电流IO一方面，电动机的电势平衡条件为U1E1I1R1JX129因为R1、X1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E1将近似地随U1的降低而降为接时的1/。由E1444为FW1KCM210式中，W1为定子每相绕组串联的匝数KC为绕组系数M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M也将近似的降为接时的1/。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1/还要低一些。另一方面，由电工学的知识可知负载接时，线电流等于倍的相电流负载Y接时，线电流等于相电流。也就是说，在相电流相等的情况下，Y接时的线电流是接时的1/。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1/3。转子折算电流I2由电动机的近似等效电路得211由式29可见，电动机由接转换为Y接时，一方面U1的降低会使I2减小，另一方面S的增大会使I2增大。最终I2是增大还是减小由负载大小而定。一般说来，负载很轻时，I2是降低的随着负载的增大，S明显增大，I2呈上升趋势。定子电流I1图24为电动机在Y接时以及接时的I1F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1/3。轻载时，由于IO起主要作用，同时I2尚未增加或增加不大，这就使得Y接时的I1明显低于接时的I1。当负载增大到一定程度大约70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I2随着S的增大值超过了空载电流IO的减少值，这就使得Y接时的I1大于接时的I1。222COSF关系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212式中，KU为电动机的调压系数，KUU1/UNUN和U1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，KU1/。K1为电动机的空载电流系数。K1IO/IN213式中，IO为电动机的空载电流IN电动机的额定电流。对于特定在用的电动机，其空载电流系数K1为定值。图25为电动机在接和Y接状态COS下与的关系曲线，对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COS要高于接的COS。223F关系电动机的效率与其端电压及转差率之间存在如下关系214式中，SN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为电动机额定工况时的效率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接状态下与的关系曲线如图26所示。现分析如下当40时，由于电动机转矩与端电压平方成正比，所以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I2随着S的增大值超过了空载电流IO的减少值，定子电流随之增大，从而使定子铜损CU1和转子铜损CU2的增大值超过铁损PFE的下降值，致使电动机的效率下降。23一丫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0时，VU3A10，二极管D3导通，D4截止。此时，V20。34由式33、式34可知，VOUTPOT为VINPUT的绝对值。再考虑有滤波电容C2、C3的情况。C205N为高频滤波电容，其作用是滤去输出的高次谐波，使得硬件保护电路不会因干扰而误动作C31U为低频滤波电容，其作用是求出VINPUT的绝对值的平均值，使得单片机仅需对VOUTPOT进行直流采样，从而避免了单片机进行较为复杂的交流采样算法。有关本系统应该采用交流采样还是直流采样的讨论将在后续章节中进行。下面讨论的是在采用该线形整流滤波电路以后，电动机额定电流所对应的整流电路输出电压即OUTPUT端输出电压应该如何取值。由于在正负5伏电源的供电条件下，由放大器LM324构成的整流电路的输出电压也即硬件保护环节和A/D转换环节的输入电压最大只能到38V，考虑一定裕量，将36V对应45倍的额定电流，则额定电流下所对应的整流电路的输出电压就为08V。额定电流下，VINPUT的最大值为08/2126V。/2为正弦信号从其绝对值的平均值至其最大值的变换系数。图34为VINPUT的最大值为126V时，VOUTPOT的仿真波形。从图上可以看出VOUTPOT的波形无超调量，不会造成保护误动作从OV到08V的上升时间小于08S，该响应速度对于控制对象为电动机的系统来说，是符合要求的。图35是VOUTPOT的放大波形。从图上可以看出额定电流下VOUTPOT的纹波小于3MV，远小于单片机A/D结果的每个单位对应的20MV，也就是说，由VOUTPOT的纹波引起的误差远小于由单片机A/D转换引起的误差。因此，该线形整流电路满足本系统的要求。342硬件保护电路如电动机发生短路，电流过大时，如过流保护没能及时动作，就可能对电动机造成损坏，甚至烧毁电动机。因为单片机保护的环节较多，可能导致动作较慢，为解决该问题，本系统采用迟滞比较器电路作为电动机硬件过流保护。图36为硬件保护电路的原理图。本电路为由单电源接法的电压比较器LM339构成的迟滞比较器电路。其输入包括来自图34的线形整流滤波电路的电平信号，以及来自单片机的复位信号。其输出包括两路电平信号，一路经非门驱动光祸，从而驱动硬件保护继电器ZJ3的线圈另一路作为硬件保护动作与否的信号输入单片机。本电路需实现的功能是当电动机的线电流因故障而增大到5倍额定电流时，本电路需发出保护动作信号，使电动机从电网上切除保护动作后，因为来自图34的线形整流滤波电路的电平信号已变成零，所以本电路还需有维持保护动作信号电平的功能。其具体实现方法如下当输入电平大于某特定值时，输出高电平驱动硬件保护继电器ZJ3的线圈，保护动作，输入电平降为零，此时R55形成的正反馈回路使得U4A的5脚电平始终大于4脚的电平，输出保持在高电平，这也就使得图38中的KM3的线圈始终维持在失电状态。当单片机发出低电平复位信号时，D15导通，U4A的输出低电平，这也就使得KM3的线圈得电，电动机重新接入电网。R56是比较器LM339输出端的上拉电阻。R51和电位器P2构成分压电路，提供比较参考电压可通过P2调节。C4起到抗干扰，稳定参考电压的作用，其值取01UF。R54与C5组成的充电回路可使得保护器上电时VU4A4VU4A5，硬件保护保持在未动作状态。R54在回路中起限流作用。选择参数时需让C5的充电回路时间常数小于C4的充电回路时间常数，这样就可消除C4对电路的负面影响。本设计选C5为500NF，经实验验证，可以使保护器上电时硬件保护维持在未动作状态。以下是对R51和P2构成分压电路的比较参考电压的计算。考虑到放大器LM324构成的整流电路的输出电压也即硬件保护环节和A/D转换环节的输入电压最大只能到38V，本设计将硬件过流保护的动作值设为45倍的额定电流值。硬件过流保护的动作值450836VLM339在单电源5V的工作条件下带1K上拉电阻，输出的高电平UH至少为48V，输出的低电平UL最多为05V。由叠加原理可得35当硬件保护未动作时，VIZVU4A5。代入式35得VU4A4205V。当硬件保护动作后，VIZ0V,VU4A248V,VU4A4VU4A5。代入式35得VU4A424V。充分考虑安全余量，结合实验调试过程，选择VU4A422V。经实验验证，可满足要求。343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002V详细分析参见32节，为保险起见，取025V对应临界负载率0100，则002V对应的临界负载率为1/128078125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40，大部分电动机在负载率高于40时如在Y下运行，效率反而会更低，参见图25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002V详细分析参见32节，为保险起见，取025V对应积分时间0S128S，则002V对应的积分时间为1S。积分时间的调整电路的具体用法如下在已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。Y切换信号与保护输出信号单片机工I/O口输出的Y切换信号与保护输出信号经光耦隔离控制继电器ZJL,ZJ2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/O口控制的LED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31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CT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1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08V。有关选择为08V对应于电动机额定负载的讨论参见341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CT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。344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352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1所示的ZJ1,ZJ2,ZJ3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直流电源部分的噪声干扰等。为抑制来自保护器内部的感性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二极管，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祸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。345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135MM90MM，双面布线。考虑到本系统的运行环境，设定印刷电路板的主要规则如下最小安全间距035M数字信号最小线宽05MM模拟信号最小线宽05MM电源线最小宽度15MM地线最小宽度L5MM。35电动机节能保护器的软件设计351程序流程图电动机节能保护器的程序流程图如图37所示。系统软件采用MCS51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。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心中断。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，程序需加入回差值，本设计的回差值设为士3。回差值设定与344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。352软件抗干扰措施51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CPU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EPROM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。CPU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PC控制。在程序执行过程中，因各种干扰的存在，会使得PC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“跑飞”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CPU误把操作数当成操作码，程序仍将出错当程序“跑飞”到某个三字节指令上时，因为有两个操作数，则CPU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在关键地方人为地插入一些单字节指令NOP。如对保护动作指令可在程序中写CLRP02CLRP02CLRP02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NOP，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RET，RETI，ACALL，LAP，JZ等，或者是某些对系统工作状态起重要作用的指令如SETB，EA等，如在这些指令前插入两个单字节指令NOP，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EPROM的空闲区，写上无条件跳转指令LJMPMAIN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，一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。P87LPC767单片机自带看门狗，喂看门狗就是执行指令WDFEEDMOVWDRST，LEHMOVWDRST，0ELH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，由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11K左右。36主电路接线图及其工作过程图38为一种使用该电动机Y/转换节能保护器的电动机主电路接线图。其中220VAC接触器KM1、KM2分别为控制电动机下、Y下运行的接触器，KM3为保护动作的接触器。S2为启动按钮，S1为停止按钮。保护器内的继电器ZJL为控制Y切换的继电器，ZJ2,ZJ3分别为单片机保护、硬件保护的输出继电器。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电动机在下或Y下启动，ZJL得电与否决定了KM1、KM2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S2，KM3得电，其常开触点闭合，电动机通电。松开S2，此时KM3的常开触点形成自锁，电动机持续通电。电动机停车。按下S1，KM3失电，其常开触点断开，电动机从电网上切除。松开SL，此时KM3的常开触点己断开，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33节及343节，则单片机发出切换信号控制继电器ZJ1的常开触点闭合，KM1线圈失电，KM2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ZJ1的常闭触点闭合，KM2线圈失电，KM1线圈得电，电动机切换至下运行。KM1与KM2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己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ZJ2得电，其常闭触点断开，KM3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，则硬件保护电路先于单片机保护电路动作，继电器ZJ3先得电，其常闭触点断开，KM3失电，其常开触点断开，电动机从电网上切除。5有关本设计的几点讨论51有关空载电流对实验的影响在实验阶段，遇到了443节所提的问题。即由于大的空载电流，单片机无法仅根据定子电流判断电动机的实际负载大小。如果设定保护器Y切换的电流为空载电流45A，则当实际负载增大到对应值时，由图24及图26可知，节能效果并不显著。由于大部分电动机的空载电流设定在额定电流的3070，所以该电动机节能保护器只适用于空载电流较小的电动机，该问题大大的限制了该电动机节能保护器的应用场合。究其原因，该问题是由于单片机未对电压、电流之间的相位差进行采集所致。如单片机采集了相电压，并根据相电压与相电流算出功率因数，则控制策略可改为根据相电流与功率因数来共同确定是否进行Y切换。这样就可以解决空载电流对电动机节能保护器的应用场合的影响。据此提出如下两种解决办法。511采用交流采样如采用交流采样作为电动机二次电压、电流输入的方法，则单片机就可以根据电压信号与电流信号过零点的时间差得出功率因数角，并根据电流与功率因数角来共同确定是否进行Y切换。与直流采样相对应，交流采样是另外一种A/D采样的方法。交流采样基于在一个周期T内对交流量等间隔地进行N次采样，并由这些采样值算出电压、电流的有效值，功率因数等。交流采样的算法很多，可大体上归为时域分析算法和频域分析算法两大类。时域分析算法主要有积分法和二点法频域分析算法主要有离散傅立叶变换法DFT和快速傅立叶变换法FFT。为提高精度及运算速度，积分法和傅立叶变换法均可由分段线形插值法和抛物线插值法改进。有关交流采样原理与算法的详细叙述参见参考文献5。本设计具有以下特点采用单片机作为主控芯片，其运算能力较差A/D转换器为单极性，不能直接采交流信号被采电量信号频率为电网频率，稳定性高，故可省去频率信号提取电路及N倍频电路据此，可采用一种简化的积分法进行交流采样。交流采样的输入是二次电压、二次电流信号经整流以后的脉动直流信号。整流电路为图33的线形整流电路去掉滤波电容C3。现简述该算法如下单片机只对交流信号进行A/D采样，一般在一个周期内采样2N次，如32次或64次，这样做的好处是在计算平均值的时候，可以用右移运算代替多字节除法运算，既简化了程序，又加快了运算速度。所得一个周期内各采样点的A/D结果的平均值就可作为交流信号的绝对值的平均值。功率因数的算法是在A/D采样程序捕捉到电压过零点时开始记数，每发生一次A/D中断，记数值加一，直至A/D采样程序捕捉到对应线电流的过零点。由于A/D中断是等时间间隔发生的，所以上述的记数值就对应于电压、电流之间的相位差。运算的精度取决于单片机在一个周期内的样次数。如单片机只在一个周期内采样64次，则相位差的误差只有/64，完全满足该系统要求。采用此算法以后程序为23K左右，再加上为串口RS232转USB接口程序预留的1K左右的代码空间参见CYPRESS网站的S