三相交流異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)電器節(jié)電保護(hù)一直是電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，特別是近幾年來全國出現(xiàn)電力供應(yīng)緊張的局面，使得對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能設(shè)備的研究和推廣更為迫切。三相異步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單，智能節(jié)電器使用方便可靠而受到廣泛應(yīng)用，但它卻是電能消耗的最大用戶，據(jù)測算有50%以上的電能被它消耗，而有20%的電能是在沒有做任何有用的工作下耗掉的。

在實(shí)際使用過程中，三相異步電動(dòng)機(jī)往往不是在額定功率下工作的，常常是在輕載下運(yùn)行，這就形成了所謂的“大馬拉小車”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象既造成了能源大量浪費(fèi)，又造成電機(jī)功率因數(shù)降低(滿載時(shí)功率因數(shù)為9000}空載時(shí)功率因數(shù)只有2000)，從而所消耗的電能轉(zhuǎn)換為熱使得電機(jī)溫度升高，這對(duì)電動(dòng)機(jī)的使用壽命有嚴(yán)重的影響。一般說電機(jī)溫度降低10 }C可使電動(dòng)機(jī)的使用壽命延長一倍。

為此，作者研制出一種三相異步電動(dòng)機(jī)智能節(jié)電器。它與傳統(tǒng)的電容功率補(bǔ)償器相比，能跟隨隨機(jī)變化的負(fù)載而自動(dòng)調(diào)節(jié);與利用機(jī)械或電子方式作軟啟動(dòng)的節(jié)電器相比，具有持續(xù)工作在節(jié)電狀態(tài)及成本低的特點(diǎn);與變頻器相比，無需精確調(diào)速、適合負(fù)載變化隨機(jī)性大的工況、成本低，因此，應(yīng)用前景十分廣闊。

2電動(dòng)機(jī)節(jié)電器的原理

2.1節(jié)電率與電機(jī)效率之間的關(guān)系

根據(jù)三相電機(jī)功率公式P - Ulcos}P,要降低功率消耗可以通過減少電機(jī)的U,I和cos }P來實(shí)現(xiàn)。由于在降低電壓，減少勵(lì)磁電流(電機(jī)的電流主要是勵(lì)磁電流)的同時(shí)，功率因數(shù)會(huì)上升，因此功率上升的幅度要小于電流降低的程度，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

電機(jī)效率越低，電機(jī)的耗電就越大，則電機(jī)的智能節(jié)電器節(jié)電空間越大。電機(jī)從電網(wǎng)吸收的功率Ps，等于電機(jī)額定功率Pn與總損耗藝P。之和(電機(jī)效率是刀)，即:電機(jī)的總損耗與額定功率和效率的關(guān)系為尸n -尸，關(guān)刀(1)Ps一Pn+藝Pn(2)藝Pn一Ps一P。一(C1 /、一‘)}PnC3)同樣功率的電機(jī)轉(zhuǎn)速越低、效率越低，轉(zhuǎn)速越高、效率越高。電機(jī)功率越小，效率越低，損耗越大。由于采取輕載調(diào)壓智能節(jié)電器節(jié)電主要是減少電機(jī)在輕載時(shí)的功率損耗，從而提高電機(jī)效率。由此可見，效率越低，空載損耗越大的電機(jī)，采取調(diào)壓節(jié)電的空間就越大。

2.2節(jié)電率與負(fù)載率之間的關(guān)系

空載損耗在總損耗中所占比例較大?？蛰d損耗的主要成分是鐵損和機(jī)械損耗，稱為不變損耗;銅損和雜散損耗隨電流的增加按平方關(guān)系增加，故稱為可變損耗。“加電機(jī)輸出功率的上升，效率最初明顯呈上升趨勢。負(fù)載率越低，空載損耗所占的比例就越大，調(diào)壓節(jié)電率就越高”，但要達(dá)到最好的智能節(jié)電器節(jié)電率，還取決于調(diào)壓幅度。雖然降壓可以降低鐵耗，但當(dāng)電壓降到一定程度之后，若繼續(xù)下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗，因此要取得最好的節(jié)能效果，必須有一個(gè)合理的調(diào)壓系數(shù)。

由于電壓降低，電機(jī)負(fù)載不變，轉(zhuǎn)差率增大，電動(dòng)機(jī)輸出功率也會(huì)有所減少，因此在實(shí)際測量過程中，節(jié)約的有功會(huì)比理論計(jì)算的要偏大。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，若電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不變，則轉(zhuǎn)差率近似地與電壓的平方成正比。

從以上分析可看見，節(jié)電器節(jié)電率的高低取決于電機(jī)的效率、及負(fù)載特性電機(jī)輕載時(shí)采取降壓的幅度。因此在對(duì)電機(jī)進(jìn)行降壓節(jié)電改造時(shí)，認(rèn)真分析電機(jī)的運(yùn)行特性有利于估算節(jié)電率，并將有利于成本的控制和回收。

2.3基于可控硅的節(jié)能原理

通過使用三端雙向可控硅來“切削”電壓控制電機(jī)電壓和電流之間的相位角。三端雙向可控硅只允許電源電壓正半周和負(fù)半周的一部分供給電機(jī)，

如圖1所示，這樣的結(jié)果是降低了供給電機(jī)的均方根電壓，其結(jié)果是磁滯損耗最小化，相位角回到原來大小，智能節(jié)電器電機(jī)效率提高。維持電機(jī)工作的電流是由兩個(gè)不同的部分組成:負(fù)載或阻性電流和感性或勵(lì)磁電流。感性電流依賴于電壓和磁通密度。在一定程度上，阻性電流也是電壓的函數(shù)。這樣通過減低電機(jī)的供電電壓而節(jié)能?；趩纹瑱C(jī)的電機(jī)電器設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件部分的構(gòu)成如圖2所示，

由AT89S52單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、同步檢測電路、晶閘管觸發(fā)電路及外部信號(hào)處理接口構(gòu)成。

3.1單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)含3個(gè)定時(shí)器，2個(gè)外部中斷源，內(nèi)含8KB的Fla sh存儲(chǔ)器，256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，還有多種保護(hù)功能，在系統(tǒng)中無需擴(kuò)充中斷、定時(shí)控制芯片即可完全滿足本系統(tǒng)工作要求。

電路中設(shè)置有兩個(gè)智能節(jié)電器功能設(shè)定端口和一個(gè)故障輸出端口，一個(gè)端口可設(shè)定晶閘管的給定方式，當(dāng)端口閉合時(shí)由外部信號(hào)給定，另一個(gè)端口用于控制觸發(fā)脈沖，當(dāng)端口閉合時(shí)有脈沖輸出，當(dāng)端口斷開時(shí)強(qiáng)制晶閘管脈沖關(guān)斷。在系統(tǒng)工作不正常時(shí)，故障輸出端口閉合，可外接報(bào)警器件。LED信號(hào)燈用于顯示負(fù)載工作狀態(tài)和電路在故障時(shí)的原因。

3.2同步檢測電路

同步檢測電路如圖3所示，由同步變壓器、比較器和光電隔離器件構(gòu)成。當(dāng)電源電壓正向過零后引起單片機(jī)系統(tǒng)的中斷。

3.3晶閘管驅(qū)動(dòng)電路

晶閘管驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。由單片機(jī)P1.0送出的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)光電隔離、晶體管放大，脈沖變壓器變換后形成晶閘管觸發(fā)信號(hào)G1 K1G2 K2形成電路與該電路類似。

3.4外部信號(hào)接口電路

當(dāng)給定信號(hào)由其他調(diào)節(jié)器輸出或由外部電位器等給定時(shí)，需將給定模擬信號(hào)(CO一lOV)或(C1-SV，由程序設(shè)定經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)計(jì)算機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器選用了高速12倍A/D轉(zhuǎn)換器AD574轉(zhuǎn)換速度為251}s，智能節(jié)電器完全滿足系統(tǒng)的要求。經(jīng)過電流檢測，電壓檢測信號(hào)經(jīng)整流、濾波等處理后，信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)。

4軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對(duì)編程芯片進(jìn)行初始化，初始化結(jié)束后，采集端口數(shù)據(jù)，根據(jù)端口數(shù)據(jù)確定觸發(fā)角的給定方式(外部端口電壓給定)，將給定值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時(shí)問值存入指定單元。由同步檢測電路引發(fā)的中斷送出晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，根據(jù)外部設(shè)定，顯示相應(yīng)的內(nèi)容(如負(fù)載電壓、電流、晶閘管觸發(fā)角給定值等)，主程序流程圖如圖5所示。

根據(jù)程序流程將軟件按功能構(gòu)成以下模塊:(1 >初始化模塊:完成A /D芯片的初始化，單片機(jī)內(nèi)控制寄存器的設(shè)定等。(2)輸入模塊:外部輸入的判斷，根據(jù)不同功能的要求，調(diào)用相應(yīng)的功能子程序，如電路故障顯示、電流截止反饋設(shè)定等。(3)顯示子程序:顯示電路的故障和工作狀態(tài)。(4)同步檢測子程序:由硬件電路檢測到電網(wǎng)電壓過零后，引起單片機(jī)的中斷，進(jìn)入中斷子程序后，將觸發(fā)角對(duì)應(yīng)的時(shí)間值裝入計(jì)數(shù)器中啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)時(shí)間到引起單片機(jī)定時(shí)中斷送出對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖。

通過各種功能模塊，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電壓(電流)的連續(xù)可調(diào)，將實(shí)際的電壓(電流)與給定的值相比較。節(jié)電器設(shè)計(jì)時(shí)把模糊控制引入到控制系統(tǒng)中，模糊控制不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響。將模糊智能節(jié)電器控制器用于交流電機(jī)節(jié)電器的控制系統(tǒng)，可以充分體現(xiàn)其適應(yīng)于非線性、時(shí)變快速響應(yīng)的特點(diǎn)，能夠起到明顯的節(jié)電效果。

5結(jié)論

研制的電機(jī)節(jié)電器節(jié)電效果顯著。特別是對(duì)那些經(jīng)常處于低負(fù)載以及負(fù)載變化較頻繁的電動(dòng)機(jī)，平均節(jié)電率在1600-3000，提高了功率因數(shù)，降低了電網(wǎng)線損及變壓器的銅損。還具備完善的軟啟動(dòng)和軟停車功能，可保證電機(jī)連續(xù)平滑地啟動(dòng)，消除了常規(guī)啟動(dòng)方式伴隨電機(jī)啟動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和大啟動(dòng)電流，有效降低軸承和皮帶的磨損，減少齒條及齒輪的機(jī)械應(yīng)力，從而延長電機(jī)的使用壽命。采用智能節(jié)電器化的微處理器控制，無需人工調(diào)節(jié)，在輕負(fù)載情況下，電機(jī)電壓自動(dòng)降至最低需求而轉(zhuǎn)速保持恒定。

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