三相交流異步電動機的節(jié)電器節(jié)電保護一直是電機領域研究的熱點，特別是近幾年來全國出現(xiàn)電力供應緊張的局面，使得對交流異步電動機的節(jié)能設備的研究和推廣更為迫切。三相異步電動機由于結構簡單，智能節(jié)電器使用方便可靠而受到廣泛應用，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。

在實際使用過程中，三相異步電動機往往不是在額定功率下工作的，常常是在輕載下運行，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，又造成電機功率因數(shù)降低(滿載時功率因數(shù)為9000}空載時功率因數(shù)只有2000)，從而所消耗的電能轉換為熱使得電機溫度升高，這對電動機的使用壽命有嚴重的影響。一般說電機溫度降低10 }C可使電動機的使用壽命延長一倍。

為此，作者研制出一種三相異步電動機智能節(jié)電器。它與傳統(tǒng)的電容功率補償器相比，能跟隨隨機變化的負載而自動調(diào)節(jié);與利用機械或電子方式作軟啟動的節(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;與變頻器相比，無需精確調(diào)速、適合負載變化隨機性大的工況、成本低，因此，應用前景十分廣闊。

2電動機節(jié)電器的原理

2.1節(jié)電率與電機效率之間的關系

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

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

2.2節(jié)電率與負載率之間的關系

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系增加，故稱為可變損耗?！凹与姍C輸出功率的上升，效率最初明顯呈上升趨勢。負載率越低，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，必須有一個合理的調(diào)壓系數(shù)。

由于電壓降低，電機負載不變，轉差率增大，電動機輸出功率也會有所減少，因此在實際測量過程中，節(jié)約的有功會比理論計算的要偏大。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，若電動機的轉矩不變，則轉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的效率、及負載特性電機輕載時采取降壓的幅度。因此在對電機進行降壓節(jié)電改造時，認真分析電機的運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半周的一部分供給電機，

如圖1所示，這樣的結果是降低了供給電機的均方根電壓，其結果是磁滯損耗最小化，相位角回到原來大小，智能節(jié)電器電機效率提高。維持電機工作的電流是由兩個不同的部分組成:負載或阻性電流和感性或勵磁電流。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)。這樣通過減低電機的供電電壓而節(jié)能。基于單片機的電機電器設計控制系統(tǒng)硬件部分的構成如圖2所示，

由AT89S52單片計算機系統(tǒng)、同步檢測電路、晶閘管觸發(fā)電路及外部信號處理接口構成。

3.1單片機系統(tǒng)

系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT89S52單片機，該單片機內(nèi)含3個定時器，2個外部中斷源，內(nèi)含8KB的Fla sh存儲器，256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，還有多種保護功能，在系統(tǒng)中無需擴充中斷、定時控制芯片即可完全滿足本系統(tǒng)工作要求。

電路中設置有兩個智能節(jié)電器功能設定端口和一個故障輸出端口，一個端口可設定晶閘管的給定方式，當端口閉合時由外部信號給定，另一個端口用于控制觸發(fā)脈沖，當端口閉合時有脈沖輸出，當端口斷開時強制晶閘管脈沖關斷。在系統(tǒng)工作不正常時，故障輸出端口閉合，可外接報警器件。LED信號燈用于顯示負載工作狀態(tài)和電路在故障時的原因。

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成。當電源電壓正向過零后引起單片機系統(tǒng)的中斷。

3.3晶閘管驅(qū)動電路

晶閘管驅(qū)動電路如圖4所示。由單片機P1.0送出的觸發(fā)信號經(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G1 K1G2 K2形成電路與該電路類似。

3.4外部信號接口電路

當給定信號由其他調(diào)節(jié)器輸出或由外部電位器等給定時，需將給定模擬信號(CO一lOV)或(C1-SV，由程序設定經(jīng)A/D轉換進入單片機計算機，A/D轉換器選用了高速12倍A/D轉換器AD574轉換速度為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，電壓檢測信號經(jīng)整流、濾波等處理后，信號經(jīng)A/D轉換后進入單片機。

4軟件設計

系統(tǒng)上電后，單片機首先對編程芯片進行初始化，初始化結束后，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)，將給定值轉換成相應的時問值存入指定單元。由同步檢測電路引發(fā)的中斷送出晶閘管的觸發(fā)信號，根據(jù)外部設定，顯示相應的內(nèi)容(如負載電壓、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成以下模塊:(1 >初始化模塊:完成A /D芯片的初始化，單片機內(nèi)控制寄存器的設定等。(2)輸入模塊:外部輸入的判斷，根據(jù)不同功能的要求，調(diào)用相應的功能子程序，如電路故障顯示、電流截止反饋設定等。(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，引起單片機的中斷，進入中斷子程序后，將觸發(fā)角對應的時間值裝入計數(shù)器中啟動計數(shù)器，計數(shù)時間到引起單片機定時中斷送出對應的觸發(fā)脈沖。

通過各種功能模塊，實現(xiàn)了負載電壓(電流)的連續(xù)可調(diào)，將實際的電壓(電流)與給定的值相比較。節(jié)電器設計時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象的精確數(shù)學模型，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節(jié)電器的控制系統(tǒng)，可以充分體現(xiàn)其適應于非線性、時變快速響應的特點，能夠起到明顯的節(jié)電效果。

5結論

研制的電機節(jié)電器節(jié)電效果顯著。特別是對那些經(jīng)常處于低負載以及負載變化較頻繁的電動機，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和軟停車功能，可保證電機連續(xù)平滑地啟動，消除了常規(guī)啟動方式伴隨電機啟動所產(chǎn)生的機械噪聲和大啟動電流，有效降低軸承和皮帶的磨損，減少齒條及齒輪的機械應力，從而延長電機的使用壽命。采用智能節(jié)電器化的微處理器控制，無需人工調(diào)節(jié)，在輕負載情況下，電機電壓自動降至最低需求而轉速保持恒定。

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