電動機節能技術的研究-畢業論文(已改無錯字)

　　

【正文】 原因是電動機的輸出功率和電動機本身的損耗，那么電壓的變化對這三者有什么影響呢?簡析如下:（1）電壓變化對輸出功率的影響由前分析可知，對于恒轉矩負載，無論是在重載還是在輕載狀況下，電動機的輸出功率常數，基本不變。而對于變轉矩負載，情況就大不一樣了。由于電動機在低速時也能保持穩定運行，因此，允許的電壓、轉差率和相應的轉速的變化范圍較大，而變轉矩負載的阻轉矩是隨著轉速的增減而增減的，例如機泵類的負載轉矩與轉速的平方成正比關系。因此，變轉矩負載的輸出功率將隨電壓的降低而降低。降低的程度，隨電動機性能的不同而不同。（2）電壓變化對電動機的損耗影響 電動機的損耗，: (332) 電壓變化對各項損耗的影響如下: 1）機械損耗 機械損耗與轉速成正比，由于電壓變化所引起的轉速變化不大，因此可認為 常數 (333) 2）附加損耗 附加損耗與電流的平方成正比，與電壓的平方成反比 (334)3）定子鐵耗當電壓接近額定值時，電動機的磁路趨于飽和:當電壓低于額定值時，鐵耗近似地與外加電壓的平方成正比，即 （335）4）轉子銅耗轉子銅耗的大小主要取決于轉子電流的大小，而轉子電流的大小又取決于電壓和負載的大小，如式(331)所示。當電壓變化時，由于主磁通與電壓成正比變化，所以轉子電流的大小與電壓成反比變化，因此轉子銅耗與電壓的平方成反比變化，可表示為： (336)因此，降低電壓總會引起轉子電流和銅耗的增大，這是所不希望的。還可以由轉差率直接算出轉子銅耗的大小，故轉子銅耗又稱為轉差損耗或轉差功率： （337 ）對恒轉矩負載來說，由于輸入功率幾乎不變，所以當降壓運行時，轉子銅耗將隨轉差率的增大而增大。對于變轉矩負載，因其輸入功率君隨電壓的降低而降低，轉子銅耗要比恒轉矩負載小得多，其值為： （338）其中表示在，時電動機的最大機械輸出功率，如忽略定子損耗，近似等于時的輸入功率。5）定子銅耗定子銅耗取決于定子電流的大小。定子電流是轉子電流與勵磁電流的向量和，因此定子電流的大小不僅與負載的性質、輕重等有關，而且還與勵磁電流和轉子電流的比值有關。當電動機輕載或空載時，中分量所占的比重較大，分量所占的比重較小，電壓適當下降時，定子電流能夠減小，相應地定子銅耗也可以減小。（3）電壓變化對功率因數的影響由于電壓降低總是使勵磁電流減小，轉子電流增大，盡管定子電流可能增大或者減小，但定子電流與電源電壓之間的相角總是減小的，因此，功率因數將隨電壓的增大而減小，隨電壓的減小而增大。第4章 系統硬件設計 概述 三相異步電動機驅動抽油機負荷時，基本上處于周期性變化之中，這種變化主要引起電流及功率因數的變化，因此也可由電流或功率因數的變化獲知負載的變化情況，從而便可以將電流或功率因數作為反饋量來對抽油機系統進行控制。在對抽油機驅動電動機的節能方法進行比較研究后，我們的目的就是研制以異步電動機電流作為反饋量應用模糊控制的智能抽油機節能控制裝置，其基本控制思路是:控制裝置在工作過程中不斷實時檢測電動機的電流，經A/ D轉換單元變為數字量，并將采樣值輸入單片機，經單片機內的程序與給定的標準額定值相比較處理后，從單片機輸出口產生相應的控制信號，調節串接在異步電動機供電回路中的雙向晶閘管導通角，使之根據負載的大小自動調整異步電動機的定子輸入電壓，實現“銅耗=鐵耗”的控制目的。節能控制系統構成圖如圖41所示。～380VK節能裝置抽油機M～圖41 抽油機系統構成 抽油機節能裝置主電路抽油機節能裝置的主電路系統按功能可以劃分為六個部分：第一部分為功率控制電路部分。第二部分為節能裝置控制部分。第三部分為節能裝置監測反饋部分。第四部分為IO接口裝置通訊部分。第五部分為節能裝置內部故障保護部分。第六部分為電動機缺相保護部分。～380V圖42 節能裝置主電路KM1的觸點KM2KM2的觸點SB1SB2KM1指示燈電流互感器電流互感器電流互感器電壓互感器電源變壓器1516～25V～12V～9VKM3SSR電容器M～ 功率控制電路 該部分由晶閘管交流調壓電路組成 （1）晶閘管的特性:晶閘管的轉換效率高(可達95%～97%)，體積小、重量輕、時間延遲小、功耗低，是工業中實現大容量功率變換和控制的主要器件。晶閘管有三個電極：陽極、陰極和門極。晶閘管的通斷規律為：1）當晶閘管承受反向陽極電壓，即0時，不論門陰極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態。2）當晶閘管承受正向電壓，即0時，僅在門極承受正向電壓( 0)的情況下晶閘管刁一能導通。3）晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極電壓是正還是負，晶閘管保持導通。4）要使晶閘管關斷，必須去掉陽極正向電壓(=0)，或者給陽極加反壓( 0)；或者降低陽極正向電壓，使通過晶閘管的電流降低到維持電流以下。5）當門極未加觸發電壓時，晶閘管具有正向阻斷能力，這是一般二極管所不具備的。（2）交流調壓電路用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以方便地調節輸出電壓有效值。常用的晶閘管交流調壓控制方法有兩種：。即把晶閘管作為開關將負載與交流電源接通幾個周期(工頻1周期為20ms)，然后再斷開數個周期，以改變通斷時間比值達到調壓的目的。這里晶閘管起到一個通斷頻率可調的快速開關的作用。這種控制方式電路簡單，功率因數高，適用于有較大時間常數的負載，缺點是輸出電壓或功率調節不平滑。b：相位控制。它是使晶閘管在電源電壓每一周期中，在選定的時刻內將負載與電源接通，改變選定的時刻可達到調壓的目的。在交流調壓器中，相位控制應用較多，下面主要分析相位控制的交流調壓電路，先闡述作為基礎的單向交流調壓電路。單相交流調壓電路如圖43所示，其中晶閘管和反并聯連接與負載電阻R串聯接到交流電源上。當電源電壓正半周開始時觸發，負半周開始時觸發，形同一個無觸點開關，允許頻繁操作，因為無電弧，所以壽命長。若正負半周以同樣的移相角觸發和，則負載電壓有效值可以隨角而改變，實現交流調壓，圖43示出其波形。b 波形圖a 調壓電路20圖43 晶閘管單向交流調壓電路及其波形 由上圖可以看出，改變控制角，可得到不同的負載電壓波形，角越大，在每個周期中晶閘管的導通角越小，加在該相負載上的電壓有效值越小；反之，角越小，加在負載上的電壓有效值越大，從而使電路起到調壓的作用。交流調壓的原理就是利用晶閘管導通角的變化來改變輸出電壓的有效值以實現對負載電路輸入電壓的調節。在電路中為使波形的正負半周對稱，反并聯的兩個晶閘管的控制角應該相等。在圖42中使用的是三相交流調壓電路，相當于三個單相晶閘管交流調壓電路的組合，電路中晶閘管承受的電壓、電流就是每相間的單相調壓器需要考慮的數值，所不同的是晶閘管承受的電壓為線電壓，而流過反并聯晶閘管的電流為線電流而己，其工作原理和每相負載上的電壓波形與單相交流調壓情況有點類似但卻不完全相同。三相交流調壓電路是三相對稱電路，所以任一時刻需要位于不同相中兩個晶閘管同時導通，工作時電路中一相電流必須和另一相構成回路。至于各晶閘管門極的觸發脈沖，同相間兩管的觸發脈沖應互差，三相間的同方向晶閘管的觸發脈沖要互差，要采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發，在這里采用的是雙窄脈沖觸發方式。設U為線電壓的有效值，則三相線電壓分別為： （41） 圖42中六只晶閘管從右往左依次為、、六只晶閘管門極觸發的相序是、觸發相位依次滯后，、的觸發相位又分別滯后于、的觸發相位，這樣，觸發相位自至，依次滯后間隔為。4. 4節能裝置控制部分控制電路是整個節能裝置的核心，接收檢測信號、發出指令，控制節能裝置的所有操作，如圖44所示，控制電路的系統構成包括主控CPU，電壓、電流的采樣，電壓與電流的相位角檢測，A/D和D/A轉換，缺相保護，繼電器輸出，監控和電源。圖44 控制裝置控制電路的系統構成框圖輸入電壓電流采樣A/D轉換A/D轉換主控CPU電壓與電流的相位差對應的角度檢測缺相保護部分監控部分繼電器輸出控制交流接觸器AC380VM～ 抽油機節能裝置主電路中的電壓和電流經電壓互感器和電流互感器進入電壓、電流采樣輸入部分進行采樣，采樣后的信號進入A/D轉換器，形成數字量，進入單片機進行處理。另外，來自互感器的電壓、電流信號還進入電壓與電流的相位角檢測電路，獲得它們之間的相位角，單片機利用得到的相位角來計算電動機的銅耗和鐵耗。缺相保護部分用來監測來自電流互感器的三相電流，只要缺少任何一相，單片機就會發出指令，使電動機停止運行，從而對電動機進行保護。鍵盤部分利用一些獨立式按鍵來控制電動機的動作以及有關顯示的部分。單片機計算的銅耗、鐵耗以及它們的差值經模糊控制器的模糊判決后，形成控制信號的精確量，然后通過D/A轉換變成模擬電壓信號，進入KC6SM2型晶閘管觸發控制板，控制晶閘管的導通角，改變加在電動機定子電壓的有效值。當需要甩開節能裝置或晶閘管出現故障時，單片機發出一控制信號，由直流固態繼電器控制交流接觸器KM3，使其觸點接通，工頻三相電源直接加于三相異步電動機定子繞組上。主控CPU是整個控制電路的核心，它決定了整個系統方案的設計和其他外圍器件的選擇。由于控制電路的輸入變量和輸出變量較少，所要求的運算速度和精度不是很高。因此選用P87LPC762為主控CPU。P87LPC762的主要特性如下：1）操作頻率為20MHz時，除乘法和除法指令外，加速80C51指令執行時間為300～600ns。VDD=～，時鐘頻率可達20MHz，VDD=～，時鐘頻率最大為10MHz；2）用于數字功能時，～；3）2K字節OTP程序存儲器；4）128字節的RAM；5）32字節用戶代碼區可用來存放序列碼及設置參數；6）2個16位定時/計數器，每一個定時器均可設置為溢出時觸發相應端口出；7）2個模擬比較器；8）全雙工UART；9）8個鍵盤中斷輸入，另加2路外部中斷輸入；10）4個中斷優先級；11）低電平復位。使用片內上電復位時不需要外接元件；、電流采樣由一個電壓互感器和三個電流互感器構成。將高電壓、大電流電流變換為安全的測量用電壓、電流信號，輸入測量、保護電路。設計的電壓互感器的變比為50:1，其輸出電壓輸入到控制電路里進行電壓信號采樣、檢測。電流互感器的變比設計為10000:1，電流互感器的輸出有一路進入控制電路里進行采樣和檢測，另一路作為保護取樣信號。采樣和檢測電路獲得的的電壓和電流信號為計算銅耗、鐵耗做準備，控制電路里還利用來自三個電流互感器的電流進行缺相保護。VD2VD5VD1VD6RP1VS1U1U2UP12VD4VD7VD3VD8RP2VS2I1I2IP12圖48 電壓、電流的采樣電路圖如圖48所示為電壓、電流的采樣電路圖，上圖為電壓采樣圖，下圖為電流采樣圖。從電壓互感器取出的信號經過橋式整流后，由電容濾波，形成的直流電壓信號再經分壓，加在電位器RP1上，VS1為穩壓管。調節電位器，使采樣環節輸出電壓的范圍為0～5V時，對應三相交流電壓范圍0～380V。采集到的電壓信號經U端進入A/D轉換器進行模數轉換，給單片機提供可處理的數字量。P12在這里作為單片機的輸出端口，控制著晶體管和的通斷。圖中晶體管和的作用是:開始時單片機的P12口為高電平，使和飽和導通，則U端和I端為低電平。需要采樣時，再使P12口變為低電平，和截止，這時A/D轉換器對電壓信號或電流信號進行采樣。和起到了保護A/D轉換器免受干擾信號沖擊的作用。對電流信號采樣，需要先將電流信號轉化為電壓信號，A/D轉換器才能對其進行采樣。為此，將來自電流互感器的電流信號流經一個電阻，然后從該電阻兩端取出電壓信號，再進行整流、濾波、采樣，圖中和的作用都是為了濾除高頻干擾，保護A/D轉換器。 與的相位角檢測 測量電壓與電流的相位角的目的是為了用來計算異步電動機的銅耗。圖49是U和1相位角的檢測原理圖。 從電壓互感器引出的交流12V電壓加在U3, U4兩端，為限流電阻，為濾波電容， V穩壓管和的雙向穩壓后，輸入到雙比較器LM393的同相端，而LM393的反相端接地，成為過零比較器。交流電壓信號在經過LM393后，輸出為方波信號，這個電壓方波信號與三相電源具有相同的頻率。同理，從電流互感器引出的電流信號，也經過限流、濾波、雙向穩壓后進入過零比較器的同相端，輸出為電流方波信號，這個方波信號也與三相電源有著相同的頻率。由于三相電源電壓信號和電流信號在相位上相差一個角度，所以電壓方波信號與電流方波信號也相差一個角度。二極管和構成與門，兩路方波信號作為這個與門的兩路輸入，與門的輸出信號為這兩路方波信號“相與”的結果，為一矩形波。該矩形波利用二極管的單相導電性，使二極管的輸出端波形僅為正脈沖。該正脈沖所反映的正是電壓信號和電流信號的相位差。圖49 U與I相位角檢測原理圖U3U4I3I4LM393LM393+9VINT1–++–將正脈沖輸入到單片機的INT1引腳，通過對定時/計數器的方式寄存器TMOD編程，置位門控位GATE，并選擇計數器方式。當GATE=“1”和TR=“1”時，計數器啟動受外部中斷信號INT1的控制，此時，只要INT1為高電平，計數器就開始計數，當INT1為低電平時停止計數，利用這一特性就能夠測量這個正脈沖的寬度，即電壓和電流的相位角。圖中用來獲取電壓信號，穩壓管用來使輸入單片機的脈沖電壓穩定在5V左右，小電容可以濾除輸入電壓信號的尖