三相异步电动机节能保护器的设计.doc

绪论1、我国电动机保护器的发展历史及现状简介我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。热继电器在建国初期，我们引进了苏联的JR系列热继电器，从而开始了其在中国电机保护行业中长达半个世纪的生涯。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，它是利用双金属片热效应原理。但由于热继电器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足越来越高的要求，直到1996年国家八部委联合发文强制将其淘汰。模拟电子式电动机保护器（电机保护器） 在上个世纪七八十年代，随着半导体模拟器件的兴起及普及，涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器（电机保护器），为电机的可靠运行提供了较可靠的保障 ，但由于其存在整定精度不高、采样精度不高并且无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，而随着社会的发展，对于保护器的要求也越来越高，纯粹模拟线路的电动机保护器（电机保护器）正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。数字电子式电动机保护器（电机保护器）这类电动机保护器（电机保护器）主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在PC机上实现对多达256台联网的电机实现在线综合监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的出现成为可能。随着微电子技术的发展，电动机保护器（电机保护器）正朝着智能化，综合化，高精度，高可靠方向发展。2、电动机节能的必要性作为拖动系统中的重要组成部分电动机，在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。而我国现有各类电动机总容量约4.2亿千瓦，电机系统年耗电量在6000亿度以上，占电力消费总量的50%以上。其中80%以上为0.55-200千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。我国电机的平均效率约低于美国和加拿大3-5%，风机和水泵的效率低8-10%，系统效率更低。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10-30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。然而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。由此看出，比较符合我国国情需要的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。国家计委对电机系统节能非常重视，已把电机系统节能作为“十五”节能计划的重要内容。3、电能消耗原因与解决措施的初步分析从三相异步电动机经济运行 GB12497-1995标准来看，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。异步电动机会消耗大量电能，主要是由于异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行状态，同时影响着企业的效益。纠其原因主要是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，使电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低;另一方面，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，5-7倍的起动电流也造成能量的消耗。因此，要研究异步电动机节能主要从“根据负载调节电动机的端电压”和“限制电动机的起动电流”这两方面入手。4、常用的电动机节能保护方法与分析4.1老式的Y/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、在空载或轻载下启动的电动机。图1老式电动机Y/转换节能电路原理图图1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，电动机改为丫下运行。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。4.2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，启动时一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2所示图2电子式软启动器框图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。但由于需要采用晶闸管控制，所以有控制复杂、谐波污染严重等缺点。另外，截止2003年，电子式软启动器的价格维持在200-250元人民币/kW，较高的价格也大大限制了其使用范围。4.3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。5 、本文主要内容本文主要从理论上分析异步电动机Y/转换节能的基本原理，并在此基础上提出了一套由单片机控制的Y/转换节能保护器的设计方案。经过对单片机应用的分析后，选择适合的单片机用以完成设计对设计。并进一步对节能保护器在设计过程中有影响的因素分析，最后完善整套设计方案。1、三相异步电动机节能原理分析1从三相异步电动机的功率损失分析，近而运用分析的具体情况来分析/Y运行的工作特性。从而得出/丫转换节能的原理。1.1三相异步电动机的功率损失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。例如：铜损失、铁损失、机械损失和杂散损失。1.1.1铜损失()电动机的铜损失包括定子铜损失和转子铜损失凡。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。 1.1式中，R1为定子每相电阻;I1为定子每相电流。 1.2式中，S为转差率;Pe为电磁功率。1.1.2铁损失()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。 1.3式中，k为常数;为电源频率;为磁通密度。由于 1.4式中，为磁通量;为定子绕组的感应电动势；为定子绕组的相电压。认为铁损与端电压的平方成正比。由于转子电源频率很低,转子的铁芯损失很小，忽略不计。因此认为从空载到额定负载的范围内，仅是定子铁芯损失。1.1.3机械损失()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，对于某一确定的在用电动机，可认为其机械损失为常量。1.1.4杂散损失()电动机的杂散损失包括铁杂损失和铜杂损失。铁杂损失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。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。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。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70%90%.感应电动机杂散损失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1%3%，在大型的感应电动机中，杂散损失一般为输出功率的5% 。1.1.5总损失()图1-1 感应电动机的功率图图中，为输入功率; 为机械功率;为输出功率。电动机的总损失由定子铜损失、转子铜损失、铁损失、机械损失和杂散损失组成。即： 1.5 1.2/Y转换的工作特性7转换Y后是否节能的核心问题是施加到定子每相绕组上的电压，降为接时的，使得电动机的铁损、降低为接时的1/3，同时电动机的定子铜损与转子铜损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。电动机的工作特性，是指在电网电压=380V，频率=50Hz时，电动机在接和Y接两种状态下定子电流、功率因数,效率与负载率的关系。其中: 1.6式中的为额定功率。下面对/Y转换时各项关系分别进行分析。1.2.1 与关系分析三相交流异步电动机的定子一相等效电路如下图所示:图1-2三相交流异步电动机的定子一相等效电路图中，为定子每相绕组的电抗;为转子相电阻的折算值; 为转子相电抗的折算值; 为激磁电阻;为激磁电抗; 为转子电流的折算值; 为激磁电流。图1-3电动机的电流矢量图当电动机空载时，转子转速接近于同步转速，转差率0, /，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: 1.7 1.8式中，为定子空载电流。式1.8可表示为图1-3的矢量图。分析电动机由接转换为Y接运行时，定子电流，随负载的变化情况，则需分析定子空载电流和转子折算电流随负载变化的情况。空载电流一方面，电动机的电势平衡条件为: 1.9因为、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。由: 1.10式中，为定子每相绕组串联的匝数; 为绕组系数; 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接时的也将近似的降为接时的。一般说来，设计电动机时选取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还要低一些。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.转子折算电流由电动机的近似等效电路得: 1.11由式1.11可见，电动机由接转换为Y接时，一方面的降低会使减小，另一方面的增大会使增大。一般说来，负载很轻时，是降低的;随着负载的增大，明显增大，呈上升趋势。根据上述内容，定子电流I1与的关系分析如下：图1-4 接和Y接状态下与的关系曲线图1-4为电动机在Y接时以及接时的与关系曲线。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，由于起主要作用，同时尚未增加或增加不大，这就使得Y接时的明显低于接时的。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来提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态，导致随着的增大值超过了空载电流的减少值，使得Y接时的大于接时的。1.2.2 与关系分析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: 1.12式中，为电动机的调压系数,( 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，为电动机的空载电流系数。 1.13式中，为电动机的空载电流; 为电动机的额定电流。特定的电动机，其空载电流系数为定值。图1-5 接和丫接状态下与的关系曲线图1-5为电动机在接和Y接状态下与的关系曲线，由图可知，Y接的要高于接的。1.2.3 /Y转换时与关系分析电动机的效率与其端电压及转差率之间存在如下关系: 1.14式中，为电动机额定工况时的转差率;为电动机降压运行时的转差率;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1-6所示。图1-6 接和丫接状态与的关系曲线由关系曲线分析可知：当<40%时，由于Y接下定子铁损PFe降低为接下的1/3，定子电流I1的减小使得定子铜损PCu1降低，而转差率S增大的幅度很小，由式1-2可知，转子铜损PCu2的增大幅度也很小，丫切换后总的损耗会降低。此时/Y切换可实现节能。当>40%时，由于电动机转矩与端电压平方成正比，丫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I0的减少值，定子电流随之增大，从而使定子铜损PCu1和转子铜损PCu2的增大值超过铁损PFe的下降值，致使电动机的效率下降。1.3/Y转换的节能原理电动机Y/转换的节能方法主要是针对电动机运行时出现的“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，该方法可以收到明显的节能效果。一般情况下，当<40%时，三相异步电动机由接转换为Y接，定子空载电流I0降低，同时转子电流I2增加的量有限，从而导致定子电流I1降低，定子铜损PCu1 ，随之降低;端电压U1的降低使得定子铁损PFe降低;功率因数 cos增大;效率增大，这使得电动机向电网吸取的有功功率与无功功率减少，线路损耗随之降低。2、三相异步电动机节能保护器控制结构的分析2三相异步电动机节能保护器可以根据客户具体要求的保护器性能来完成，进而实现具体的保护功能。近年来保护器的发展迅速，并且更加智能化。本文中采用单片机芯片为主电路，进而分析研究对保护器的设计。2.1单片机控制电路主芯片分析本文中选择的主芯片是自带A/D转换器的P87LPC767单片机。该芯片由PHILIPS公司生产。P87LPC767是20脚封装的单片机，适合于许多要求高集成度、低成本的场合。可以满足许多方面的性能要求。作为PHILIPS小型封装系列中的一员，P87LPC767提供高速和低速的晶振和RC振荡方式，可编程选择。具有较宽的操作电压范围。可编程I/O口线输出模式选择，可选择施密特触发输入，LED驱动输出。操作电压范围为+2.76.0VDC，VDD=2.74.5V时，时钟频率最大为10MHz，VDD=4.55.5V时，可达到的最大时钟频率是20MHz；内部集成有128Byte的RAM, 4KByte的OTP程序存储器, 2个16位的定时/计数器，4路8位的单极性A/D转换通道，32Byte用户代码区可用来存放序列码及设置参数，2个模拟比较器，8个键盘中断输入，另加2路外部中断输入，4个中断优先级，并自带看门狗与电源监控功能。P87LPC767单片机的引脚接线图如下：图2-1 P87LP0767单片机引脚图这款单片机的A/D转换参考电压就是电源电压，最小可以采用+3VDC，在本设计中采用+5VDC为单片机的电源电压，由A/D转换原理可得:单片机A/D转换数字量的分辨率对应为5/2560.02V在设计过程中，如能充分利用该单片机自身提供的软硬件资源，并配以简单的外围接口电路，合理考虑各个环节的精度与误差，并采用合适的控制策略，就能使系统在完成对电动机的Y/转换节能控制及电动机保护功能的基础上，实现较高的性价比。2.2三相异步电动机/Y转换节能保护器系统框图8根据本次设计的要求，确定系统的输入、输出以及对应的实现方法。本系统的输入包括:电动机的三相电流信号(由电流互感器采集输入);临界负载率、积分时间信号(由可调电位器输入);下或Y下启动信号(由按键输入)。本系统的输出包括:/Y切换信号;单片机保护输出;硬件保护输出;切换、故障信号指示电路(由LED输出)。电动机节能保护器的系统框图如图2-2所示。图2-2 电动机节能保护器的系统框图由于系统采用单片机作为主控芯片，其运算能力较弱，设计过程中为了尽量避免单片机承担过多的运算工作，就以I1/IN代替临界负载率作为输入。3、三相异步电动机节能保护器的设计3.1电动机节能保护器的硬件电路设计与分析53.1.1线性整流滤波电路由于P87LPC767单片机引脚较少，而本系统的输入/输出量占用的引脚较多，这使得对程序存储器EPROM的扩展非常困难。为此选用算法较为简单的直流采样以减少程序大小，从而保证代码量小于P87LPC767单片机的4k程序存储器空间。图3-1为对交流信号进行线形整流滤波的电路原理图。图3-1 线形整流电路原理图电流互感器输出的二次交流电流信号流经精密电阻得到交流电压信号，再由电位器(该电位器作校准额定电流用)分压接至图3-1的input端，output端输出的是电压信号经过分压后的绝对值的平均值。output端输出的直流信号一路至单片机的A/D转换口，单片机对采样值进行一系列的运算以判断保护是否动作、是否进行Y/转换;另一路至硬件保护电路以判断是否由硬件完成过流保护的动作(只取一相电流的信号经整流滤波后至硬件保护电路)。硬件电路的工作原理： 应考虑有滤波电容C2、C3的情况。C2 (0.5n)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;C3(1u)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Voutput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。还应分析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的输出电压(即output端的输出电压)取值情况。由于在±5V电源的供电条件下，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3.8V，考虑一定裕量，将3.6V对应4.5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0.8V。额定电流下，Vinput的最大值为0.8/21.26V。(/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。)当Vinput的最大值为1.26V时，Voutput的仿真波形如下：图3-2 Voutput从Os至2s的全局波形从图上可以看出，Voutput的波形无超调量，不会造成保护误动作;从OV到0.8V的上升时间小于0.8s，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。放大波形后额定电流下Voutput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，由Voutput的纹波引起的误差远小于由单片机A/D转换引起的误差。该线形整流电路满足本系统的要求。3.1.2硬件保护电路单片机保护的环节较多，可能导致动作较慢。当电动机短路电流过大时，若过流保护没能及时动作，电动机可能损坏，甚至烧毁。为解决这个问题，系统采用迟滞比较器电路作为电动机硬件过流保护。图3-4为硬件保护电路的原理图。图3-4 硬件保护电路原理图硬件保护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3-2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，一路经非门驱动光耦，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。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3-2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。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4-1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0.1F。R54与C5组成的充电回路可使得保护器上电时VU4A4> VU4A5，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，基本上可以使保护器上电时硬件保护维持在未动作状态。现在对R51和P2构成分压电路的比较参考电压的进行下列计算。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3.8V，此次设计将硬件过流保护的动作值设为4.5倍的额定电流值。则硬件过流保护的动作值=4.5×0.8=3.6VLM339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4. 8V，输出的低电平UL最多为0.5V。由叠加原理可得: 3.1当硬件保护未动作时，Viz<3.6V，VU4A2=0.5V，VU4A4>VU4A5。代入式3.1得:VU4A4>2.05V。当硬件保护动作后，Viz=OV,VU4A2=4.8V, VU4A<VU4A54。代入式3.1得:VU4A4V<2.4V。充分考虑安全余量后，选择VU4A4=2.2V。3.1.3保护器硬件抗干扰分析以及抗扰措施6本设计的噪声源主要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;来自保护器外部的感性负载切换时产生的噪声;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。在直流电源输入端并联滤波电容是本设计对来自直流电源部分的噪声干扰的主要抑制方法。3.2电动机节能保护器的软件电路设计与分析系统软件采用MCS-51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。3.2.1程序流程图与调试过程电动机节能保护器的程序流程图如图3-5所示。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，并使用定时器中断和A/D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，并以此为依据设定相关参数的值，再根据A/D转换结果判断定子电流是否为零。若为零，则电动机未进入启动过程，继续调用判断启动子程序;若不为零，则表明电动机已进入启动过程，程序转入下一环节。判断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。图3-5 电动机节能保护器的程序流程图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。若有，则保护动作，单片机进入等待复位状态;若无，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。若有保护动作，单片机进入等待复位状态;若满足切换条件，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。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±3%。回差值设定临界负载率的调整均为抑制临界点振荡的有效方法。3.2.2保护器软件抗干扰分析以及抗扰措施36单片机在程序执行过程中，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，由于有两个操作数，则CPU误把操作数当成操作码的机率就更大。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”。 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。例如：对保护动作指令可在程序中写入CLR P0.2CLR P0.2CLR P0.2可降低该指令不被执行的概率。还可以在双字节指令和三字节指令后插入两个单字节指令NOP，这可以保证其后面的指令不会被拆散。特别是其后面为对于程序流向起决定作用的指令时(如RET, RETI, ACALL, LJMP, 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)，若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: LJMP MAIN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。本设计中使用的主芯片P87LPC767单片机自带看门狗，喂看门狗就是执行指令: WDFeed: MOV WDRST, #lEH MOV WDRST, #OE1H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。最后,加入硬件与软件防干扰措施以后全部程序基本上为1.1k左右。4、Y/转换节能保护器电动机主电路接线图及其工作过程图4-1 三相异步电动机Y/转换节能保护器主电路接线图7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，则单片机发出切换信号控制继电器ZJ1的常开触点闭合，KMl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ZJl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、对影响电动机节能保护器设计过程的因素的讨论45.1有关空载电流对保护器的影响大的空载电流使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4.5A，当实际负载增大到对应值时，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30%70%，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，因此限制了电动机节能保护器的应用场合。空载电流的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，并根据其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。解决方法如下。5.1.1采用交流采样方法若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。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; 户以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;根据以上特点，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3-1的线形整流电路去掉滤波电容 。单片机只对交流信号进A/D采样，一般在一个周期内采样2n如32次或64次，这样做是为了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。功率因数的计算是在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采样次数。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。考虑单片机的程序存储器空间是否够用。当采用此算法以后程序为2.3k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，总代码量为3.3k左右，小于单片机自带的4k EPROM空间，因此方法可行。本系统采用交流采样的方法以后，对电动机额定电流、额定电压与其对应的整流环节交流输入电压的校准方法大致与3.1.3节所述相同。不同的是在采用交流采样后，校准的对象变成了整流环节的交流输入电压，即电流互感器并联精密电阻后再由电位器分压输出的交流电压信号，而不是整流环节的直流输出电压信号。5.1.2采用鉴相器电路如继续采用直流采样，可用鉴相器电路将电压与电流信号的相位作比较，输出与相位差成比例的电平，将该电平作为A/D采样的输入，则单片机就能根据电动机线电流的大小以及功率因数来确定是否进行切换，从而解决前述问题。根据图1-4及图1-5，当电动机在接下运行时，如定子电流小于额定电流的40%,则直接切换至Y下运行。如定子电流大于额定电流的40%，此时判断功率因数角，若功率因数角大于600,(对于工频信号来说，电压与电流的相位差约为3.3ms。则切换至Y下运行;若功率因数角小于600，则不切换。当电动