畢業(yè)設(shè)計論文-三相異步電動機節(jié)能保護器的設(shè)計

1、精品文檔緒論1、我國電動機保護器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀簡介我國的電動機保護裝置大約經(jīng)歷了全面仿蘇、自行設(shè)計、更新?lián)Q代、智能化發(fā)展等幾個階段。值得一提的是由于近年來微處理器技術(shù)的發(fā)展，給電動機保護器向智能化、多功能化方向發(fā)展提供了硬件平臺，使得電機保護進入了一個飛速發(fā)展的階段。熱繼電器在建國初期，我們引進了蘇聯(lián)的JR系列熱繼電器，從而開始了其在中國電機保護行業(yè)中長達半個世紀的生涯。熱繼電器在電子業(yè)尚不發(fā)達的時代曾是電機過載保護的首選產(chǎn)品，它是利用雙金屬片熱效應(yīng)原理。但由于熱繼電器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受環(huán)境影響大、重復(fù)性差、誤差大及功能單一等，已無法滿足越來越高的要求，直到1996年國家八部委

2、聯(lián)合發(fā)文強制將其淘汰。模擬電子式電動機保護器（電機保護器）在上個世紀七八十年代，隨著半導(dǎo)體模擬器件的興起及普及，涌現(xiàn)出了一批性能比較可靠、功能多樣化的電子式電動機保護器（電機保護器），為電機的可靠運行提供了較可靠的保障，但由于其存在整定精度不高、采樣精度不高并且無法實現(xiàn)具有多種保護功能于一體的全保護，而隨著社會的發(fā)展，對于保護器的要求也越來越高，純粹模擬線路的電動機保護器（電機保護器）正逐漸被其它一些更先進的技術(shù)產(chǎn)品所代替。數(shù)字電子式電動機保護器（電機保護器）這類電動機保護器（電機保護器）主要以單片機作為控制器，可實現(xiàn)電機的智能化綜合保護，有的還具有遠程通訊功能，可在PC機上實現(xiàn)對多達256臺

3、聯(lián)網(wǎng)的電機實現(xiàn)在線綜合監(jiān)視與控制，在采樣和整定精度方面有質(zhì)的飛躍，可對采樣信號進行軟件非線性校正，并可實現(xiàn)真有效值計算，從而極大地降低了被測信號波形畸變的影響，真正實現(xiàn)了高精度采樣，在整定方面采用數(shù)字設(shè)定，通過鍵盤由用戶自行現(xiàn)場設(shè)定，不存在誤差，還可為過載保護設(shè)置多條更科學(xué)的反時限曲線。因為采用了單片機就使得在相同硬件條件下集多種功能與一體的綜合保護器的出現(xiàn)成為可能。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電動機保護器（電機保護器）正朝著智能化，綜合化，高精度，高可靠方向發(fā)展。2、電動機節(jié)能的必要性作為拖動系統(tǒng)中的重要組成部分電動機，在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，它的使用幾乎滲透到了各行各業(yè)，是工、農(nóng)業(yè)和國防

4、建設(shè)及人民生活正常進行的重要保證，因而確保電動機的正常運行就顯得十分重要。而我國現(xiàn)有各類電動機總?cè)萘考s4.2億千瓦，電機系統(tǒng)年耗電量在6000億度以上，占電力消費總量的50%以上。其中80%以上為0.55-200千瓦以下的中小型電機，但所有電動機中相當于世界近代技術(shù)水平的J2, J02系列的約占70%，相當于70年代水平的Y系列電動機不足30%，具有80年代末水平的YX系列高效電動機所占的比例更是微乎其微。也就是說，我國在服役的電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當于發(fā)達國家50年代的水平，我國目前制造的電機僅有5%是高效節(jié)能電機，但幾乎全部用于出口。我國電機的平均效率約低于美國和加拿大3-5%，風

5、機和水泵的效率低8-10%，系統(tǒng)效率更低。據(jù)有關(guān)專家估算，由于設(shè)計、制造等各種原因，我國電機拖動系統(tǒng)的能源利用效率約比發(fā)達國家低10-30個百分點，總的節(jié)能潛力約為1000億千瓦時，相當于20個裝機容量為1000兆瓦級的大型火電廠的年發(fā)電總量，而進行電機拖動系統(tǒng)的改造和更新的費用需要約500億元人民幣。然而近幾年我國出現(xiàn)了大面積缺電狀況，全國大部分省、市不得不實行錯峰用電，分時拉閘限電，這使得對電機節(jié)能的研究變的更為重要與迫切。由此看出，比較符合我國國情需要的是既要使電機的節(jié)能設(shè)備具有較好的節(jié)能效果，又要想辦法盡量降低改造或更新的費用。國家計委對電機系統(tǒng)節(jié)能非常重視，已把電機系統(tǒng)節(jié)能作為“十五

6、”節(jié)能計劃的重要內(nèi)容。3、電能消耗原因與解決措施的初步分析從三相異步電動機經(jīng)濟運行GB12497-1995標準來看，工礦企業(yè)中使用著的大量三相交流異步電動機的運行狀態(tài)可以分為經(jīng)濟運行狀態(tài)、允許運行狀態(tài)和非經(jīng)濟運行狀態(tài)。異步電動機會消耗大量電能，主要是由于異步電動機及其拖動系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟運行狀態(tài)，同時影響著企業(yè)的效益。糾其原因主要是在進行電動機容量選配時，往往片面的追求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動機的容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，使電動機偏離最佳工況點，運行效率和功率因數(shù)降低;另一方面，由于大部分電機采用直接起動方式，除了造成對電網(wǎng)及拖動系統(tǒng)的沖擊和事故之外，5-7倍的起動電流也

7、造成能量的消耗。因此，要研究異步電動機節(jié)能主要從“根據(jù)負載調(diào)節(jié)電動機的端電壓”和“限制電動機的起動電流”這兩方面入手。4、常用的電動機節(jié)能保護方法與分析4.1老式的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能電路這種方法適用于正常運行時定子繞組采用三角形接法、在空載或輕載下啟動的電動機。圖1老式電動機Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能電路原理圖圖1為一種老式Y(jié)/轉(zhuǎn)換節(jié)能電路的原理圖，該電路主要由電流繼電器LJ、時間繼電器KT、熱繼電器FR以及相應(yīng)的輔助電路構(gòu)成。其工作原理是:當按下SB1時，接觸器KMl, KM2得電，電機在Y下啟動。限位開關(guān)SQ受主軸操縱桿控制，主軸在運轉(zhuǎn)時，SQ閉合，時間繼電器KT得電。在空載或輕載時，定子電流小于電流繼電器L

8、J的整定值，LJ不動作，電機保持在Y下運行。如在重載下，LJ得電，其常開觸點閉合，中間繼電器KA隨之得電，切斷了KM2的線圈電路，同時KM3得電，電機切換至下運行。工作完畢后，通過主軸操縱桿使SQ斷開，KT失電，KM3隨之失電，KM2線圈得電，電動機改為丫下運行。此類節(jié)能電路具有控制方便、無諧波污染等優(yōu)點。但體積大、重量大，如果同時需要加入保護電路，則其輔助電路與接線將變的十分復(fù)雜，成本也隨之成倍增加。4.2電子式軟啟動器電子式軟啟動器的主電路一般都采用晶閘管調(diào)壓電路，啟動時一由單片機或其它智能控制系統(tǒng)控制晶閘管的導(dǎo)通角，進而使得電動機的端電壓平滑上升。在運行過程中可根據(jù)定子電流控制電動機的端

9、電壓，從而實現(xiàn)節(jié)能。電子式軟啟動器的框圖如圖2所示圖2電子式軟啟動器框圖電子式軟啟動器具有噪音小，無觸點、重量輕、體積小、電流檢測精度高、起動時間及起動電流可控制，起動過程平滑，起動轉(zhuǎn)矩可根據(jù)負載情況靈活調(diào)整，起動電流可調(diào)，操作簡單、維護量小，可以頻繁起動等優(yōu)點。但由于需要采用晶閘管控制，所以有控制復(fù)雜、諧波污染嚴重等缺點。另外，截止2003年，電子式軟啟動器的價格維持在200-250元人民幣/kW，較高的價格也大大限制了其使用范圍。4.3單片機控制的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器單片機控制的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器是由單片機控制系統(tǒng)根據(jù)電流檢測的結(jié)果判定是否進行切換，以及保護是否動作。同上述兩種節(jié)能器相比，單

10、片機控制的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器的優(yōu)點十分明顯:成本低、控制簡單、接線容易、重量輕、體積小、無諧波污染(切換與啟動過程時間很短)。 但由于使用Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器的電動機端電壓只有220V和380V兩種，所以Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器的節(jié)能效果不如電子式軟啟動器。5 、本文主要內(nèi)容本文主要從理論上分析異步電動機Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能的基本原理，并在此基礎(chǔ)上提出了一套由單片機控制的Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器的設(shè)計方案。經(jīng)過對單片機應(yīng)用的分析后，選擇適合的單片機用以完成設(shè)計對設(shè)計。并進一步對節(jié)能保護器在設(shè)計過程中有影響的因素分析，最后完善整套設(shè)計方案。1、三相異步電動機節(jié)能原理分析1從三相異步電動機的功率損失分析，近而運用分析的

11、具體情況來分析/Y運行的工作特性。從而得出/丫轉(zhuǎn)換節(jié)能的原理。1.1三相異步電動機的功率損失電動機是靠電磁感應(yīng)原理工作的，它向電網(wǎng)吸取能量，從軸上輸出機械能。在電能轉(zhuǎn)換為機械能的過程中，不可避免地會有一些能量損失。例如：銅損失、鐵損失、機械損失和雜散損失。1.1.1銅損失()電動機的銅損失包括定子銅損失和轉(zhuǎn)子銅損失凡。它們是由定子電流和轉(zhuǎn)子電流流過定子、轉(zhuǎn)子繞組而產(chǎn)生的。 1.1式中，R1為定子每相電阻;I1為定子每相電流。 1.2式中，S為轉(zhuǎn)差率;Pe為電磁功率。1.1.2鐵損失()電動機的鐵損失包括磁滯損失和渦流損失，它是鐵芯在磁場中受交變磁化作用產(chǎn)生的。 1.3式中，k為常數(shù);為電源頻率

12、;為磁通密度。由于 1.4式中，為磁通量;為定子繞組的感應(yīng)電動勢；為定子繞組的相電壓。認為鐵損與端電壓的平方成正比。由于轉(zhuǎn)子電源頻率很低,轉(zhuǎn)子的鐵芯損失很小，忽略不計。因此認為從空載到額定負載的范圍內(nèi)，僅是定子鐵芯損失。1.1.3機械損失()電動機的機械損失包括通風損失和軸承摩擦損失。對于繞線式異步電動機而言，還包括滑環(huán)與電刷之間的摩擦損失。通風損失大約和空氣流通速度的立方成正比。一般，對于某一確定的在用電動機，可認為其機械損失為常量。1.1.4雜散損失()電動機的雜散損失包括鐵雜損失和銅雜損失。鐵雜損失由于齒磁通在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時發(fā)生脈動而產(chǎn)生的，通常稱為脈動損失或表面損失。近似認為鐵雜損失與外加

13、電壓的平方成正比。銅雜損失是由于高次諧波磁勢的影響產(chǎn)生的。近似認為銅雜損失與電流的平方成正比，隨負載的變化而變化。雜散損失部分取決于電壓，部分取決于電流。對于感應(yīng)電動機來說，銅雜損失是主要的，約占電動機雜散損耗的70%90%.感應(yīng)電動機雜散損失在總損失中占的比例很小。在小型鑄鋁轉(zhuǎn)子籠型感應(yīng)電動機中，滿載下雜散損失可達輸出功率的1%3%，在大型的感應(yīng)電動機中，雜散損失一般為輸出功率的5% 。1.1.5總損失()圖1-1 感應(yīng)電動機的功率圖圖中，為輸入功率; 為機械功率;為輸出功率。電動機的總損失由定子銅損失、轉(zhuǎn)子銅損失、鐵損失、機械損失和雜散損失組成。即： 1.5 1.2/Y轉(zhuǎn)換的工作特性7轉(zhuǎn)換

14、Y后是否節(jié)能的核心問題是施加到定子每相繞組上的電壓，降為接時的，使得電動機的鐵損、降低為接時的1/3，同時電動機的定子銅損與轉(zhuǎn)子銅損根據(jù)負載變化而變化。所以電動機總的損耗是增加還是減少，則需根據(jù)負載而定。電動機的工作特性，是指在電網(wǎng)電壓=380V，頻率=50Hz時，電動機在接和Y接兩種狀態(tài)下定子電流、功率因數(shù),效率與負載率的關(guān)系。其中: 1.6式中的為額定功率。下面對/Y轉(zhuǎn)換時各項關(guān)系分別進行分析。1.2.1 與關(guān)系分析三相交流異步電動機的定子一相等效電路如下圖所示:圖1-2三相交流異步電動機的定子一相等效電路圖中，為定子每相繞組的電抗;為轉(zhuǎn)子相電阻的折算值; 為轉(zhuǎn)子相電抗的折算值; 為激磁電

15、阻;為激磁電抗; 為轉(zhuǎn)子電流的折算值; 為激磁電流。圖1-3電動機的電流矢量圖當電動機空載時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率0, /，轉(zhuǎn)子相當于開路。此時轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流。即: 1.7 1.8式中，為定子空載電流。式1.8可表示為圖1-3的矢量圖。分析電動機由接轉(zhuǎn)換為Y接運行時，定子電流，隨負載的變化情況，則需分析定子空載電流和轉(zhuǎn)子折算電流隨負載變化的情況?？蛰d電流一方面，電動機的電勢平衡條件為: 1.9因為、很小，故可以認為，當電動機由接轉(zhuǎn)換為Y接運行時，定子每相繞組上感應(yīng)的主電勢E1將近似地隨U1的降低而降為接時的。由: 1.10式中，為定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù);

16、為繞組系數(shù); 為定子繞組回路的磁通最大值?？梢?，對于某一在用的電動機，Y接時的也將近似的降為接時的。一般說來，設(shè)計電動機時選取值在磁化曲線的拐角處，因而，當電動機由接轉(zhuǎn)換為Y接運行時，定子每相繞組的空載相電流將降為接時的還要低一些。綜上所述，當電動機由接轉(zhuǎn)換為Y接運行時，空載線電流將降為接時的1/3.轉(zhuǎn)子折算電流由電動機的近似等效電路得: 1.11由式1.11可見，電動機由接轉(zhuǎn)換為Y接時，一方面的降低會使減小，另一方面的增大會使增大。一般說來，負載很輕時，是降低的;隨著負載的增大，明顯增大，呈上升趨勢。根據(jù)上述內(nèi)容，定子電流I1與的關(guān)系分析如下：圖1-4 接和Y接狀態(tài)下與的關(guān)系曲線圖1-4為電

17、動機在Y接時以及接時的與關(guān)系曲線。電動機在空載情況下，Y接時的空載線電流近似等于接時的1/3。輕載時，由于起主要作用，同時尚未增加或增加不大，這就使得Y接時的明顯低于接時的。當負載增大到一定程度(大約70%)時，由于電動機依靠增大轉(zhuǎn)差率來提高電磁轉(zhuǎn)矩以達到與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，導(dǎo)致隨著的增大值超過了空載電流的減少值，使得Y接時的大于接時的。1.2.2 與關(guān)系分析電動機的功率因數(shù)與其端電壓及負載率之間存在如下關(guān)系: 1.12式中，為電動機的調(diào)壓系數(shù),( 分別為電動機額定工況和降壓運行時的實際電壓);電動機在Y接時，為電動機的空載電流系數(shù)。 1.13式中，為電動機的空載電流; 為電動機的額定電流

18、。特定的電動機，其空載電流系數(shù)為定值。圖1-5 接和丫接狀態(tài)下與的關(guān)系曲線圖1-5為電動機在接和Y接狀態(tài)下與的關(guān)系曲線，由圖可知，Y接的要高于接的。1.2.3 /Y轉(zhuǎn)換時與關(guān)系分析電動機的效率與其端電壓及轉(zhuǎn)差率之間存在如下關(guān)系: 1.14式中，為電動機額定工況時的轉(zhuǎn)差率;為電動機降壓運行時的轉(zhuǎn)差率;為電動機額定工況時的效率;為電動機降壓運行時的效率?？紤]到轉(zhuǎn)差率與功率因數(shù)隨負載的變化，得出電動機在接和Y接狀態(tài)下與的關(guān)系曲線如圖1-6所示。圖1-6 接和丫接狀態(tài)與的關(guān)系曲線由關(guān)系曲線分析可知：當40%時，由于電動機轉(zhuǎn)矩與端電壓平方成正比，丫切換后電動機轉(zhuǎn)矩也隨之下降而小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機只有依靠

19、增大轉(zhuǎn)差率，提高電磁轉(zhuǎn)矩以達到與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)。由于此時轉(zhuǎn)差率增大，導(dǎo)致I2隨著S的增大值超過了空載電流I0的減少值，定子電流隨之增大，從而使定子銅損PCu1和轉(zhuǎn)子銅損PCu2的增大值超過鐵損PFe的下降值，致使電動機的效率下降。1.3/Y轉(zhuǎn)換的節(jié)能原理電動機Y/轉(zhuǎn)換的節(jié)能方法主要是針對電動機運行時出現(xiàn)的“大馬拉小車”現(xiàn)象提出的，對于經(jīng)常處于輕載或空載下運行的電動機，該方法可以收到明顯的節(jié)能效果。一般情況下，當 VU4A5，硬件保護保持在未動作狀態(tài)。R54在回路中起限流作用。選擇參數(shù)時需讓C5的充電回路時間常數(shù)小于C4的充電回路時間常數(shù)，這樣就可消除C4對電路的負面影響。本設(shè)計選C5為5

20、00nF，基本上可以使保護器上電時硬件保護維持在未動作狀態(tài)?，F(xiàn)在對R51和P2構(gòu)成分壓電路的比較參考電壓的進行下列計算。考慮到放大器LM324構(gòu)成的整流電路的輸出電壓(也即硬件保護環(huán)節(jié)和A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的輸入電壓)最大只能到3.8V，此次設(shè)計將硬件過流保護的動作值設(shè)為4.5倍的額定電流值。則硬件過流保護的動作值=4.50.8=3.6VLM339在單電源+5V的工作條件下(帶1K上拉電阻)，輸出的高電平UH至少為4. 8V，輸出的低電平UL最多為0.5V。由疊加原理可得: 3.1當硬件保護未動作時，VizVU4A5。代入式3.1得:VU4A42.05V。當硬件保護動作后，Viz=OV,VU4A2=

21、4.8V, VU4AVU4A54。代入式3.1得:VU4A4V2.4V。充分考慮安全余量后，選擇VU4A4=2.2V。3.1.3保護器硬件抗干擾分析以及抗擾措施6本設(shè)計的噪聲源主要來自保護器內(nèi)部的各電路元器件產(chǎn)生的固有噪聲;來自保護器內(nèi)部的感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲;來自保護器外部的感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲;電動機接觸器切換時產(chǎn)生的噪聲;直流電源部分的噪聲干擾等。為抑制來自保護器內(nèi)部的感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲，在單片機驅(qū)動繼電器的電路中采用光耦隔離。并在繼電器線圈上并聯(lián)二極管，以抑制繼電器線圈產(chǎn)生的反電動勢干擾。在單片機驅(qū)動繼電器的電路中采用光禍隔離也同時抑制了來自保護器外部的感性負載切換時產(chǎn)生

22、的噪聲。在直流電源輸入端并聯(lián)濾波電容是本設(shè)計對來自直流電源部分的噪聲干擾的主要抑制方法。3.2電動機節(jié)能保護器的軟件電路設(shè)計與分析系統(tǒng)軟件采用MCS-51匯編語言編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由主程序、判斷啟動子程序、啟動延時子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、過流(反時限)判斷子程序、三相電流不平衡判斷子程序、判斷切換子程序等多個子程序組成。3.2.1程序流程圖與調(diào)試過程電動機節(jié)能保護器的程序流程圖如圖3-5所示。調(diào)用過程如下:單片機上電后，主程序先進行開機自檢，然后設(shè)定各I/O口、定時器(包括看門狗定時器)的工作狀態(tài)，再對程序中用到的變量、信號量進行初始化，并使用定時器中斷和A/D中斷。系統(tǒng)初始化完

23、畢后，調(diào)用判斷啟動子程序，先判斷電動機在Y下還是下啟動，并以此為依據(jù)設(shè)定相關(guān)參數(shù)的值，再根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷定子電流是否為零。若為零，則電動機未進入啟動過程，繼續(xù)調(diào)用判斷啟動子程序;若不為零，則表明電動機已進入啟動過程，程序轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié)。判斷啟動過程中需給硬件保護電路發(fā)復(fù)位信號，以防止保護器上電時硬件保護誤動作。圖3-5 電動機節(jié)能保護器的程序流程圖電動機進入啟動過程后，單片機調(diào)用啟動延時子程序，判斷啟動過程中不平衡故障。若有，則保護動作，單片機進入等待復(fù)位狀態(tài);若無，則啟動延時過后，程序轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié)。啟動過程結(jié)束后，單片機循環(huán)調(diào)用過流(反時限)判斷子程序、三相電流不平衡判斷子程序和判斷切換

24、子程序。若有保護動作，單片機進入等待復(fù)位狀態(tài);若滿足切換條件，則發(fā)出切換信號，繼續(xù)循環(huán)調(diào)用上述三個子程序;如發(fā)現(xiàn)硬件保護動作，則單片機直接進入等待復(fù)位狀態(tài)。為了防止電動機在臨界負載點附近發(fā)生頻繁的切換(又稱臨界點振蕩)，單片機在通過A/D采樣采入臨界負載率以后，程序需加入回差值，本設(shè)計的回差值設(shè)為3%。回差值設(shè)定臨界負載率的調(diào)整均為抑制臨界點振蕩的有效方法。3.2.2保護器軟件抗干擾分析以及抗擾措施36單片機在程序執(zhí)行過程中，因各種干擾的存在，會使得PC出現(xiàn)錯誤，單片機程序便脫離正常軌道運行，出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象。當程序“跑飛”到某個單字節(jié)指令上時，便自己自動納入正軌;當程序“跑飛”到某個雙字節(jié)指

25、令上，若恰恰在取操作碼時刻落到其操作數(shù)上，則CPU誤把操作數(shù)當成操作碼，程序仍將出錯;當程序“跑飛”到某個三字節(jié)指令上時，由于有兩個操作數(shù)，則CPU誤把操作數(shù)當成操作碼的機率就更大。為盡量減輕“跑飛”現(xiàn)象對整個系統(tǒng)造成的嚴重后果，在程序設(shè)計時，需加入一些抗干擾措施，以盡快將“跑飛”的程序“拉回來”。 指令冗余。指令冗余是指對某些重要指令的連續(xù)重復(fù)以及在關(guān)鍵地方人為地插入一些單字節(jié)指令NOP。例如：對保護動作指令可在程序中寫入CLR P0.2CLR P0.2CLR P0.2可降低該指令不被執(zhí)行的概率。還可以在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個單字節(jié)指令NOP，這可以保證其后面的指令不會被拆散。特別

26、是其后面為對于程序流向起決定作用的指令時(如RET, RETI, ACALL, LJMP, JZ等)，或者是某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用的指令(如SETB, EA等)，若在這些指令前插入兩個單字節(jié)指令NOP，可保證亂飛的程序迅速納入軌道，確保這些指令正常執(zhí)行。軟陷阱。軟陷阱是指在一些沒有寫任何指令的EPROM的空閑區(qū)，寫上無條件跳轉(zhuǎn)指令: LJMP MAIN這樣就能使程序“跑飛”到該處時，將程序“拉回”到入口處?？撮T狗技術(shù)?？撮T狗技術(shù)是指當程序因干擾而在某處出現(xiàn)死循環(huán)后，一段時間(人為設(shè)定)過后，程序回到入口處。其原理是:人為設(shè)定看門狗定時器的溢出值，程序在看門狗定時器未溢出時，喂看門狗，使得

27、看門狗定時器恢復(fù)到初始定時值;當程序因干擾而在某處出現(xiàn)死循環(huán)后;看門狗得不到喂，看門狗定時器溢出，程序回到入口處。本設(shè)計中使用的主芯片P87LPC767單片機自帶看門狗，喂看門狗就是執(zhí)行指令: WDFeed: MOV WDRST, #lEH MOV WDRST, #OE1H將以上程序?qū)懭攵〞r器中斷子程序中，就可利用看門狗技術(shù)將“跑飛”的程序“拉回”到入口處。最后,加入硬件與軟件防干擾措施以后全部程序基本上為1.1k左右。4、Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器電動機主電路接線圖及其工作過程圖4-1 三相異步電動機Y/轉(zhuǎn)換節(jié)能保護器主電路接線圖7其中220VAC接觸器KM1, KM2分別為控制電動機下、Y下運行的

28、接觸器，KM3為保護動作的接觸器。S2為啟動按鈕，S1為停止按鈕。保護器內(nèi)的繼電器ZJl為控制Y切換的繼電器，ZJ2, ZJ3分別為單片機保護、硬件保護的輸出繼電器。整個電路的工作過程如下:啟動狀態(tài)輸入。先通過輸入按鍵給保護器輸入信號(一般情況下，如電動機為輕載，則需將輸入按鍵撥至Y下啟動;如電動機為重載，則需將輸入按鍵撥至下啟動)，保護器根據(jù)輸入情況判斷電動機在下或Y下啟動，ZJl得電與否決定了KM1, KM2得電與否，同時也決定了電動機在下還是在Y下啟動。電動機啟動。按下S2, KM3得電，其常開觸點閉合，電動機通電。松開S2，此時KM3的常開觸點形成自鎖，電動機持續(xù)通電。電動機停車。按下

29、S1, KM3失電，其常開觸點斷開，電動機從電網(wǎng)上切除。松開Sl，此時KM3的常開觸點己斷開，電動機與電網(wǎng)無法再接通。電動機/Y切換。電動機在下運行時，如在設(shè)定的時間內(nèi)，保護器檢測到電動機定子電流均小于額定電流與設(shè)定的臨界負載率的乘積，則單片機發(fā)出切換信號控制繼電器ZJ1的常開觸點閉合，KMl線圈失電，KM2線圈得電，電動機切換至Y下運行。電動機在Y下運行時，如在設(shè)定的時間內(nèi)，保護器檢測到電動機定子電流均大于額定電流與設(shè)定的臨界負載率的乘積，則單片機發(fā)出切換信號控制繼電器ZJl的常閉觸點閉合，KM2線圈失電，KM1線圈得電，電動機切換至下運行。KM1與KM2的線圈回路有互鎖，從而避免了短路情況

30、的發(fā)生。電動機保護動作。如單片機檢測到電動機己滿足反時限過流保護或三相電流不平衡保護的動作條件，則繼電器ZJ2得電，其常閉觸點斷開，KM3失電，其常開觸點斷開，電動機從電網(wǎng)上切除。如電動機發(fā)生大電流短路，則硬件保護電路先于單片機保護電路動作，繼電器ZJ3先得電，其常閉觸點斷開，KM3失電，其常開觸點斷開，電動機從電網(wǎng)上切除。5、對影響電動機節(jié)能保護器設(shè)計過程的因素的討論45.1有關(guān)空載電流對保護器的影響大的空載電流使單片機無法僅根據(jù)定子電流判斷電動機的實際負載大小。如果設(shè)定保護器/Y切換的電流為空載電流4.5A，當實際負載增大到對應(yīng)值時，節(jié)能效果并不顯著。由于大部分電動機的空載電流設(shè)定在額定電

31、流的30%70%，所以該電動機節(jié)能保護器只適用于空載電流較小的電動機，因此限制了電動機節(jié)能保護器的應(yīng)用場合。空載電流的問題是由于單片機未對電壓、電流之間的相位差進行采集所致。如單片機采集了相電壓，并根據(jù)其與相電流算出功率因數(shù)，則控制策略可改為根據(jù)相電流與功率因數(shù)來共同確定是否進行/Y切換。這樣就可以解決空載電流對電動機節(jié)能保護器的應(yīng)用場合的影響。解決方法如下。5.1.1采用交流采樣方法若采用交流采樣作為電動機二次電壓、電流輸入的方法，則單片機就可以根據(jù)電壓信號與電流信號過零點的時間差得出功率因數(shù)角，并根據(jù)電流與功率因數(shù)角來共同確定是否進行/Y切換。與直流采樣相對應(yīng)，交流采樣是另外一種A/D采樣

32、的方法。交流采樣基于在一個周期T內(nèi)對交流量等間隔地進行N次采樣，并由這些采樣值算出電壓、電流的有效值，功率因數(shù)等。交流采樣的算法很多，可大體上歸為時域分析算法和頻域分析算法兩大類。時域分析算法主要有積分法和二點法;頻域分析算法主要有離散傅立葉變換法(DFT)和快速傅立葉變換法(FFT )。為提高精度及運算速度，積分法和傅立葉變換法均可由分段線形插值法和拋物線插值法改進。本設(shè)計具有以下特點: 采用單片機作為主控芯片，其運算能力較差; 戶以D轉(zhuǎn)換器為單極性，不能直接采交流信號; 被采電量信號頻率為電網(wǎng)頻率，穩(wěn)定性高，故可省去頻率信號提取電路及N倍頻電路;根據(jù)以上特點，可采用一種簡化的積分法進行交流

33、采樣。交流采樣的輸入是二次電壓、二次電流信號經(jīng)整流以后的脈動直流信號。整流電路為圖3-1的線形整流電路去掉濾波電容 。單片機只對交流信號進A/D采樣，一般在一個周期內(nèi)采樣2n如32次或64次，這樣做是為了在計算平均值的時候，可以用右移運算代替多字節(jié)除法運算，既簡化了程序，又加快了運算速度。所得一個周期內(nèi)各采樣點的A/D結(jié)果的平均值就可作為交流信號的絕對值的平均值。功率因數(shù)的計算是在A/D采樣程序捕捉到電壓過零點時開始記數(shù)，每發(fā)生一次A/D中斷，記數(shù)值加一，直至A/D采樣程序捕捉到對應(yīng)線電流的過零點。由于A/D中斷是等時間間隔發(fā)生的，所以上述的記數(shù)值就對應(yīng)于電壓、電流之間的相位差。運算的精度取決

34、于單片機在一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)。如單片機只在一個周期內(nèi)采樣64次，則相位差的誤差只有/64，完全滿足該系統(tǒng)要求?？紤]單片機的程序存儲器空間是否夠用。當采用此算法以后程序為2.3k左右，再加上為串口RS232轉(zhuǎn)USB接口程序預(yù)留的1k左右的代碼空間，總代碼量為3.3k左右，小于單片機自帶的4k EPROM空間，因此方法可行。本系統(tǒng)采用交流采樣的方法以后，對電動機額定電流、額定電壓與其對應(yīng)的整流環(huán)節(jié)交流輸入電壓的校準方法大致與3.1.3節(jié)所述相同。不同的是在采用交流采樣后，校準的對象變成了整流環(huán)節(jié)的交流輸入電壓，即電流互感器并聯(lián)精密電阻后再由電位器分壓輸出的交流電壓信號，而不是整流環(huán)節(jié)的直流輸出電

35、壓信號。5.1.2采用鑒相器電路如繼續(xù)采用直流采樣，可用鑒相器電路將電壓與電流信號的相位作比較，輸出與相位差成比例的電平，將該電平作為A/D采樣的輸入，則單片機就能根據(jù)電動機線電流的大小以及功率因數(shù)來確定是否進行切換，從而解決前述問題。根據(jù)圖1-4及圖1-5，當電動機在接下運行時，如定子電流小于額定電流的40%,則直接切換至Y下運行。如定子電流大于額定電流的40%，此時判斷功率因數(shù)角，若功率因數(shù)角大于600,(對于工頻信號來說，電壓與電流的相位差約為3.3ms。則切換至Y下運行;若功率因數(shù)角小于600，則不切換。當電動機在Y接下運行時，如定子電流大于額定電流的50%,則直接切換至下運行。如定子電流小于額定電流的50%，則不切換。5.2 對于硬件保護有可能躲不開的下啟動電流分析有的電動機下的啟動電流為額定電流的57倍，如按本設(shè)計的硬件保護整定值，則躲不開下的啟動電流。但因為剛啟動時電動機處于冷態(tài)，啟動過程中的過電流不會使電動機燒毀。若想解決這一問題，可以使電動機在下啟動時，單片機在一段時間內(nèi)持續(xù)給硬件保護復(fù)位，硬件保護推出運行，以保證保護器不因啟動過程中的過電流動作。這段延時結(jié)束后，單片機撤消復(fù)位信號，硬件保護投入運行。但這段時間不能過長，否則若這段時