揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 趙 卉 戴忠良 朱金榮

1.引言

目前的電機(jī)節(jié)能技術(shù)主要是通過改進(jìn)起動(dòng)控制方式和運(yùn)行中節(jié)能兩部分進(jìn)行節(jié)能，傳統(tǒng)的起動(dòng)方式主要有以下兩種：(1)直接起動(dòng)方式，也叫全壓起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)通過一些直接起動(dòng)設(shè)備，將全部電源電壓直接加到電動(dòng)機(jī)的定子繞組，使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下進(jìn)行起動(dòng)。直接起動(dòng)的起動(dòng)線路是最簡單的，然而對于需要頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，過大的起動(dòng)電流將造成電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，影響電動(dòng)機(jī)的壽命；同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組在電動(dòng)力的作用下，會(huì)發(fā)生變形，可能引起短路，進(jìn)而燒毀電動(dòng)機(jī)；另外過大的起動(dòng)電流，會(huì)使線路壓降增大，造成電網(wǎng)電壓的顯著下降，從而影響同一電網(wǎng)的其他設(shè)備的正常工作，有時(shí)甚至使它們停下來或無法帶負(fù)載起動(dòng)。(2)傳統(tǒng)減壓起動(dòng)方式。減壓起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)先降低定子繞組上的電壓，起動(dòng)后，再把電壓恢復(fù)到額定值。常見的減壓啟動(dòng)有以下四種：①星形-三角形(Y-△)起動(dòng)；②串電抗起動(dòng)；③自耦變壓器起動(dòng)；④延邊三角形起動(dòng)。減壓起動(dòng)雖然可以減小起動(dòng)電流，但是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)同時(shí)減小。因此，減壓起動(dòng)方法一般只適用于輕載或空載情況下起動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)的節(jié)電器采用軟起動(dòng)的方式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)起動(dòng)方式的不足。本文采用六只晶閘管，兩兩反向并聯(lián)，串聯(lián)到電動(dòng)機(jī)的三相電源線路上，系統(tǒng)發(fā)出起動(dòng)指令后，起動(dòng)器微機(jī)控制系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)據(jù)運(yùn)算，使得輸出晶閘管發(fā)出觸發(fā)信號，控制晶閘管的導(dǎo)通角，按照設(shè)定的模式，調(diào)節(jié)輸出的電壓，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的目的。由于在起動(dòng)前設(shè)定了一個(gè)不對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的起動(dòng)電流，電流是緩慢增大至設(shè)定電流，故無沖擊電流，所以對電網(wǎng)的影響很小小，并且降低了起動(dòng)力矩的沖擊。在節(jié)能的同時(shí)，增加電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路，在出現(xiàn)缺相、過載、短路等故障時(shí)可以及時(shí)切斷電源，保護(hù)電動(dòng)機(jī)。

2.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的電路包括負(fù)載跟蹤電路，故障檢測電路，欠壓補(bǔ)償電路，電機(jī)控制電路和為各電路提供工作電源的直流電源電路等，如圖1所示。

直流電源電路如圖2所示，12V直流供電電路由變壓器T1、二極管D1—D4組成的整流橋、12V穩(wěn)壓管DW1和濾波電解電容C1組成，變壓器T1的兩個(gè)輸入端與交流輸入電壓兩端連接，變壓器T1的兩個(gè)輸出端連接整流橋的兩個(gè)輸入端，12V穩(wěn)壓管DW1連接在整流橋的兩個(gè)輸出端，濾波電解電容C1并聯(lián)在12V穩(wěn)壓管DW1的兩端。5V直流供電電路是在12V直流供電電路基礎(chǔ)上采用三端穩(wěn)壓器SWDZ1產(chǎn)生。12V電源接三端穩(wěn)壓器SWDZ1輸入端，濾波電解電容C2、C8接在三端穩(wěn)壓器SWDZ1和地之間。直流電源電路為后續(xù)電路提供低電壓工作電源。

負(fù)載跟蹤電路如圖3所示，負(fù)載跟蹤電路主要由單片機(jī)PIC12F675，電流互感器TL1，高頻抑制電容C3，運(yùn)算放大器LM358，微調(diào)電阻R46，節(jié)能指示燈LED1，設(shè)置指示燈LED2以及整流二極管D5，濾波電解電容C12組成。電流互感器T1初級的兩個(gè)輸入端連接在電機(jī)工作電流上，次級與運(yùn)算放大器LM358的同相端、反相端分別連接，運(yùn)算放大器LM358的輸出放大的交流電壓信號端連接整流二極管D5，在整流二極管D5的輸出端連接濾波電解電容C3。電阻R46將放大后的直流電流轉(zhuǎn)換成直流電壓；運(yùn)算放大器LM358被接成反相放大器，當(dāng)電機(jī)開始工作時(shí)，感應(yīng)的交流電壓信號輸入LM358進(jìn)行放大，運(yùn)算放大器LM358輸出放大的交流電壓信號，通過二極管D5整流，C3濾波將交流電壓信號平均為直流電平信號，連接單片機(jī)PIC12F675的GP4端采樣端口部分。在設(shè)置時(shí)，調(diào)節(jié)R46直至指示燈LED2亮，表示調(diào)整到理想位置；單片機(jī)采樣判斷若電機(jī)為輕載，則調(diào)節(jié)電機(jī)電壓進(jìn)行節(jié)能，此時(shí)節(jié)能指示燈LED1亮。

故障檢測電路如圖4所示，故障檢測電路由單片機(jī)PIC12F675，電流互感器TL2、TL3、TL4，電壓取樣電阻R28、R29、R30，整流二極管D8、D9、D11，濾波電容C4、C6、C7和故障報(bào)警指示燈等組成。單片機(jī)PIC12F675的VCC端連接在5V三端穩(wěn)壓器SWDZ1的輸出端，單片機(jī)PIC12F675的GP1、GP2、GP4端為電機(jī)三相交流電的感應(yīng)直流電平信號采樣輸入端，該單片機(jī)使用內(nèi)置的4M晶振，R43、C22串聯(lián)接單片機(jī)GP3的上電復(fù)位端口，D13為故障報(bào)警指示燈，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)指示燈熄滅，出現(xiàn)缺相、過流等故障時(shí)指示燈亮。

欠壓補(bǔ)償電路如圖5所示，電壓互感器T2初級的兩個(gè)輸入端連接在電機(jī)工作電流上，次級與運(yùn)算放大器UA741的同相端、反相端分別連接，運(yùn)算放大器UA741輸出放大的交流電壓信號端連接整流二極管D10，在整流二極管D10的輸出端連接濾波電解電容C5，然后連接到單片機(jī)PIC12F675的GP4端采樣端口部分，當(dāng)單片機(jī)經(jīng)過采樣、運(yùn)算、判斷之后發(fā)現(xiàn)電機(jī)電壓低，欠壓指示燈亮，同時(shí)控制進(jìn)行電壓補(bǔ)償。電阻R36為釋放電阻，用于放出電容C5中的電能。

電機(jī)控制電路如圖6所示，電機(jī)控制電路由光電耦合器JP1—JP9，晶閘管Q1—Q3，滿載指示燈D12，三極管Q4、Q5、Q6，延時(shí)電容C9、C13、C14，壓敏電阻R8、R23、R24，限流電阻R31、R32、R2以及濾波電容C10、C15、C16等組成。光電耦合器信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定；晶閘管可以進(jìn)行可控整流，當(dāng)負(fù)載跟蹤電路監(jiān)測到電機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)通過控制三極管Q4的通或斷控制晶閘管，就可以改變電機(jī)電流。同樣，故障檢測電路檢測到故障發(fā)生則斷開三極管Q6，晶閘管停止工作，保證電機(jī)安全；欠壓補(bǔ)償電路發(fā)現(xiàn)電路欠壓時(shí)，通過控制三極管Q5的通或斷進(jìn)行調(diào)節(jié)和補(bǔ)償。電機(jī)輕載啟動(dòng)時(shí)，通過電容C9、C13、C14延時(shí)供電，光耦JP1、JP2不工作，晶閘管的導(dǎo)通角較小，電機(jī)降壓啟動(dòng)；滿載啟動(dòng)時(shí)，光耦JP1工作，不進(jìn)行延時(shí)，電機(jī)全壓啟動(dòng)。壓敏電阻R8、R23、R24耐壓值為470V，當(dāng)電壓過高時(shí)自動(dòng)短路，具有抗浪涌的功能，有效保護(hù)晶閘管和電機(jī)。

3.系統(tǒng)軟件流程

本文中系統(tǒng)對傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)控制方式的主要改進(jìn)在于軟啟動(dòng)和與之對應(yīng)的軟停機(jī)，同時(shí)在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)負(fù)載狀況，負(fù)載較小時(shí)降壓運(yùn)行，節(jié)省電能，負(fù)載較大時(shí)恢復(fù)全壓運(yùn)行。當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)，進(jìn)行顯示和系統(tǒng)自檢，若檢測到故障較嚴(yán)重即斷電停機(jī)，保護(hù)電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)由3片單片機(jī)配合工作，其整體軟件流程圖如圖7所示。

4.系統(tǒng)測試

通過在10KW交流異步電動(dòng)機(jī)上的實(shí)際調(diào)試和參數(shù)調(diào)整，此系統(tǒng)軟硬件結(jié)合很好，軟起動(dòng)效果良好，能夠有效跟蹤電機(jī)負(fù)載狀況并及時(shí)調(diào)整電壓，保證電動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下，同時(shí)，系統(tǒng)可以有效判斷缺相、過載、短路等故障，出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)切斷電源，保護(hù)電動(dòng)機(jī)。

5.結(jié)語

本文中設(shè)計(jì)的交流異步電動(dòng)機(jī)節(jié)電器采用六只晶閘管，兩兩反向并聯(lián)，串聯(lián)到電動(dòng)機(jī)的三相電源線路上，通過軟起動(dòng)方式起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，降低對電網(wǎng)的拖動(dòng)和沖擊，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載狀況并調(diào)整電壓，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)省電能，并可以在電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)保護(hù)電動(dòng)機(jī)，延長電動(dòng)機(jī)壽命，對使用交流異步電動(dòng)機(jī)較多的工礦企業(yè)有實(shí)際意義。

圖1 電機(jī)智能節(jié)電器電路框圖

圖2 直流電源電路原理圖

圖3 負(fù)載跟蹤電路原理圖

圖4 故障檢測電路原理圖

圖5 欠壓補(bǔ)償電路原理圖

圖6 電機(jī)控制電路原理圖

圖7 電動(dòng)機(jī)節(jié)電器軟件流程圖

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