三相异步电动机节能保护器设计 排版0.docx

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三相异步电动机节能保护器设计排版0

摘要

目前有相当多的异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行状态，白白

地浪费掉大量的电能，影响着企业的经济效益。

结合我国国情需要的措施是:

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。

本文从理论上详细分析了异步电动机Y/△转换节能的基本原理，并在此基础上提出了一整套单片机控制的Y/△转换节能保护器的设计方案。

关键词：

电动机、节能、保护、试验

1.绪论

1.1异步电机节能的必要性

我国“十五”期间节能计划中关于“电机系统的节能计划”指出:

电动机是量大面广的高耗能设备，我国现有各类电动机总容量约4.2亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时。

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。

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。

另一方面，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。

由上可知，比较符合我国国情需要的措施是:

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。

根据国家标准GB12497-1995《三相异步电动机经济运行》的有关规定，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。

目前有相当多的异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行状态，白白地浪费掉大量的电能，影响着企业的经济效益。

究其原因，电能的浪费大致是由以下几种情况造成的:

（1）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，导致电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低;

（2）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。

可见，研究三相交流异步电动机的节能需从以下两方面入手:

（1）根据负载情况调节电动机的端电压;

（2）限制电动机的起动电流。

1.2常见的几种电动机节能保护器及其优缺点

1.2.1老式的丫/△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、在空载下启动的电动机。

图1-1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Y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。

1.2.2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1-2所示。

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。

1.2.3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。

本文从理论上详细分析了异步电动机Y/△转换节能的基本原

理，并在此基础上提出了一整套单片机控制的Y/△转换节能保护器的设计方案，最后制作出了一台试验样机并进行了性能测试，实验结果表明，样机达到了预期的控制性能和节能效果，验证了方案的可行性。

本文还在实验结果的基础上进行了深入的分析与讨论，为进一步完善本方案提出了改进的方向和办法。

2.三相异步电动机Y/△转换节能原理

2.1三相异步电动机的功率损失分析

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。

电动机的功率损失包括:

铜损失、铁损失、机械损失和杂散损失。

2.1.1铜损失（PCu）

电动机的铜损失包括定子铜损失PCu1和转子铜损失PCu2。

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。

PCu1=3I12R12-1

式中，R1为定子每相电阻;

I1为定子每相电流。

PCu2=SPe2-2

式中，S为转差率;

Pe为电磁功率。

2.1.2铁损失（PFe）

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。

PFe≈kf1…3B22-3

式中，k为常数;

f为电源频率;

B为磁通密度。

由于

B

Ф

E1≈U12-4

式中，Ф为磁通量;

E为定子绕组的感应电动势;

U为定子绕组的相电压。

所以可以认为，铁损与端电压的平方成正比。

由于转子电源频率很低（一般只有1－3Hz）,转子铁芯的损失很小，因此可以认为:

从空载到额定负载的范围内，电动机的铁损失PFe仅是定子铁芯损失。

2.1.3机械损失（Pfw）

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。

一般说来，对于某一确定在用电动机，可认为其机械损失为常量。

2.1.4杂散损失（Ps）

电动机的杂散损失包括铁杂损失和铜杂损失。

铁杂损失发生在定子与转子的齿中，是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。

可近似认为:

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。

可近似认为:

铜杂损失与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。

可见，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可由测功机法、回馈法、反转法测得。

它

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%。

2.1.5总损失（△P）

电动机的定子铜损失PCu1、转子铜损失PCu2、铁损失PFe,和机械损失Pfw和杂散损失Ps组成了电动机的总损失△P。

即:

△P=PCu1十PCu2+PFe十Pfw十Ps2-5

感应电动机的功率图如图2-1所示【8】。

图中，P1为输入功率;

PΩ为机械功率;

P2为输出功率。

2.2△－丫运行的工作特性

电动机由△接转换为Y接后是否节能的核心问题是:

施加到定子每相绕组上的电压U1降为△接时的1/

，使得电动机的铁损PFe、降低为△接时的1/3，同时电动机的定子铜损与转子铜损则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。

因此，对该核心问题的讨论就转化为对电动机的各运行参数随

负载变化情况的讨论，即对工作特性的讨论。

这里所说的工作特性，是指在电网电压U=380V，频率f=50Hz时，电动机在△接和Y接两种状态下定子电流I1、功率因数cosФ,效率η与负载率β的关系。

其中:

Β＝P2/PN2-6

式中，PN为额定功率。

下面分别进行讨论。

2.2.1

I1＝f（β）关系

三相交流异步电动机的定子一相等效电路如下图所示:

图中，X1为定子每相绕组的电抗;

R2’为转子相电阻的折算值;

X2’为转子相电抗的折算值;

Rm为激磁电阻;

Xm为激磁电抗;

I2‘为转子电流的折算值;

Im为激磁电流。

当电动机空载时，转子转速接近于同步转速，转差率s≈0、R2’/S

∞，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:

Im≈Io2-7

I1≈IoI2‘2-8

式中，Io为定子空载电流。

式2-8可表示为图2-3的矢量图。

因此要分析电动机由△接转换为Y接运行时，定子电流I1随负载的变化情况，就需分别讨论定子空载电流Io和转子折算电流I2‘,随负载的变化情况。

下面分别进行讨论:

①空载电流Io

一方面，电动机的电势平衡条件为:

U1=-E1+I1（R1+jX1）2-9

因为R1、X1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1/

。

由:

E1=4.44为fw1kcФm2-10

式中，w1为定子每相绕组串联的匝数;

Kc为绕组系数;

Фm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Фm也将近似的降为△接时的1/

。

一般说来，设计电动机时选取B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1/

还要低一些。

另一方面，由电工学的知识可知:

负载△接时，线电流等于

倍的相电流;负载Y接时，线电流等于相电流。

也就是说，在相电流相等的情况下，Y接时的线电流是△接时的1/

。

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。

②转子折算电流I2‘

由电动机的近似等效电路得:

2-11

由式2-9可见，电动机由△接转换为Y接时，一方面U1的降低会使I2‘减小，另一方面S的增大会使I2‘增大。

最终I2‘是增大还是减小由负载大小而定。

一般说来，负载很轻时，I2‘是降低的;随着负载的增大，S明显增大，I2‘呈上升趋势。

③定子电流I1

图2-4为电动机在Y接时以及△接时的I1＝f（β）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Io起主要作用，同时I2‘尚未增加或增加不大，这就使得Y接时的I1明显低于△接时的I1。

当负载增大到一定程度（大约β≥70%）时，由于电动机依靠增大转差率S来提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态，导致I2‘随着S的增大值超过了空载电流Io的减少值，这就使得Y接时的I1大于△接时的I1。

2.2.2cosФ=f（β）关系

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:

2-12

式中，Ku为电动机的调压系数，Ku=U1/UN（UN和U1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，Ku＝1/

。

K1为电动机的空载电流系数。

K1=Io/IN2-13

式中，Io为电动机的空载电流;

IN电动机的额定电流。

对于特定在用的电动机，其空载电流系数K1为定值。

图2-5为电动机在△接和Y接状态cosФ下与β的关系曲线，对于不同空载电流系数的电动机，该曲线会略有差异。

从上图可以看出，Y接的cosФ要高于△接的cosФ。

2.2.3η=f（β）关系

电动机的效率与其端电压及转差率之间存在如下关系:

2-14

式中，SN为电动机额定工况时的转差率;

S为电动机降压运行时的转差率;

ηN为电动机额定工况时的效率;

η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η与β的关系曲线如图2-6所示。

现分析如下:

当β<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（因为此时负载很轻），由式2-2可知，转子铜损PCu2的增大幅度也很小，所以△

Y切换后总的损耗会降低。

也就是说，此时△

Y切换可实现节能。

当β>40%时，由于电动机转矩与端电压平方成正比，所以△

Y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Io的减少值，定子电流随之增大，从而使定子铜损Cu1和转子铜损Cu2的增大值超过铁损PFe的下降值，致使电动机的效率下降。

2.3△一丫切换的节能原理

电动机Y/△转换的节能方法是针对电动机运行时的“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，采用该方法可以收到明显的节能效果。

一般情况下，当β<40%时，三相异步电动机由△接转换为Y接，定子空载电流Io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cosФ增大;效率η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。

3.三相异步电动机Y/△转换节能保护器的设计

3.1性能要求

根据某用户的实际需要，现提出电动机Y/△转换节能保护器性能要求如下:

①电源输入为三相交流380V/50Hz。

②保护功能:

包括过流保护（反时限动作）、堵转保护、缺相保护、三相电流不平衡保护（不平衡度为50%）.

其中，过流保护动作时间如下表所示:

断相或三相电流不平衡度大于50%时，保护器在3秒内动作。

在电动机运行状态下（不包括启动过程），电流大于额定电流的

5倍时，保护器在1秒内动作。

③在Y状态或△状态下启动。

④在△状态下，单片机连续跟踪采样。

当电动机实际负载电流小于电动机额定电流的30%至80%（可调），且在10秒到100秒（连续可调）的积分平均值始终小于电动机额定电流设定的数值时，智能控制部分按预先编好的程序自动切换到Y状态下。

⑤进入Y状态下，单片机连续跟踪采样。

当电动机实际负载电流大于电动机额定电流的30%至80%（可调），且在10秒到100秒（连续可调）的积分平均值始终大于电动机额定电流设定的数值时，智能控制部分按预先编好的程序自动切换到△状态下。

⑥△

Y转换后，电动机的额定电流降为铭牌上额定电流的

1/

，所以其过流保护的电流整定值也应调整为△接时的1/

。

⑦功率规格:

从理论上讲，保护器的功率规格与电动机功率无关，对于不同功率的电动机，只需更换电流互感器并校准额定电流即可。

（校准额定电流的原理与方法将在4.4.2节中讨论。

）

⑧输出继电器触点容量为250VAC/5A。

3.2控制电路主芯片

根据上述性能要求，选择自带A/D转换器的P87LPC767单片机为本系统的控制电路主芯片。

该芯片由PHILIPS公司生产，其引脚图如图3-1所示。

P87LPC767是20引脚封装的8位单片机，其电源电压为+2.7－6VDC，时钟频率最大可为20MHz，内部集成有128Byte的RAM,4KByte的EPROM,2个16位的定时/计数器，4路8位的单极性A/D转换通道，并自带看门狗与电源监控功能。

这款单片机的A/D转换参考电压就是电源电压，本设计采用

+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于5/256≈0.02V.

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。

3.3电动机节能保护器系统框图

根据系统的性能要求，确定本系统的输入、输出及对应的实现方法如下:

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（由ZJ1输出）;

单片机保护输出（由ZJ2输出）;

硬件保护输出（由直接跳闸回路经ZJ3输出）;

切换、故障信号指示电路（由LED输出）。

（ZJl,ZJ2,ZJ3与主电路的接法及工作过程见3.5节。

）

电动机节能保护器的系统框图如图3-2所示。

由于本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β作为输入。

△接和Y接状态下I1/IN与临界负载率β的关系曲线见图2-3。

3.4电动机节能保护器的硬件电路设计

3.4.1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，从而保证代码量小一于P87LPC767单片机的4kEPROM空间。

图3-3为对交流信号进行线形整流滤波的电路原理图。

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3-4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）。

下面讨论该电路的工作原理。

先考虑没有滤波电容C2、C3的情况。

R4、R5、R6、U2A组成加法电路。

此时:

3-1

将电阻值代入式3-1，得:

3-2

再观察前半部分电路，当Vinput>0时，VU3A1<0，二极管D3截止，D4导通。

此时，V2=-VI。

由式3-2得:

3-3

当Vinput<0时，VU3A1>0，二极管D3导通，D4截止。

此时，V2=0。

3-4

由式3-3、式3-4可知，Voutpot为Vinput的绝对值。

再考虑有滤波电容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Voutpot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。

（有关本系统应该采用交流采样还是直流采样的讨论将在后续章节中进行。

）

下面讨论的是:

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输出电压（即output端输出电压）应该如何取值。

由于在正负5伏电源的供电条件下，由放大器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0.8π/2≈1.26V。

（π/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。

）

图3-4为Vinput的最大值为1.26V时，Voutpot的仿真波形。

从图

上可以看出：

Voutpot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。

图3-5是Voutpot的放大波形。

从图上可以看出:

额定电流下Voutpot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，也就是说，由Voutpot的纹波引起的误差远小于由单片机A/D转换引起的误差。

因此，该线形整流电路满足本系统的要求。

3.4.2硬件保护电路

如电动机发生短路，电流过大时，如过流保护没能及时动作，就可能对电动机造成损坏，甚至烧毁电动机。

因为单片机保护的环节较多，可能导致动作较慢，为解决该问题，本系统采用迟滞比较器电路作为电动机硬件过流保护。

图3-6为硬件保护电路的原理图。

本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3-4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，一路经非门驱动光祸，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。

本电路需实现的功能是:

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3-4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。

其具体实现方法如下:

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3-8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0.1uF。

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，经实验验证，可以使保护器上电时硬件保护维持在未动作状态。

以下是对R51和P2构成分压电路的比较参考电压的计算。

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，本设计将硬件过流保护的动作值设为4.5倍的额定电流值。

硬件过流保护的动作值=4.5×0.8=3.6V

LM339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:

3-5

当硬件保护未动作时，Viz<3.6V,VU4A2=0.5V,VU4A4>VU4A5。

代入式3-5得:

VU4A4>2.05V。

当硬件保护动作后，Viz=0V,VU4A2=4.8V,VU4A4

代入式3-5得: