電動機的軟啟動

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1、 摘 要 異步電機在生產中廣泛應用。在低于額定負載時，電機的運行效率較低；動態(tài)調節(jié)電機端電壓，使其跟隨負載變化以降低能耗，提高電機效率。在理論分析的基礎上，本文針對異步電動機傳統(tǒng)啟動方式的缺陷，提出了智能軟啟動的控制方案，并對控制系統(tǒng)進行了實驗仿真研究。根據異步電動機的不同工作情況，設計了斜坡電壓啟動控制模式和限流啟動控制模式。同時，本論文還提出了不同于其他常見的節(jié)能方法即模糊控制節(jié)能。該節(jié)能控制方法充分利用了當前較先進的模糊控制的優(yōu)點，控制方案設計簡單明了，在軟硬件資源上都比傳統(tǒng)方法有很大的節(jié)省，控制效果也比其他方法有很大改善。該裝置還兼具有各種保護功能實現了數字化多功能的保護。

2、 關鍵詞：異步電動機；軟啟動；模糊控制；單片機 II 山東科技大學學士學位論文 ABSTRACT Asynchronous motor has an extensive application in manufacture. The efficiency is quite low when themotor is running under the rated load. Dynamically adjusting the terminal voltage of the motor according to the changeof

3、the load can greatly reduce the consumption, and thus improve the efficiency. This paper provides design of the softstar energy saving controller of motor,To solve the problem of traditional start defect of an asynchronous motor, this paper presents a new control method of intelligent soft-start. Ex

4、periment certificate，this method overcomes traditional start defect and achieve satisfying result. Meanwhile, to achieve satisfying energy saving effect, fuzzy control method is applied in this system. Fuzzy control has many strong points .Fuzzy control method saves resources of software and hardwar

5、e and energy saving effect is better than others methods. This system also possesses various protective functions. Keywords: asynchronous motor; soft-start; fuzzy control;mcu ……………………………裝……………………………………訂…………………………………線…………………………… 目錄 目錄 1 緒論 1 1.1引言 1 1.2傳統(tǒng)啟動與軟啟動的比較 1 1.3軟啟動技術 4 2 軟啟動 6

6、 2.1軟啟動硬件電路 6 2.1.1軟啟動器在三相交流電機主控制回路中的地位和作用 6 2.1.2軟啟動器結構框圖 7 2.1.3啟動裝置主電路 8 2.1.4晶閘管觸發(fā)電路 10 2.1.5電源電路 11 2.1.6電壓同步信號采樣及處理電路 12 2.1.7電流檢測電路 12 2.1.8單片機控制電路 13 2.2移相觸發(fā)控制算法 14 2.2.1觸發(fā)要求 14 2.2.2斜坡電壓控制模式 15 2.2.3限流啟動控制模式 15 2.3軟件設計 16 2.3.1主程序 16 2.3.2故障檢測模塊 16 2.3.3軟啟動模塊 17 3 節(jié)能運行 19

7、3.1電動機實際運行的現狀及節(jié)能重要性 19 3.2常見的節(jié)能方法 19 3.3模糊節(jié)能控制原理 20 3.4模糊控制的建立 22 3.4.1模糊控制器的語言變量 23 3.4.2語言變量值的選取 23 3.4.3量化因子與比例因子 24 3.4.4隸屬度函數與模糊控制規(guī)則 24 4 數字化多功能保護 29 4.1引言 29 4.2異步電動機故障的判據 29 4.2.1熱過載 29 4.2.2斷相 30 4.2.3電源電壓反相 30 4.2.4短路 30 4.2.5堵轉和啟動時間過長 31 4.2.6接地 31 4.3數據采集 31 4.4保護部分的軟件設計

8、 31 5 結論 34 參考文獻 35 致謝 36 附錄一 37 附錄二 54 56 Made by SQH 山東科技大學學士學位論文 1 緒論 1.1引言 三相異步電動機因其結構簡單，性能穩(wěn)定及無需維護等特點，在各行業(yè)中得到了廣泛的應用。但它是以反電勢為主的負載，即以反電勢來平衡外加電壓。電動機的反電勢隨著轉子轉速的增加而逐漸增大，電動機在啟動開始時反電勢為零，所以啟動電流很大。這樣大的啟動電流不僅加重了進線供電電網以及接在電動機前面的開關電器的負荷，而且對電網及其負載造成干擾，嚴重時甚至危害電網的安全運行；同時，由于啟動應力較大，出現的巨大轉矩又會使電動機發(fā)生

9、猛烈的沖振，并且也給用作動力傳輸輔助設備（如三角皮帶、變速機構）和做功機械設備帶來不可避免的機械沖擊。所以，這種“硬啟動”不僅會縮短傳動單元和做功機械設備的使用壽命，而且過高的啟動電流還會引起供電電網的電壓驟然跌落，致使那些對電壓敏感的用電設備產生負面影響。 1.2傳統(tǒng)啟動與軟啟動的比較 常用的三相異步電動機結構簡單，價格便宜，而且性能良好，運行可靠。對于小容量電動機，只要供電網絡和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機容量大4倍以上），而供電線路并不太長（啟動電流造成的瞬時電壓降落低于10%~15%），可以直接通電啟動，操作也很簡便。對于容量大一些的電動機，問題就不這么簡單了。 在式（1

10、.1）和式（1.2）中已導出異步電動機的電流和轉矩方程式，啟動時，s =1，因此啟動電流式（1.3）和啟動轉矩式 (1.4)分別為 （1.1） （1.2） （1.3） （1.4） 由上述二式不難看出，在一般情況下，三相異步電動機的啟動電流比較大，而啟動轉矩并不大。對于一般的籠型電動機，啟動電流和啟動轉矩對其額定值的倍數大約為 啟動電流倍數 啟動轉矩倍數 中、大容量電動機的啟動電流大，會使電網壓降過大，影響其他用電設備的正常運行，甚至使該電動機本身根本啟動不起來。這時，必須采取措施來降低其啟動電流，常用的辦法是降壓啟動。 由式（1-3）

11、可知，當電壓降低時，啟動電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開啟動電流沖擊的高峰。 但是，式（1-4）又表明，啟動轉矩與電壓的平方成正比，啟動轉矩的減小將比啟動電流的降低更快，降壓啟動時又會出現啟動轉矩夠不夠的問題。為了避免這個麻煩，降壓啟動只適用于中、大容量電動機空載（或輕載）啟動的場合。 傳統(tǒng)的降壓啟動方法有： 星-三角（Y-Δ）啟動 定子串電阻或電抗啟動 自耦變壓器（又稱啟動補償器）降壓啟動 它們都是一級降壓啟動，啟動過程中電流有兩次沖擊，其幅值都比直接啟動電流低，而啟動過程時間略長，如圖1.1所示。 直接啟動 軟啟動器 一級降壓啟動

12、 圖1.1異步電動機的起動過程與電流沖擊 現代帶電流閉環(huán)的電子控制軟啟動器可以限制啟動電流并保持恒值，直到轉速升高后電流自動衰減下來（圖1.1中曲線c），啟動時間也短于一級降壓啟動。主電路采用晶閘管交流調壓器，用連續(xù)地改變其輸出電壓來保證恒流啟動，穩(wěn)定運行時可用接觸器給晶閘管旁路，以免晶閘管不必要地長期工作。 視啟動時所帶負載的大小，啟動電流可在 (0.5~4) IsN 之間調整，以獲得最佳的啟動效果，但無論如何調整都不宜于滿載啟動。負載略重或靜摩擦轉矩較大時，可在啟動時突加短時的脈沖電流，以縮短啟動時間。 軟啟動的功能同樣也可以用于制動，用以實現軟停車[2] 1

13、.3軟啟動技術 近年來，隨著電力電子技術、半導體技術及計算機技術的發(fā)展，采用晶閘管為主電路元件，單片機為控制核心的智能化軟啟動器成為可能[1]。軟啟動是指通過交流電機的降壓啟動，限制電機的啟動電流，從而達到在啟動過程中減少電壓降、避免開關跳閘、限制機械沖擊的目的。三相交流異步電動機的啟動轉矩Ma直接與所加電壓U的二次平方有關，換句話說，只要降低電動機接線端子上的電壓就會影響這些值。以晶閘管為主電路的軟啟動技術其啟動方式可選擇恒流或斜坡啟動；力矩勻速、平滑上升、無二次沖擊力矩；沖擊電流為1次；轉換方式為閉路轉換：啟動級數為連續(xù)無級；有過流、堵轉過流、欠流缺相、電機過熱和漏電保護；負載范圍2.

14、2 - 800kw、可帶不超過50%Te的負載啟動；啟動時間2-200s可調。所以用軟啟動來控制電動機的啟動，不但能實現在啟動過程中無沖擊地平滑啟動，而且可根據電動機負載特性來調整啟動過程中的各種參數。同時可實現節(jié)能運行和各種保護功能。 在電動機啟動時應用軟啟動技術，通過對晶閘管的相位控制，使電動機接線端子上的電壓從預先可靈活整定的啟動值上升到電網電壓，從而使電流以及初始轉矩能最佳地與傳動裝置實際需要相適應。 總上，軟啟動器具有礦用真空磁力啟動器和交流電壓軟啟動的功能，是一種機電一體化及微電子技術的高科技智能產品。其模塊化的安裝結構，特別適應使用和維修。該軟啟動器適用于交流660V、114

15、0V電壓的異步電動機重負荷軟啟動，以及各種情況下的磁力啟動。軟啟動時具有啟動電流小、啟動速度平穩(wěn)可靠、對電網沖擊小等優(yōu)點，且啟動曲線可根據現場實際工況調整，從而減少了啟動時的皮帶機、刮板機沖擊力，降低了對皮帶機、刮板機的損害，延長了皮帶機、刮板機的使用壽命。 2 軟啟動 2.1軟啟動硬件電路 電子軟啟動器采用單片機進行智能化控制，不但克服了傳統(tǒng)降壓啟動的弊端，而且從根本上解決了電動機啟動時帶來的問題。該軟啟動器是一種集控制、自診斷和保護于一體的小型化，多功能控制器。通過改變控制參數，就能改變電動機的啟動特性，保證

16、負載在要求的啟動特性下平滑啟動，并降低啟動時對電網的沖擊，充分體現了電子軟啟動靈活、方便、適應性強的特點[3]。 軟啟動器的晶閘管調壓電路由6個晶閘管兩兩反向并聯組成，串接于交流異步電機的三相供電線路之上。加入啟動信號后，系統(tǒng)軟件首先施加若干毫秒的固定延時用于系統(tǒng)自檢，然后進行有關計算，輸出晶閘管觸發(fā)信號，通過控制晶閘管導通角α，使啟動器按所設計的模式調節(jié)輸出電壓、控制電動機的啟動過程。啟動過程完成后，單片機再發(fā)出控制信號，啟動器將用于短接可控硅的旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管，使單片機控制系統(tǒng)停止工作，電機直接投入電網運行，避免不必要的電能損耗。 2.1.1軟啟動器在三相交流電機主控

17、制回路中的地位和作用 軟啟動器在三相交流電機主控制電路中的地位和作用如圖2. 1 PE KM2 M KM1 A B C 1/L1 3/L2 5/L3 2/T1 4/T2 6/T3 QF 軟起動器 PE 圖2.1 軟啟動器在三相交流電機主控制電路中的地位和作用 在需要用軟啟動器來啟動電動機時，把軟啟動器按上圖所示的接法按入。在啟動過程中，旁路接觸器KM2斷開，K M1閉合，軟啟動器接入，由控制信號控制軟啟動器運行，從而實現電機的軟啟動。經過一段時間的運行后，電動機達到正常狀態(tài)，啟動

18、結束。軟啟動器自動切除，旁路接觸器K M2接通，從而實現電機的安全啟動運行。 2.1.2軟啟動器結構框圖 圖2.2 軟啟動器結構框圖 主電路 脈沖產生及觸發(fā)電路 控制電源 單片機控制電路 旁路接觸器 L1 L2 L3 同步信號 Uk 起動信號 狀態(tài)信號 T1 T2 T3 該軟啟動器系統(tǒng)硬件由主電路、脈沖產生及隔離電路和單片機控制電路三部分組成。 2.1.3啟動裝置主電路 L1 T1 L2 T2 L3 T3 圖2.3 軟

19、啟動主電路 該主電路采用大功率晶閘管，連接形式為反并聯，由晶閘管觸發(fā)裝置輸出兩個互相差180的觸發(fā)脈沖。主電路工作過程:斷開開關K M2后，控制電路的SB1按下，由單片機控制使KM 1閉合接通啟動電路。啟動過程中，由預先在單片機中設置的晶閘管的初始導通角和初始電壓開始，由單片機控制，使電動機的端電壓由預先設置的初始電壓以一種線性函數的關系逐漸上升(其數學模型將在后面介紹)，而這一過程則由單片機控制晶閘管的導通角來實現。當電動機的端電壓達到要求后，由單片機控制使KM2閉合KM 1斷開。電動機進入正常運行狀態(tài)。該主電路元件過壓保護由阻容元件實現。

20、 2.1.4晶閘管觸發(fā)電路 KZ2 KZ1 KZ4 KZ6 KZ3 KZ5 I KJ004 8 15 16 9 KJ004 KJ004 I I 8 8 16 16 15 15 9 9 + - 同步信號 同步信號 同步信號 由D/A轉換 R 圖2.4 晶壓管觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路采用集成芯片KJ004，因三相電動機主電路中有六只晶閘管，每一片KJ004可輸出兩個互相差180°的觸發(fā)脈沖，故采用三片KJ004組成智能型電動機啟動裝置觸發(fā)電路。KJ004可控硅移相

21、觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移項脈沖，可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器線路。該電路具有輸出負載能力大，移項性好，正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調制輸出端等功能與特點。 該電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏移電壓、移電壓綜合比較放大電路和功相率放大電路四部分組成。該觸發(fā)器1端為正向脈沖輸出端，15為負向脈沖輸出端，8為同步信號接收端，9為控制信號接收端，單片機輸出的控制信號經D/A轉換后再經運算放大器作為控制信號輸入到9號端口[1] 下圖為8、 9、1、15各點的電壓波形 P

22、8 P9 P1 P15 圖2.5 KJ004各點電壓波形 +5V 7805 + - 圖2.6 電源電路 2.1.5電源電路 該電源電路由控制變壓器的電壓經濾波、整流、穩(wěn)壓后變成標準工作電源供給整個控制系統(tǒng)[4]。電源電路如圖2.6所示。 2.1.6電壓同步信號采樣及處理電路 +15V R3 7407 R4 5V R1 R2 圖2.7 電壓同步信號采樣及處理電路 該電路中由來自同步變壓器的電壓信號經電壓比較器、光電隔離及功率

23、驅動后送入8051的外部中斷(INT0)以保證8051控制晶閘管觸發(fā)脈沖相位時使其能與主回路電壓相位精確可調。同時，由同步變壓器來的電壓信號不經過上述變換送到KJ004的8號端口即同步信號接受端[5]。 2.1.7電流檢測電路 R1 D1 C1 D2 R2 + - 圖2.8 電流檢測電路 電流檢測電路由電流互感器測出電動機的實時工作電流經整流、濾波、放大、A/D轉換及光電隔離后送入單片機。它能準確地反映主電路中的電流，又能使控制電路與主電路隔開，既安全又減少了干擾。 電流互感器、電阻R組成電動機電流檢測電路；二極管D1、電容C1,電阻R2

24、組成辦波整流濾波電路，將R1上的交流信號電平轉換為直流信號電平。穩(wěn)壓Dz限制輸出電平幅度不超過3V。 2.1.8單片機控制電路 單片機又稱單片微處理器，其基本結構是將微型計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器、輸入接口、輸出接口、定時器/計時器、中斷系統(tǒng)等全部集成在同一個半導體芯片上。目前，單片機正朝著高性能和多品種發(fā)展，但是由于MCS-51系列8位單片機仍然能滿足絕大多數應用領域的需要，可以肯定，以MCS-51系列為主的8位單片機，現在及將來的相當一段時期仍然將占據單片機應用的主導地位。 8051單片機內部是有CPU、4KB的ROM、256B的RAM、4個8位的I/O并行端口、一個串

25、行接口、兩個16位定時/計數器等組成并采用40腳雙列直插式封裝工藝。 8051單片機芯片定時器/計數器：8051單片機有2個16位的定時/計數器：定時器0（T0）和定時器1（T1）。它們都有定時器或事件計數的功能，可用于定時控制、延時、對外部事件計數和檢測等場合。 T0由2個特殊功能寄存器TH0和TL0構成，T1則由TH1和TL1構成。作計數器時，通過引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）對外部脈沖信號計數，當輸入脈沖信號從1到0的負跳變時，計數器就自動加1。計數的最高頻率一般為振蕩頻率的1/24。 根據需要8051單片機芯片的串行口工作方式可設置為4種工作方式。 SM0 SM1

26、 方式 功能說明 波特率 0 0 方式0 移位寄存器方式 fosc/12 0 1 方式1 10位異步收發(fā) 可變 1 0 方式2 11位異步收發(fā) fosc/64（32） 1 1 方式3 11位異步收發(fā) 可變 串行工作方式0，為同步移位寄存器輸入/輸出方式，常用于擴展并行I/O口。串行工作方式1，它是波特率可變的10位異步通信方式，有TXD端發(fā)送數據，RXD端接收數據，以幀的格式傳送數據。串行工作方式2和串行工作方式3都是11位異步通信，操作方式完全一樣，只是波特率不同，適用于多機通信。

27、 如圖2.9，單片機呈檢測輸入信號的狀態(tài)。單片機的輸入信號為軟啟動的輸出電壓和輸出電流采樣值，將電壓采樣值作為狀態(tài)信號，狀態(tài)信號用來指示電機是否達到達速電壓UR，若達到達速電壓UR， 8051發(fā)出信號通過驅動器使運行繼電器得電，斷開軟控制電源，旁路接觸器得電，軟啟動結束。由于電機的達速電壓不可能做到完全一致，所以采用電流檢測的方式來判斷是否達到達速電壓。電流采樣值超過某個范圍，將視作故障信號。單片機接受到故障信號繼電器動作，斷開控制電源，同時旁路接觸器也不得電，停車。[4] A/D 8051 驅動 驅動 運行繼電器 運行繼電器 狀態(tài)信號 圖2.9 單片機控制電路

28、 2.2移相觸發(fā)控制算法 啟動過程中，通過控制晶閘管的導通角，調節(jié)電動機的端電壓，以限制啟動電流，減小對電機的沖擊。下面就論文中的斜坡電壓啟動控制模式和限流啟動模式，給出這兩種算法的數學模型及關鍵參數[6]。 2.2.1觸發(fā)要求 對晶閘管門極觸發(fā)的要求一般應滿足[7]：①觸發(fā)脈沖應有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓、電流應大于晶閘管要求的數值，并留有一定的余量；②觸發(fā)脈沖的相位應在規(guī)定的范圍內移動；③觸發(fā)脈沖與晶閘管主電路電源同步，同頻，且具有固定的相位關系，使每一周期能在同樣的相位上觸發(fā)；④觸發(fā)的波形一定要滿足要求，對感性負載，一般大于50Hz的180°。 各相電壓由負變正的過零

29、點就是三相三線交流調壓電路的門極起始控制點(即a =0的點)。觸發(fā)相位自UT1-UT6依次滯后60°。當改變α時，電路有三類不同的工作狀態(tài)(為防止電動機進入第三類工作狀態(tài))，理論上的移相范圍應為0—90°?？紤]觸發(fā)波形的要求，移相范圍應滿足20°≤α≤70°?！　? 2.2.2斜坡電壓控制模式 電壓斜坡啟動用于重載啟動。輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓啟動變有級為無級。電壓斜坡啟動缺點是啟動轉矩小，轉矩特性呈拋物線型上升，對啟動不利，且啟動時間長，對電機也不利。改進的方法是采用雙斜坡啟動：輸出電壓先迅速升至U1（電動機啟動所需最小轉矩所對應的電壓值），然后按設定的速率逐漸升壓，直至

30、額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據負載特性調整。這種啟動方式的特點是啟動電流相對較大，但啟動時間相對較短。 2.2.3限流啟動控制模式 限流軟啟動主要用于輕載啟動。在啟動過程中限制啟動電流不超過某一設定值(Im)，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預先設定的電流限值Im，然后在保持輸出電流I

31、動轉矩，啟動時間相對較長。 2.3軟件設計 該系統(tǒng)軟件設計采用模塊化程序設計，其特點是思路清晰，通用性強，易于查找故障。整個系統(tǒng)軟件主要由主程序、故障檢測模塊、軟啟動模塊、節(jié)能運行部分組成[7]。 2.3.1主程序 主程序流程圖如圖2.1 0所示。主要完成8051內部定時器、中斷系統(tǒng)、堆棧指針、寄存器區(qū)、RAM, I/0口、A/D, D/A等單元的初始化。 開始 系統(tǒng)初始化 自檢 調故障檢測模塊 調軟起動模塊 吸合繼電器 調工作參數檢測模塊 調工作故障檢測模塊 起動嗎？ N Y 圖2.10 主程序流程圖

32、 2.3.2故障檢測模塊 該模塊主要完成啟動前后的異常故障檢測，如斷相、短路、然過載、堵轉或啟動時間過長等故障，并作出反應(如跳閘)其流程圖將在第四章介紹[8]。 2.3.3軟啟動模塊 采用限流或斜坡電壓控制原則，根據互感器來的電流信號和電壓同步信號，經單片機計算后，按照當前晶閘管觸發(fā)角的大小，并嚴格按照順序送出，實現電機的軟啟動。其流程圖如圖2.11 入口 αn←αo 電流采樣 數字濾波 計算△α αn←αn+△α 出口 α=o? Y N 圖2.11 軟起動模塊程序流程圖 采用斜坡電壓啟動時，在可調的

33、時間內(t1為斜坡時間)通過微控制器將電動機接線端子電壓線性地從初始電壓(Us為啟動電壓)提高到全部電網電壓[9]。如果電動機在斜坡時間之前就己經達到它的額定轉速斜坡就自動中斷，電動機接線端子上就有全部電網電壓。 通過限流控制模式實現軟啟動，在啟動過程中將啟動電流限制在預先設定的限流值IM上，IM可根據用戶電網容量及電動機負載情況而定。該值的設定范圍在電動機額定電流Ie的0.4—4倍之間選擇，這種限流可通過在限定時間(t2)內將啟動電壓限定在Ub上來實現。[2] 3 節(jié)能運行 3.1電動機實際運行的現狀及節(jié)能重要性

34、 三相異步電動機作為一種很重要的動力設備，約占電動機總數的70%，其用電量占發(fā)電量的50%以上。三相異步電動機一般按最大負荷下能正常工作為條件來選取的。但在實際運行中，一般都處于變負載甚至輕負載或空載的狀況中，這樣就出現“大馬拉小車”的現象。電動機的功率小、效率很低，電能的浪費嚴重。因而研究電動機的節(jié)能運行技術時非常迫切和必要的。更重要的是，我國是能源消耗大國，而人均占有的能源量相對較少，能源供應缺口較大。而且，過度的能源開發(fā)，勢必引起環(huán)境惡化等一系列危及人類自身健康及可持續(xù)發(fā)展的許多嚴重問題。因此，在合理開發(fā)能源的問題時，必須研究如何合理地利用能源的問題即節(jié)能問題[11]。 3.2常見的節(jié)

35、能方法 異步電動機的節(jié)能研究，無非是從2個方面入手：制造工藝和運行控制。制造工藝包括合理選擇制造電機的材料，利用計算機輔助設計等高科技手段制造高效節(jié)能電機。在電機制造業(yè)日趨發(fā)達的今天，這方面的研究己比較成熟。因此，節(jié)能研究的重點就放在控制電機高效運行這一環(huán)節(jié)上[8]。 異步電動機節(jié)能運行的方法，常見的有最佳功率因數法、最小功率輸入法及變頻調速中的轉矩補償法等。最佳功率因數法是通過檢測電動機的功率來確定電動機是運行在輕載還是重載的工況下，從而確定電動機的運行電壓。但是由于電動機的功率因數因電動機的型號、制造工藝等方面的差異而存在一定離散性，使這種方法很難確定一個通用性的準則;而且理論和實踐均

36、證明，過高的功率因數并不節(jié)能。 最小功率輸入法，是通過定時采樣電機的輸入功率，同時降低電機的輸入電壓來搜電機的最小功率運行點。通常意義上的最小功率輸入法，一般采用程序控制，逐次逼近的方法。然而，降低的步距卻隨電機運行工況的不同而異。輕載條件下，步距過小，會增加搜索時間:重載情況下，步距過大，又會引起電機轉矩振蕩甚至堵轉。而且，電動機的參數變化時，固有的程序很難繼續(xù)有效，這樣，理論上成立的這種方法在實際應用中大打折扣。 變頻調速應用于電機控制，具有良好的節(jié)能效果。它主要是根據不同的工況通過選擇不同的轉矩補償線來達到節(jié)能運行的目的。但是，用戶選擇轉矩補償線時，需要一定的經驗，因此，實際應用中變

37、頻調速系統(tǒng)設計的節(jié)能效果很難達到。若運用最優(yōu)化控制方法，事先計算出電機效率最優(yōu)運行的v/f的數值，即最佳電壓頻率比。穩(wěn)態(tài)及電機參數變化不大時此法是較好的。但是，如果電機參數發(fā)生較大變化，那么理論上計算結果與實際數值差距較大，己失去原有的節(jié)能效果。 從上面的分析可以看出，無論哪種方法，都存在不可避免的局限性，而其中的根本原因則在于這些方法對電機參數本身的依賴性太大，以至于對具有時變非線性等特征的異步電動機不完全適用。區(qū)此如何尋找對電機參數不敏感，隨電機參數的改變而自適應地改變控制策略是解決節(jié)能問題的關鍵。 3.3模糊節(jié)能控制原理 模糊數學是數學領域的一個新發(fā)展，也是一個新補充。因為實際生活

38、中有許多現象在人們頭腦中的反應是模糊的，都是不能用以往的準確嚴密的分析方法處理，還有一些復雜的系統(tǒng)，如大規(guī)模處理信息處理系統(tǒng)，大規(guī)模電力系統(tǒng)，模式識別系統(tǒng)，神經網絡等，也是由于其復雜性難以用傳統(tǒng)的數學方法進行分析。尤其是電力系統(tǒng)中有許多現象是不精確的、模糊的，而人們處理模糊信息的能力是很強的，在模糊環(huán)境中鍛煉和積累的經驗及作出的判斷往往能超出公式化了的定性的計算模型： 電機是將電能轉換為機械能的裝置，電機中的損耗主要包括鐵耗、銅耗、摩擦損耗、雜散損耗等。其中的鐵耗及銅耗占主要部分，所考慮的節(jié)能運行也主要是降低這兩部分的損耗，其中銅損主要疾定于電機電流，而鐵損則與電機的頻率及磁通有關。 一般

39、來講，電機調速時希望磁通保持恒定不變。樁通太弱，電機的鐵心得不到充分利用，電機的帶負載能力下降;反之，過強的磁通又會使電機鐵心極易飽和，處于過勵磁狀態(tài)，勵磁電流過大，從而增大電機損耗，嚴重時還會損壞電機。由電機理論可知，三相異步電機每相的電動勢為 （3-1） 由此可見，要使電機調速過程中的主磁通保持不變，只要保證反電勢和頻率的比值為恒定就可以了。但實際上，反電勢的值難以直接測量，通常在頻率較高時，將定子漏阻抗壓降忽略，用定子電壓來代替反電勢。但在頻率較低時，定子漏阻抗壓降較大，已不可忽略。因此，一般的方法是采用適當提高定子電壓的方法予以補償因漏阻抗壓降產生的影

40、響。 但是實際運行中，在不同的負載下保持磁通恒定，不一定就是最高。當電機額定負載運行時，通常額定磁通下電機就可獲得較高的運行效率。但在輕載時，由于所需的輸出轉矩較低，若仍保持額定磁通運行，電機的效率降低[9]。 眾所周知，在輕載下，適當降低電動機定子電壓，定子電流將隨之減少，且電動機的輸出功率仍可保持不變。在固定負載下，一定程度后，的穩(wěn)定運行，定子電流不但不會降低，反而會逐步增大，定子電壓降低到為了保證電動機這種情況一般是不允許的。因此，隨電動機定子電壓的變化，逐步跟蹤其定子電流的變化軌跡，定子電流由緩慢降低到突然增大一瞬間對應的電壓正是要尋找的最佳電壓值[11]。在這里，通過將電流與電壓

41、的關系轉換為輸入功率與定子電壓之間的關系，在確定的負載下，當電機的轉速不變時，由于輸出機械功率不變，減小電機的輸入功率就可減小電機的內部損耗，讓電機以最優(yōu)化效率運行。研究證明，穩(wěn)態(tài)條件下，電機的輸入功率與電機定子電壓成馬鞍型曲線。因此，在保證電機轉速不變的情況下，降低電機兩端的電壓，就一定能尋找到電機運行的最小輸入功率運行點。由于電機的轉速基本不變，因此輸出的機械功率基本不變(轉矩恒定)，則電機內部的損耗最小，此時電機以最優(yōu)化效率運行。總之，模糊節(jié)能控制器的根本目的在于：在保證負載需求的情況下，盡可能地降低系統(tǒng)輸入。 將輸入功率與輸入電壓、轉速與電源頻率之間的關系引入模糊控制的思想就建立起不

42、依賴于電機參數的智能型控制策略。 3.4模糊控制的建立 一個基本的模糊控制器的結構圖如圖3. 1所示 該模糊控制器由模糊化模塊、模糊推理模塊及解模糊化模塊組成。模糊推理模塊用以將輸入的清晰量模糊化，即把語言變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集；模糊推理根據事先定好的模糊規(guī)則，得到所需的模糊控制量；解模糊模塊是將模糊控制量清晰化，以得到確定的控制量。 U 模糊規(guī)則庫 模糊化 清晰化 模糊推理 X 圖3.1 基本模糊控制器結構圖 3.4.1模糊控制器的語言變量 模糊控制器的語言變量是指其輸入輸出變量，它們是以自然形式，而不是以數值

43、形式給出的變量。 該系統(tǒng)中，當電動機穩(wěn)態(tài)運行時，計算其輸入有功功率，同時以某步距降低電壓，再計算輸入有功功率，以兩次輸入功率的差值為依據，判斷下次電壓降低的等級，直至在保持速度基本不變的條件下，使電機的輸入功率最小。所以，本系統(tǒng)中模糊控制的輸入量為電機輸入功率的差值△P，輸出為電壓的降低量△U。 3.4.2語言變量值的選取 根據人們的習慣，常將相比的同類事物分為“大”、“中”、“小”，或“高”、“低”，或“快”、“中”、“慢”3個等級，故操作者對誤差及其變化率以及控制量的變化，也常采用“大”、“中”、“小”3個等級的模糊概念?？紤]列正負性，一般在設計模糊控制器時，人們對于誤差、誤差變化率

44、和控制量的變化等語言變量，常用“正大”(PB),“正中”(PM),“正小”(PS),“零”(Z0 ),“負小”(NS),“負中”(NM),“負大”(NB)這7個語言變量來描述。 顯然，若為語言變量選取更多的值，如選用比這7個語言變量值更多的語言變量值，雖然制定控制規(guī)則時比較靈活，控制規(guī)則本身也比較細致，但相應地也使控制規(guī)則變得復雜，制定起來也比較困難。因此，在選取語言變量值時，既要考慮到控制規(guī)則的靈活與細致性，又要兼顧其簡單與易行的要求。 根據以上分析本系統(tǒng)中△P的模糊語言變量選取為： {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}； 并記為： {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，

45、PB} 將其大小量化為9個等級 △P=（-4，一3，-2，一1，0，1，2，3，4} △U的語言變量選取為： {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}； 并記為： {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} 將其大小也量化為9個等級 △U={-4，-3，-2，-1 .0，1，2，3，4} 3.4.3量化因子與比例因子 在某負載條件下，電動機轉速基本不變時，電機額定電壓下的輸入功率可近似為 （3-2） 其中a, b的值由仿真近似得到。將Pb作為量化因子。 當負載率較大時，電壓下降幅度較小，而當負載較小時，電壓下降幅度較大，以

46、保證負載大時減小可能出現的轉矩振蕩[13]。負載較小時快速搜索到最小功率運行點。為此，通過仿真實驗，得到以下△U的清晰化比例因子 （3-3） 其中，c. d的值由仿真近似得到。 這樣的好處是對同一模糊規(guī)則，只要適當修改a，b，c，d的值，就可應用于其他電機。 3.4.4隸屬度函數與模糊控制規(guī)則 根據以上分析可得△P， △ U的隸屬函數分別如表3-1、3-2所示 表3-1 △P的隸屬度函數 語言變量 量化等級 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 PB 0 0 0 0 0 0 0.5 0.

47、8 1 PM 0 0 0 0 0 0.2 0.6 1 0 PS 0 0 0 0 0.2 0.5 1 0 0 ZO 0 0 0 0.2 1 0.2 0 0 0 NS 0 0 1 0.5 0.2 0 0 0 0 NM 0 1 0.6 0.2 0 0 0 0 0 NB 1 0.8 0.5 0 0 0 0 0 0 表3-2 △U的隸屬度函數 語言變量 量化等級 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 PB 0 0 0 0 0 0

48、 0.5 0.8 1 PM 0 0 0 0 0.2 0.3 0.6 1 0 PS 0 0 0 0.1 1 0.5 1 0 0 ZO 0 0 1 0.5 0.2 1 0 0 0 NS 0 1 0.6 0.3 0 0 0 0 0 NM 1 0.8 0.5 0 0 0 0 0 0 模糊控制語言規(guī)則為： (1)if △P=PB and△P>0 then △U=NB (2) if △P=PM and△P>0 then △U=NM (3)if △P=PS and△P>0 then △U=NS

49、 (4) if △P=ZO then △U=ZO (5)if △P=NS and△P<0 then △U=PS (6) if △P=NM and△P<0 then △U=PM (7) if △P=NB and△P<0 then △U=PB 模糊關系的求取。模糊控制規(guī)則實質上是一組多重條件語句，由模糊集合理論可知，這種因果關系可以表示為從輸入論域到控制論域的一個模糊關系矩陣R 根據Mamdani模糊推理方法有 同理可得、、、、、 ，根據以上R的等式，把所有得到的關系矩陣相加即可得R。 模糊控制器的控制量取決于控制量，而控制量由下式得到

50、 （3-4） 由上式可見，U實際上等于誤差向量和模糊關系的合成。而在本論文中U就為△U，e為△P。 所以當取△P為PB時，則有： 同理，當取△P為PM時，則有： 當取△為PS時，則有： 當取△P為ZO時，則有： 當取△P為NS時，則有： 當取△P為 NM時，則有： 當取△P為NB時，則有： 由以上過程求得的控制量△U為一模糊向量，例如，當△P為PB時，有 它可以改寫為 按照“隸屬度最大原則”的表決方法，應選擇控制量△U= 4

51、。 即當輸入功率的變化為正時，電壓降低，模糊控制執(zhí)行正向搜索；當輸入功率變化為負時，電壓抬高，模糊控制器執(zhí)行反向搜索。為減小搜索過程的振蕩，當輸入功率變化較小時，電壓的減小幅度較小一些，以保證收斂到最小功率運行點。上述模糊化、模糊推理以及去模糊化的運算工作量很大，特別是模糊推理，要進行許多繁瑣的矩陣運算，在線實時計算會影響系統(tǒng)的實時性能甚至不能完成。為此，在實際工程設計中，往往將這些大量的計算工作離線完成，得到模糊控制器輸入量的量化等級與輸出控制量的量化等級之間的確定關系。這種關系稱為模糊控制表。將離線求出的控制表存儲在計算機中，計算機實時控制時只要將連續(xù)變化的輸入進行量化，得到其等級，然后

52、從計算機的存儲器中直接查控制表，獲得相應得輸出控制量等級。根據以上類似的表決方法可以依次類推得到模糊控制的響應表，簡稱控制表。經模糊推理，得到模糊控制的控制表(表3-3)。其流程圖如圖3.2所示。這樣，模糊控制就退化為根據模糊輸入對該表的查詢。在軟件設計時將該表事先置入內存中供實時查表使用。在實際控制盯，模糊控制器首先把輸入量量化到輸入量的語一言變量論域中，再根據量化約結果去查表求出控制量，可大大提高模糊控制的實時效果、節(jié)省內存空間。 |△P（k）|≤Pm 查控制表，得控制輸出△u(k) 離散化： 控制輸出U(k) 結束 開始 設置輸入輸出論域和初值 取采樣值P(k)、P

53、(k-1) 計算△P(k)= P(k) -P(k-1) 轉換到基本論域 N N Y 圖3.2 查表法模糊控制流程圖 4 數字化多功能保護 4.1引言 異步電動機以其結構簡單、成本低廉、運行維護方便等特點而廣泛應用于各行各業(yè)。但是，電動機因過載、缺相、接地等故障燒毀繞組的事故時有發(fā)生。隨著科學技術的發(fā)展，現代電動機采用了高性能電磁材料和絕緣材料，在增效節(jié)能、降低成本的同時，體積重量不斷減小，電動機熱容量減小，從而使得電動機繞組的電流密度顯著增加，電機過載時溫升速度比老

54、式電機快2-2.5倍。同時，由于控制系統(tǒng)的復雜化和多樣化，要求電動機經常運行在頻繁起制動、正反轉、間歇負載以及變負載等工況下，電動機的發(fā)熱情況及其所受到的電動力和熱力的沖擊相當懸殊，而電動機的使用壽命與它所受到的啟動頻率和持續(xù)時間密切相關。因此本論文在分析傳統(tǒng)可靠的電機保護的基礎上，提出了一種數字化多功能保護裝置，針對交流電動機單片機微機的保護，建立數學模型，通過軟件程序和硬件電路，實現電動機過載、斷相、反相、短路、堵轉及啟動時間過長等故障的保護[10]。 4.2異步電動機故障的判據 異步電動機各種故障及異常運行狀態(tài)通常反映為定子三相電流的變化，根據電動機在不同的運行狀態(tài)下其過流、正序電流

55、、負序電流和零序電流的不同分布組合與各種故障類型之間的對應關系，對檢測所得的電流加以分析判斷，實現對電動機過載、反相、短路、堵轉及啟動時間過長等故障的保護 4.2.1熱過載 過載保護屬于熱保護，它與發(fā)熱的溫升有關，但電動機的溫升不僅取決于繞組電流，除銅耗外，還與鐵耗、機械損耗等有關;另一方面還存在散熱過程。此外，由于實際供電系統(tǒng)中存在大功率整流負載、單相負載等造成的電網電壓變形和電壓不平衡以及電動機繞組不完全對稱等原因，電流中含有一定的負序分量。對于籠型感應電動機，轉子對負序電流和正序電流所表現出的電阻之比為：KR=1.20-6，轉子發(fā)熱損耗與其電阻成正比。所以數值相同的負序電流產生的損耗

56、接近于正序電流的KR倍。對于定子繞組，由于正序電阻與負序電阻相同，故數值相同的正序電流和負序電流產生的定子發(fā)熱損耗相同。所以在建立電動機過載保護模型時必須對負序電流予以足夠的重視。 采用一個周期內采樣三相電流12點的全波傅立葉算法，即每隔Ts= 1.667ms采集一個點，當采完12個點后，計算出一個周期內12個采樣點的正、負、零序電流值，允許過載時間己到，斷開電源進行跳閘保護。而當檢測到實際電流大于額定電流的1. 5倍時，就發(fā)出預警信號，表示電動機己處于過載狀態(tài)。 4.2.2斷相 斷相是造成三相感應電動機燒毀的一個主要原因。 在用單片機進行運算處

57、理時，可按以下方法進行：任何非對稱三相電流都可以分解為正、負序和零序三組分量，由于正、負序分量是三相對稱的，所以分析及單片機處理均對電流的正負序方分量中的一相進行。 4.2.3電源電壓反相 許多場合是不允許出現逆向相序的，偶爾出現的逆向相序將導致事故發(fā)生。 4.2.4短路 三相短路可由過電流的強度得到反映，根據一個正弦波內各點采樣計算出有效值Ieq，如果Ieq≥8Ie，則立即跳閘。 4.2.5堵轉和啟動時間過長 電動機在開始啟動后，經過t1=20 s后，如果有效值Ieq≥2Ie，則經過t2=1.5s后跳閘，實現啟動時間過長保護。如果經t1=20s后，Ieq<2Ie則表示電動機已投入

58、正常負荷運行。啟動后若Ieq≥4Ie，則經過t3=0. 5s后跳閘，實現堵轉保護。 4.2.6接地 一般電動機供電網絡為不接地或小電流接地系統(tǒng)。當電動機發(fā)生接地故障時，其接地故障點零序電流為電容電流，且幅值很小，為提高靈敏度，可按零序互感器測量的零序電流再乘上可靠系數進行整定[13]。 4.3數據采集 本安全保護裝置考慮到要測量主電路的三相電流，故把該電量經電流傳感器變換以后的信號送入A/D轉換。啟動A/D轉換，將轉換信號送到單片機進行運算處理，從而完成數據采集。其硬件電路設計參考前面的軟啟動電路。 4.4保護部分的軟件設計 系統(tǒng)軟件是整個系統(tǒng)的核心，本裝置的軟件包括模擬量的采集與

59、處理，電動機運行狀態(tài)的判斷，以及各種保護功能的實施二軟件采用模塊化結構，使程序簡單明了?？刂栖浖鞒绦蛄鞒虉D如圖4.2所示。 起動 交流采樣 起動全波傅立葉算法 是否反相 正常起動否？ 轉子堵轉否？ 是否短路？ 是否斷相？ 接地保護否？ 過載否？ 反相跳閘 延時跳閘 堵轉跳閘 短路跳閘 斷相跳閘 接地跳閘 過載跳閘 Y N Y Y Y Y Y N 圖4.2 保護部分軟件主程序框圖 通過對以上幾部分的總體設計，可以看出，采用晶

60、閘管為主電路元件，單片機為控制核心的智能型啟動設備來完成電動機的啟動過程己成為現實，在整個啟動過程中可無沖擊地啟動電動機，并可根據負載的特性來調節(jié)啟動過程中的各種參數，如限流值和初始導通角等，從根本上解決了傳統(tǒng)的啟動方式的各種弊端。同時，在輕載和空載時，應用模糊控制實現節(jié)能運行，控制機理簡單，容易實現，節(jié)能效果明顯:此外，該控制器具有多種對乏動機的保護功能，實現了數字化多功能保護[15]。 5 結論 通過以上對智能軟啟動節(jié)能控制器的設計可以看出該系統(tǒng)具有如下的一些特點： (1)減小啟動電流，一般啟動電流只為額定電流的1.

61、2—2倍，防止啟動引起電網較大的跌落。 (2)減輕電機啟動時的機械沖擊，延長機械零件的使用壽命。 (3)新上項目采用智能軟啟動器可以降低電網設計容量(包括減小變壓器容量、電纜截面積、熔斷絲規(guī)格等)節(jié)約投資。 (4)該裝置采用模糊智能控制，所以具有較強的魯棒性，對不同的電動機可以采用同樣的模糊推理軟件。它可自動跟蹤負載變化，取得較好的節(jié)能效果。 (5)模糊節(jié)能控制簡潔，其調節(jié)規(guī)律內涵豐富，包容面大，具有較強的自適應能力。 (6)該裝置保護功能完善，使用靈活方便，軟件結構簡單，軟件為模塊結構?？筛鶕枰x擇保護功能。 不足與需要改進之處： 有待研究與探討的問題是用電動機軟啟動器帶重載

62、或額定負載啟動的問題。由于異步電動機軟啟動器在電動機的啟動過程中調節(jié)了加在電動機定子端的電壓，而電動機的啟動轉矩與電動機的定子端電壓的平方成正比，因此造成了啟動轉矩的嚴重降低，目前的異步電動機軟啟動器只適合于空載或輕載的場合。節(jié)能控制中的模糊控制采用的是比較簡單的控制規(guī)律，其控制算法和控制結構有待進一步改善 ……………………………裝……………………………………訂…………………………………線…………………………… 山東科技大學畢業(yè)設計（論文） 參考文獻 [1] 黃俊 電力電子技術[M] ．北京：機械工業(yè)出版社，2006.2 [2] 陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]．北京

63、：機械工業(yè)出版社，1995．２， 103~108 [3] 王學慧．微機模糊控制理論及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1987．１，９，24~28 [4] 何立民．MCS—51系列單片機應用系統(tǒng)設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社 [5] 顧繩谷．電機及拖動基礎[M]．北京：機械工業(yè)出版社1993．５，20~40 [6] 余永權．單片機模糊邏輯控制[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1995．１，6~12 [7] 諸靜．模糊控制原理與應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1995．１，8~11 [8] 馮冬青．模糊智能控制[M]．北京：化學工業(yè)出版社，1998．７，17—25

64、 [9] 章衛(wèi)國．模糊控制理論與應用[M]．西安：西北工業(yè)大學出版社1999.２18~20 [10]逢海萍．異步電動機軟啟動節(jié)能控制器[J]．電工技術，2001(l)：26~27 [11] 方珉．智能電動機軟啟動器的設計[J]．中小型電機，1999，26(1)：24~25 [12]劉瑞新 單片機原理及應用教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社 2006.7 [13] 史玉升．三相異步電動機的節(jié)能與安全監(jiān)控[J]．電氣傳動，2001(2)：48-50 [14]余洪明．軟啟動的由來與應用[J]．電工技術，2001(6): 33~39 [15] Wang Linxin,Fuzzy sys

65、tems are univeral approximators.IEEE Fuzzy92.1992:113-117 [16]Kosko B,.Neural networks and fuzzy systems:A dynamical approch to intelligence.NJ:Prentice一Hall，1992 致謝 忙碌而充實的大學生活即將結束，感謝哈爾濱理工大學對我的培養(yǎng)，在大學期間所學到的知識和做人的道理，將使我受益終身。并感謝各位授課老師在此期間對我學業(yè)的幫助。 在本文寫作過程中，我還得到了同學和朋友們的大力支持，在論文資料搜集，整理方面，我的同學和朋

66、友們給了我無私的幫助，提供了大量的資料，為我論文的完成創(chuàng)造了條件，在此我對所有關心愛護我的朋友們表示誠摯的謝意！ 大學生活學習結束了，但是對知識的追求是永遠都不會停步的，能在今后的工作中將所學運用到實踐中將是我的樂趣。 最后，感謝在百忙之中評閱本文的各位老師! ……………………………裝……………………………………訂…………………………………線…………………………… 山東科技大學學士學位論文 附錄一 Application of SCM(single chip microcomputer) 80 C51 The first chapter This is an Intel 80C51 and on the majority of the 51 SCM book. This book introduced readers to some new technology, so that your 80C51 projects and the development process becomes simple. Please note that the pur