電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)

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1、 摘 要 異步電機(jī)在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在低于額定負(fù)載時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行效率較低；動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓，使其跟隨負(fù)載變化以降低能耗，提高電機(jī)效率。在理論分析的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的缺陷，提出了智能軟啟動(dòng)的控制方案，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真研究。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的不同工作情況，設(shè)計(jì)了斜坡電壓?jiǎn)?dòng)控制模式和限流啟動(dòng)控制模式。同時(shí)，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(dāng)前較先進(jìn)的模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，控制方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(hù)功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化多功能的保護(hù)。

2、 關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；軟啟動(dòng)；模糊控制；單片機(jī) II 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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(dòng)與軟啟動(dòng)的比較 1 1.3軟啟動(dòng)技術(shù) 4 2 軟啟動(dòng) 6

6、 2.1軟啟動(dòng)硬件電路 6 2.1.1軟啟動(dòng)器在三相交流電機(jī)主控制回路中的地位和作用 6 2.1.2軟啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖 7 2.1.3啟動(dòng)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(hào)采樣及處理電路 12 2.1.7電流檢測(cè)電路 12 2.1.8單片機(jī)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(dòng)控制模式 15 2.3軟件設(shè)計(jì) 16 2.3.1主程序 16 2.3.2故障檢測(cè)模塊 16 2.3.3軟啟動(dòng)模塊 17 3 節(jié)能運(yùn)行 19

7、3.1電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的現(xiàn)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(yǔ)言變量 23 3.4.2語(yǔ)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(shù)與模糊控制規(guī)則 24 4 數(shù)字化多功能保護(hù) 29 4.1引言 29 4.2異步電動(dòng)機(jī)故障的判據(jù) 29 4.2.1熱過(guò)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(zhuǎn)和啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng) 31 4.2.6接地 31 4.3數(shù)據(jù)采集 31 4.4保護(hù)部分的軟件設(shè)計(jì)

8、 31 5 結(jié)論 34 參考文獻(xiàn) 35 致謝 36 附錄一 37 附錄二 54 56 Made by SQH 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 緒論 1.1引言 三相異步電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定及無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)，在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但它是以反電勢(shì)為主的負(fù)載，即以反電勢(shì)來(lái)平衡外加電壓。電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)開始時(shí)反電勢(shì)為零，所以啟動(dòng)電流很大。這樣大的啟動(dòng)電流不僅加重了進(jìn)線供電電網(wǎng)以及接在電動(dòng)機(jī)前面的開關(guān)電器的負(fù)荷，而且對(duì)電網(wǎng)及其負(fù)載造成干擾，嚴(yán)重時(shí)甚至危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行；同時(shí)，由于啟動(dòng)應(yīng)力較大，出現(xiàn)的巨大轉(zhuǎn)矩又會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)生

9、猛烈的沖振，并且也給用作動(dòng)力傳輸輔助設(shè)備（如三角皮帶、變速機(jī)構(gòu)）和做功機(jī)械設(shè)備帶來(lái)不可避免的機(jī)械沖擊。所以，這種“硬啟動(dòng)”不僅會(huì)縮短傳動(dòng)單元和做功機(jī)械設(shè)備的使用壽命，而且過(guò)高的啟動(dòng)電流還會(huì)引起供電電網(wǎng)的電壓驟然跌落，致使那些對(duì)電壓敏感的用電設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。 1.2傳統(tǒng)啟動(dòng)與軟啟動(dòng)的比較 常用的三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，而且性能良好，運(yùn)行可靠。對(duì)于小容量電動(dòng)機(jī)，只要供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機(jī)容量大4倍以上），而供電線路并不太長(zhǎng)（啟動(dòng)電流造成的瞬時(shí)電壓降落低于10%~15%），可以直接通電啟動(dòng)，操作也很簡(jiǎn)便。對(duì)于容量大一些的電動(dòng)機(jī)，問(wèn)題就不這么簡(jiǎn)單了。 在式（1

10、.1）和式（1.2）中已導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩方程式，啟動(dòng)時(shí)，s =1，因此啟動(dòng)電流式（1.3）和啟動(dòng)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流比較大，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大。對(duì)于一般的籠型電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)其額定值的倍數(shù)大約為 啟動(dòng)電流倍數(shù) 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 中、大容量電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流大，會(huì)使電網(wǎng)壓降過(guò)大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使該電動(dòng)機(jī)本身根本啟動(dòng)不起來(lái)。這時(shí)，必須采取措施來(lái)降低其啟動(dòng)電流，常用的辦法是降壓?jiǎn)?dòng)。 由式（1-3）

11、可知，當(dāng)電壓降低時(shí)，啟動(dòng)電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開啟動(dòng)電流沖擊的高峰。 但是，式（1-4）又表明，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小將比啟動(dòng)電流的降低更快，降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩夠不夠的問(wèn)題。為了避免這個(gè)麻煩，降壓?jiǎn)?dòng)只適用于中、大容量電動(dòng)機(jī)空載（或輕載）啟動(dòng)的場(chǎng)合。 傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)方法有： 星-三角（Y-Δ）啟動(dòng) 定子串電阻或電抗啟動(dòng) 自耦變壓器（又稱啟動(dòng)補(bǔ)償器）降壓?jiǎn)?dòng) 它們都是一級(jí)降壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)過(guò)程中電流有兩次沖擊，其幅值都比直接啟動(dòng)電流低，而啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間略長(zhǎng)，如圖1.1所示。 直接啟動(dòng) 軟啟動(dòng)器 一級(jí)降壓?jiǎn)?dòng)

12、 圖1.1異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程與電流沖擊 現(xiàn)代帶電流閉環(huán)的電子控制軟啟動(dòng)器可以限制啟動(dòng)電流并保持恒值，直到轉(zhuǎn)速升高后電流自動(dòng)衰減下來(lái)（圖1.1中曲線c），啟動(dòng)時(shí)間也短于一級(jí)降壓?jiǎn)?dòng)。主電路采用晶閘管交流調(diào)壓器，用連續(xù)地改變其輸出電壓來(lái)保證恒流啟動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可用接觸器給晶閘管旁路，以免晶閘管不必要地長(zhǎng)期工作。 視啟動(dòng)時(shí)所帶負(fù)載的大小，啟動(dòng)電流可在 (0.5~4) IsN 之間調(diào)整，以獲得最佳的啟動(dòng)效果，但無(wú)論如何調(diào)整都不宜于滿載啟動(dòng)。負(fù)載略重或靜摩擦轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，可在啟動(dòng)時(shí)突加短時(shí)的脈沖電流，以縮短啟動(dòng)時(shí)間。 軟啟動(dòng)的功能同樣也可以用于制動(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)軟停車[2] 1

13、.3軟啟動(dòng)技術(shù) 近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用晶閘管為主電路元件，單片機(jī)為控制核心的智能化軟啟動(dòng)器成為可能[1]。軟啟動(dòng)是指通過(guò)交流電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)，限制電機(jī)的啟動(dòng)電流，從而達(dá)到在啟動(dòng)過(guò)程中減少電壓降、避免開關(guān)跳閘、限制機(jī)械沖擊的目的。三相交流異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ma直接與所加電壓U的二次平方有關(guān)，換句話說(shuō)，只要降低電動(dòng)機(jī)接線端子上的電壓就會(huì)影響這些值。以晶閘管為主電路的軟啟動(dòng)技術(shù)其啟動(dòng)方式可選擇恒流或斜坡啟動(dòng)；力矩勻速、平滑上升、無(wú)二次沖擊力矩；沖擊電流為1次；轉(zhuǎn)換方式為閉路轉(zhuǎn)換：?jiǎn)?dòng)級(jí)數(shù)為連續(xù)無(wú)級(jí)；有過(guò)流、堵轉(zhuǎn)過(guò)流、欠流缺相、電機(jī)過(guò)熱和漏電保護(hù)；負(fù)載范圍2.

14、2 - 800kw、可帶不超過(guò)50%Te的負(fù)載啟動(dòng)；啟動(dòng)時(shí)間2-200s可調(diào)。所以用軟啟動(dòng)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，不但能實(shí)現(xiàn)在啟動(dòng)過(guò)程中無(wú)沖擊地平滑啟動(dòng)，而且可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性來(lái)調(diào)整啟動(dòng)過(guò)程中的各種參數(shù)。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行和各種保護(hù)功能。 在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)應(yīng)用軟啟動(dòng)技術(shù)，通過(guò)對(duì)晶閘管的相位控制，使電動(dòng)機(jī)接線端子上的電壓從預(yù)先可靈活整定的啟動(dòng)值上升到電網(wǎng)電壓，從而使電流以及初始轉(zhuǎn)矩能最佳地與傳動(dòng)裝置實(shí)際需要相適應(yīng)。 總上，軟啟動(dòng)器具有礦用真空磁力啟動(dòng)器和交流電壓軟啟動(dòng)的功能，是一種機(jī)電一體化及微電子技術(shù)的高科技智能產(chǎn)品。其模塊化的安裝結(jié)構(gòu)，特別適應(yīng)使用和維修。該軟啟動(dòng)器適用于交流660V、114

15、0V電壓的異步電動(dòng)機(jī)重負(fù)荷軟啟動(dòng)，以及各種情況下的磁力啟動(dòng)。軟啟動(dòng)時(shí)具有啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)速度平穩(wěn)可靠、對(duì)電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，且啟動(dòng)曲線可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況調(diào)整，從而減少了啟動(dòng)時(shí)的皮帶機(jī)、刮板機(jī)沖擊力，降低了對(duì)皮帶機(jī)、刮板機(jī)的損害，延長(zhǎng)了皮帶機(jī)、刮板機(jī)的使用壽命。 2 軟啟動(dòng) 2.1軟啟動(dòng)硬件電路 電子軟啟動(dòng)器采用單片機(jī)進(jìn)行智能化控制，不但克服了傳統(tǒng)降壓?jiǎn)?dòng)的弊端，而且從根本上解決了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題。該軟啟動(dòng)器是一種集控制、自診斷和保護(hù)于一體的小型化，多功能控制器。通過(guò)改變控制參數(shù)，就能改變電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性，保證

16、負(fù)載在要求的啟動(dòng)特性下平滑啟動(dòng)，并降低啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，充分體現(xiàn)了電子軟啟動(dòng)靈活、方便、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。 軟啟動(dòng)器的晶閘管調(diào)壓電路由6個(gè)晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接于交流異步電機(jī)的三相供電線路之上。加入啟動(dòng)信號(hào)后，系統(tǒng)軟件首先施加若干毫秒的固定延時(shí)用于系統(tǒng)自檢，然后進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，輸出晶閘管觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)控制晶閘管導(dǎo)通角α，使啟動(dòng)器按所設(shè)計(jì)的模式調(diào)節(jié)輸出電壓、控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。啟動(dòng)過(guò)程完成后，單片機(jī)再發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)停止工作，電機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，避免不必要的電能損耗。 2.1.1軟啟動(dòng)器在三相交流電機(jī)主控

17、制回路中的地位和作用 軟啟動(dòng)器在三相交流電機(jī)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(dòng)器 PE 圖2.1 軟啟動(dòng)器在三相交流電機(jī)主控制電路中的地位和作用 在需要用軟啟動(dòng)器來(lái)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，把軟啟動(dòng)器按上圖所示的接法按入。在啟動(dòng)過(guò)程中，旁路接觸器KM2斷開，K M1閉合，軟啟動(dòng)器接入，由控制信號(hào)控制軟啟動(dòng)器運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，電動(dòng)機(jī)達(dá)到正常狀態(tài)，啟動(dòng)

18、結(jié)束。軟啟動(dòng)器自動(dòng)切除，旁路接觸器K M2接通，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的安全啟動(dòng)運(yùn)行。 2.1.2軟啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖 圖2.2 軟啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖 主電路 脈沖產(chǎn)生及觸發(fā)電路 控制電源 單片機(jī)控制電路 旁路接觸器 L1 L2 L3 同步信號(hào) Uk 起動(dòng)信號(hào) 狀態(tài)信號(hào) T1 T2 T3 該軟啟動(dòng)器系統(tǒng)硬件由主電路、脈沖產(chǎn)生及隔離電路和單片機(jī)控制電路三部分組成。 2.1.3啟動(dòng)裝置主電路 L1 T1 L2 T2 L3 T3 圖2.3 軟

19、啟動(dòng)主電路 該主電路采用大功率晶閘管，連接形式為反并聯(lián)，由晶閘管觸發(fā)裝置輸出兩個(gè)互相差180的觸發(fā)脈沖。主電路工作過(guò)程:斷開開關(guān)K M2后，控制電路的SB1按下，由單片機(jī)控制使KM 1閉合接通啟動(dòng)電路。啟動(dòng)過(guò)程中，由預(yù)先在單片機(jī)中設(shè)置的晶閘管的初始導(dǎo)通角和初始電壓開始，由單片機(jī)控制，使電動(dòng)機(jī)的端電壓由預(yù)先設(shè)置的初始電壓以一種線性函數(shù)的關(guān)系逐漸上升(其數(shù)學(xué)模型將在后面介紹)，而這一過(guò)程則由單片機(jī)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的端電壓達(dá)到要求后，由單片機(jī)控制使KM2閉合KM 1斷開。電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。該主電路元件過(guò)壓保護(hù)由阻容元件實(shí)現(xiàn)。

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(hào) 同步信號(hào) 同步信號(hào) 由D/A轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)主電路中有六只晶閘管，每一片KJ004可輸出兩個(gè)互相差180°的觸發(fā)脈沖，故采用三片KJ004組成智能型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(xiàng)脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。該電路具有輸出負(fù)載能力大，移項(xiàng)性好，正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。 該電路由同步檢測(cè)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(fù)向脈沖輸出端，8為同步信號(hào)接收端，9為控制信號(hào)接收端，單片機(jī)輸出的控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后再經(jīng)運(yùn)算放大器作為控制信號(hào)輸入到9號(hào)端口[1] 下圖為8、 9、1、15各點(diǎn)的電壓波形 P

22、8 P9 P1 P15 圖2.5 KJ004各點(diǎn)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(jīng)濾波、整流、穩(wěn)壓后變成標(biāo)準(zhǔn)工作電源供給整個(gè)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(hào)采樣及處理電路 +15V R3 7407 R4 5V R1 R2 圖2.7 電壓同步信號(hào)采樣及處理電路 該電路中由來(lái)自同步變壓器的電壓信號(hào)經(jīng)電壓比較器、光電隔離及功率

23、驅(qū)動(dòng)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(shí)使其能與主回路電壓相位精確可調(diào)。同時(shí)，由同步變壓器來(lái)的電壓信號(hào)不經(jīng)過(guò)上述變換送到KJ004的8號(hào)端口即同步信號(hào)接受端[5]。 2.1.7電流檢測(cè)電路 R1 D1 C1 D2 R2 + - 圖2.8 電流檢測(cè)電路 電流檢測(cè)電路由電流互感器測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)工作電流經(jīng)整流、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換及光電隔離后送入單片機(jī)。它能準(zhǔn)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(dòng)機(jī)電流檢測(cè)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(hào)電平轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)電平。穩(wěn)壓Dz限制輸出電平幅度不超過(guò)3V。 2.1.8單片機(jī)控制電路 單片機(jī)又稱單片微處理器，其基本結(jié)構(gòu)是將微型計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入接口、輸出接口、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、中斷系統(tǒng)等全部集成在同一個(gè)半導(dǎo)體芯片上。目前，單片機(jī)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(jī)仍然能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的需要，可以肯定，以MCS-51系列為主的8位單片機(jī)，現(xiàn)在及將來(lái)的相當(dāng)一段時(shí)期仍然將占據(jù)單片機(jī)應(yīng)用的主導(dǎo)地位。 8051單片機(jī)內(nèi)部是有CPU、4KB的ROM、256B的RAM、4個(gè)8位的I/O并行端口、一個(gè)串

25、行接口、兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器等組成并采用40腳雙列直插式封裝工藝。 8051單片機(jī)芯片定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：8051單片機(jī)有2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器：定時(shí)器0（T0）和定時(shí)器1（T1）。它們都有定時(shí)器或事件計(jì)數(shù)的功能，可用于定時(shí)控制、延時(shí)、對(duì)外部事件計(jì)數(shù)和檢測(cè)等場(chǎng)合。 T0由2個(gè)特殊功能寄存器TH0和TL0構(gòu)成，T1則由TH1和TL1構(gòu)成。作計(jì)數(shù)器時(shí)，通過(guò)引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）對(duì)外部脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)輸入脈沖信號(hào)從1到0的負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器就自動(dòng)加1。計(jì)數(shù)的最高頻率一般為振蕩頻率的1/24。 根據(jù)需要8051單片機(jī)芯片的串行口工作方式可設(shè)置為4種工作方式。 SM0 SM1

26、 方式 功能說(shuō)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(kuò)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(shù)據(jù)，RXD端接收數(shù)據(jù)，以幀的格式傳送數(shù)據(jù)。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(jī)通信。

27、 如圖2.9，單片機(jī)呈檢測(cè)輸入信號(hào)的狀態(tài)。單片機(jī)的輸入信號(hào)為軟啟動(dòng)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(hào)，狀態(tài)信號(hào)用來(lái)指示電機(jī)是否達(dá)到達(dá)速電壓UR，若達(dá)到達(dá)速電壓UR， 8051發(fā)出信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器使運(yùn)行繼電器得電，斷開軟控制電源，旁路接觸器得電，軟啟動(dòng)結(jié)束。由于電機(jī)的達(dá)速電壓不可能做到完全一致，所以采用電流檢測(cè)的方式來(lái)判斷是否達(dá)到達(dá)速電壓。電流采樣值超過(guò)某個(gè)范圍，將視作故障信號(hào)。單片機(jī)接受到故障信號(hào)繼電器動(dòng)作，斷開控制電源，同時(shí)旁路接觸器也不得電，停車。[4] A/D 8051 驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng) 運(yùn)行繼電器 運(yùn)行繼電器 狀態(tài)信號(hào) 圖2.9 單片機(jī)控制電路

28、 2.2移相觸發(fā)控制算法 啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的端電壓，以限制啟動(dòng)電流，減小對(duì)電機(jī)的沖擊。下面就論文中的斜坡電壓?jiǎn)?dòng)控制模式和限流啟動(dòng)模式，給出這兩種算法的數(shù)學(xué)模型及關(guān)鍵參數(shù)[6]。 2.2.1觸發(fā)要求 對(duì)晶閘管門極觸發(fā)的要求一般應(yīng)滿足[7]：①觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓、電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的余量；②觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)移動(dòng)；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(guān)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(duì)感性負(fù)載，一般大于50Hz的180°。 各相電壓由負(fù)變正的過(guò)零

29、點(diǎn)就是三相三線交流調(diào)壓電路的門極起始控制點(diǎn)(即a =0的點(diǎn))。觸發(fā)相位自UT1-UT6依次滯后60°。當(dāng)改變?chǔ)習(xí)r，電路有三類不同的工作狀態(tài)(為防止電動(dòng)機(jī)進(jìn)入第三類工作狀態(tài))，理論上的移相范圍應(yīng)為0—90°?？紤]觸發(fā)波形的要求，移相范圍應(yīng)滿足20°≤α≤70°?！　? 2.2.2斜坡電壓控制模式 電壓斜坡啟動(dòng)用于重載啟動(dòng)。輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)變有級(jí)為無(wú)級(jí)。電壓斜坡啟動(dòng)缺點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升，對(duì)啟動(dòng)不利，且啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電機(jī)也不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡啟動(dòng)：輸出電壓先迅速升至U1（電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需最小轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電壓值），然后按設(shè)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(jù)負(fù)載特性調(diào)整。這種啟動(dòng)方式的特點(diǎn)是啟動(dòng)電流相對(duì)較大，但啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短。 2.2.3限流啟動(dòng)控制模式 限流軟啟動(dòng)主要用于輕載啟動(dòng)。在啟動(dòng)過(guò)程中限制啟動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值(Im)，其輸出電壓從零開始迅速增長(zhǎng)，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值Im，然后在保持輸出電流I

31、動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。 2.3軟件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是思路清晰，通用性強(qiáng)，易于查找故障。整個(gè)系統(tǒng)軟件主要由主程序、故障檢測(cè)模塊、軟啟動(dòng)模塊、節(jié)能運(yùn)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(nèi)部定時(shí)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(diào)故障檢測(cè)模塊 調(diào)軟起動(dòng)模塊 吸合繼電器 調(diào)工作參數(shù)檢測(cè)模塊 調(diào)工作故障檢測(cè)模塊 起動(dòng)嗎？ N Y 圖2.10 主程序流程圖

32、 2.3.2故障檢測(cè)模塊 該模塊主要完成啟動(dòng)前后的異常故障檢測(cè)，如斷相、短路、然過(guò)載、堵轉(zhuǎn)或啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等故障，并作出反應(yīng)(如跳閘)其流程圖將在第四章介紹[8]。 2.3.3軟啟動(dòng)模塊 采用限流或斜坡電壓控制原則，根據(jù)互感器來(lái)的電流信號(hào)和電壓同步信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后，按照當(dāng)前晶閘管觸發(fā)角的大小，并嚴(yán)格按照順序送出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。其流程圖如圖2.11 入口 αn←αo 電流采樣 數(shù)字濾波 計(jì)算△α αn←αn+△α 出口 α=o? Y N 圖2.11 軟起動(dòng)模塊程序流程圖 采用斜坡電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，在可調(diào)的

33、時(shí)間內(nèi)(t1為斜坡時(shí)間)通過(guò)微控制器將電動(dòng)機(jī)接線端子電壓線性地從初始電壓(Us為啟動(dòng)電壓)提高到全部電網(wǎng)電壓[9]。如果電動(dòng)機(jī)在斜坡時(shí)間之前就己經(jīng)達(dá)到它的額定轉(zhuǎn)速斜坡就自動(dòng)中斷，電動(dòng)機(jī)接線端子上就有全部電網(wǎng)電壓。 通過(guò)限流控制模式實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，在啟動(dòng)過(guò)程中將啟動(dòng)電流限制在預(yù)先設(shè)定的限流值IM上，IM可根據(jù)用戶電網(wǎng)容量及電動(dòng)機(jī)負(fù)載情況而定。該值的設(shè)定范圍在電動(dòng)機(jī)額定電流Ie的0.4—4倍之間選擇，這種限流可通過(guò)在限定時(shí)間(t2)內(nèi)將啟動(dòng)電壓限定在Ub上來(lái)實(shí)現(xiàn)。[2] 3 節(jié)能運(yùn)行 3.1電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的現(xiàn)狀及節(jié)能重要性

34、 三相異步電動(dòng)機(jī)作為一種很重要的動(dòng)力設(shè)備，約占電動(dòng)機(jī)總數(shù)的70%，其用電量占發(fā)電量的50%以上。三相異步電動(dòng)機(jī)一般按最大負(fù)荷下能正常工作為條件來(lái)選取的。但在實(shí)際運(yùn)行中，一般都處于變負(fù)載甚至輕負(fù)載或空載的狀況中，這樣就出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。電動(dòng)機(jī)的功率小、效率很低，電能的浪費(fèi)嚴(yán)重。因而研究電動(dòng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行技術(shù)時(shí)非常迫切和必要的。更重要的是，我國(guó)是能源消耗大國(guó)，而人均占有的能源量相對(duì)較少，能源供應(yīng)缺口較大。而且，過(guò)度的能源開發(fā)，勢(shì)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(yán)重問(wèn)題。因此，在合理開發(fā)能源的問(wèn)題時(shí)，必須研究如何合理地利用能源的問(wèn)題即節(jié)能問(wèn)題[11]。 3.2常見的節(jié)

35、能方法 異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能研究，無(wú)非是從2個(gè)方面入手：制造工藝和運(yùn)行控制。制造工藝包括合理選擇制造電機(jī)的材料，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等高科技手段制造高效節(jié)能電機(jī)。在電機(jī)制造業(yè)日趨發(fā)達(dá)的今天，這方面的研究己比較成熟。因此，節(jié)能研究的重點(diǎn)就放在控制電機(jī)高效運(yùn)行這一環(huán)節(jié)上[8]。 異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行的方法，常見的有最佳功率因數(shù)法、最小功率輸入法及變頻調(diào)速中的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法等。最佳功率因數(shù)法是通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的功率來(lái)確定電動(dòng)機(jī)是運(yùn)行在輕載還是重載的工況下，從而確定電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓。但是由于電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)因電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、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(gè)通用性的準(zhǔn)則;而且理論和實(shí)踐均

36、證明，過(guò)高的功率因數(shù)并不節(jié)能。 最小功率輸入法，是通過(guò)定時(shí)采樣電機(jī)的輸入功率，同時(shí)降低電機(jī)的輸入電壓來(lái)搜電機(jī)的最小功率運(yùn)行點(diǎn)。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(jī)運(yùn)行工況的不同而異。輕載條件下，步距過(guò)小，會(huì)增加搜索時(shí)間:重載情況下，步距過(guò)大，又會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩振蕩甚至堵轉(zhuǎn)。而且，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)變化時(shí)，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(shí)際應(yīng)用中大打折扣。 變頻調(diào)速應(yīng)用于電機(jī)控制，具有良好的節(jié)能效果。它主要是根據(jù)不同的工況通過(guò)選擇不同的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償線來(lái)達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。但是，用戶選擇轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償線時(shí)，需要一定的經(jīng)驗(yàn)，因此，實(shí)際應(yīng)用中變

37、頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的節(jié)能效果很難達(dá)到。若運(yùn)用最優(yōu)化控制方法，事先計(jì)算出電機(jī)效率最優(yōu)運(yùn)行的v/f的數(shù)值，即最佳電壓頻率比。穩(wěn)態(tài)及電機(jī)參數(shù)變化不大時(shí)此法是較好的。但是，如果電機(jī)參數(shù)發(fā)生較大變化，那么理論上計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)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(wú)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(duì)電機(jī)參數(shù)本身的依賴性太大，以至于對(duì)具有時(shí)變非線性等特征的異步電動(dòng)機(jī)不完全適用。區(qū)此如何尋找對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感，隨電機(jī)參數(shù)的改變而自適應(yīng)地改變控制策略是解決節(jié)能問(wèn)題的關(guān)鍵。 3.3模糊節(jié)能控制原理 模糊數(shù)學(xué)是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新發(fā)展，也是一個(gè)新補(bǔ)充。因?yàn)閷?shí)際生活

38、中有許多現(xiàn)象在人們頭腦中的反應(yīng)是模糊的，都是不能用以往的準(zhǔn)確嚴(yán)密的分析方法處理，還有一些復(fù)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(shí)別系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，也是由于其復(fù)雜性難以用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析。尤其是電力系統(tǒng)中有許多現(xiàn)象是不精確的、模糊的，而人們處理模糊信息的能力是很強(qiáng)的，在模糊環(huán)境中鍛煉和積累的經(jīng)驗(yàn)及作出的判斷往往能超出公式化了的定性的計(jì)算模型： 電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，電機(jī)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(yùn)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(jī)電流，而鐵損則與電機(jī)的頻率及磁通有關(guān)。 一般

39、來(lái)講，電機(jī)調(diào)速時(shí)希望磁通保持恒定不變。樁通太弱，電機(jī)的鐵心得不到充分利用，電機(jī)的帶負(fù)載能力下降;反之，過(guò)強(qiáng)的磁通又會(huì)使電機(jī)鐵心極易飽和，處于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，勵(lì)磁電流過(guò)大，從而增大電機(jī)損耗，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電機(jī)。由電機(jī)理論可知，三相異步電機(jī)每相的電動(dòng)勢(shì)為 （3-1） 由此可見，要使電機(jī)調(diào)速過(guò)程中的主磁通保持不變，只要保證反電勢(shì)和頻率的比值為恒定就可以了。但實(shí)際上，反電勢(shì)的值難以直接測(cè)量，通常在頻率較高時(shí)，將定子漏阻抗壓降忽略，用定子電壓來(lái)代替反電勢(shì)。但在頻率較低時(shí)，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(dāng)提高定子電壓的方法予以補(bǔ)償因漏阻抗壓降產(chǎn)生的影

40、響。 但是實(shí)際運(yùn)行中，在不同的負(fù)載下保持磁通恒定，不一定就是最高。當(dāng)電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，通常額定磁通下電機(jī)就可獲得較高的運(yùn)行效率。但在輕載時(shí)，由于所需的輸出轉(zhuǎn)矩較低，若仍保持額定磁通運(yùn)行，電機(jī)的效率降低[9]。 眾所周知，在輕載下，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)定子電壓，定子電流將隨之減少，且電動(dòng)機(jī)的輸出功率仍可保持不變。在固定負(fù)載下，一定程度后，的穩(wěn)定運(yùn)行，定子電流不但不會(huì)降低，反而會(huì)逐步增大，定子電壓降低到為了保證電動(dòng)機(jī)這種情況一般是不允許的。因此，隨電動(dòng)機(jī)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(duì)應(yīng)的電壓正是要尋找的最佳電壓值[11]。在這里，通過(guò)將電流與電壓

41、的關(guān)系轉(zhuǎn)換為輸入功率與定子電壓之間的關(guān)系，在確定的負(fù)載下，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變時(shí)，由于輸出機(jī)械功率不變，減小電機(jī)的輸入功率就可減小電機(jī)的內(nèi)部損耗，讓電機(jī)以最優(yōu)化效率運(yùn)行。研究證明，穩(wěn)態(tài)條件下，電機(jī)的輸入功率與電機(jī)定子電壓成馬鞍型曲線。因此，在保證電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，降低電機(jī)兩端的電壓，就一定能尋找到電機(jī)運(yùn)行的最小輸入功率運(yùn)行點(diǎn)。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變，因此輸出的機(jī)械功率基本不變(轉(zhuǎn)矩恒定)，則電機(jī)內(nèi)部的損耗最小，此時(shí)電機(jī)以最優(yōu)化效率運(yùn)行?？傊：?jié)能控制器的根本目的在于：在保證負(fù)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(zhuǎn)速與電源頻率之間的關(guān)系引入模糊控制的思想就建立起不

42、依賴于電機(jī)參數(shù)的智能型控制策略。 3.4模糊控制的建立 一個(gè)基本的模糊控制器的結(jié)構(gòu)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(yǔ)言變量的語(yǔ)言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集；模糊推理根據(jù)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(kù) 模糊化 清晰化 模糊推理 X 圖3.1 基本模糊控制器結(jié)構(gòu)圖 3.4.1模糊控制器的語(yǔ)言變量 模糊控制器的語(yǔ)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(shù)值

43、形式給出的變量。 該系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，計(jì)算其輸入有功功率，同時(shí)以某步距降低電壓，再計(jì)算輸入有功功率，以兩次輸入功率的差值為依據(jù)，判斷下次電壓降低的等級(jí)，直至在保持速度基本不變的條件下，使電機(jī)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(jī)輸入功率的差值△P，輸出為電壓的降低量△U。 3.4.2語(yǔ)言變量值的選取 根據(jù)人們的習(xí)慣，常將相比的同類事物分為“大”、“中”、“小”，或“高”、“低”，或“快”、“中”、“慢”3個(gè)等級(jí)，故操作者對(duì)誤差及其變化率以及控制量的變化，也常采用“大”、“中”、“小”3個(gè)等級(jí)的模糊概念?？紤]列正負(fù)性，一般在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，人們對(duì)于誤差、誤差變化率

44、和控制量的變化等語(yǔ)言變量，常用“正大”(PB),“正中”(PM),“正小”(PS),“零”(Z0 ),“負(fù)小”(NS),“負(fù)中”(NM),“負(fù)大”(NB)這7個(gè)語(yǔ)言變量來(lái)描述。 顯然，若為語(yǔ)言變量選取更多的值，如選用比這7個(gè)語(yǔ)言變量值更多的語(yǔ)言變量值，雖然制定控制規(guī)則時(shí)比較靈活，控制規(guī)則本身也比較細(xì)致，但相應(yīng)地也使控制規(guī)則變得復(fù)雜，制定起來(lái)也比較困難。因此，在選取語(yǔ)言變量值時(shí)，既要考慮到控制規(guī)則的靈活與細(xì)致性，又要兼顧其簡(jiǎn)單與易行的要求。 根據(jù)以上分析本系統(tǒng)中△P的模糊語(yǔ)言變量選取為： {負(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(gè)等級(jí) △P=（-4，一3，-2，一1，0，1，2，3，4} △U的語(yǔ)言變量選取為： {負(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(gè)等級(jí) △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(fù)載條件下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變時(shí)，電機(jī)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(dāng)負(fù)載率較大時(shí)，電壓下降幅度較小，而當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，電壓下降幅度較大，以

46、保證負(fù)載大時(shí)減小可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩振蕩[13]。負(fù)載較小時(shí)快速搜索到最小功率運(yùn)行點(diǎn)。為此，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，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(duì)同一模糊規(guī)則，只要適當(dāng)修改a，b，c，d的值，就可應(yīng)用于其他電機(jī)。 3.4.4隸屬度函數(shù)與模糊控制規(guī)則 根據(jù)以上分析可得△P， △ U的隸屬函數(shù)分別如表3-1、3-2所示 表3-1 △P的隸屬度函數(shù) 語(yǔ)言變量 量化等級(jí) -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(shù) 語(yǔ)言變量 量化等級(jí) -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(yǔ)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(guān)系的求取。模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上是一組多重條件語(yǔ)句，由模糊集合理論可知，這種因果關(guān)系可以表示為從輸入論域到控制論域的一個(gè)模糊關(guān)系矩陣R 根據(jù)Mamdani模糊推理方法有 同理可得、、、、、 ，根據(jù)以上R的等式，把所有得到的關(guān)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(shí)際上等于誤差向量和模糊關(guān)系的合成。而在本論文中U就為△U，e為△P。 所以當(dāng)取△P為PB時(shí)，則有： 同理，當(dāng)取△P為PM時(shí)，則有： 當(dāng)取△為PS時(shí)，則有： 當(dāng)取△P為ZO時(shí)，則有： 當(dāng)取△P為NS時(shí)，則有： 當(dāng)取△P為 NM時(shí)，則有： 當(dāng)取△P為NB時(shí)，則有： 由以上過(guò)程求得的控制量△U為一模糊向量，例如，當(dāng)△P為PB時(shí)，有 它可以改寫為 按照“隸屬度最大原則”的表決方法，應(yīng)選擇控制量△U= 4

51、。 即當(dāng)輸入功率的變化為正時(shí)，電壓降低，模糊控制執(zhí)行正向搜索；當(dāng)輸入功率變化為負(fù)時(shí)，電壓抬高，模糊控制器執(zhí)行反向搜索。為減小搜索過(guò)程的振蕩，當(dāng)輸入功率變化較小時(shí)，電壓的減小幅度較小一些，以保證收斂到最小功率運(yùn)行點(diǎn)。上述模糊化、模糊推理以及去模糊化的運(yùn)算工作量很大，特別是模糊推理，要進(jìn)行許多繁瑣的矩陣運(yùn)算，在線實(shí)時(shí)計(jì)算會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能甚至不能完成。為此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，往往將這些大量的計(jì)算工作離線完成，得到模糊控制器輸入量的量化等級(jí)與輸出控制量的量化等級(jí)之間的確定關(guān)系。這種關(guān)系稱為模糊控制表。將離線求出的控制表存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制時(shí)只要將連續(xù)變化的輸入進(jìn)行量化，得到其等級(jí)，然后

52、從計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中直接查控制表，獲得相應(yīng)得輸出控制量等級(jí)。根據(jù)以上類似的表決方法可以依次類推得到模糊控制的響應(yīng)表，簡(jiǎn)稱控制表。經(jīng)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(jù)模糊輸入對(duì)該表的查詢。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將該表事先置入內(nèi)存中供實(shí)時(shí)查表使用。在實(shí)際控制盯，模糊控制器首先把輸入量量化到輸入量的語(yǔ)一言變量論域中，再根據(jù)量化約結(jié)果去查表求出控制量，可大大提高模糊控制的實(shí)時(shí)效果、節(jié)省內(nèi)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(jié)束 開始 設(shè)置輸入輸出論域和初值 取采樣值P(k)、P

53、(k-1) 計(jì)算△P(k)= P(k) -P(k-1) 轉(zhuǎn)換到基本論域 N N Y 圖3.2 查表法模糊控制流程圖 4 數(shù)字化多功能保護(hù) 4.1引言 異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。但是，電動(dòng)機(jī)因過(guò)載、缺相、接地等故障燒毀繞組的事故時(shí)有發(fā)生。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)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(shí)，體積重量不斷減小，電動(dòng)機(jī)熱容量減小，從而使得電動(dòng)機(jī)繞組的電流密度顯著增加，電機(jī)過(guò)載時(shí)溫升速度比老

54、式電機(jī)快2-2.5倍。同時(shí)，由于控制系統(tǒng)的復(fù)雜化和多樣化，要求電動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在頻繁起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、間歇負(fù)載以及變負(fù)載等工況下，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況及其所受到的電動(dòng)力和熱力的沖擊相當(dāng)懸殊，而電動(dòng)機(jī)的使用壽命與它所受到的啟動(dòng)頻率和持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。因此本論文在分析傳統(tǒng)可靠的電機(jī)保護(hù)的基礎(chǔ)上，提出了一種數(shù)字化多功能保護(hù)裝置，針對(duì)交流電動(dòng)機(jī)單片機(jī)微機(jī)的保護(hù)，建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)軟件程序和硬件電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過(guò)載、斷相、反相、短路、堵轉(zhuǎn)及啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等故障的保護(hù)[10]。 4.2異步電動(dòng)機(jī)故障的判據(jù) 異步電動(dòng)機(jī)各種故障及異常運(yùn)行狀態(tài)通常反映為定子三相電流的變化，根據(jù)電動(dòng)機(jī)在不同的運(yùn)行狀態(tài)下其過(guò)流、正序電流

55、、負(fù)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(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)檢測(cè)所得的電流加以分析判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)過(guò)載、反相、短路、堵轉(zhuǎn)及啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等故障的保護(hù) 4.2.1熱過(guò)載 過(guò)載保護(hù)屬于熱保護(hù)，它與發(fā)熱的溫升有關(guān)，但電動(dòng)機(jī)的溫升不僅取決于繞組電流，除銅耗外，還與鐵耗、機(jī)械損耗等有關(guān);另一方面還存在散熱過(guò)程。此外，由于實(shí)際供電系統(tǒng)中存在大功率整流負(fù)載、單相負(fù)載等造成的電網(wǎng)電壓變形和電壓不平衡以及電動(dòng)機(jī)繞組不完全對(duì)稱等原因，電流中含有一定的負(fù)序分量。對(duì)于籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子對(duì)負(fù)序電流和正序電流所表現(xiàn)出的電阻之比為：KR=1.20-6，轉(zhuǎn)子發(fā)熱損耗與其電阻成正比。所以數(shù)值相同的負(fù)序電流產(chǎn)生的損耗

56、接近于正序電流的KR倍。對(duì)于定子繞組，由于正序電阻與負(fù)序電阻相同，故數(shù)值相同的正序電流和負(fù)序電流產(chǎn)生的定子發(fā)熱損耗相同。所以在建立電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)模型時(shí)必須對(duì)負(fù)序電流予以足夠的重視。 采用一個(gè)周期內(nèi)采樣三相電流12點(diǎn)的全波傅立葉算法，即每隔Ts= 1.667ms采集一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)采完12個(gè)點(diǎn)后，計(jì)算出一個(gè)周期內(nèi)12個(gè)采樣點(diǎn)的正、負(fù)、零序電流值，允許過(guò)載時(shí)間己到，斷開電源進(jìn)行跳閘保護(hù)。而當(dāng)檢測(cè)到實(shí)際電流大于額定電流的1. 5倍時(shí)，就發(fā)出預(yù)警信號(hào)，表示電動(dòng)機(jī)己處于過(guò)載狀態(tài)。 4.2.2斷相 斷相是造成三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)燒毀的一個(gè)主要原因。 在用單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處

57、理時(shí)，可按以下方法進(jìn)行：任何非對(duì)稱三相電流都可以分解為正、負(fù)序和零序三組分量，由于正、負(fù)序分量是三相對(duì)稱的，所以分析及單片機(jī)處理均對(duì)電流的正負(fù)序方分量中的一相進(jìn)行。 4.2.3電源電壓反相 許多場(chǎng)合是不允許出現(xiàn)逆向相序的，偶爾出現(xiàn)的逆向相序?qū)?dǎo)致事故發(fā)生。 4.2.4短路 三相短路可由過(guò)電流的強(qiáng)度得到反映，根據(jù)一個(gè)正弦波內(nèi)各點(diǎn)采樣計(jì)算出有效值Ieq，如果Ieq≥8Ie，則立即跳閘。 4.2.5堵轉(zhuǎn)和啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng) 電動(dòng)機(jī)在開始啟動(dòng)后，經(jīng)過(guò)t1=20 s后，如果有效值Ieq≥2Ie，則經(jīng)過(guò)t2=1.5s后跳閘，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)。如果經(jīng)t1=20s后，Ieq<2Ie則表示電動(dòng)機(jī)已投入

58、正常負(fù)荷運(yùn)行。啟動(dòng)后若Ieq≥4Ie，則經(jīng)過(guò)t3=0. 5s后跳閘，實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護(hù)。 4.2.6接地 一般電動(dòng)機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)為不接地或小電流接地系統(tǒng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生接地故障時(shí)，其接地故障點(diǎn)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(cè)量的零序電流再乘上可靠系數(shù)進(jìn)行整定[13]。 4.3數(shù)據(jù)采集 本安全保護(hù)裝置考慮到要測(cè)量主電路的三相電流，故把該電量經(jīng)電流傳感器變換以后的信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，從而完成數(shù)據(jù)采集。其硬件電路設(shè)計(jì)參考前面的軟啟動(dòng)電路。 4.4保護(hù)部分的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件是整個(gè)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(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判斷，以及各種保護(hù)功能的實(shí)施二軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序簡(jiǎn)單明了?？刂栖浖鞒绦蛄鞒虉D如圖4.2所示。 起動(dòng) 交流采樣 起動(dòng)全波傅立葉算法 是否反相 正常起動(dòng)否？ 轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)否？ 是否短路？ 是否斷相？ 接地保護(hù)否？ 過(guò)載否？ 反相跳閘 延時(shí)跳閘 堵轉(zhuǎn)跳閘 短路跳閘 斷相跳閘 接地跳閘 過(guò)載跳閘 Y N Y Y Y Y Y N 圖4.2 保護(hù)部分軟件主程序框圖 通過(guò)對(duì)以上幾部分的總體設(shè)計(jì)，可以看出，采用晶

60、閘管為主電路元件，單片機(jī)為控制核心的智能型啟動(dòng)設(shè)備來(lái)完成電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程己成為現(xiàn)實(shí)，在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中可無(wú)沖擊地啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并可根據(jù)負(fù)載的特性來(lái)調(diào)節(jié)啟動(dòng)過(guò)程中的各種參數(shù)，如限流值和初始導(dǎo)通角等，從根本上解決了傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式的各種弊端。同時(shí)，在輕載和空載時(shí)，應(yīng)用模糊控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，控制機(jī)理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，節(jié)能效果明顯:此外，該控制器具有多種對(duì)乏動(dòng)機(jī)的保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化多功能保護(hù)[15]。 5 結(jié)論 通過(guò)以上對(duì)智能軟啟動(dòng)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)可以看出該系統(tǒng)具有如下的一些特點(diǎn)： (1)減小啟動(dòng)電流，一般啟動(dòng)電流只為額定電流的1.

61、2—2倍，防止啟動(dòng)引起電網(wǎng)較大的跌落。 (2)減輕電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)機(jī)械零件的使用壽命。 (3)新上項(xiàng)目采用智能軟啟動(dòng)器可以降低電網(wǎng)設(shè)計(jì)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(qiáng)的魯棒性，對(duì)不同的電動(dòng)機(jī)可以采用同樣的模糊推理軟件。它可自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，取得較好的節(jié)能效果。 (5)模糊節(jié)能控制簡(jiǎn)潔，其調(diào)節(jié)規(guī)律內(nèi)涵豐富，包容面大，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。 (6)該裝置保護(hù)功能完善，使用靈活方便，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件為模塊結(jié)構(gòu)。可根據(jù)需要選擇保護(hù)功能。 不足與需要改進(jìn)之處： 有待研究與探討的問(wèn)題是用電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器帶重載

62、或額定負(fù)載啟動(dòng)的問(wèn)題。由于異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器在電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中調(diào)節(jié)了加在電動(dòng)機(jī)定子端的電壓，而電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)的定子端電壓的平方成正比，因此造成了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的嚴(yán)重降低，目前的異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器只適合于空載或輕載的場(chǎng)合。節(jié)能控制中的模糊控制采用的是比較簡(jiǎn)單的控制規(guī)律，其控制算法和控制結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步改善 ……………………………裝……………………………………訂…………………………………線…………………………… 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 參考文獻(xiàn) [1] 黃俊 電力電子技術(shù)[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.2 [2] 陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]．北京

63、：機(jī)械工業(yè)出版社，1995．２， 103~108 [3] 王學(xué)慧．微機(jī)模糊控制理論及其應(yīng)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社 [5] 顧繩谷．電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社1993．５，20~40 [6] 余永權(quán)．單片機(jī)模糊邏輯控制[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995．１，6~12 [7] 諸靜．模糊控制原理與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)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(xué)工業(yè)出版社，1998．７，17—25

64、 [9] 章衛(wèi)國(guó)．模糊控制理論與應(yīng)用[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社1999.２18~20 [10]逢海萍．異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)節(jié)能控制器[J]．電工技術(shù)，2001(l)：26~27 [11] 方珉．智能電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J]．中小型電機(jī)，1999，26(1)：24~25 [12]劉瑞新 單片機(jī)原理及應(yīng)用教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2006.7 [13] 史玉升．三相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能與安全監(jiān)控[J]．電氣傳動(dòng)，2001(2)：48-50 [14]余洪明．軟啟動(dòng)的由來(lái)與應(yīng)用[J]．電工技術(shù)，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(shí)的大學(xué)生活即將結(jié)束，感謝哈爾濱理工大學(xué)對(duì)我的培養(yǎng)，在大學(xué)期間所學(xué)到的知識(shí)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(duì)我學(xué)業(yè)的幫助。 在本文寫作過(guò)程中，我還得到了同學(xué)和朋友們的大力支持，在論文資料搜集，整理方面，我的同學(xué)和朋

66、友們給了我無(wú)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(duì)所有關(guān)心愛(ài)護(hù)我的朋友們表示誠(chéng)摯的謝意！ 大學(xué)生活學(xué)習(xí)結(jié)束了，但是對(duì)知識(shí)的追求是永遠(yuǎn)都不會(huì)停步的，能在今后的工作中將所學(xué)運(yùn)用到實(shí)踐中將是我的樂(lè)趣。 最后，感謝在百忙之中評(píng)閱本文的各位老師! ……………………………裝……………………………………訂…………………………………線…………………………… 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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