毕业设计三相异步电动机节能保护器的设计

值得下载 绪论

1、我国电动机保护器的发展历史及现状简介

我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。

热继电器

在建国初期，我们引进了苏联的JR系列热继电器，从而开始了其在中国电机保护行业中长达半个世纪的生涯。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，它是利用双金属片热效应原理。但由于热继电器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足越来越高的要求，直到1996年国家八部委联合发文强制将其淘汰。

模拟电子式电动机保护器（电机保护器）

在上个世纪七八十年代，随着半导体模拟器件的兴起及普及，涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器（电机保护器），为电机的可靠运行提供了较可靠的保障 ，但由于其存在整定精度不高、采样精度不高并且无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，而随着社会的发展，对于保护器的要求也越来越高，纯粹模拟线路的电动机保护器（电机保护器）正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。

数字电子式电动机保护器（电机保护器）

这类电动机保护器（电机保护器）主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在PC机上实现对多达256台联网的电机实现在线综合监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的出现成为可能。 值得下载 随着微电子技术的发展，电动机保护器（电机保护器）正朝着智能化，综合化，高精度，高可靠方向发展。

2、电动机节能的必要性

作为拖动系统中的重要组成部分电动机，在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。

而我国现有各类电动机总容量约4.2亿千瓦，电机系统年耗电量在6000亿度以上，占电力消费总量的50%以上。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。我国电机的平均效率约低于美国和加拿大3-5%，风机和水泵的效率低8-10%，系统效率更低。

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。然而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。由此看出，比较符合我国国情需要的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。国家计委对电机系统节能非常重视，已把电机系统节能作为“十五”节能计划的重要内容。

3、电能消耗原因与解决措施的初步分析

从《三相异步电动机经济运行》 GB12497-1995标准来看，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。异步电动机会消耗大量电能，主要是由于异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行状态，同时影响着企业的效益。纠其原因主要是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，值得下载 造成“大马拉小车”的现象，使电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低;另一方面，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。

因此，要研究异步电动机节能主要从“根据负载调节电动机的端电压”和“限制电动机的起动电流”这两方面入手。

4、常用的电动机节能保护方法与分析

4.1老式的Y/△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、在空载或轻载下启动的电动机。

图1老式电动机Y/△转换节能电路原理图

图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。 值得下载 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，电动机改为丫下运行。

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。

4.2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，启动时一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2所示

图2电子式软启动器框图

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。 值得下载 但由于需要采用晶闸管控制，所以有控制复杂、谐波污染严重等缺点。另外，截止2003年，电子式软启动器的价格维持在200-250元人民币/kW，较高的价格也大大限制了其使用范围。

4.3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。

5 、本文主要内容

本文主要从理论上分析异步电动机Y/△转换节能的基本原理，并在此基础上提出了一套由单片机控制的Y/△转换节能保护器的设计方案。经过对单片机应用的分析后，选择适合的单片机用以完成设计对设计。并进一步对节能保护器在设计过程中有影响的因素分析，最后完善整套设计方案。

值得下载 1、三相异步电动机节能原理分析[1]

从三相异步电动机的功率损失分析，近而运用分析的具体情况来分析△/Y运行的工作特性。从而得出△/丫转换节能的原理。

1.1三相异步电动机的功率损失

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。例如：铜损失、铁损失、机械损失和杂散损失。

1.1.1铜损失(CuP)

电动机的铜损失包括定子铜损失1CuP和转子铜损失凡2CuP。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。

12113RIPCu 1.1

式中，R1为定子每相电阻;

I1为定子每相电流。

eCuSPP2 1.2

式中，S为转差率;

Pe为电磁功率。

1.1.2铁损失(FeP)

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。

23..1BkfPFe 1.3

式中，k为常数;

f为电源频率;

B为磁通密度。

由于 11UEB 1.4

式中，为磁通量; 值得下载 1E为定子绕组的感应电动势；

1U为定子绕组的相电压。

认为铁损与端电压的平方成正比。由于转子电源频率很低,转子的铁芯损失很小，忽略不计。因此认为从空载到额定负载的范围内，仅是定子铁芯损失。

1.1.3机械损失(fwP)

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，对于某一确定的在用电动机，可认为其机械损失为常量。

1.1.4杂散损失(sP)

电动机的杂散损失包括铁杂损失和铜杂损失。铁杂损失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。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。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。

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% 。

1.1.5总损失(P)

图1-1 感应电动机的功率图

图中，1P为输入功率; 值得下载 P为机械功率;

2P为输出功率。

电动机的总损失由P定子铜损失1CuP、转子铜损失2CuP、铁损失FeP、机械损失fwP和杂散损失SP组成。即：

SfwFeCuCuPPPPPP21 1.5

1.2△/Y转换的工作特性[7]

△转换Y后是否节能的核心问题是施加到定子每相绕组上的电压U，降为△接时的3/1，使得电动机的铁损FeP、降低为△接时的1/3，同时电动机的定子铜损与转子铜损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。

电动机的工作特性，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1I、功率因数COS,效率与负载率的关系。

其中: NPP/2 1.6