单片机控制异步电机节能装置的研究毕业设计.docx
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单片机控制异步电机节能装置的研究毕业设计.docx
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单片机控制异步电机节能装置的研究毕业设计
毕业设计
设计题目单片机控制异步电动机节能器的研究
系(部)电力工程系
学科专业电气工程及其自动化
班级电气工程12-6
姓名周凯
学号***********
指导教师刘老师
二〇一四年五月三十日
新疆工程学院毕业设计任务书
学生姓名
周凯
专业班级
电气工程及其自动化12-6
设计题目
单片机控制异步电机节器的研究
接受任务日期
2014.1.14
完成任务日期
2014.5.30
指导教师
刘老师
指导教师单位
新疆工程学院
设计目标
毕业设计是培养学生独立思考和科学的工作方法的重要过程,通过毕业设计,培养学生综合运用所学理论知识和技能,分析解决实际问题的能力。
培养学生掌握设计电力系统课题的思想和方法,树立严肃认真的工作作风。
培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册、各种工具书及工程绘图,撰写技术报告和编制技术资料的能力。
本设计通过分析交流异步电机软启动器工作原理,在Intel89C51单片机基础上对其软硬件进行了适当扩展,借助功率因数测量电路和软启动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统,使电机始终工作在设定功率因数下,从而实现交流异步电机的恒功率因数控制,达到节能运行的目的。
设计要求
通过毕业设计,要求学生在指导教师的指导下,独立完成所分担的设计课题的全部内容,包括:
(1)通过调查研究和毕业实习,收集和调查有关技术资料。
(2)进行方案选择、系统的性能分析以及参数的计算。
(3)根据课题的要求进行工程安装和调试。
(4)正确编写设计说明书。
利用Proteus和Matlab软件串口通信进行软件仿真,对比可见直接起动时的瞬时冲击电流很大,这对电机本身拖动设备及电网都造成冲击。
而软起动时的起动电流以一定的速率平稳地增加当增大到设定的电流限定值时,保持恒定直至起动结束避免了瞬时冲击电流给电机本身拖动设备及电网带来的不利影响。
教师指导过程记录
第一周:
参考单片机和三相变频调速相关资料为开题报告做好相关准备。
第二周:
根据原始资料选择设计方案和开题答辩。
第三周:
选择合适的方式节能和节能方案。
第四周:
利用Matlab软件中的Simulnk建立子系统。
第五周:
基于Mltalb绘出仿真的波形图并且加以分析。
第六周:
根据仿真结果对目标代码进行分析,应用分析结果対元件进行适当调整。
第七周:
对设计初稿进行润色修改。
第八周:
指导教师审查后再修改,定稿后,按照标准规格打印装订。
第九周:
论文评阅--请专家及导师评阅论文。
第十周:
论文答辩--整理所有的资料,准备论文答辩。
参考资料
[1]李艳军.电机学.农业大学出版,2003.2
[2]张毅刚.彭喜元.单片机原理与应用设计,北京:
电子工业出版社,2008.4
[3]张爱玲等.电力拖动与控制.北京:
机械工业出版社,2003.5
[4]洪伟明.电动机节能措施的研究.机电工程,2006.2
[5]张长利.沈明霞.电路,北京:
中国农业出版社,2008.2
[6]王兆安,黄俊.电力电子技术.北京:
机械工业出版社,2002.1
[7]张震.异步电机节能控制器研究.西安:
西北工业大学,2007.5
[8]谭浩强.C程序设计,北京:
清华大学出版社,2005.4
[9]何明中.基于单片机的电机节电器.河北师范大学学报,2002.7
[10]陈丕璋,周明宝,俞鑫昌.电动机节能技术.北京.科学出版社,1989
[11]PaolettiGJ,RoseA.Improvingexistingmotorprotectionformediumvoltagemotors.IEEETransIndAppl,1989,3
新疆工程学院毕业设计成绩表
学生姓名
周凯
专业班级
电气工程及其自动化12-6
设计题目
单片机控制异步电动机节能器的研究
考核项目
考核内容
满
分
评
分
一、
指导教师评分
1、工作态度与纪律
5
2、基本理论、基本知识、基本技能和外文水平
5
3、独立工作能力、分析和解决问题能力
10
4、完成任务的情况与水平(论文与实物硬件质量)
10
指导教师签字:
年月日
二、
评阅教师评分
1、论文质量(正确性、条理性、创造性和实用性)
15
2、成果技术水平(理论分析、计算、实验和实物性能)
15
评阅教师签字:
年月日
三、
答辩小组评分
1、完成任务书所规定的内容和要求
10
2、论文与实物的质量
10
3、课题设计内容的讲述
10
4、回答问题的正确性
10
答辩组长签字:
年月日
四、答辩小组成绩评定:
负责人签字:
年月日
五、答辩委员会意见:
答辩委员会主任签字:
年月日
结论45
致谢46
参考文献47
附录1:
48
附录2:
56
附录3:
57
附录:
458
附录5:
59
附录6:
60
单片机控制异步电动机节能器的研究
摘要:
交流异步电机是工农业生产中最重要的拖动设备之一,因其结构简单、维修容易等优点而得到了广泛应用。
但电机直接启动时的电流和机械冲击过大,对其自身及拖动设备的使用寿命都会产生影响,较大的电网压降还会影响电网供电和其他设备运行。
因此,采用电机软启动技术势在必行。
本文通过分析交流异步电机软启动器工作原理,在Intel89C51单片机基础上对其软硬件进行了适当扩展,并添加了人机界面,从而可对电机运行的各参数进行设定和修改。
借助功率因数测量电路和软启动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统,单片机可以根据负载变化相应地调整电机输出电压,使电机始终工作在设定功率因数下,从而实现交流异步电机的恒功率因数控制,达到节能运行的目的。
关键词:
交流异步电机;单片机节能;软启动;
StudyonMCUcontrolenergysavingdeviceforasynchronousmotor
Abstract:
Intheindustrialandagriculturalmanufacture,alternatingcurrentasynchronousmotorisoneofthemostimportantdrivingequipments.Ithasgotvastapplicationforasimpleframeworkandwellmaintainability.Butwhenasynchronousmotorisstarteddirectly,themotorandthedrivingequipments’longevitywillbebadlyaffectedbyhugestarting-currentandmechanicalcollision,andbigvoltagedecreasewouldinfluencethepower-supplynetwork,evenotherequipments’operation.Soitisnecessarytoundertaketheasynchronousmotor’ssoftstarttechnology.
Thepaperanalyzestheworkingprincipleofasynchronousmotorsoft-starter,andrealizessoftwareandhardwareexpansionbasedonsingle-chipmicrocomputerIntel-89C51.Ainterfacebetweenhumanandsoft-starter,wheretheoperationdataofthemotorcouldbemodifiedhasalsobeenadded.Thepowerfactormeasurecircuitandthesoft-starter’sthyristorvoltagemodualtorformaclosecircuitfeedbacksystem,bywhichthesingle-chipmicrocomputercanchangethemotor’sterminalvoltageaccordingtotheload,andmakethemotorrunsunderthesetpowerfactor.Inthisway,theasynchronousmotor’sconstantpowerfactorcontrolsystemisrealized,andtheenergysavingoperationisachieved.
Keywords:
ACasynchronousmotorsoftstartenergy-saving;singlechipmicrocomputer;
第一章 引言
近年来,我国工农业的飞速发展对电能的需求越来越大,但煤炭、石油等燃料资源的相对短缺极大限制了电力资源的供应、大幅抬升了电力价格。
在这种情况下采用现实可行的节能技术,节约用电量、提高能效就成为当务之急。
1.1异步电机节能运行技术的重要意义
电机是工业生产中最重要的拖动设备之一,交流异步电机由于结构简单、维修容易等优点,被广泛应用于工农业及其他生产当中。
但电机直接启动时的电流过大,启动瞬间转矩造成的机械冲击也会影响其本身及拖动设备的使用寿命,过大的启动电流还加速了电机绝缘老化。
电机启动时会引起较大的电网压降,影响电网供电和其他设备运行。
频繁启动电动机的场合,还会因电机的短路、缺相、过流、欠压、堵转等故障影响设备运行。
因此,宜采用软启动控制技术,改善电机的不良启动性能,延长电机寿命,减少电网冲击。
据不完全统计,电机的用电量已占到我国发电总量的50%,研究电机节能运行技术具有很强的现实意义。
由电机学理论可知,异步电机运行在额定负载时效率最高,通常可达80%左右;其负载越小,效率和功率因数就越低。
多数电机,其大部分运行时间内的负荷率都在50%-60%,实际运行效率较低;而电机选型时又是按照需要的最大负载和最坏情况下所需要的功率而定的,因此在大部分时间内,电机都运行在效率较低的轻载情况下。
在轻载情况下降低电机电压,既提高了其运行效率,也可以显著节省电能。
[1]
1.2异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势
为了提高电机的工作效率,多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手,作了大量研究工作,取得了较好的成果。
其中从电机的设计制造方面人手,开发出了高效节能电动机,使效率显著提高,可大量节能。
但这种电机造价较高,而且经济效果较大地取决于负载的情况,即对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合,其节能效果能达到最佳。
但对大多数电机用户来说,怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为现实,为了提高电机的工作效率,世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手,作了大量研究工作,取得了较好的成果。
其中从电机的设计制造方面人手,开发出了高效节能电动机,使效率显著提高,可大量节能。
但这种电机造价较高,而且经济效果较大地取决于负载的情况,即对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合,其节能效果能达到最佳。
但对大多数电机用户来说,怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为现实。
国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究,1975年美国宇航局工程师FrankNola为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控制器,通过后面第二章的分析可以得出:
即在定子电压一定的情况下,只要负载率小于额定负载率,交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应的关系。
这种装置的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号,并通过该类装置控制定子端电压来调节输入功率,使其随负载的变化而变化。
该类装置空载时节电率为40%左右,总节电率大致为20%左右,功率因数有一定改善,但并未超过0.5。
利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从70年代开始应用的,以后美国宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去,以及采用微电脑代替模拟控制电路,发展成现在的智能化电机节能控制器。
目前,世界上有许多公司都生产软起动器,例如:
美国Allen-Bradley公司在90年代初期推出了系列的智能控制器(SMC-SmartMotorController);GE公司生产的软起动器最大功率为850KW,额定电压500V,额定电流1.18KA,最大起动电流为5.9KA;在欧洲,德国的金钟默勒公司的Softpact系列起动器在欧洲销售得较好;意大利SIEI公司生产的软起动器额定电压达到690V,额定电流达到1.6KA。
以上的电机控制器都有优良的性能。
它们集软起动、节能、电机保护于一体,并且有良好的用户界面,通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统参数和得到控制器运行状态。
从控制性能和控制方法来说,变频调速节能是最有前途的控制方法,发展也较快,例如PWM控制、直接转矩控制、矢量变换控制等方法的应用使电动机的运行性能得到很大的提高。
在发达的国家其在调速中占主要地位,但是在我国应用缓慢,主要原因是由于价格太贵,以调查数据表明:
三相异步电动机在容量、规格、性能和重量相似的情况下,中国的电动机产品价格是西欧的1/3一1/5,而变频器的价格却是西欧的3一5倍;另外我国的电力电子器件和变频器制造技术也与国外有差距,产品合格率低,故障率高,维修困难;当设备的运行性能要求不高时,变频器节能的优点也难以体现。
当改变电动机定子的输入电压时,可以得到一组不同的机械特性曲线,从而获得不同的转速。
其主要装置是一个能提供电压变化的电源,自动地改变电源电压以适应负载的要求。
晶闸管调压调速线路简单,运行可靠,维护方便。
非常适合于变负载类系统节能改造。
特别是高压大电流地可控硅元件的发展应用,使调压调速的闭环控制实现容易。
这方面的研究也正在得到深入的研究。
其中,改变输入电压节能的一个关键电力电子器件的性能对节能控制器的发展有直接的影响。
电力电子技术是以实现功率变换、能量传递为主要任务的现代工业电子技术,其应用贯穿在电能的获取、传输、变换和利用的每一个环节,发挥着不可替代的重要作用。
近年来,电力电子技术得到迅猛发展,通过电力电子技术处理的电能在整个国民经济总耗电量中所占的比例越来越大,发达国家现在电能的75%左右经过电力电子技术变换和控制后使用。
电力电子技术已取得十分辉煌的成就,但它仍是一门方兴未艾的技术。
电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础,电子电子器件制造技术的每次重大进步都对电力电子技术的发展产生深远影响。
迄今为止,用于制造电力电子器件的材料都是硅半导体材料。
对于新的材料,如碳化硅等材料的研究已经进行多年,不久的将来可能回取得突破,采用碳化硅制成的电力电子器件压降小、损耗小、耐压高,并且可以承受的温度也远高于硅材料。
因此,碳化硅材料器件的应用将使电力电子器件和装置的功率密度大幅度提高,性能大为改变,会给电力电子技术带来革命性的变化。
以晶闸管(SCR)组成的变压变流装置,解决了传统电能变换装置中存在的能耗大、效率低和装置笨重问题,一定程度上控制了工业噪声。
装置的寿命也延长了。
它的额定容量是所有电力半导体器件中最高,价格同规格相比最低,所以大容量控制中得到充分的应用。
由于能源紧缺我国也从七十年代开展了大规模节能装置的研究。
据国家第七批节能产品推广项目介绍,研制出了ID,DJZ,XSZ等等一大批系列节电器。
其空载节电率大于30%左右,轻载(小于30%负载率)为33~43%左右。
与国外相比,国内集软起动、节能、保护于一体的电机节能控制器的研制起步较晚,但发展很快。
目前市场上已有天津、上海、西安等多家企业的产品,系列产品达到320KW。
但这些产品功能还不完善,性能不稳定,界面不友好,同国外产品比较还有很大差距。
而国外产品价格昂贵,操作复杂,对使用人员要求高,限制了在国内的推广。
在应用上,国内使用智能型电机节能控制器的场所还很少,传统的交流电动机起动器仍继续占领市场,所以目前研究智能型电机节能控制器这种产品有非常广阔的市场前景。
因此,有必要自行研制适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的迫切要求。
研制中除了借鉴国外产品成功经验外,还要针对其不足和我国电网不稳,负载波动大,电动机空载率高等具体情况,利用先进的人工智能技术和微处理技术,开发出具有特色的中国人自己的节电产品来。
1.3异步电动机调压节能控制方法
本论文主要从电机的软起动控制和轻载调压控制两方面着手,达到节能的目的。
异步电动机的起动控制方式:
异步电机是以反电势来平衡外电压的,反电势随着转子转速的增加而逐渐增大,电动机在起动之初反电势为零,所以起动时冲击电流很大,约为额定电流的5~7倍。
对于功率较大的异步电机起动时电流会达到几千安培,会对电网造成很大的冲击,使电源电压下降,影响同一电网上的其它设备的起动和正常工作。
基于以上的原因,电动机一般不允许直接起动,必须对其起停加以控制。
可以实现异步电机软起动的方式主要有:
离心连接方式、变频调速起动方式、降压起动方式。
(1)离心连接方式
包括液力耦合器,电磁转差离合器等多种形式。
其基本原理是在电机和负载之间加入中间级以起到缓冲作用,离心连接可用于调速,但调速范围不大,精度低。
这种起动方式可以防止起动时对负载设备的冲击,但不能防止起动过程中冲击电流对电网的影响。
(2)变频调速起动方式
变频调速系统除进行电机调速外,还可以实现平滑起动。
在电机起动加速时,逆变器输出频率做线性增长,随频率增大电压随之增高,可使电机起动时的电流限制在1.5I左右。
对于有调速要求的电力拖动系统,宜采用变频器调速方式。
但这种电机控制器的电路复杂,成本较高,当不需要精确调速时,不适合应用这种起动方式。
(3)降压起动方式
包括常规的降压起动和固态软起动器起动两种方法。
常规的降压起动方式主要有:
定子电路中串入起动电抗、星—三角形起动、自耦变压器降压起动等。
这类起动控制可以达到减小起动时的机械及电器冲击的基本要求,但它们仅仅是名义上的软起动控制器,因为它们将起动阶段分为两个或多个步骤,起动电流由一级向相邻一级跳变时会产生跳跃冲击,且这类控制器均以接触器为主要部件,虽然经过不断的设计改进,但还是存在不可消除的缺点,如体积大、机械磨损、触头烧熔、工作噪声、工作时的射频干扰和机械震动,为此,起动设备需要经常维修,实践表明,这类起动器的性能比电机本身还要差。
另外一种降压起动方式是用固态起动器起动。
固态起动器是一种新型的无触点起动器,通过半导体元件来控制。
在三相电路的每一相有两个晶闸管反并联连接,控制输出的触发脉冲即可调整晶闸管的输出电压
。
图1.1异步电机结构图
1.4异步电机软启动技术概述
1.4.1传统启动与软启动
异步电机的传统启动方式有全压启动、星三角降压启动和自耦降压启动等。
前者启动电流大,5-7倍的启动电流造成能量的巨大消耗,对电网和变压器也有很大冲击,影响电机本身及控制期间的寿命;后两者启动电流较小,但同样存在冲击电流,设备故障率较高,同时启动转矩降低,启动时间延长。
所谓“软启动”,就是按预先设定的控制模式进行的电机降压启动过程。
交流电机启动时的电流一般是额定电流的1.5倍,软启动的主要目的是降低异步电机的启动电流,提高系统运行稳定性,延长电机及相关设备的使用寿命。
1.4.2软启动器的基本原理
软启动器的晶闸管调压电路由6个晶闸管两两反向并联组成,串接于交流异步电机的三相供电线路之上。
(图1-1)加入启动信号后,系统软件首先施加若干毫秒的固定延时用于系统自检,然后进行有关计算,输出晶闸管触发信号,通过控制晶闸管导通角α,使启动器按所设计的模式调节输出电压、控制电动机的启动过程。
启动过程完成后,单片机再发出控制信号,启动器将用于短接可控硅的旁路接触器吸合,短路掉所有的晶闸管,使单片机控制系统停止工作,电机直接投入电网运行,避免不必要的电能损耗。
图1.2晶闸管调压主电路
1.4.3 软启动器的工作方式
(1)限流软启动 主要用于轻载启动。
在启动过程中限制启动电流不超过某一设定值(Im),其输出电压从零开始迅速增长,直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im,然后在保持输出电流I 限流软启动的优点是启动电流小、对电网电压影响小,且可按需要进行调整(启动电流的限值Im必须根据电动机的启动转矩来设定,Im设置过小将会使启动失败或烧毁电机),缺点是在启动时难以知道启动压降,不能充分利用压降空间,损失启动转矩,启动时间相对较长。 (2)电压斜坡启动 用于重载启动。 输出电压由小到大斜坡线性上升,将传统的降压启动变有级为无级。 电压斜坡启动缺点是启动转矩小,转矩特性呈抛物线型上升,对启动不利,且启动时间长,对电机也不利。 改进的方法是采用双斜坡启动: 输出电压先迅速升至U1(电动机启动所需最小转矩所对应的电压值),然后按设定的速率逐渐升压,直至额定电压。 初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。 这种启动方式的特点是启动电流相对较大,但启动时间相对较短。 (3)转矩控制启动 主要用于重载启动,它是按电动机的启动转矩线性上升的规律控制输出电压,它的优点是启动平滑、柔性好,对拖动系统有利,同时减少了对电网的冲击,是最优的重载启动方式,其缺点是启动时间较长。 (4)转矩加突跳控制启动 与转矩控制启动同样用于重载启动。 不同的是,突跳控制在启动瞬间用突跳转矩克服拖动系统的静转矩,然后转矩平滑上升,可缩短启动时间。 但是,突跳会给电网发送尖脉冲,干扰其它负荷。 (5)电压控制启动 用于轻载启动,在保证启动压降的前提下使电动机获得最大的启动转矩,尽可能地缩短启动时间,是最优的轻载软启动方式。 1.4.4 软启动器的适用场合 (1)生产设备精密,不允许启动冲击,否则会造成生产设备和产品不良后果的场合。 (2)电动机功率较大,若直接启动,要求主变压器容量加大的场合。 (3)对电网电压波动要求严格,对压降要求≤10%UN的供电系统。 (4)对启动转矩要求不高,可进行空载或轻载启动的设备。 严格地讲,启动转矩小于额定转矩50%的拖动系统才适合用软启动器解决启动冲击问题。 重载或满载只能采取变频软启动,实现无过流软启动,提供1.2-2倍额定转矩的启动转矩。 (5)软启动器的缺点是不能长时间应用于启动转矩要求很高的电机驱动装置上。 这是因为电机软启动器实际上是将自身电压斜坡式抬升至最大值,停机过程中又逐渐下降至设定的关机水平来完成工作的。 由于转矩与电压平方成正比,连接电机无法一开始就达到最大转矩,因此软启动器更适合于风扇、电梯、水泵、传送带等轻型易启动设备。 图1.3美国威尔凯电气软启动装置 1.5节能运行技术发展现状 1.5.1 节能运行的基本原理 电机效率是电机输出功率与输入功率比值的百分数。 因为电机的输入功率并不仅用来驱动电机、在轴上输出功率,还有一部分
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