三相异步电动机节能保护器

1.1 课题的目的和意义

在电机领域中，三相交流异步电动机的节能一直是人们研究关注的焦点，尤其是最近这几年我国出现电力供应不足的状况，交流异步电动机的节能设备的研制与更新变得十分重要。但目前节能设备绝大部分存在成本太高的现象，这一现象对异步电动机节能设备的推广使用造成了很大的阻碍。本文通过分析异步电动机的功率损失，对三相异步电动机Y/△转换降压运行的工作特点、节能原理、节能保护器对应采取的抗干扰措施等问题进行了详细的描述。并以此为基础提出了一整套性价比较高的设计方案，即用单片机控制的三相异步电动机Y/△转换节能保护器。根据在传统电动机中，经常性的在Y/△转换点进行切换的问题，相应提出了人为对临界负载率进行设定以及对时间进行转换的方法来解决这个问题。同时，在经过多次的实验基础上，对出现的问题进行解决与改进，使这个通过单片机控制Y/△转换以达到节能目的的方案越来越完善。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

我国目前拥有的各种类型电动机总容量大概4亿千瓦，电动机系统年损耗电量更是超过6千亿度，占电力消费总量的一半比例以上。其中大部分是电机是中小型的，然而相当于世界近代技术水平电动机的大概只占7成，相当于70年代水平的电动机却只占很小一部分，具有80年代末水平的高效电动机所占的比例更是小之又小。另一种说法，中国在使用的电机拖动系统的整体配置水平与发达国家50年代的水准相持平，中国当前制造的高效节能电机仅占电动机比例的5%，但几近都被国外所用。有关专家对此进行估算,我国电机拖动系统的能源利用效率在设计、制造等各种原因影响下大概低于发达国家10%-30%，总的节能潜力大概为1千亿千瓦时，与20个大型火电厂的年发电量差不多，对此进行改进所需的费用大概500亿人民币。

1.2.2国外研究现状

近年来，国外出现了大面积的电力短缺的情况下，大部分的城市转移高峰负

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 荷电力的实施，分时限电，使电机节能的研究变得更加重要和紧迫。这表明，如果要符合国外的国情，那么不仅要使电机的节能设备具有较好的效果，也要尽可能减少成本。美国计委对电机系统节能非常重视，已把电机系统节能作为节能计划的重要内容。

1.3主要研究内容

在对电动机的功率损失进行分析后，又对电动机Y/△转换的工作特点及原理进行分析，最终以此为基础拟定了用单片机对电动机Y/△转换进行控制，以达到电动机节能的目的的方案，这个方案具有较高的性价比，需要的经费不高，而且节能的效果非常明显。在通过多次实践后，对在实践中出现的问题进行改进，使这个方案越来越完善。用单片机控制电动机Y/△转换，使电动机在运行时处于非空载或非轻载状态，对于企业来说，这样大大减少了企业的能量损耗，同时，也对企业的经济效益有了很大的提升。

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第2章 三相异步电动机

2.1 电机的分类

电动机是一种通过将磁场作为其媒介，然后对电能和机械能之间进行相互转换的电力器械。电机在各个领域都有非常广泛的应用。不同型号的电动机有不同的功能。电动机有很多种分类方法，所以电动机也有很多种相应的种类。 （1）根据工作电源进行分类。依据不同的电动机具有不同工作电源，可以将电动机划分成直流和交流两种。

（2）根据结构和工作原理进行分类。依据不同的结构及不同的工作原理，可以将其划分为直流电动机、异步电动机和同步电动机三种。同时直流电动机如果按照结构及工作原理又划分成无刷直流电动机和有刷直流电动机两种。 （3）按根据转子的结构进行分类。根据电动机转子结构的不同，可划分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机两种。

（4）根据用处进行分类。用途不同所使用的电动机也不同，可分为驱动用电动机和控制用电动机。

当前中国生产的三相异步电动机月系列额可达100多，品种多达300以及500多个规格。按电机尺寸分成大、中、小型。

大型：中心高H > 0.63m,定子铁心外径iD > 1m,功率范围超过400KW，电压有0.3KV和0.6KV两种。

中型：中心高H在0.355m至0.63m之间,定子铁心外径iD 在0.5m至1.0m之间,功率范围在45KW至1250KW之间，电压为0.38KV和3KV和6KV。

小型：中心高H在0.08m至0.315m之间,定子铁心外径iD在0.12m至0.5m之间,功率范围在0.55KW至132KW之上，电压为0.38KV。而Y（IP44）系列的中心高H在0.08m至0.28m之间,定子铁心外径iD在0.12m至0.445m之间，总共有11个机座，功率范围在0.55KW至90KW之间，电压380V。

2.2三相异步电动机的结构

三相异步电动机可以分成非常多种，但每一种三相异步电动机的基本结构是相差不大的，定子与转子都是三相异步电动机的两大基本组成部分，而且在定子和转子之间还存在一部分间隔。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 2.2.1定子部分

定子的作用是产生旋转磁场。外壳、定子铁心、定子绕组这三部分是三相电动机定子的重要组成部分。 （1）外壳

三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。 机座：对三相电动机的定子绕组起到保护和固定的重要作用。中、小型三相电动机的基础是伴随着两个转子轴承的端盖，在三相电动机的结构中发挥关键的作用。一般情况下，大部分机座外表上都铸有散热片是因为它使得机座外表具有良好的散热性。

端盖：浇铸铸铁或铸钢而成，通过端盖把转子固定在定子里，并且使之能够均匀转动。

轴承盖：铸铁或铸钢成型，通过轴承盖固定转子，使之不能轴向转移，还具有存润滑油重要作用和保护轴承。

接线盒：大部分是用铸铁浇铸而成，它起到保护和固定绕组的引出线端子的作用。

吊环：大部分是用铸钢制造，可安装在上机座，有升降、搬运三相电动机的作用。

（2）定子铁心

定子铁心是由薄硅钢片经过冲压后而成，硅钢薄膜包覆这一层绝缘漆，厚度为0.35mm至0.5mm不等，如图2-1所示。由于硅钢片有较薄的特点，而且片与片之间是绝缘的，由于交变磁通通过会引起的铁心涡流，这样做就可以减少涡流的损耗。在内圆分布着均匀槽口的铁心，可以嵌放定子绕圈。

图2-1定子铁心

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） （3）定子绕组

三相电动机还有一个主要电路部分，就是定子绕组。旋转磁场三相绕组在异步电动机在三相对称时电流通过。三个独立的绕组组成的三相绕组，经过一定数量的线圈连接之后便组成了绕组。每个绕组等效于一相，绕组与绕组之间存在着120°空间差的电角度。绝缘铜线或绝缘铝线经过缠绕之后组成了线圈。中、小型三相电动机大部分采取圆漆包线的方式，用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线经过绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内才组成了大、中型三相电动机的定子线圈。将定子三相绕组上的六个出线端分别引到对应的接线盒上，并在前侧分别标为U1, V1, W1，末尾分别标为U2, V2, W2 。将这六个出线端在接线盒里进行排列，如图2-2所示，就可以连接成星形或三角形。

图2-2定子绕组

2.2.2转子部分

（1）转子铁心

由0.5mm厚规格的硅钢片经过叠压后形成转子铁心，将之套到转轴上，与定子铁心有相同的作用，一方面作用于电动机磁路，另一方面可以转子绕组安放在其上面。

（2）转子绕组

根据异步电动机的转子绕组可以将电动机划分为绕线转子异步电动机和笼形异步电动机两种。

这两种绕组的差别几乎无异，都是一个三相绕组在正常情况下将它连接成星形，在转轴上有三个与转轴绝缘的集电环，然后分别将之接上三相引出线，为了使其通过电刷装置连接到外部电路，可以通过串联电阻或者电动势转子电路，从而达到提高电动机性能的目的。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 如图3-3（a）所示。可以在一个铸铝转子端环和风扇叶片用铝液一次浇铸而成，这种方法被称为铸铝转子，如图2-3（b）所示。铸铝转子一般在100KW以下的异步电动机中使用的比较广泛。

（a）铜排转子 （b）铸铝转子

图2-3笼形转子绕组

（3）其他部分

端盖不但有防护的作用，而且将轴承装在端盖上可以起到支撑转子轴的作用。风扇则具有对电动机进行通风冷却的功能。三相异步电动机的定子与转子之间会存在0.2mm至1.5mm的空气隙。这是因为电动机在运行时，如果气隙太大会导致其功率因数太低；如果气隙太小会在装配时变得更加困难，导致运行变得不可靠，同时高次谐波的磁场也会得到增强，从而致使附加损耗的增加以及启动性能的降低。

2.3三相异步电动机的用途

小型异步电动机也有它非常广泛的的作用，各种机械中经常以它作为的主要动力元件。Y系列异步电动机可以依据不同的需求在正常的工作环境，或者潮湿闷热、灰尘多、易发霉和风吹日晒，以及有冲击波动和有爆炸危险的环境中使用，不但可以恒速传动，又可变速传动。这种电机可以间断或不间断地工作。之所以能在各种机床、风机、水泵、压缩机、食品加工等各类机械设备上能得到广泛应用就是因为它有着以上这些特点。

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第3章 系统总体方案设计

通过查阅资料并进行深刻理解后，我发现电动机节能保护器设计有许多种方案，而且这些方案都能达到节能的目的，下面，对其中3种方案进行分析，分别如下。

3.1 PLC控制电动机Y/△转换

异步电动机有两种启动方法，分别是直接启动和降压启动。直接启动的原理是把电动机在启动时就接入电网并对此加上额定电压。正常情况下，电动机的容量应该比直接供电变压器容量的20％至30％还要小，这种情况下都可以进行直接启动。直接启动具有简单明了、经济实惠的优点，对于容量小于10KV的电动机，一般都是选择用直接启动的方法。

当电机容量较大的时候，一般应该采用降压启动方式，它具有限制启动电流的特点，Y/△降压启动、自耦变压器降压启动和定子串电阻降压启动等这些方法都是经常在实践中使用的降压启动方法。如果定子绕组在正常运行时接为△形，这种情况下电动机一般会采用Y/△降压启动的方法。将定子绕组在电动机启动时连接成Y形，这样可以实现减压启动。待到电动机正常运转后再换接成△形接法。

3.1.1 电动机Y/△启动继电器控制电路

三相异步电动机Y/△启动的继电器控制电路如图3-1所示。

图3-1继电器控制电路图

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） SB1是启动按钮，按下SB1的时候启动，然后接触器KM1和KM3紧接着接通。所以定子绕组启动时是连接成Y形的，也就是降压启动，同时在延时继电器KT接通后开始计时。经过5秒（启动时间可自行设定）后接触器KM3断开，KM2接通。当KM3断开之后，通过一级延时致使KM2接通，这样可以达到避免KM3在没有断开时KM2就接通而造成短路的现象发生的目的。

SB2是停止按钮，按下SB2时停止，接触器KM1和KM2断开，电动机就停止转动了。电动机热保护继电器是FR，如果电动机发生过载的现象，1002触点就会断开，2000-2003断电，致使电动机停止运行。

3.1.2 输入/输出地址分配

各个元件编号如表3-1所示。

表3-1输入/输出端口地址分配表

输入 名称 SB1 SB2 FR 地址 1000 1001 1002 名称 KM1 KM2 KM3 输出 地址 2000 2001 2002 名称 一级定时 二级定时 定时器 地址 8000 8001 3.1.3 绘制梯形图

编制梯形图如图3-2所示。

图3-2梯形图

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 3.1.4 外部输入/输出电路图

设计用PLC控制的外部输入/输出电路图如图3-3所示。

图3-3外部输入输出电路图

3.1.5 方案特点

用PLC控制电动机节能保护器，虽然具有控制方便、无谐波污染的优点。但是具有体积大、重量大的缺点，如果根据实际需求加入保护电路，那么会导致它的辅助电路和接线变得十分复杂，成本也随之成倍增加。

3.2电子式软启动器

图3-4电子式软启器框图

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 电子式软启动器绝大部分都是用晶闸管调压电路作为其主电路的，启动时，控制系统对晶闸管的导通角进行控制，慢慢提升电动机的端电压。同时在运行过程中可依据定子电流控制电动机的端电压，从而达到节能的目的。电子式软启动器的框图如图3-4所示。

电子式软启动器有很多特点，比如噪音小、电流检测精准度高、启动时间和启动电流可以控制、启动过程稳定、启动转矩和电流可以调整、操作简单易懂、维护量小、可以多次启动等。

但是，它的价格太高，导致在电子行业里它不是首选产品。

3.3单片机控制电动机Y/△转换

这个是由单片机控制系统经过电流检测之后，根据检测的结果来判断是否进行单片机控制，以及是否要发生保护动作。

3.3.1 单片机控制的Y/△转换节能保护器

单片机控制的节能保护器系统框图如图3-5所示。

图3-5节能保护器系统框图

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 3.3.2 方案特点

以单片机作为主要控制的Y/△转换节能保护器的工作原理是由单片机依据当前检测的结果来确定是否进行Y/△切换以及进行保护。与PLC控制的节能保护器相比，单片机控制的Y/△转换节能保护器具有低成本、控制方法简洁明了、接线容易、小巧、而且运行过程的时间非常短的优点。

3.4 方案确定

最终，经过对以上3中方案进行研究与对比，结合自身学识以及掌握到的资料，我选择方案3，用单片机控制电动机进行Y/△转换以达到节能的目的。

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第4章 系统硬件设计

经过分析，本设计的系统硬件由单片机、电流互感器、直接跳闸电路、输入电路、信号指示电路、Y/△转换隔离驱动电路、保护驱动电路组成。

4.1 单片机主芯片

单片机主芯片的型号有很多种，我在这个设计中，通过各种资料并结合自身的知识，最终我选择了P87LPC767主芯片。

P87LPC767单片机的引脚接线图如图4-1所示：

图4-1 P87LPC767单片机引脚图

该芯片由PHILIPS公司生产。该单片机有20脚封装，在一些集成度高、成本低的场合上受到普遍的使用。可以满足很多方面的性能要求。P87LPC767单片机属于PHILIPS小型封装系列，相比于其他型号的单片机，它有很多特点，比如提供高低速的晶振和RC振荡方式，可编程选择，电压范围大，可编程模式多样，触发输入多样，LED驱动输出多样等。该单片机的部分引脚具有2个功能，比如引脚17，它可以是普通I/O口P0.4，也可以当作模拟信号的第一通道。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 在+2.7VDC至6.0VDC电压之间进行操作，时钟频率在VDD为2.7V至4.5V之间时最大，可达到10MHz。VDD为4.5V至5.5V之间时，可达到20MHz的最大时钟频率；内部集成有128Byte的RAM，4KByte的OTP程序存储器，2个16位的定时/计数器，4路8位的单极性A/D转换通道，32Byte用户代码区有着存放序列码及设置参数的功能，2个模拟比较器，8个键盘中断输入，另加2路外部中断输入，4个中断优先级，而却自带看门狗与电源监控功能。

本单片机A/D转换的参考电压是电源电压，最小可以使用+3伏直流，而在本设计中我使用的电源电压是+5VDC。

4.2电流互感器

电流互感器如图4-2所示。

图4-2 电流互感器

电流互感器是串联在电路中的，因为是三相异步电动机，所以电流互感器有3

个，分别为CT1、CT2和CT3。它能够判断电动机电流是否超过安全值以及是否工作在经济工作区，以便于单片机进行处理。

4.3 输入电路

因为P87LPC767单片机本身引脚较少，这使得对程序存储器EPROM的扩展会因为系统的输入/输出量占用的引脚数量较多而变得更加困难。为了减少程序大小可以选用算法更为简单明了的直流采样，从而达到代码量比P87LPC767单片机的4kEPROM空间小的目的。图4-3为输入电路原理图。

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图4-3输入电路

在本设计中，三个线性整流电路组成输入电路。线性整流电路主要对电流互感器的输出电流进行判断。精密电阻可以将从电流互感器输出的二次交流电流信号转变为交流电压信号，再经过电位器(该电位器作校准额定电流用)对交流电压信号进行分压，接至图4-3中的input端，经过分压后，将电压信号绝对值取平均值并于output端输出。直流信号从output端输出，到单片机的A/D转换口输入，单片机通过运算采样值来确定是否进行保护动作以及Y/△转换；另一路从硬件保护电路输入，并以此判断是硬件过流保护的动作是否完成。

4.4 直接跳闸电路

直接跳闸电路的工作原理是单片机当判断出电动机短路时控制跳闸电路立即发生跳闸。当电动机发生短路时，导致电流过大时。如果过流保护没有及时进行保护，就可能损坏电动机，严重的甚至会烧毁电动机。因为单片机存在很多保护的环节，所以，系统的电动机硬件过流保护利用迟滞比较器电路，解决了保护动作缓慢的问题。图4-4为硬件保护的直接跳闸电路原理图。

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图4-4直接跳闸电路

在电路中，LM339是电压比较器，以它为基础元件构成迟滞比较器电路。如果LM339的正输入端小于负输入端，则输出的是低电平，那么我们可以看出电路发生了故障。其输入包括电平信号和来自单片机的复位信号。它的输出包括两路电平信号以及一路经非门驱动信号，从而驱动继电器ZJ3进行工作；另一种是硬件保护动作信号输入单片机。

本电路需实现的功能是:

如果发生故障，致使电动机的线电流增大到额定电流的5倍时，发出信号进行保护，在电网上切除电动机；进行保护动作后，由于线形整流滤波电路会发出电平信号，发出后电平信号就变为零。

其具体实现方法如下:

在输入电平大于一定值的状况下，输出高电平将会驱动ZJ3的线圈，并且进行保护动作，一直到输入电平减少到零，在R34形成的正反馈回路影响下，LM339的13脚电平始终比12脚的电平大，导致输出一直处于一个较高的电平，从而导致线圈一直处于功率损耗的状态下。D3在接收到单片机发出的低电平复位信号后接通，LM339处于低电平输出状态，导致KM3的线圈通电，电动机再一次与电网接通。比较器LM339输出端的上拉电阻是R35。电阻R19和电位器R29结合到一起构成了具有分压作用的电路，可以调整R29来提供对比参考电压。C5取0.1uF，具有抗干扰，使参考电压不产生浮动的作用。充电回路由R20与C6组成，具有使保护器上电时LM339上4脚比 LM339上5脚大的作用，不对硬件保护电路进行动作。在回路中起限流作用的是R20。当选择参数，如果充电回路时间常数C6比C5充电回路的时间常数小，可以消除对C5在电路的负面影响。经实践，本设计C6

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 取值500nF能够达到不进行硬件保护动作的目的。

4.5信号指示电路

信号指示电路如图4-5所示。

图4-5 信号指示电路

信号指示电路有2个发光二极管LED1和LED2，将单片机的2个I/O口，即P1.0和P1.1接入到这两个发光二极管上，通过LED1和LED2来代表工作正常与异常。

4.6 Y/△转换隔离驱动电路

图4-6 Y/△转换隔离驱动电路

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） Y/△转换隔离驱动电路如图4-6所示。

单片机读取了三路电流信号之后，判断其电流大小以及是否处于经济状态下运行的，然后通过单片机的P0.7引脚接到Y/△转换隔离驱动电路上，根据输入的高和低电平，分别切换到△形工作状态和Y形工作状态。

4.7保护驱动电路

保护驱动电路如图4-7所示。

光电耦合器的主要原理是通过光来对信号进行传递，其初级和次级电源必须是2中不同的电源，它可以降低系统干扰。通过三极管对电流进行放大，当电路发生短路的时候，光电耦合器切换到低电平，发光二极管不发光，此时可以认为电阻R36无穷大，导致断开。三极管基级被R36拉到低电平，所以三极管不导通，VCC没有电流通过，所以KM3不吸合，线圈没有电流通过，从而达到保护的作用。

如果发光二极管发光，其次级电路R21可以认为是无穷小，R36上面的电压无限接近VCC的电压。此时，R21起的时限流的作用。

图4-7 保护驱动电路

4.8整体电路原理图及工作过程

将上述几个电路组合到一块，就是系统的整体电路流程图。整体电路原理图见附录1所示。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 工作过程：

因为电动机是三相异步电动机，所以电路中串联3个电流互感器。电流互感器从电动机中接收电流信号，对其信号进行判断电动机是否处于经济运行状态，方便单片机进行处理。然后将信号通过InPut端传递到输入电路上，从OutPut端输出。输入电路是由A相、B相、C相三个线性整流电路组成的。输入电路对电流互感器传递过来的电流信号进行判断，然后分别传递到单片机的14、17、18引脚上，单片机对这些电流信号进行处理，输入到直接跳闸电路上，如果满足跳闸条件，信号会传递到保护驱动电路，保护驱动电路使电动机从电网上切除；如果不满足跳闸条件，将信号传递到Y/△转换电路。单片机对电流信号进行读取后，判断输出是高电平还是低电平。如果是高电平，那么切换成△形工作状态；如果是低电平，那么切换成Y形工作状态。

保护驱动电路上装有光电耦合器，它主要原理是通过光来对信号进行传递，可以降低系统干扰。

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第5章 系统软件设计

用MCS-51汇编语言对系统的软件进行编写，结构设计模块化。系统软件由多个子程序组成，其中包括主程序、Y/△转换程序、直接跳闸程序等。对这几个程序进行分析如下。

5.1程序流程图分析

调用过程如下:

单片机通电后，主程序的第一步是开机自检，第二步是对各I/O口以及定时器(包含看门狗定时器)的工作状况进行设定，可以初始程序中的变量和信号量，并且利用定时器中断和A/D中断。

系统初始化完成后，首先判断电动机是处于Y形接法下还是△形接法下启动，并将此作为依据设定相关参数的数值，然后以A/D转换的结果为基础对定子电流是否为零进行判断。如果定子电流是零，那么说明电动机没有进入启动状态，接着调用程序；如果定子电流不是零，那么就表示电动机已经进入启动过程，程序进入下一个环节。判断启动过程中是否需要发出复位信号到硬件保护电路上，从而避免保护器上的电时硬件保护产生错误的保护举措。

在电动机进行启动之后，单片机通过调用程序来判断启动过程中有没有不平衡故障。保护动作会在有不平衡故障的前提下启动，单片机等待我们对它进行复位；如果没有不平衡故障，那么启动延时过后，程序自动进入下一个环节。

启动过程结束后，根据反复调用过流，用单片机对子程序、三相电流不平衡子程序和切换子程序进行判断。如果有保护动作，那么单片机进入等待状态重置；如果切换条件满足，那么由单片机发出切换信号对上述三个子程序继续反复调用；单片机会在发现硬件保护动作的情况下直接进入等待状态重置。

在单片机经过A/D采样后，对临界负载率进行采入，然后在程序中加入滞后值，可以有效地避免电动机在临界负载点周围经常性的切换(临界点振荡)，本设计将该回差值设为±3%。通过调整回差值来设定临界负载率，这个方法对阻止临界点振荡非常有效。

对系统的程序流程进行设计，所设计出来的电动机节能保护器程序流程图如图5-1所示。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 开始 判断电动机的启动状态 电动机启动？ 电流采样计算 满足跳闸条件？ 稳态电流采样计算 满足跳闸条件？ 跳闸 等待复位 满足切换条件？ 切换

图5-1流程图

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 5.1.1 Y/△转换流程图

Y/△转换流程如图5-2所示。

单片机读取电流 判断电流是否处于经济运行状 态？ 切换△形工作状态 切换Y形工作状态

图5-2 Y/△转换流程图

单片机读取电流信号后，通过引脚17将电流信号传送到Y/△转换电路上。在经过判断之后，如果电流处于经济运行状态，那么Y/△转换电路就切换到△形工作状态下运行；如果电流不是处于经济运行状态，那么Y/△转换电路就切换到Y形工作状态下运行。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 5.1.2 直接跳闸电路流程图

直接跳闸电路流程如图5-3所示。

检测电流 满足跳闸条件？ 跳闸 等待复位 继续运行下一步

图5-3 直接跳闸电路流程图

直接跳闸电路的工作过程是先对电流进行检测，单片机判断其是否满足跳闸条件。如果满足条件，那么就进行跳闸，使电动机从电网上切除，达到保护的作用；如果不满足条件，那么单片机继续运行。

5.2主程序分析及工作原理

根据原理图，制作的主程序为： void main(void) //主程序 {

adinit();//ad转换初始化 {

Ia=adpro(CTA);//进行A相的电流转换 Ib=adpro(CTB);//进行B相的电流转换

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while(1) //大循环

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文）

}

Ic=adpro(CTC);//进行C相的电流转换

if((Ia>Imax)||(Ib>Imax)||(Ic>Imax))//如果三相电流中，任何一

RELAY=OFF;//关闭系统电源 MOV P0.1 0

//否则

RELAY=ON ;//打开系统电源

相大于短路电流值

else

if((IaMODE=OFF;//转换为Y工作方式

//否则

MODE=ON ;//转换为△工作方式

于Y/△转换电流值

else

} 工作原理：

首先对系统进行初始化，对A、B、C三相的电流进行采样计算，如果三相电流中，任何一相电流都大于短路电流的值，那么就关闭电源，停止对继电器输出的控制，反之，就开启电源，对继电器输出进行控制。如果检测到的三相电流都小于Y/△转换的电流值，那么系统转换为Y工作方式，反之转换为△工作方式。

5.3 整体程序

系统整体程序如下： #include

//库函数定义

#define uint unsigned int //数据类型定义 #define uchar unsigned char//数据类型定义 sbit RELAY=P0^1;//继电器输出控制 sbit MODE=P0^7; //Y/△转换信号电路 uchar Ia,Ib,Ic;// 采集到的三相电流值 #define CTA 3//定义CTA采集引脚为P0.3 #define CTB 4//定义CTB采集引脚为P0.4 #define CTC 6//定义CTC采集引脚为P0.6

#define Imin 50 //定义Y/△转换电流大小。设计数值由电机参数决定 #define Imax 500 //定义短路保护电流。数值由电机参数决定 #define OFF 1 //定义继电器关闭状态送引脚高电平

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） #define ON 0 //定义继电器开启状态送引脚低电平 //以下是单片机AD转换寄存器定义

sfr P0M0 = 0x94; //0000,0000 端口0模式寄存器0 sfr P0M1 = 0x93; //0000,0000 端口0模式寄存器1 sfr P1M0 = 0x92; //0000,0000 端口1模式寄存器0 sfr P1M1 = 0x91; //0000,0000 端口1模式寄存器1 #define ADC_POWER 0X80//ADC power control bit #define ADC_FLAG 0X10//ADC complete flag #define ADC_START 0X08//ADC start control bit #define ADC_SPEEDLL 0X00//540 CLK #define ADC_SPEEDL #define ADC_SPEEDH //ADC 特殊功能寄存器

sfr ADC_CONTR = 0xBC; //0000,0000 A/D转换控制寄存器 sfr ADC_RES = 0xBD; //0000,0000 A/D转换结果高8位 sfr ADC_RESL = 0xBE; //0000,0000 A/D转换结果低2位 sfr P0ASF = 0x9D; //0000,0000 端口0模拟功能配置寄存器 /**************************** 指定通道的AD处理子程序 ****************************/ void adinit()//AD转换初始化 {

unsigned int adpro(unsigned char channel)//AD转换对应通道 { 束

ADC_CONTR &= ~ADC_FLAG; //清ADC_FLAG位

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0X20//360 CLK 0X40//180 CLK

#define ADC_SPEEDHH 0X60//90 CLK

P0M0=0xff;//配置单片机为输入口

P0ASF=0xff;//配置为模拟通道

}

unsigned int adbuf=0;

ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDHH|ADC_START|channel;//启动转换

while(!(ADC_CONTR & ADC_FLAG)); //0001,0000等待A/D转换结

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adbuf = ((adbuf|ADC_RES)<<2)|(ADC_RESL&0x03); return adbuf;

}

void main(void) //主程序 {

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adinit();//ad转换初始化 { }

Ia=adpro(CTA);//进行A相的电流转换 Ib=adpro(CTB);//进行B相的电流转换 Ic=adpro(CTC);//进行C相的电流转换

if((Ia>Imax)||(Ib>Imax)||(Ic>Imax))//如果三相电流中，任何一

RELAY=OFF;//关闭系统电源 MOV P0.1 0

//否则

RELAY=ON ;//打开系统电源

while(1) //大循环

相大于短路电流值

else

if((IaMODE=OFF;//转换为Y工作方式

//否则

MODE=ON ;//转换为△工作方式

于Y/△转换电流值

else

}

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第6章 电动机节能保护器影响因素的分析

6.1有关空载电流对保护器的影响

在大的空载电流情况下单片机不能只依据定子电流来电动机在实践中负载的大小进行判断。如果将处于△/Y转换下的电流，即空载电流设为4.5A，当实际负载增大到4.5A，并没有明显的节能效果。电动机节能保护器只能适用于空载电流较小的电动机是因为绝大多数的电动机空载电流只有额定电流的30%至70%，因此对电动机节能保护器的应用场合有了一定的限制。

如果单片机没有采集电压、电流之间的相位差，将会导致出现空载电流的问题。如果单片机对相电压进行采集，并根据其与相电流算出功率因数，那么控制策略便可更改为依据相电流与功率因数来共同确定是否进行△/Y转换。这样的话就能够使空载电流对电动机节能保护器在场合的应用上不受限制。

6.1.1采用鉴相器电路

如果继续用直流采样，可用鉴相器电路具有把电压与电流信号的相位进行比较的功能，输出与相位差成比例平的电平，用A/D采样当作这种电平的输入，单片机是否进行切换可以根据电动机线电流的大小以及功率因数来决定，对前述问题进行解决。

当电动机在△形接法下运行时，定子电流比额定电流的40%还要小,那么直接转换到Y形接法下运行。如果定子电流大于额定电流的40%，那么此时判断功率因数角，如果功率因数角大于600,(对于工频信号来说），与电流的相位差大约是3.3ms。则转换为Y形接法下运行；如果功率因数角没有大于600，那么就不进行切换。

6.1.2采用交流采样法

如果采用交流采样当作电动机二次电压、电流输入的方法，通过依据电压信号和电流信号过零点的时间差，单片机可以得出功率因数角，它的Y/△切换与否可以依据电流与功率因数角综合决定。

交流采样是与直流采样方法相对应的另外一种A/D采样的方法。如果想要计算出电压、电流的有效值以及功率因数，那么就要在一个周期T内对交流量进行

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） N次间隔采样，最终得出。

交流采样的算法有许多种，但是大体上可以分为时域分析算法和频域分析算法这两种。积分法和二点法属于时域分析算法；离散傅立叶变换法(DFT)和快速傅立叶变换法(FFT )属于频域分析算法。为了提高计算的精准度和运算速度，积分法和傅立叶变换法均可以用分段线形插值法和抛物线插值法进行改进。

本设计具有以下特点:

（1）由于系统的主控芯片是单片机，导致其运算能力相对较差； （2）以D转换器为单极性，不能直接采交流信号；

（3）用电网频率作为被采用的电量信号频率，具有高稳定性的特点，因此可以将频率信号提取电路及N倍频电路忽略不计；

根据上述几个特点，可采用积分法这个简洁明了的方法进行交流采样。交流采样的输入是二次电压、二次电流信号，整流之后，输出的是脉动直流信号。为了在计算平均值时可以用右移运算代替多字节除法运算，我们将单片机设置成只对交流信号进行A/D采样，通常采样2n次/周期。这样做既简化了程序，又加快了运算速度。交流信号的绝对值的平均值可以用每周期各采样点A/D结果表示。

功率因数的计算的原理是在A/D采样程序每捕捉到一次电压过零点，就会发生一次A/D中断，记数值就加1，在A/D采样程序捕捉到对应线电流的过零点时才停止。因为A/D中断是等时间间隔发生的，所以上述的记数值就与电压、电流之间的相位差相对应。运算的精度与单片机在一个周期内的采样次数相关。如果单片机只在一个周期内采样64次，那么相对应的相位差的误差与每个周期的采样次数N的关系为π/N，这样完全满足该系统要求。

考虑单片机的程序存储器空间具有存储空间量有限的不足之处。总代码量为采用该算法后程序量与串口RS232转USB接口程序预留代码空间之和，小于单片机自带的EPROM空间量，所以这个方法可行。

本系统采用交流采样的方法后，电机的校准方法，即额定电流，额定整流交流输入电压对应的电压是确实可行的。额定电流在利用交流采样之后转换成了交流输入电压，即电流互感器经过并联之后使电阻变得更加精确，通过电位器分压而输出交流电压信号。

6.2其他因素考虑

除了上述这几个影响因素，节能保护器自身性价比也是应该考虑的一个问题。 PHILIPS公司生产的P87LPC767单片机是一款自身资源相对较丰富，性能价格比较高的单片机。之所以选它作为控制电路主芯片，是因为它具有自带的A/D

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文） 接口，键盘用电位器代替、LED显示器或液晶显示器等输入、输出设备的特点。这不仅大大简化了程序，同时也获得了较高的性价比。

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结 论

本设计通过对一些常用的单片机节能保护器进行分析对比，并且分析节能保护器的原理，根据实际要求，我采用了P87LPC767单片机作为控制Y/△转换的电路主芯片，并且以此为基础完成了我的三相异步电动机节能保护器的设计。

在这个设计中，介绍了许多元器件的功能、组成及工作原理，可以根据实际需求或者目的在程序中加入相应的功能进行控制。通过对各个方案进行分析和理解，得出了用单片机控制电动机Y/△转换的方案更能达到节能的目的，而且成本不高。

在对设计的软硬件进行分析之后，设计过程中也出现了一些影响因素，比如环境影响因素，但是根据所学知识及老师帮助解决之后，电动机节能保护器的设计也随之进一步得到完善。

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参考文献

[1]肖蕙蕙.现代电子技术[J],2014年第21期 [2]李嘉民.中小型电机[J],2001年第4期

[3]李敏.单片机控制三相异步电动机节能保护器的研制[M],电工技术杂志,2001 [4]史玉升.三相异步电动机的节能与安全监控[M],电气传动,2001 [5]侯崇升.单片机控制的交流异步电动机节电器[M],电气时代,2002 [6]刘光斌.单片机系统实用抗干扰技术[M],人民邮电出版社,2003 [7]潘留占.单片机控制的三相电机保护器[M],电工技术杂志,2000 [8]赵荣祥.基于PIC单片机的智能电机保护器[M],工程设计学报,2005

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[10]嗣娟.网络式电动机智能保护系统[M],山东科技大学,2005 [11]刘学军.继电保护原理[M],中国电力出版社,2004 [12]陈生贵.电力系统继电保护[M],重庆大学出版社,2003

[13]周文勇.三相感应电动机综合保护装置研制[M],重庆大学,2002 [14]高艺.智能型电动机综合保护器的研究[M],沈阳工业大学,2004

[15]Mujal-Rosas, R.Orrit-Prat, J.IEEE Transactions on Industrial Electronics[M], EI SCI,2011

[16]RamonMujal-Rosas.International journal of electrical power and energsystems[M], EI SCI,2012

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致 谢

在这短短几个星期的毕业设计时间里，我再一次学习并巩固了我大学里学到的专业知识，包括关系单片机、PLC、汇编语言等。通过这次毕业设计，还让我提升了自己独立去思考问题，解决问题的能力，极大地提高了我自己动手和操作的能力，这让我可以在以后的工作中更加游刃有余。

在此次的毕业设计里，高运泉老师给了我非常大的帮助，在老师严谨的指导以及无微不至的关照下，我得以顺利完成我的毕业设计。同时，我也被高老师渊博的学识，严谨的教学态度以及孜孜不倦的精神让我深深震撼，这些都是能够让我受益终生。在此，我要特别感谢这段时间给予我这么多的帮助的高运泉老师，谢谢！

由于我的专业知识有限，掌握到的知识不是特别多，并且缺少实践经验，这就使得我在设计的过程中出现了许多难点，但是在高老师的耐心指导和解释下，我一一克服了这些困难。同时，在我遇到困难的时候同学们以给予我很大的帮助，他们用有限的知识跟我一起讨论、研究，最终我们也一起克服了各种各样的困难，也要谢谢我的同学们。

最后，再一次由衷感谢我的指导老师高运泉老师，没有老师的指导，我也不能如此顺利地完成我的毕业设计，谢谢高老师！

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