交流異步電動機節電器的設計

揚州大學物理科學與技術學院 趙 卉 戴忠良 朱金榮

1.引言

目前的電機節能技術主要是通過改進起動控制方式和運行中節能兩部分進行節能，傳統的起動方式主要有以下兩種：(1)直接起動方式，也叫全壓起動。起動時通過一些直接起動設備，將全部電源電壓直接加到電動機的定子繞組，使電動機在額定電壓下進行起動。直接起動的起動線路是最簡單的，然而對于需要頻繁起動的電動機，過大的起動電流將造成電動機的發熱，影響電動機的壽命；同時電動機繞組在電動力的作用下，會發生變形，可能引起短路，進而燒毀電動機；另外過大的起動電流，會使線路壓降增大，造成電網電壓的顯著下降，從而影響同一電網的其他設備的正常工作，有時甚至使它們停下來或無法帶負載起動。(2)傳統減壓起動方式。減壓起動是在起動時先降低定子繞組上的電壓，起動后，再把電壓恢復到額定值。常見的減壓啟動有以下四種：①星形-三角形(Y-△)起動；②串電抗起動；③自耦變壓器起動；④延邊三角形起動。減壓起動雖然可以減小起動電流，但是起動轉矩也會同時減小。因此，減壓起動方法一般只適用于輕載或空載情況下起動。

本文設計的節電器采用軟起動的方式，彌補了傳統起動方式的不足。本文采用六只晶閘管，兩兩反向并聯，串聯到電動機的三相電源線路上，系統發出起動指令后，起動器微機控制系統就會進行數據據運算，使得輸出晶閘管發出觸發信號，控制晶閘管的導通角，按照設定的模式，調節輸出的電壓，達到控制電動機起動的目的。由于在起動前設定了一個不對電網產生影響的起動電流，電流是緩慢增大至設定電流，故無沖擊電流，所以對電網的影響很小小，并且降低了起動力矩的沖擊。在節能的同時，增加電動機保護電路，在出現缺相、過載、短路等故障時可以及時切斷電源，保護電動機。

2.系統整體結構

本設計的電路包括負載跟蹤電路，故障檢測電路，欠壓補償電路，電機控制電路和為各電路提供工作電源的直流電源電路等，如圖1所示。

直流電源電路如圖2所示，12V直流供電電路由變壓器T1、二極管D1—D4組成的整流橋、12V穩壓管DW1和濾波電解電容C1組成，變壓器T1的兩個輸入端與交流輸入電壓兩端連接，變壓器T1的兩個輸出端連接整流橋的兩個輸入端，12V穩壓管DW1連接在整流橋的兩個輸出端，濾波電解電容C1并聯在12V穩壓管DW1的兩端。5V直流供電電路是在12V直流供電電路基礎上采用三端穩壓器SWDZ1產生。12V電源接三端穩壓器SWDZ1輸入端，濾波電解電容C2、C8接在三端穩壓器SWDZ1和地之間。直流電源電路為后續電路提供低電壓工作電源。

負載跟蹤電路如圖3所示，負載跟蹤電路主要由單片機PIC12F675，電流互感器TL1，高頻抑制電容C3，運算放大器LM358，微調電阻R46，節能指示燈LED1，設置指示燈LED2以及整流二極管D5，濾波電解電容C12組成。電流互感器T1初級的兩個輸入端連接在電機工作電流上，次級與運算放大器LM358的同相端、反相端分別連接，運算放大器LM358的輸出放大的交流電壓信號端連接整流二極管D5，在整流二極管D5的輸出端連接濾波電解電容C3。電阻R46將放大后的直流電流轉換成直流電壓；運算放大器LM358被接成反相放大器，當電機開始工作時，感應的交流電壓信號輸入LM358進行放大，運算放大器LM358輸出放大的交流電壓信號，通過二極管D5整流，C3濾波將交流電壓信號平均為直流電平信號，連接單片機PIC12F675的GP4端采樣端口部分。在設置時，調節R46直至指示燈LED2亮，表示調整到理想位置；單片機采樣判斷若電機為輕載，則調節電機電壓進行節能，此時節能指示燈LED1亮。

故障檢測電路如圖4所示，故障檢測電路由單片機PIC12F675，電流互感器TL2、TL3、TL4，電壓取樣電阻R28、R29、R30，整流二極管D8、D9、D11，濾波電容C4、C6、C7和故障報警指示燈等組成。單片機PIC12F675的VCC端連接在5V三端穩壓器SWDZ1的輸出端，單片機PIC12F675的GP1、GP2、GP4端為電機三相交流電的感應直流電平信號采樣輸入端，該單片機使用內置的4M晶振，R43、C22串聯接單片機GP3的上電復位端口，D13為故障報警指示燈，當電機正常運轉時指示燈熄滅，出現缺相、過流等故障時指示燈亮。

欠壓補償電路如圖5所示，電壓互感器T2初級的兩個輸入端連接在電機工作電流上，次級與運算放大器UA741的同相端、反相端分別連接，運算放大器UA741輸出放大的交流電壓信號端連接整流二極管D10，在整流二極管D10的輸出端連接濾波電解電容C5，然后連接到單片機PIC12F675的GP4端采樣端口部分，當單片機經過采樣、運算、判斷之后發現電機電壓低，欠壓指示燈亮，同時控制進行電壓補償。電阻R36為釋放電阻，用于放出電容C5中的電能。

電機控制電路如圖6所示，電機控制電路由光電耦合器JP1—JP9，晶閘管Q1—Q3，滿載指示燈D12，三極管Q4、Q5、Q6，延時電容C9、C13、C14，壓敏電阻R8、R23、R24，限流電阻R31、R32、R2以及濾波電容C10、C15、C16等組成。光電耦合器信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩定；晶閘管可以進行可控整流，當負載跟蹤電路監測到電機負載發生變化時通過控制三極管Q4的通或斷控制晶閘管，就可以改變電機電流。同樣，故障檢測電路檢測到故障發生則斷開三極管Q6，晶閘管停止工作，保證電機安全；欠壓補償電路發現電路欠壓時，通過控制三極管Q5的通或斷進行調節和補償。電機輕載啟動時，通過電容C9、C13、C14延時供電，光耦JP1、JP2不工作，晶閘管的導通角較小，電機降壓啟動；滿載啟動時，光耦JP1工作，不進行延時，電機全壓啟動。壓敏電阻R8、R23、R24耐壓值為470V，當電壓過高時自動短路，具有抗浪涌的功能，有效保護晶閘管和電機。

3.系統軟件流程

本文中系統對傳統電動機控制方式的主要改進在于軟啟動和與之對應的軟停機，同時在運行過程中實時監控電機負載狀況，負載較小時降壓運行，節省電能，負載較大時恢復全壓運行。當有故障出現時，進行顯示和系統自檢，若檢測到故障較嚴重即斷電停機，保護電動機。系統由3片單片機配合工作，其整體軟件流程圖如圖7所示。

4.系統測試

通過在10KW交流異步電動機上的實際調試和參數調整，此系統軟硬件結合很好，軟起動效果良好，能夠有效跟蹤電機負載狀況并及時調整電壓，保證電動機工作在最經濟的狀態下，同時，系統可以有效判斷缺相、過載、短路等故障，出現故障時可以及時切斷電源，保護電動機。

5.結語

本文中設計的交流異步電動機節電器采用六只晶閘管，兩兩反向并聯，串聯到電動機的三相電源線路上，通過軟起動方式起動電動機，降低對電網的拖動和沖擊，在電動機運行過程中實時跟蹤負載狀況并調整電壓，實現經濟運行，節省電能，并可以在電動機出現故障時保護電動機，延長電動機壽命，對使用交流異步電動機較多的工礦企業有實際意義。

圖1 電機智能節電器電路框圖

圖2 直流電源電路原理圖

圖3 負載跟蹤電路原理圖

圖4 故障檢測電路原理圖

圖5 欠壓補償電路原理圖

圖6 電機控制電路原理圖

圖7 電動機節電器軟件流程圖

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