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1、中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 题 目 异步电动机轻载节能控制系统硬件 设计 学习中心 中原油田 年级专业 06 春网电气工程及其自动化 学生姓名 汪利平 学 号 06814040009 指导教师 张荣梅 职 称 教师 导师单位 油田培训中心 中国石油大学 华东 远程与继续教育 学院 论文完成时间 2007 年 11 月 18 日 II 中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 任务书 1 设计 论文 题目 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 2 学生完成设计 论文 期限 2007 年 8 月 28 日至 2007 年 11 月 18 日 3 设计 论文 课题要求 1
2、 熟悉课题明确课题的任务与要求 2 收集与课题有关系的资料 写出开题报告书 3 拟定进行课题的技术路线 4 关于轻载节能进行理论分析及可行性分析 并做出初步的设计思路 5 对控制器件晶闸管单片机 AT89C51 进行研究 并进行选型 6 根据理论指导进行轻载节能系统的设计 进行过载 缺相 过流等 保护电路的设计 并对设计的可行性进行分析 7 撰写论文 8 准备毕业论文答辩 4 实验 上机 调研 部分要求内容 5 文献查阅要求 6 发 出 日 期 2007 年 8 月 28 日 7 学员完成日期 2007 年 11 月 18 日 指导教师签名 学 生 签 名 摘摘 要要 目前异步电动机运行的损耗
3、大 效率普遍低 做到安全的高效率运 行 提高控制系统的自动化程度 最终实现最大限度的节能是我们的目 的 节能技术的研究和利用的价值日益显得重要 电力电子技术的发展 和计算机技术应用于电动机的控制领域 建立以计算机实时控制电动机 运行高精度的节能技术 本文先从三相从异步电动机的损耗 探讨研究了异步电动机轻载调 压节能的原理 途径和负载系数的测定方法 再从异步电动机轻载节能 的实现方式 探讨了异步电动机轻载节能的可行性性 对异步电动机轻载节能的两种实现方法 自动调压节电器和异步 电动机轻载自动切换的比较 可以的到的结论是 切换的的Y Y 结构虽然简单 但是要求电压值变动是一定的 不能适应各种负载的
4、需 要 自动调压节电器是理想的节电器它能够按负载的大小自动改变电源 电压 使电动机在各种负载系数下均运行在最佳电压比和较高的功率因 数状态 单片机应用于本控制系统使得控制的精度和实时性有了很大的提高 采用单片机控制的轻载调压节电器 可以根据实际负载的大小来调节电 动机的供电电压 使电动机始终运行在最佳效率状态下 因而节能效果 显著 同时还可以将软起动和缺相 过载 短路 漏电等保护措施融于 一体 元器件参数的计算及其选择和使用 系统各信号的检测 保护与 接口电路的设计 驱动电路 给定和显示电路的设计等方面的内容进行 了详细的分析和介绍 按照本文的分析和给出的参数能够设计出满足要 求的异步电动机轻
5、载节能控制系统 关键词 关键词 异步电动机 轻载节能 负载系数 最佳电压比 IV 目目 录录 第一章 绪 1 第二章 异步电动机轻载调压节能理论分析 2 2 1 异步电动机轻载调压节能原理 2 2 2 单片机应用的轻载节能的可行性 3 第三章 常见异步电动机节能方法的比较 5 3 1 异步电动机轻载 自动切换 5 3 2 异步电动机轻载自动调压节电器 6 3 3 轻载节能电动机软起动器 7 3 4 轻载节能软件设计 8 第四章 控制系统各元件的选择 9 4 1 系统直流电源的提供 9 4 1 1 工作原理 9 4 1 2 整流二极管的选择 10 4 1 3 三端集成稳压器 11 4 2 双向晶
6、闸管的选择 12 4 2 1 晶闸管的主要参数 12 4 2 3 双向晶闸管 13 4 3 双向晶闸管驱动装置的选择 15 4 4 电流 电压信号检测装置的选择 16 4 4 1 电流检测装置的选择 16 4 4 2 电压检测装置的选择 17 4 4 3 相位 频率转换器原理 18 4 5 过电压保护 19 4 5 1 系统过电压保护 19 4 5 2 晶闸管过电压保护 20 4 6 过电流保护 21 4 6 1 系统过电流保护 21 4 6 2 晶闸管过电流保护 22 4 7 电动机的选择 23 4 7 1 电动机型号的选择 23 4 7 2 电动机软启动参数的校验 24 4 8 电动机电子
7、保护器 26 4 8 1 ZLDB 保护器主要技术特点和主要技术性能 26 4 8 2 正存 ZLDB 电动机保护器的典型应用 27 4 9 电动机软起动器的选择 27 4 9 1 主要技术性能特点 27 第五章 单片机在电动机轻载节能控制系统中的应用 28 5 1 概述 36 5 2 AT89C51 单片机的介绍 28 5 2 1 单片机的一般结构 28 5 2 2 AT89C51 具有下列主要性能 28 5 2 3 AT89C51 引脚描述 29 第六章 单片机的辅助电路的选择 31 6 1 A D 转换器的选择 31 6 1 1 逐次逼近式 A D 转换器结构原理及主要技术指标 31 6
8、 1 2 ADC0809 引脚及功能 32 6 2 键盘 显示控制器 8279 33 6 2 1 8279 引脚及功能 33 6 2 2 8279 控制逻辑 34 6 2 3 8279 扫描计数器 34 VI 6 3 8155 可编程 I 0 接口扩展 35 6 3 1 8155 结构及引脚 35 6 3 2 作扩展 I 0 接口使用 36 6 4 可编程计数器 定时器 8253 36 6 4 1 8253 的主要功能 37 6 4 2 8253 的引脚特性 37 6 4 3 8253 的工作方式 38 第七章 总结 40 谢 辞 41 主要参考文献 42 附录 43 异步电动机轻载节能控制系
9、统硬件设计 第一章第一章 绪绪论论 电动机 特别是三相异步电动机是现代工农业生产的主要动力设备 统计表明世界各国电动机的用电量占总发电量的50 60 因此 电 动机及其拖动系统的节能具有十分重要的意义 由于电动机的效率与负 载的大小有关 当电动机在额定负载附近运行时 其效率和功率因数都较 高 但当负载系数较低时 其效率和功率因数都将急骤降低 如图1所示 据统计资料表明 我国中小型异步电动机大部分平均负载率在20 65 之 间 特别是机械 纺织等行业情况更为严重 若电动机处在空载或轻载 运行时适当降低电源电压 使电动机运行在效率最佳状态 此时功率因数 较高 具有显著的节能效果 图1 1 异步电动
10、机的效率与功率因数曲线 采用单片机控制的轻载调压节电器可以将电动机的软起动和过载检 测 短路检测 缺相检测 上电检测等检测集中于一体 单片机对系统 的保护措施是可以实时的保护系统和电动机的正常工作 对电动机的端 电压和端电流的采样之后送入单片机的相位比较模块之后就能很精确的 实现对电动机的功率因数角的测量 进而得到电动机的负载系数 在单 片机的内部程序处理之后根据得到的最佳电压比 向电动机晶闸管的驱 动电路发出信号控制晶闸管的导通 最终使电动机工作在最佳电压比之 下 真实意义上实现了单片机控制电动机的轻载节能 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 2 第二章第二章 异步电动机轻载调压节能
11、理论分析异步电动机轻载调压节能理论分析 交流异步电动机空载或轻载运行时 功率因数很低 从而使电流较 大 一般电动机空载电流在额定电流的30 左右 小型电机有达50 者 在空载或轻载时 降低电机相绕组的端电压 可使功率因数提高 起到 降低定子电流作用 与电流平方成正比的供电线路损耗 变压器铜损耗 和电机绕组热损失特显著减少 端电压的降低又使电动机铁芯损失大为 下降 提高了电动机的效率 可见 空载或轻载运行的电动机降低其端 电压运行是有力的节电措施 2 12 1 异步电动机轻载调压节能原理异步电动机轻载调压节能原理 异步电动机端电压变化时 铁耗与电压的平方成正比变化 设电动 机的实际电压与额定电压
12、之比为 则铁耗 1 U Nu UUk 1 2 1 2 0umFe kPPP 式中 额定电压时的空载损耗 0 P 机械损耗 m P 而铜耗则与电流的平方成正比 可以用下式计算 2 2 2 0 1 1 uN NCu k PPP N PP 2 式中 电动机的负载系数 电动机的输出功率 2 P 当负载系数一定时 若电动机的端电压降低 则铜耗和杂散损耗将按 增大 而铁耗将按减小 在某一电压下运行时 必然有电动机总 2 1 u k 2 u k 损耗最小 这一电压称为在该负载系数下的最佳运行电压 其电压比 j U1 称为最佳电压比 uj k 设电动机额定电压下运行时的总损耗为 任意电压下运行时的 P 异步电
13、动机轻载节能控制系统硬件设计 总损耗为 则 u P 2 3 2 00 1 1 PPPP N N 2 4 2 0 2 0 1 1 uN Nmumu k PPPkPPP 定义效益系数 2 5 PPk up 对于在某一负载系数 下运行的电动机 只有当 1 额定运行时的铜耗大于铁耗 故电动机额定运行时并非在最 佳效率状态 2 当电动机满载运行时 其最佳电压比 但应使其值小 4 akuj 于等于1 1 只有当负载系数时 降低电压才有节电意义 负a1 载系数 越小 降压节电效果越显著 3 a 值越接近于1 额定运行时的铁耗越接近于铜耗 的异步电 动机 采用调压节电的效果越好 2 22 2 单片机应用的轻载
14、节能的可行性单片机应用的轻载节能的可行性 单片机应用的轻载节能技术的发展主要取决于以下关键技术的迅速 发展 1 半导体大规模集成电路技术的迅速发展 半导体电路体积越 来越小 价格越来越低 2 计算机及其控制技术的不断发展 使控制小型化 灵活化 智能化 3 传感器技术的发展 使信号采集更加方便 由于上述技术的发展 使单片机应用的轻载节能技术及其设备和产 品迅速发展 而民具有很多优点和特点 单片机技术及其外围设备之所以迅速发展 在于它有以下许多优点 1 体积小 重量轻 IC 技术和 LCD 技术的发展 使控制装置的体 积和重量减少为原来的几分之一或几十分之一 2 速度快 精度高 由于电路集成度的提
15、高 处理速度和响应速 度也大大提高 因而使超精密和高精密控制成为可能 3 可靠性提高 在机电一体化设备小 激光 电磁技术的应用 用无触点代替了有触点开关 非接触式代替了接触式控制 减少了机械 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 接触中漏油 磨损 断裂等问题 使可靠性大幅度提高 4 柔性好 机电一体化系统中 只要改变软件就能实现最佳运行 方式或增加新的运行方式 它们都具有很强的扩展性 个设备往往硬 件不需要改变多少 就以实现多用途 多功能 第三章第三章 常见异步电动机节能方法的比较常见异步电动机节能方法的比较 对于异步电动机的节能研究一直没有间断过 有许多都是以机械 的角度从电动机的软启动出发来
16、开发出许多的启动方法如 研制高效的 异步电动机 开发新型节能电动机 近年来随着稀土永磁材料的发展 极大地推动了永磁电动机的更新 从而使永磁三相同步电动机部分替代 三相异步电动机将成为现实 永磁同步电动机的效率比同容量的异步电 动机高5 10 其功率因数也很高甚至接近于1 所以是一种很有发 展前途的节能型电动机 但是随着计算机信息技术的发展和进一步的成 熟 单片机应用于电动机的控制领域中越来越显示出了强大的应用前景 3 13 1 异步电动机轻载异步电动机轻载自动切换自动切换 有些电动机重载运行的时间较短 而空载和轻载运行的时间较长 当电动机正常运行定子绕组为 接法时 在空载和轻载运行时最简单的 降压方法是转换为Y 接法 若电动机重 轻载交替工作 可采用 Y自 动切换 中国石油大学 06 春网本科毕业设计 论文 6 图3 1 电动机自动切换电路 KA 中间继电器触点 FT 热继电器 SB 控制按钮 KM 交流接触器 HL信号灯 FU 熔断器 Q 电源开关 D1D4 D2D5 D8D6 电动机转子绕组 由 接法改为Y 接法后 其相电压降低到原来的 即31 此时电动机的额定功率也变为 接法时的
