交流异步电动机节电器的设计

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【摘要】我国目前的工矿企业，相当一部分交流异步电动机正处在非经济运转中，浪费的电能惊人。基于此设计了一种交流异步电动机节电器，在电机启动时采用软启动的方式，减小启动电流，降低对电网的冲击，运行中可以在电动机轻载时降低端电压，节省电能。经实际测试表明该系统具有很好的节能效果。

【关键词】节能；软启动；交流异步电机；轻载

1.引言

目前的电机节能技术主要是通过改进起动控制方式和运行中节能两部分进行节能，传统的起动方式主要有以下两种：（1）直接起动方式，也叫全压起动。起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压直接加到电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。直接起动的起动线路是最简单的，然而对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流将造成电动机的发热，影响电动机的寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路，进而烧毁电动机；另外过大的起动电流，会使线路压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。（2）传统减压起动方式。减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，起动后，再把电压恢复到额定值。常见的减压启动有以下四种：①星形-三角形（Y-）起动；②串电抗起动；③自耦变压器起动；④延边三角形起动。减压起动虽然可以减小起动电流，但是起动转矩也会同时减小。因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况下起动。

本文设计的节电器采用软起动的方式，弥补了传统起动方式的不足。本文采用六只晶闸管，两两反向并联，串联到电动机的三相电源线路上，系统发出起动指令后，起动器微机控制系统就会进行数据据运算，使得输出晶闸管发出触发信号，控制晶闸管的导通角，按照设定的模式，调节输出的电压，达到控制电动机起动的目的。由于在起动前设定了一个不对电网产生影响的起动电流，电流是缓慢增大至设定电流，故无冲击电流，所以对电网的影响很小小，并且降低了起动力矩的冲击。在节能的同时，增加电动机保护电路，在出现缺相、过载、短路等故障时可以及时切断电源，保护电动机。

2.系统整体结构

本设计的电路包括负载跟踪电路，故障检测电路，欠压补偿电路，电机控制电路和为各电路提供工作电源的直流电源电路等，如图1所示。

直流电源电路如图2所示，12V直流供电电路由变压器T1、二极管D1―D4组成的整流桥、12V稳压管DW1和滤波电解电容C1组成，变压器T1的两个输入端与交流输入电压两端连接，变压器T1的两个输出端连接整流桥的两个输入端，12V稳压管DW1连接在整流桥的两个输出端，滤波电解电容C1并联在12V稳压管DW1的两端。5V直流供电电路是在12V直流供电电路基础上采用三端稳压器SWDZ1产生。12V电源接三端稳压器SWDZ1输入端，滤波电解电容C2、C8接在三端稳压器SWDZ1和地之间。直流电源电路为后续电路提供低电压工作电源。

负载跟踪电路如图3所示，负载跟踪电路主要由单片机PIC12F675，电流互感器TL1，高频抑制电容C3，运算放大器LM358，微调电阻R46，节能指示灯LED1，设置指示灯LED2以及整流二极管D5，滤波电解电容C12组成。电流互感器T1初级的两个输入端连接在电机工作电流上，次级与运算放大器LM358的同相端、反相端分别连接，运算放大器LM358的输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D5，在整流二极管D5的输出端连接滤波电解电容C3。电阻R46将放大后的直流电流转换成直流电压；运算放大器LM358被接成反相放大器，当电机开始工作时，感应的交流电压信号输入LM358进行放大，运算放大器LM358输出放大的交流电压信号，通过二极管D5整流，C3滤波将交流电压信号平均为直流电平信号，连接单片机PIC12F675的GP4端采样端口部分。在设置时，调节R46直至指示灯LED2亮，表示调整到理想位置；单片机采样判断若电机为轻载，则调节电机电压进行节能，此时节能指示灯LED1亮。

故障检测电路如图4所示，故障检测电路由单片机PIC12F675，电流互感器TL2、TL3、TL4，电压取样电阻R28、R29、R30，整流二极管D8、D9、D11，滤波电容C4、C6、C7和故障报警指示灯等组成。单片机PIC12F675的VCC端连接在5V三端稳压器SWDZ1的输出端，单片机PIC12F675的GP1、GP2、GP4端为电机三相交流电的感应直流电平信号采样输入端，该单片机使用内置的4M晶振，R43、C22串联接单片机GP3的上电复位端口，D13为故障报警指示灯，当电机正常运转时指示灯熄灭，出现缺相、过流等故障时指示灯亮。

欠压补偿电路如图5所示，电压互感器T2初级的两个输入端连接在电机工作电流上，次级与运算放大器UA741的同相端、反相端分别连接，运算放大器UA741输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D10，在整流二极管D10的输出端连接滤波电解电容C5，然后连接到单片机PIC12F675的GP4端采样端口部分，当单片机经过采样、运算、判断之后发现电机电压低，欠压指示灯亮，同时控制进行电压补偿。电阻R36为释放电阻，用于放出电容C5中的电能。

电机控制电路如图6所示，电机控制电路由光电耦合器JP1―JP9，晶闸管Q1―Q3，满载指示灯D12，三极管Q4、Q5、Q6，延时电容C9、C13、C14，压敏电阻R8、R23、R24，限流电阻R31、R32、R2以及滤波电容C10、C15、C16等组成。光电耦合器信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定；晶闸管可以进行可控整流，当负载跟踪电路监测到电机负载发生变化时通过控制三极管Q4的通或断控制晶闸管，就可以改变电机电流。同样，故障检测电路检测到故障发生则断开三极管Q6，晶闸管停止工作，保证电机安全；欠压补偿电路发现电路欠压时，通过控制三极管Q5的通或断进行调节和补偿。电机轻载启动时，通过电容C9、C13、C14延时供电，光耦JP1、JP2不工作，晶闸管的导通角较小，电机降压启动；满载启动时，光耦JP1工作，不进行延时，电机全压启动。压敏电阻R8、R23、R24耐压值为470V，当电压过高时自动短路，具有抗浪涌的功能，有效保护晶闸管和电机。

3.系统软件流程

本文中系统对传统电动机控制方式的主要改进在于软启动和与之对应的软停机，同时在运行过程中实时监控电机负载状况，负载较小时降压运行，节省电能，负载较大时恢复全压运行。当有故障出现时，进行显示和系统自检，若检测到故障较严重即断电停机，保护电动机。系统由3片单片机配合工作，其整体软件流程图如图7所示。

4.系统测试

通过在10KW交流异步电动机上的实际调试和参数调整，此系统软硬件结合很好，软起动效果良好，能够有效跟踪电机负载状况并及时调整电压，保证电动机工作在最经济的状态下，同时，系统可以有效判断缺相、过载、短路等故障，出现故障时可以及时切断电源，保护电动机。

5.结语

本文中设计的交流异步电动机节电器采用六只晶闸管，两两反向并联，串联到电动机的三相电源线路上，通过软起动方式起动电动机，降低对电网的拖动和冲击，在电动机运行过程中实时跟踪负载状况并调整电压，实现经济运行，节省电能，并可以在电动机出现故障时保护电动机，延长电动机寿命，对使用交流异步电动机较多的工矿企业有实际意义。

参考文献

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[5]刘宏科.交流异步电机运行过程中的节能研究[D].河北科技大学硕士学位论文，2011.

基金项目：扬州大学大学生学术科技创新基金“电机智能节电系统的设计”（项目编号：C12010）。

作者简介：赵卉（1991―），女，江苏常州人，大学本科，现就读于扬州大学物理学院，研究方向：电子信息科学与技术。