三相交流異步電動機的節電器節電保護一直是電機領域研究的熱點，特別是近幾年來全國出現電力供應緊張的局面，使得對交流異步電動機的節能設備的研究和推廣更為迫切。三相異步電動機由于結構簡單，智能節電器使用方便可靠而受到廣泛應用，但它卻是電能消耗的最大用戶，據測算有50%以上的電能被它消耗，而有20%的電能是在沒有做任何有用的工作下耗掉的。

在實際使用過程中，三相異步電動機往往不是在額定功率下工作的，常常是在輕載下運行，這就形成了所謂的“大馬拉小車”現象。這種現象既造成了能源大量浪費，又造成電機功率因數降低（滿載時功率因數為9000}空載時功率因數只有2000），從而所消耗的電能轉換為熱使得電機溫度升高，這對電動機的使用壽命有嚴重的影響。一般說電機溫度降低10 }C可使電動機的使用壽命延長一倍。

為此，作者研制出一種三相異步電動機智能節電器。它與傳統的電容功率補償器相比，能跟隨隨機變化的負載而自動調節;與利用機械或電子方式作軟啟動的節電器相比，具有持續工作在節電狀態及成本低的特點;與變頻器相比，無需精確調速、適合負載變化隨機性大的工況、成本低，因此，應用前景十分廣闊。

2電動機節電器的原理

2.1節電率與電機效率之間的關系

根據三相電機功率公式P - Ulcos}P，要降低功率消耗可以通過減少電機的U，I和cos }P來實現。由于在降低電壓，減少勵磁電流（電機的電流主要是勵磁電流）的同時，功率因數會上升，因此功率上升的幅度要小于電流降低的程度，才能實現節能。

電機效率越低，電機的耗電就越大，則電機的智能節電器節電空間越大。電機從電網吸收的功率Ps，等于電機額定功率Pn與總損耗藝P。之和（電機效率是刀），即：電機的總損耗與額定功率和效率的關系為尸n -尸，關刀（1）Ps一Pn+藝Pn（2）藝Pn一Ps一P。一（C1 /、一‘）}PnC3）同樣功率的電機轉速越低、效率越低，轉速越高、效率越高。電機功率越小，效率越低，損耗越大。由于采取輕載調壓智能節電器節電主要是減少電機在輕載時的功率損耗，從而提高電機效率。由此可見，效率越低，空載損耗越大的電機，采取調壓節電的空間就越大。

2.2節電率與負載率之間的關系

空載損耗在總損耗中所占比例較大。空載損耗的主要成分是鐵損和機械損耗，稱為不變損耗;銅損和雜散損耗隨電流的增加按平方關系增加，故稱為可變損耗。“加電機輸出功率的上升，效率最初明顯呈上升趨勢。負載率越低，空載損耗所占的比例就越大，調壓節電率就越高”，但要達到最好的智能節電器節電率，還取決于調壓幅度。雖然降壓可以降低鐵耗，但當電壓降到一定程度之后，若繼續下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗，因此要取得最好的節能效果，必須有一個合理的調壓系數。

由于電壓降低，電機負載不變，轉差率增大，電動機輸出功率也會有所減少，因此在實際測量過程中，節約的有功會比理論計算的要偏大。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，若電動機的轉矩不變，則轉差率近似地與電壓的平方成正比。

從以上分析可看見，節電器節電率的高低取決于電機的效率、及負載特性電機輕載時采取降壓的幅度。因此在對電機進行降壓節電改造時，認真分析電機的運行特性有利于估算節電率，并將有利于成本的控制和回收。

2.3基于可控硅的節能原理

通過使用三端雙向可控硅來“切削”電壓控制電機電壓和電流之間的相位角。三端雙向可控硅只允許電源電壓正半周和負半周的一部分供給電機，

如圖1所示，這樣的結果是降低了供給電機的均方根電壓，其結果是磁滯損耗最小化，相位角回到原來大小，智能節電器電機效率提高。維持電機工作的電流是由兩個不同的部分組成：負載或阻性電流和感性或勵磁電流。感性電流依賴于電壓和磁通密度。在一定程度上，阻性電流也是電壓的函數。這樣通過減低電機的供電電壓而節能。基于單片機的電機電器設計控制系統硬件部分的構成如圖2所示，

由AT89S52單片計算機系統、同步檢測電路、晶閘管觸發電路及外部信號處理接口構成。

3.1單片機系統

系統選用ATMEL公司的AT89S52單片機，該單片機內含3個定時器，2個外部中斷源，內含8KB的Fla sh存儲器，256B內部數據存儲器，還有多種保護功能，在系統中無需擴充中斷、定時控制芯片即可完全滿足本系統工作要求。

電路中設置有兩個智能節電器功能設定端口和一個故障輸出端口，一個端口可設定晶閘管的給定方式，當端口閉合時由外部信號給定，另一個端口用于控制觸發脈沖，當端口閉合時有脈沖輸出，當端口斷開時強制晶閘管脈沖關斷。在系統工作不正常時，故障輸出端口閉合，可外接報警器件。LED信號燈用于顯示負載工作狀態和電路在故障時的原因。

3.2同步檢測電路

同步檢測電路如圖3所示，由同步變壓器、比較器和光電隔離器件構成。當電源電壓正向過零后引起單片機系統的中斷。

3.3晶閘管驅動電路

晶閘管驅動電路如圖4所示。由單片機P1.0送出的觸發信號經光電隔離、晶體管放大，脈沖變壓器變換后形成晶閘管觸發信號G1 K1G2 K2形成電路與該電路類似。

3.4外部信號接口電路

當給定信號由其他調節器輸出或由外部電位器等給定時，需將給定模擬信號（CO一lOV）或（C1-SV，由程序設定經A/D轉換進入單片機計算機，A/D轉換器選用了高速12倍A/D轉換器AD574轉換速度為251}s，智能節電器完全滿足系統的要求。經過電流檢測，電壓檢測信號經整流、濾波等處理后，信號經A/D轉換后進入單片機。

4軟件設計

系統上電后，單片機首先對編程芯片進行初始化，初始化結束后，采集端口數據，根據端口數據確定觸發角的給定方式（外部端口電壓給定），將給定值轉換成相應的時問值存入指定單元。由同步檢測電路引發的中斷送出晶閘管的觸發信號，根據外部設定，顯示相應的內容（如負載電壓、電流、晶閘管觸發角給定值等），主程序流程圖如圖5所示。

根據程序流程將軟件按功能構成以下模塊：（1 》初始化模塊：完成A /D芯片的初始化，單片機內控制寄存器的設定等。（2）輸入模塊：外部輸入的判斷，根據不同功能的要求，調用相應的功能子程序，如電路故障顯示、電流截止反饋設定等。（3）顯示子程序：顯示電路的故障和工作狀態。（4）同步檢測子程序：由硬件電路檢測到電網電壓過零后，引起單片機的中斷，進入中斷子程序后，將觸發角對應的時間值裝入計數器中啟動計數器，計數時間到引起單片機定時中斷送出對應的觸發脈沖。

通過各種功能模塊，實現了負載電壓（電流）的連續可調，將實際的電壓（電流）與給定的值相比較。節電器設計時把模糊控制引入到控制系統中，模糊控制不依賴于被控對象的精確數學模型，能夠克服非線性因素的影響。將模糊智能節電器控制器用于交流電機節電器的控制系統，可以充分體現其適應于非線性、時變快速響應的特點，能夠起到明顯的節電效果。

5結論

研制的電機節電器節電效果顯著。特別是對那些經常處于低負載以及負載變化較頻繁的電動機，平均節電率在1600-3000，提高了功率因數，降低了電網線損及變壓器的銅損。還具備完善的軟啟動和軟停車功能，可保證電機連續平滑地啟動，消除了常規啟動方式伴隨電機啟動所產生的機械噪聲和大啟動電流，有效降低軸承和皮帶的磨損，減少齒條及齒輪的機械應力，從而延長電機的使用壽命。采用智能節電器化的微處理器控制，無需人工調節，在輕負載情況下，電機電壓自動降至最低需求而轉速保持恒定。
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