基本信息
- 项目名称：
- 基于ARM的异步电动机智能无功节能控制器设计
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- “基于ARM的异步电动机智能无功节能控制器” 采用先进的ARM微控制器和多种抗干扰措施，对在工农业生产中广泛使用的三相交流异步电动机进行就地动态无功补偿，以实现最大化的无功节能效果，同时还可提高局部用户电网的供电品质。经实验室测试和工业现场三个多月的实际运行检验，系统运行稳定可靠、无功节能效果显著。本作品可以极大地降低三相交流异步电动机运行中的无功损耗，为用户来带明显的经济效益，具有良好的社会经济效益和很好的市场推广前景。
- 详细介绍：
- 本作品针对工农业生产中广泛使用的三相交流异步电动机的无功补偿难题进行了研究。控制核心器件采用专门针对工业控制领域中实现高系统性能而设计的ARM Cortex-M3内核32位微控制器提高了系统的性能；电压信号转换采用光电隔离器实现了电压信号的稳定且无相移转换；电流信号转换采用二阶Butterworth低通滤波器和方波整形有效地解决了工业现场对电流的强干扰影响；软件滤波技术进一步增强了整个系统的抗干扰能力；采用双向晶闸管过零触发技术进行补偿电容器组的投切控制使系统在动态无功补偿过程中产生的谐波得到了有效地抑制；良好的用户接口设计一方面有利于实现大容量控制信息的显示，另一方面拓展了系统的性能，使其不仅可以用于三相交流异步电动机的动态无功补偿，还可以用于对补偿电容器组进行选配和不同应用场合的异步电动机的工作过程中的无功情况动态监测。经实验测试和工业现场运行检验，本作品能够很好地适应工业现场环境达到良好的无功补偿效果。随着本作品产业化的推进定将产生良好的经济和社会效益。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 无功节能控制器的设计是为了解决工农业生产中三相异步电动机的无功功率补偿节能问题。它能够根据三相异步电动机当前的运行情况测量其功率因数和工作电流，计算出补偿到最佳的无功节能状态所需要的容性负载，然后，根据据计算结果自动进行电容器组的投切补偿控制。 本作品采用了美国Luminary公司新近推出的针对工业领域设计的高性能32 位基于ARM Cortex-M3内核的微控制器。通过合理的外围硬件电路和软件处理实现了良好的三相异步电动机节能控制。 本作品有效地解决了工业现场中受到严重干扰电流信号的检测难题和电容器组投切过程中的过零点控制技术。保障了三相异步电动机从轻载到满载全过程中的功率因数保持在0.91以上，大大地降低了异步电动机运行中无功功率的损耗。
科学性、先进性
- 在硬件方面，以美国Luminary公司推出的针对工业应用领域特点设计的高性能32位基于ARM Cortex-M3内核的微控制器为控制核心，采用光电隔离技术和硬件低通滤波器进行电压和电流信号检测，补偿电容器组采用双向晶闸管和过零触发电路。这些措施有效地解决了工业现场中干扰严重，补偿电容器组投切点不宜掌握等技术难点。 在软件方面，采用软件滤波技术和良好的控制算法，提高了系统的运行稳定性和可靠性。 作品具有良好的人机接口，手动操作的设计提高了作品的可调试性和通用性，为用户选用补偿电容器组提供了依据，方便了现场的安装调试和用户使用。实验运行测试表明即使在电流信号发生严重畸变的情况下，系统照样能够很好地运行，且节能效果良好。
获奖情况及鉴定结果
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用方法：首先，根据具体对象，在手动工作方式下确定三相异步电动机所需要的补偿电容器的容量范围；然后，根据所需补偿电容器的容量范围，按照1：2：4的原则选配电容器组；最后，系统投入运行。 本课题专门针对在工农业生产中广泛使用的三相异步电动机的无功节能技术进行研究，取得了良好的节能效果。系统有效地解决了工业现场中受到严重干扰电流信号的检测难题和电容器组投切过程中的过零点控制技术。实现了异步电动机运行中无功损耗的显著降低。 本作品可广泛应用于工农业生产中的大中型异步电动机的节能降耗中，符合了我国目前的能源战略方针政策，具有广阔的应用范围和推广价值，一经投入使用将为用户带来良好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 随着世界经济的快速发展，石油、煤炭以及天然气等能源的消耗在急剧增加，能源危机已成为全球面临的最大问题。坚决实行新能源开发和节约并举，把节约放在首位的方针已成为我国的重要发展战略方针。开发节能降耗的新技术已成为重点科研支持方向之一。 在当今的电力系统中，感应式异步电动机作为传统的主要负荷使电网产生大量的感性无功电流。无功电流产生无功功率，给电网带来额外负担且影响供电质量。因此，无功补偿就成为保持电网高质量运行的一种主要手段之一，也是当今电气化自动化技术及电力系统研究领域所面临发展的一个重大课题，正受到越来越多的关注。 三相异步电动机作为电能转化为机械能的主要设备，在各工矿企业中得到大量应用，其用电量已占到全国发电总量的60%以上。为了提高电动机的工作安全性和工作稳定性，在电动机的选型和使用上通常都会留有一定的功率裕量，这就使电动机通常会工作在轻载的工作状态下，从而使得电网的供电功率因素大大降低。为了敦促各企业提高用电质量，电力供应部门也对各用电单位在功率因素上提出了要求。因此，对三相异步电动机进行无功功率就地补偿就显得十分重要。 长期以来，国内外学者针对无功补偿装置的设计和应用也进行了广泛的研究。早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机和静态电容器，而且，多为高压侧集中补偿。同步调相机目前在现场仍有使用，但在技术上已显落后。静态电容器补偿可以改善线路参数，减少线路感性无功功率，缺点是只能补偿固定无功，因此只能在一定程度上补偿系统的无功损耗，改善电网供电质量。 目前的无功补偿方式绝大多数都是用在供、配电部门，随着电力电子技术和微控制器技术的发展，采用嵌入式系统实现对各类设备的异步电动机就地进行无功补偿将具有更良好的技术效果并能够实现更多的节能效益。
