4.5.2 U与I的相位角检测
测量电压与电流的相位角的目的是为了用来计算异步电动机的铜耗。图4-9是U和1相位角的检测原理图。
从电压互感器引出的交流12V电压加在U3, U4两端，R33为限流电阻，C31为滤波电容，电压信号在经过两个5.1 V稳压管VS4和VS5的双向稳压后，输入到双比较器LM393的同相端，而LM393的反相端接地，成为过零比较器。交流电压信号在经过LM393后，输出为方波信号，这个电压方波信号与三相电源具有相同的频率。同理，从电流互感器引出的电流信号，也经过限流、滤波、双向稳压后进入过零比较器的同相端，输出为电流方波信号，这个方波信号也与三相电源有着相同的频率，。由于三相电源电压信号和电流信号在相位上相差一个?角度，所以电压方波信号与电流方波信号也相差一个?角度。
二极管VD9和VD10构成与门，两路方波信号作为这个与门的两路输入，与门的输出信号为这两路方波信号“相与”的结果，为一矩形波。该矩形波利用二极管VD11的单相导电性，使二极管VD11的输出端波形仅为正脉冲。该正脉冲所反映的正是电压信号和电流信号的相位差?。
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C1
R5
+9V
C6
U3 +
LM393
R33
VS4 – R30
C2
C31 U4
VD9
VD11
INT1 VS5 C7
R31 VS3 C53
VD10
I3 + R34
–
R7
LM393
VS6 C30 I4 R6
VS7 图4-9 U与I相位角检测原理图
将正脉冲输入到单片机的INT1引脚，通过对定时/计数器的方式寄存器TMOD编程，置位门控位GATE，并选择计数器方式。当GATE=“1”和TR=“1”时，计数器启动受外部中断信号INT1的控制，此时，只要INT1为高电平，计数器就开始计数，当INT1为低电平时停止计数，利用这一特性就能够测量这个正脉冲的宽度，即电压和电流的相位角?。图中R31用来获取电压信号，稳压管VS3用来使输入单片机的脉冲电压稳定在5V左右，小电容C53可以滤除输入电压信号的尖峰，保护单片机免受干扰信号的冲击。电解电容C1用来稳定电源电压，无极性电容C6的作用是用来滤除电源信号中的高频成分。
4.6 IO接口
继电器输出转换就是用直流继电器的输出来控制交流接触器，使之在抽油机节能控制器发生故障时短路晶闸管，使三相电直接加在电动机上，从而既不影响抽油机的继续工作，又对抽油机节能控制器起到保护作用。
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如图4-10所示，当某一晶闸管因损坏而短路时，单片机将检测到电流的异常增大，这时就会通过P17口发出一低电平控制信号，经反相器VT3后加在电流放大器VT4的基极，使VT4饱和导通，这样，直流固态继电器SSR线包两端就加上了+24 V的直流电压，其触点闭合，使交流接触器KM3线包两端通电(见图4-2), KM3的触点闭合，这时，KM3就短接了晶闸管，使三相电直接加在电动机上，电动机处于全压运行状态。在任意时刻，如果有必要使电动机全压运行，可以按下S1键，这样也能够短路晶闸管，使电动机运行于全压状态。
+24V K1 R36 Vcc VD22 SSR K1 RELAY-SPST R21 R37 VT4 S1 全压 K2 R20 P17 VT3 C33 C55 K3 图4-10 继电器输出部分
4.7 无功功率补偿
三相异步电动机是典型的阻感负载，必须吸收无功功率才能正常工作。电力电子成套装置与其他非线性装置工作时要产生谐波电流并消耗无功功率，特别是晶闸管相控装置工作时产生的谐波就更大，图4-2中的三相晶闸管调压器工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率，而且它本身还会产生大量的谐波电流，这种电力电子装置是较大的谐波源，在它的输入侧会产生大量的谐波电流。抽油机作为三相异步电动机的负载，在多数情况下经常处于轻载运行，功率因数不高，而且负载率愈低，功率因数愈低，浪费电能更加显著。因此对于异步电动机采取无功补偿以提高功率因数、减小谐波影响、节约电能、减少运行费用以及提高电能质量，是具有重要意义的。
无功补偿的方法通常有两种:无功功率的电容投切补偿和无功功率的电容直接补偿，本装置装置采用电容直接补偿。
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无功功率的电容直接补偿就是将电力电容器直接接入进入异步电动机的三相电源上，对异步电动机的无功功率进行补偿。
如图4-11所示，异步电动机的有功功率为P，无功功率为Q1，有功电流为Ip，功率因数为cos?1。当采用电容量为Qc，即电容电流为Ic的电容器补偿后，由图可见，补偿后的无功功率为Q2?Q1?Qc，补偿后的功率因数为cos?2，由图可得以下两式:
cos?2?IpI??Iq?Ic?2p2 (4-4) (4-5)
Qc?P?tan?1?tan?2??Pqc
Qc Ic P1 Ip
?2 ?1 Iq2?Iq?Ic Q2?Q1?Qc
Q1 Iq
上式中Qc为无功功率补偿率，即每单位有功功率所需的电容器补偿值，其单位为kvar/kW。因为电容直接补偿的是三相异步电动机，因此补偿电容器容量Qc与其额定电容电流Ic的关系为:
图4-11 电容器直接补偿相量图
Ic?Qc3UN （4-6）
式中：Ic—电容器额定电流(A)； Qc—电容器额定容量(kvar ) ； UN—电容器额定电压((kV )。
电容器的电容C与电容器容量的关系：当电网频率f为5OHz,C以?f表示，U以kV表示，则根据式(4-6)可写成:
22 Qc?3UNIc?3UN ?2?fC??0.544UN (4-7)
三相异步电动机采用了电容直接补偿后，功率因数从cos?1提高到cos?2，也就是改善了功率因数，使无功功率得到了补偿。
4.8 节能装置保护部分
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4.8.1 外部线路断相保护
三相电源C、B、A经接触器KM2后输入到交流调压环节，图4-2中KM1和KM2 均为交流接触器。接通电源时，KM1的线圈通电，所以KM1的触点闭合。SB1和SB2 分别为手动启动按钮和人工停止按钮。按下SB1, KM2线圈回路得电，KM2触头动作，其触点闭合，节能装置主电路接通，运行指示灯亮。在电动机运行过程中，若电网电源有一相由于某种原因突然断开(假如是B相)，则交流接触器KM1线圈断电，KM1的触点打开，这时KM2回路断开，KM2线圈也断电，KM2的触点打开，使得节能装置主电路自动断开，电动机停止运转，避免了三相缺相运行时电动机的损坏，同理可分析C相断开时的运行过程。A相断开时，KM2线包断电，KM2触点打开，也会使三相电路自动断开，电动机停转。
若在三相异步电动机运行过程中，需要使其停止，可以按下SB2，人为断开KM2线圈供电线路，使电动机停止运转。
4.8.2 功率控制元件故障保护
这一部分主要由交流接触器KM3和控制电路中的直流固态继电器SSR构成。三相交流电通过节能装置控制电机正常运行时，KM3的触点处于断开状态，此时，固态继电器SSR的触点也断开，电动机处于节能运行状态。当节能装置中的主要器件—六个晶闸管中的某一个因损坏而短路时，控制电路将检测到电流异常增大，这时单片机的P1.3口会发出一控制信号，使固态继电器触点吸合，交流接触器KM3的线圈回路得电，KM3的触点吸合，于是节能装置会自动地短接晶闸管，使电动机直接与三相电源相连，在不停机的情况下，仍然带动抽油机工作而不至于影响生产，而损坏的晶闸管可在以后的时间里换下。
4.8.3 电机缺相保护
缺相保护是用来在电动机运行过程中由于某种事故的发生而突然断相时采取的一种保护措施。图4-15为电机缺相保护原理图。
三相电流分别从三个电流互感器的6个端口I1，I2，I3、I4和I5、I6引入，经过缺相保护部分进行检测。，缺相保护主要是利用了光祸合器件的特性。，当没有缺相时，有电流通过光耦器件VLC7，VLC8，VLC9，经过光电耦合，三个光耦器件中的晶体管全部饱和导通，+5 V电压直接加在C54和R35上，并对C54进行充电，单片机的P10口检测到的是高电平。当某一相因故断开时，由于该相中没有电流，致使这一相的光祸器件中的晶体管截止，则原来的导通回路与+5V电源断开。由于C54电容值很小，所以C54迅速放电，使单片机的P10口检测到低电平，这时单片机就可以判断为出现了缺相的现象，于是使D/A转换器输出的控制电压变为零，使电动机停转，保护了电动机。
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