基于單片機的電機節能保護系統的設計

韓　鋼

摘要：文章提出的電機節能保護系統以異步電機相電壓與相電流的過零點信號為取樣對象，在80C196單片機的控制下，根據計算出的功率因數角，采用基于模糊控制的節能控制算法，通過控制雙向晶閘管的導通角，以達到降壓節能的目的。

關鍵詞：80C196單片機；電機節能保護系統；系統設計；功率因數

中圖分類號：TM343文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）09-0017-02

交流異步電動機作為機電設備的重要動力來源在工礦企業中被廣泛使用，但有相當多的異電動機及其拖動系統是處于非經濟運行狀態的，結果造成了電能的巨大浪費。究其原因，大致是由以下幾種情況造成的：（1）由于大部分電機采用直接起動方式，除了造成對電網及拖動系統的沖擊和事故之外，8～10倍的起動電流造成巨大的能量損耗；（2）在進行電動機容量選配時，往往片面追求大的安全余量，結果使電動機容量過大，造成“大馬拉小車”的現象，導致電動機偏離最佳工況點，運行效率和功率因數降低；（3）從電動機拖動的生產機械自身的運行經濟性考慮，往往要求電力拖動系統具有變壓、變速調節能力，若用定速定壓拖動，勢必造成大量的額外電能損失。針對電動機的非經濟運行情況，采用智能全自動控制技術對運行中的電動機實行整體全息監控，在不改變電動機原有功能和使用規范的前提下，隨機地瞬態跟蹤，動態調整，始終保持電動機在最安全、最經濟的狀態下運行，從而可有效地避免電動機在實際運行過程中的電能浪費。

一、電機節能控制系統的設計方案

電機在額定負載的情況下工作效率最高，而在輕載或空載狀態下的工作效率是非常低的。通過改變電動機的工作電壓，使加在電機上的電壓跟隨負載而變化，負載輕時電壓也低，這樣即可降低電動機的有功功率、無功功率及其損耗，從而可提高輕載或空載時的工作效率，達到節能的目的。控制過程中，先由主控制器80C196單片機通過對異步電機相電壓與相電流的過零點檢測，計算出異步電機的功率因數角，經過主控制芯片的處理，再由HSO輸出觸發脈沖，控制雙向晶閘管的導通角，達到降壓節能的目的。節能控制系統整體結構框圖如圖1所示：

（一）電機節能控制系統的硬件設計

節能控制系統的硬件部分主要由微控制器、電流和電壓檢測模塊、鍵盤與顯示模塊、觸發模塊等組成。

1．功率因數檢測電路的設計。功率因數的檢測主要是對電機相電壓和相電流的過零點進行檢測，節能控制中，對功率因數角φ的檢測是實現調壓節能的關鍵，通過判斷φ的大小，可以改變晶閘管的導通角α的大小來實現調壓。因異步電動機為感性負載，當電壓過零后尚需一個延遲角電流才過零，其夾角即為功率因數角。電壓過零檢測就是把輸入電壓轉換成同相位的矩形波，送入單片機的高速輸入端HSI，此矩形波的下降沿既是觸發脈沖的基準信號，又可作為單片機軟件定時器的開始信號。電流過零檢測是把由電流信號由互感器采集處理后轉換成矩形波，然后送入單片機的高速輸入端HSI，單片機由記錄的電壓和電流過零時間得到一個功率因數角φ。電壓和電流采樣電路如圖2所示，以A相為例，對A相電壓采樣，相電壓通過V1、V2穩壓，進入比較器與地進行比較。若是在波形的正半周，則比較器輸出高電平1；若是在負半周，則輸出比較器為低電平0。在輸出信號為高時，使光偶導通，進入單片機高速輸入HSI。1的信號就為高電平，這樣實現電壓過零點檢測。對電流信號的檢測是對晶閘管兩端電流信號的檢測，通過一個電流互感器對電流信號進行采樣，通過比較器把電流過零點的相位信息轉換成方波信號后，送入單片機高速輸入HSI。

2．實現電流過零檢測。電壓、電流檢測電路的設計電動機運行過程中，需將采集到的電壓和電流信號送入單片機的A/D轉換器進行模數轉換。電壓檢測電路如圖3所示，把線電壓由變壓器隔離降壓，然后對變換后的信號進行整流，得到的直流信號再經濾波分壓后送入單片機的A/D端進行模數轉換，就可得到電壓值，以便對電機端電壓進行判斷，確定是否進入保護狀態。電流檢測電路如圖4所示，檢測時利用三個電流互感器分別檢測三相電流，檢測到的信號經整流橋整流分壓后送入單片機的A/D進行轉換，由此還可對異步電機的電流進行監測，使其與預設值進行比較，大于某個閥值就對電機進行保護，否則繼續監測。

需注意的是，系統對電流、電壓的檢測到對雙向晶閘管的觸發，在一個周期20ms中要全部完成。通過對另外兩相的過零檢測，經過單片機處理，每個周期要對系統進行同步，這樣可以消除在每個周期中對晶閘管觸發時累積起來的誤差。

3．觸發電路的設計。晶閘管的導通是靠觸發電路實現的，因此觸發電路觸發時序的準確性直接影響著節能控制系統的工作狀況，所以要求其具有較高的穩定性。觸發脈沖的電壓和電流必須大于相應的晶閘管的門極觸發電壓和電流，才能保證晶閘管可靠地工作；同時，觸發脈沖的幅值和前沿上升的坡度也會影響晶閘管的導通時間，因此，脈沖功率放大環節的作用就是使輸出脈沖能滿足晶閘管門極觸發的需要，保證晶閘管的可靠導通。本系統所設計的觸發電路采用兩個三極管組成的放大電路，把由高速輸出口HS0輸出的觸發脈沖放大，電路圖如圖5所示：

（二）電機節能保護系統的軟件設計

該節能保護系統采用基于模糊控制的節能控制算法，上電后系統先調用初始化子程序，對各個功能模塊進行初始化并進行檢測，同時對模糊控制算法進行離線處理，把計算得到的模糊控制查詢表存入RAM，以便節能時查表使用。初始化子程序完成后，進入軟起動設定程序，進行軟起動初始時間的設定，若不設定，則系統會默認在20ms自動進入軟啟動，啟動完成后進入主循環，電壓、電流等功能電路對系統進行采樣，并將采樣信息送入主控制器，后由各子程序進行處理，并進行故障檢測。若有故障則可根據初始設定對其進行處理，若沒有則繼續執行主程序。其中子程序主要包括：功率因數檢測子程序、模糊控制及觸發子程序和故障中斷子程序。電動機運行過程中，系統每10ms要對晶閘管進行一次觸發，并且還要完成模數轉換、狀態顯示等功能，所以對實時的要求較高。功能檢測模塊與PID控制模塊實時控制部分以實時時鐘為基準，采集電壓和電流信號對系統的安全進行監視，同時保持電機定子電壓與電流的比例為最優；以PID控制算法進行運算，適時發出控制指令，能根據電機運行時所帶負載大小的不同對電動機進行調壓，使其始終運行于高效率狀態。

二、結論

該電機節能保護系統以異步電機相電壓與相電流的過零點信號為取樣對象，在80C196單片機的控制下，根據計算出的功率因數角，采用基于模糊控制的節能控制算法，通過控制雙向晶閘管的導通角，以達到降壓節能的目的。該系統可自動跟蹤、檢測電機負載的變化，動態調整電機的供電電壓，可使電機在最佳經濟情況下運行，特別在輕載和變負載情況下節電效果顯著，平均節電率在16%～40%。該系統除具有功率因數控制節能功能外，還具有軟起動、斷相保護和過流保護等多種功能。實驗證明該電機節能保護系統節電效果顯著、運行可靠，有較廣闊的發展潛力和應用前景。

參考文獻

[1]劉增華．異步電機降壓節電技術與Powerking電機節電原理[J]．水運工程，2002，（8）．

[2]張愛全，段立國，霍亮生．單片機控制的交流電機可控硅調壓方法[J]．山西電子技術，2000，（1）．

作者簡介：韓鋼（1957－），男，遼寧沈陽人，沈陽職業技術學院電氣工程系講師，研究方向：電機與電力拖動技術、電氣控制技術、電氣測量技術等。