基于單片機的異步電機節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計

劉芬 徐務(wù)農(nóng)

（1. 海軍蚌埠士官學(xué)校二系，安徽 蚌埠 233012；2. 海軍902廠，上海 200083）

1 引言

異步電動機是量大、面廣的耗能設(shè)備，約占工業(yè)耗電量的80%。一般系列的異步電機都是根據(jù)滿載或四分之三負載的效率值來設(shè)計的。而在實際使用中，電機卻經(jīng)常是在中載、輕載，甚至是在空載狀態(tài)下運行，導(dǎo)致電動機的功率因數(shù)和效率不高，電能浪費現(xiàn)象十分嚴重。如果適當降低電壓，可使勵磁無功電流成比例下降，從而降低鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無功功率，提高電動機的運行效率，達到節(jié)能的目的。

2 電動機降壓節(jié)能基本原理

異步電動機電流向量圖如圖1所示。在額定電壓時，定子電流為其中電流的無功分量為有功分量為功率因數(shù)角為φ；在電壓降低后，氣隙主磁通下降，電機定子電流的無功分量下降到并且電流無功分量的值隨端子電壓的下降而下降。同時由于電機負載不變，電流有功分量也將基本不變，兩者的作用使得電機的定子電流隨電壓的下降而下降。

圖1 電流向量圖

3 節(jié)能控制系統(tǒng)的組成

圖2 單片機調(diào)壓控制系統(tǒng)框圖

電機運行過程中，可從電流或功率因數(shù)的變化獲知負載的變化情況，故可以將功率因數(shù)作為反饋量來進行控制。本文采用的控制系統(tǒng)是利用電動機負載變化，電流滯后電壓的角度（功率因數(shù)角）發(fā)生變化的原理而設(shè)計的。晶閘管降壓節(jié)能控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，通過檢測定子電壓與電流的相位差角，經(jīng)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量，該采樣值經(jīng)單片機處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖，使之根據(jù)電動機負載的大小自動調(diào)整可控硅的控制角，從而調(diào)整電動機的端電壓，使之與負載理想匹配，達到低損耗，高效率節(jié)能之目的。

4 硬件電路設(shè)計

硬件電路主要由晶閘管及移相觸發(fā)電路、信號檢測板和單片機控制板三部分組成。

4.1 晶閘管及移相觸發(fā)電路

晶閘管及移相觸發(fā)電路主要接收控制板的控制信號，實施交流電壓的調(diào)節(jié)。采用專用集成觸發(fā)芯片TC787，其基本連接如圖3所示。

從同步變壓器來的三相過零信號經(jīng)耦合電容Cl、C2、C3到 6V的直流信號上送入 18、2和 1腳。TC787對其進行過零檢測，經(jīng)積分電容C4、C5、C6形成以過零點為起點的三角波，與由 VR引入的觸發(fā)控制信號比較，再經(jīng)C7調(diào)制成觸發(fā)脈沖，由12、9、10、7、8、11腳輸出，由脈沖變壓器驅(qū)動晶閘管。

圖3 晶閘管及TC878芯片的連接

4.2 信號檢測板

信號檢測板主要接收傳感器的信號并進行處理，得到標準電壓和電流的有效值及功率因數(shù)角送控制板。標準電壓和電流的有效值轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

此電路在絕對值電路基礎(chǔ)上，增加了濾波電容Cl，將交流信號的絕對值變?yōu)槠骄怠：侠碓O(shè)計R5的阻值，將平均值變?yōu)橛行е怠?/p>

功率因數(shù)角檢測電路如圖5所示。

電壓信號VA和電流信號IA經(jīng)與微電平信號REF比較，取得電壓和電流信號的正半周；經(jīng)RC濾波后由信號“或”電路，形成含有功率因數(shù)角的信號，由單片機去除其中的電壓半周期，即得功率因數(shù)角。

4.3 單片機控制板部分

此部分電路主要是接收信號檢測板的信號，通過運算發(fā)出控制信號到移相觸發(fā)電路，實施最佳功率因數(shù)控制，同時控制板還通過鍵盤顯示面板對控制器參數(shù)進行修改，并顯示控制器運行狀態(tài)。部分基本電路如圖6所示。

TLC5615是10位串行D／A，將控制量變?yōu)槟M電壓信號，去控制晶閘管交流調(diào)壓；TLC0834是4路8位A/D轉(zhuǎn)換器，采用1路電壓和3路電流信號；X25045是含WDT和EEPROM的多功能電路，負責單片機系統(tǒng)的安全監(jiān)測和重要參數(shù)的保護；SN75176是RS485接口，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

圖4 有效值轉(zhuǎn)換部分基本電路

圖5 相位檢測部分基本電路

5 軟件設(shè)計

本軟件采用KEIL C51語言編程，程序主要由鍵盤與顯示監(jiān)控部分、串行接口芯片驅(qū)動部分和信號采集與實時控制部分組成。

串行接口芯片驅(qū)動部分，主要是根據(jù)芯片的時序圖，以單片機的 I／O口模擬串行口，以實現(xiàn)對串行芯片的讀寫操作。由于本設(shè)計單片機 I／O較多，各個芯片采用單獨的 I／O信號。信號采集與實時控制部分，以實時時鐘為基準，采集電壓和電流信號對系統(tǒng)的安全進行監(jiān)視。采集功率因數(shù)信號與最優(yōu)值比較，以PI控制算法進行運算，適時發(fā)出控制指令，對電動機進行調(diào)壓，使其運行于高效率狀態(tài)。

圖6 單片機控制板部分基本電路

6 實驗結(jié)果及結(jié)論

利用設(shè)計的節(jié)能控制系統(tǒng)，對實驗室的 5.5 kW的異步電機進行了節(jié)能實驗，表1為不同負載率下的節(jié)電率實驗。

由數(shù)據(jù)可以看出，電機在不同負載率下運行，通過節(jié)能控制系統(tǒng)使電壓降低，從而提高功率因數(shù)。降壓對異步電機輕載時的節(jié)能效果最好，可實現(xiàn)異步電動機較好的節(jié)能經(jīng)濟運行，是異步電動機節(jié)能運行的新思路，這對于節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益具有重要的實際意義。但當負載率大于60%以后，節(jié)能效果已經(jīng)不明顯，因此，利用降低電機端電壓的方法進行節(jié)能的范圍是有限的。

表1 不同負載下的節(jié)電率

[1]常進, 張曾科. 感應(yīng)電機恒功率因數(shù)控制的研究[J].中國電機工程學(xué)報, 2002, 22（11）： 70～74.

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[3]董愛華, 李金麗等.一種基于單片機電壓采樣的功率因數(shù)在線檢測[J]. 微計算機信息, 2010, 6： 98-99.