電機(jī)功率因數(shù)控制器的控制算法

張有東

(華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北三河 065201)

0 引言

電機(jī)功率因數(shù)控制器是以雙向晶閘管為調(diào)壓元件，根據(jù)三相異步電機(jī)在不同負(fù)載時的功率因數(shù)變化，控制雙向晶閘管的控制角度，調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓。負(fù)載大，功率因數(shù)高時，雙向晶閘管控制角小，晶閘管輸出電壓高，負(fù)載小，功率因數(shù)低時，雙向晶閘管控制角大，晶閘管輸出電壓低，該設(shè)備對電機(jī)來講是透明的，它只是根據(jù)電機(jī)負(fù)載情況給出最合理的電壓，使電機(jī)的有功功率和無功功率之比達(dá)到最佳值，從而達(dá)到節(jié)能的目的。如何找到電機(jī)負(fù)載變化和控制器輸出電壓變化之間的對應(yīng)關(guān)系即控制算法，是本文研究的目的。

1 雙向晶閘管輸出電壓變化與晶閘管控制角的關(guān)系

晶閘管輸入端為三相正弦波電源，現(xiàn)以輸入電壓380 V、50 Hz動力電為對象說明，見圖1。

圖1 三相交流電壓波形

從三相正弦波圖形可看出，U、V、W三相互差120°相位角，考慮電源電壓的頻率是50 Hz，那么每相一周期的時間為20 ms，一周期為360°，每度對應(yīng)時間為55.56 μs，因此可將度數(shù)換算成相對應(yīng)的時間來表示。

本例中以U相電壓從負(fù)變正的瞬間作為時鐘基準(zhǔn)點，如想得到380 V輸出電壓，采用單片機(jī)控制方式檢測基準(zhǔn)點到來時刻，單片機(jī)立刻對U相晶閘管控制角觸發(fā)，過 60°(3 333.6 μs)對 W相晶閘管控制角觸發(fā)，再過60°對V相觸發(fā)，在負(fù)半周，同樣經(jīng)過U、W、V相觸發(fā)，經(jīng)過一周期360°后又回到時鐘基點，重復(fù)運(yùn)行，就可得到380 V輸出電壓。如想得到220 V輸出電壓，當(dāng)時鐘基點到來時 U相晶閘管控制角在延后60°(3 333.6 μs)觸發(fā)，同理，W 相在 60°后再延遲60°觸發(fā)，以此類推，就可得到220 V輸出電壓。380 V到220 V電壓變化對應(yīng)觸發(fā)角度為0～60°。但真正觸發(fā)時，因要使電源形成回路，所以一次觸發(fā)兩相，即U、V相同時觸發(fā)，U、W相同時，V、W 相同時，V、U 相同時，U、W 相同時，V、W相同時觸發(fā)。

2 電機(jī)負(fù)載和功率因數(shù)角的關(guān)系

電機(jī)負(fù)載是感性負(fù)載，因此電流總要滯后電壓一個角度，而這個角度就是功率因數(shù)角，其大小由電機(jī)的負(fù)載決定，當(dāng)電機(jī)負(fù)載為額定負(fù)載時，其功率因數(shù)角最小，功率因數(shù)最大，達(dá)到0.9以上，當(dāng)電機(jī)為空載時，功率因數(shù)角最大，功率因數(shù)最小，約為0.16。可見，功率因數(shù)角變化完全可以反應(yīng)負(fù)載變化，所以，功率因數(shù)控制器根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化情況(功率因數(shù)的變化情況)來適時調(diào)整電機(jī)端電壓，使電機(jī)在輕載情況下也能保持較高的功率因數(shù)，降低了無功功率，重載時又能及時增高電機(jī)端電壓，從而達(dá)到節(jié)能目的。

3 功率因數(shù)控制器的控制算法實現(xiàn)

功率因數(shù)角是電流滯后電壓的角度，而角度又可轉(zhuǎn)換成時間來表示，因此就可采用晶閘管電壓過零檢測電路和晶閘管電流過零檢測電路，通過單片機(jī)計算出兩個檢測點的時間差，通過換算就可得到功率因數(shù)角。

假設(shè)三相電是平衡的，以A相電壓由負(fù)變正的瞬間作為參考點，功率因數(shù)角的測量也以A相為準(zhǔn)，當(dāng)時鐘參考點到來的時刻開始計算A相晶閘管關(guān)斷(電流為零)的時間，由上分析，時間可以換算成角度，這個時間就是電壓和電流之間的夾角(功率因數(shù)角)，從而判斷出電機(jī)負(fù)載的大小。

根據(jù)功率因數(shù)的大小來調(diào)整電機(jī)端電壓的控制算法可以采用兩種方式，一種是恒功率因數(shù)控制方式，另一種是隨動功率因數(shù)控制方式，現(xiàn)分別加以說明。

3.1 恒功率因數(shù)控制方式

該方式采用一個固定的功率因數(shù)做比較點，如采用負(fù)載為額定負(fù)載53%的功率因數(shù)0.8做參考點，當(dāng)電機(jī)軟起動完成時，開始計算電機(jī)的適時功率因數(shù)，當(dāng)功率因數(shù)比參考點功率因數(shù)低時，認(rèn)為是輕載，控制器就以每周期晶閘管控制角升1°的方式降低輸出電機(jī)端電壓，電機(jī)端電壓降低就引起功率因數(shù)升高，當(dāng)升高到與設(shè)定的功率因數(shù)相等時，電機(jī)端電壓穩(wěn)定。如果電機(jī)端電壓降到一個設(shè)定值(如220 V)時，功率因數(shù)仍低于設(shè)定值，為保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，電壓被控制在設(shè)定值運(yùn)行。反之，當(dāng)電機(jī)適時功率因數(shù)比設(shè)定的功率因數(shù)高時，認(rèn)為電機(jī)負(fù)載加大，控制器就以每周期晶閘管控制角降1°的方式升高輸出電機(jī)端電壓，電壓升高功率因數(shù)相應(yīng)降低，當(dāng)電機(jī)適時功率因數(shù)與設(shè)定的功率因數(shù)相等時，電機(jī)端電壓穩(wěn)定。程序控制框圖見圖2。

圖2 控制算法程序框圖

3.2 隨動功率因數(shù)控制方式

以相鄰兩次功率因數(shù)測量值做比較，如n次和n+1次相減，結(jié)果小于一個設(shè)定值，則認(rèn)為電機(jī)負(fù)載和輸出電壓相匹配，所以輸出電壓不變。n次和n+1次相減，當(dāng)結(jié)果大于一個設(shè)定值，并為正數(shù)，則認(rèn)為電機(jī)負(fù)載為重載，可控硅輸出電壓被控制升高，直到功率因數(shù)差小于設(shè)定值，輸出電壓穩(wěn)定。n次和n+1次相減，當(dāng)結(jié)果大于設(shè)定值，并為負(fù)數(shù)，則認(rèn)為電機(jī)負(fù)載為輕載，晶閘管輸出電壓被控制降低，直到功率因數(shù)差小于設(shè)定值，輸出電壓穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過對功率因數(shù)控制器控制算法的分析，提出了三相正弦波角度與時間的換算關(guān)系，使對角度控制的理論改為對時間進(jìn)行控制，從而為通過單片機(jī)控制方式對功率因數(shù)角進(jìn)行直接控制打下基礎(chǔ)。介紹了功率因數(shù)控制器的工作原理，給出了控制流程框圖，并提出了切實可行的控制方案，為實際制造該產(chǎn)品提供了必要的方式。

［1］王廣林，敬淑義，李志杰，等.感應(yīng)電動機(jī)隨動功率因數(shù)控制法節(jié)電控制的研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2003(1):5-6.

［2］禹成七，于成軍，閻增奎，等.電機(jī)功率因數(shù)控制器的研究與設(shè)計［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報，1998(4):36-41.