基于單片機控制的功率因數控制器的設計①

張有東 李 捷

(1.華北科技學院機機電工程學院，北京東燕郊 101601;2.北京創發科技有限公司，北京 100700)

基于單片機控制的功率因數控制器的設計①

張有東1②李 捷2

(1.華北科技學院機機電工程學院，北京東燕郊 101601;2.北京創發科技有限公司，北京 100700)

通過對目前電動機節能方式的分析，提出了利用單片機89C52為控制核心，根據電動機負載變化，實時檢測電動機功率因數，調整電動機定子端電壓的控制方案，以達到提高功率因數、節約電能的目的。同時，給出了功率控制器的硬件和軟件的設計方法。通過該方案的控制，系統可以實現電動機的軟啟動及過載、斷相、欠壓等的全方位監測。

功率因數控制器;異步電動機;節能運行;單片機

目前，隨著經濟的快速發展，電力供需矛盾日益突出，為此，國家在大力發展電力的同時，號召全社會節能、提效、減排，根據相關資料統計，三相異步電動機拖動負載耗電量占電力系統總耗電量的60%以上，采用節能技術使三相異步電動機拖動系統高效穩定運行，節約電能，為企業降低成本就顯得很重要。

1 三相異步電動機拖動系統節能方式

三相異步電動機拖動系統節能技術主要采用變頻器控制方式和降壓式節能器控制兩種方式。

變頻器控制方式節能就是通過改變電動機運行速度實現的，當電動機控制對象需要不時調整速度時，使用變頻器可以獲得良好的運行特性和節能效果，并為業界所公認。

對于另一種情況，電動機拖動負載運行時，不需要調整速度，而負載大小經常會發生變化，此時，采用變頻器控制方式就不能達到節能的目的。針對這種工況要求，功率因數控制器可以解決上述問題。經過實驗證明，可以達到良好的節能效果。

2 功率因數控制器工作原理

功率因數控制器是以三組雙向可控硅做為控制調壓元件，根據電動機功率因數的動態變化及時調整雙向可控硅的觸發角，以此調節電動機的定子電壓，使功率因數保持恒定。若負載大，功率因數比設定的功率因數高，則減小觸發角以升高電動機定子電壓，反之，負載小，功率因數低比設定的功率因數低，則增大觸發角以降低電動機定子電壓，使功率因數提高到設定值。當電動機定子電壓降低時，根據 U≈E=4.44N1f1kw1Φm，Φm減小，勵磁電流會隨之減小，電動機的功率因數會隨之提高，同時電動機的銅損、鐵損也會相應降低，電動機軸上輸出功率基本不變，電動機的效率提高。電動機由于轉子電壓降低會引起轉速的下降，根據實測，轉子轉速下降為正常轉速的2%左右，不影響對調速要求不高的生產機械。當負載為額定負載的30%以下，電動機自身功率消耗與電動機總功率相比，占有較大比例，所以，控制器通過降低電壓來降低電動機本身的功率損耗，從而達到節能的目的。

3 功率因數控制器硬件電路設計

控制器硬件框圖如圖1所示，它是以89C52為核心的控制系統，輸入電路主要有時鐘基準電路、功率因數檢測電路、參數設置電路、看門狗電路等，輸出電路主要有可控硅觸發電路、控制器狀態指示等。

3.1 時鐘基準電路

本電路的作用是將U相電壓信號正半波經過整形后輸入CPU輸入口，作為觸發電路控控制三組可控硅的時鐘基準，也做為功率因數檢測電路判斷功率因數值的時鐘基準。

圖1 功率因數控制器硬件框圖

3.2 功率因數檢測電路

電壓和電流之間的夾角是功率因數角，電動機是電感性負載，當電壓過零時，電流沒有過零，所以可控硅此時仍導通，可控硅兩端電壓基本為零，當電流過零可控硅關斷瞬間，會產生一個脈沖，本電路是以U相正半波過零點為時鐘基準，檢測U相可控硅關斷瞬間脈沖，通過高速光耦送到CPU，算出兩者時間差值，此差值就是U相的功率因數角，同時本電路還可檢測三相電源缺相。

3.3 觸發電路

CPU通過檢測功率因數角的大小判斷出電動機負載輕重，計算出可控硅觸發角數值，同步時鐘到來時，延遲觸發角數值所對應的時間，然后每隔60°以U相、W相、V相順序通過觸發電路將觸發脈沖送到雙向可控硅控制端，從而可以通過功率因數變化動態調整電動機定子電壓數值，在保證拖動系統正常運行的同時，還可達到良好的節能效果。

3.4 參數設置電路

參數設置電路是利用拔碼開關的不同組合，用來設定電動機啟動時間、頻率等不同狀態。

3.5 看門狗電路

本電路是防止程序死循環時給CPU一個復位信號，以保證系統正常運行。

4 控制器軟件設計

本裝置軟件按功能分可分為軟啟動軟件、功率因數控制軟件、故障保護軟件組成。

4.1 軟啟動軟件

軟啟動軟件是按照用戶設置的啟動時間，按照軟啟動計算公式，平穩的起動電動機，減少對拖動系統的沖擊，并減少啟動時的功率損耗。

4.2 功率因數控制器的軟件設計

本軟件是以一固定的功率因數值做參考值，檢測電動機的動態功率因數，檢測的值比參考值低時，認為系統輕載，CPU通過觸發電路降低電動機定子電壓，使動態功率因數升高到與參考值相等，反之，認為系統重載，CPU通過觸發電路升高電動機定子電壓，使動態功率因數降低到與參考值相等。詳見圖2，控制算法程序框圖。

4.3 故障保護軟件

本軟件是當CPU檢測到發生缺相，過流、過壓等故障時，及時中斷觸發電路輸出，以保證設備不受損壞，同時將故障信息通過指示燈顯示。

圖2 控制算法程序框圖

5 功率因數控制器的節能效果

本產品在研究出來后，在37.5kw削皮機上做工業性實驗，經過連續五十天運行，完全滿足削皮機工況要求，通過安裝控制器和沒安裝控制器的兩臺削皮機生產119256張皮子耗電量對比，裝控制器的設備總耗電量為28480度，沒安裝控制器的設備總耗電量為33427度，節電率為14.8%。

6 結論

本文介紹了三相電動機拖動系統的節電方式，提出了功率因數控制的軟硬件設計思路和實現方法，通過工業性實驗得到控制器的節電效果，證明功率因數控制器在特定的工況條件下是有良好的節電效果的。由于該系統采用了單片機控制，所以具有高的性能價格比和柔性，可以根據實際生產情況變更和擴展，提高了控制器的靈活性和適用性，有利于該技術的引用和推廣。

［1］ 上官宇劍，謝利理，劉素梅.基于功率因數的節能控制器的設計［J］.機電一體化，2007，(06):73-75，78

［2］ 王廣林，敬淑義，李志杰，王惠峰.感應電動機隨動功率因數控制法節電控制的研究［J］.節能技術，2003，(01):5-6

［3］ 禹成七，成軍，增奎，武新力.電動機功率因數控制器的研究與設計［J］.華北電力大學學報，1998，(10):36-41

Design on motor’s power factor controller based on Single-chip Microcomputer

ZHANG Youdong1，LI Jie2

(1.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East 101601 2.Chuangfa Technology Company Limited of Beijing，Beijing 100700)

By studying on the motor’s economical running conditions，the paper proposes the control proposal that the Singlechip Microcomputer 89C52 is the control heart，the motor’s power factor is tested in real time and the voltage of stator is adjusted according to the change of motor’s load.Though the proposal carried out，the power factor is improved and the electric energy is saved.Meanwhile the paper explained the controller’s software and hardware principles.Controlling the motor by using the proposal can monitor the motor in all domains，such as starting，over-load，power cut and not enough voltage，etc.

power factor controller;asynchronous motor;economical running;Single-chip Microcomputer

TM343+.2

A

1672-7169(2012)01-0062-02

2012-01-03。該裝置已申請國家新型專利，專利號:ZL 2010 2 0681621.8

張有東(1970-)男，河北安新人，大學畢業，華北科技學院機電工程學院，副教授，現在從事電氣工程控制、信號檢測分析的教學與研究工作。