智能功率因數(shù)控制器的設(shè)計

劉喬

摘要：本文主要就是對現(xiàn)在一些電動機的節(jié)能方式進行了分析，然后提出了一種采用單片機AT89S51作為控制的核心，然后再根據(jù)電動機的荷載變化來對電動機的功率因數(shù)進行實時的測量，通過對電動機定子端的電壓控制方案機械能調(diào)整，這樣功率因數(shù)就能夠有效的提高，從而來達到節(jié)約電能的目的。本文主要就對這種智能功率因數(shù)控制器的設(shè)計進行了分析。

關(guān)鍵詞：智能功率因數(shù)控制器設(shè)計節(jié)能單片機

在我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展的過程當中，電力資源的緊缺也逐漸的表現(xiàn)了出來，電力資源的供需矛盾也變得更加的突出，面對這樣的一種情況，國家在大力發(fā)展經(jīng)濟建設(shè)的過程當中，也開始號召社會各界要開始節(jié)能減排和提效。

通過對相關(guān)的數(shù)據(jù)資料進行分析和統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，在電力系統(tǒng)當中，三相異步電動機的拖動負載耗電量占據(jù)了其中的60%，所以想要對電力系統(tǒng)當中的耗電量進行有效的控制，那么就需要采取合理的技術(shù)措施來對三相異步電動機的拖動系統(tǒng)進行處理，讓它能夠運行的更加的平穩(wěn)和高效，這樣才能夠有效的去節(jié)約電力資源，對于電力企業(yè)的成本降低具有非常重要的作用。

1 對三相異步電動機拖動系統(tǒng)節(jié)能方式的簡單介紹

在對三相異步電動機的拖動系統(tǒng)進行節(jié)能控制的時候，主要采用的技術(shù)方式就是采用變頻器來進行控制的方式以及采用降壓式節(jié)能器來進行控制的方式。采用變頻器來進行控制從而實現(xiàn)三相異步電動機的拖動系統(tǒng)節(jié)能主要就是通過讓電動機的運行速度發(fā)生改變從而來實現(xiàn)的，如果電動機的控制對象需要經(jīng)常去對運行的速度進行調(diào)整，那么如果采用變頻器來進行控制的話就能夠有不錯的節(jié)能效果以及運行的特性，這種方式在業(yè)界也是得到大家公認的。

對于采用降壓式節(jié)能器來進行控制的方式來說，如果三相異步電動機的拖動負載在實際的運行過程當中不需要隨時去對運行的速度進行調(diào)整，但是負載的大小卻會經(jīng)常的發(fā)生變化，如果在這個時候還是采用變頻器來進行控制的話，那么就不能夠達到節(jié)能的效果。

面對這種情況的時候，如果采用功率因數(shù)控制器的話就能夠很好的實現(xiàn)節(jié)能的目的。而且在經(jīng)過很多的實踐證明之后可以發(fā)現(xiàn)，采用功率因數(shù)控制來進行節(jié)能的話效果也非常的好。

2 對功率因數(shù)控制器的工作原理介紹

對于功率因數(shù)控制器來說，它的控制調(diào)壓元件主要是通過三組雙向的可控硅組成的，當電動機的功率因數(shù)在不斷變化的時候，那么雙向可控硅的觸發(fā)角就能夠根據(jù)實際的情況進行及時的調(diào)整，從而來對電動機的定子電壓進行調(diào)節(jié)，這樣功率因數(shù)就能夠一直保持不變。

如果負載比較的大，功率因數(shù)比設(shè)定的功率因數(shù)大的話，那么就可以讓雙向可控硅的觸發(fā)角減小，這樣電動機的定子電壓就會升高，相反如果負載比較的小，功率因數(shù)不能夠達到設(shè)定的功率因素，那么就可以讓雙向可控硅的觸發(fā)角增大，這樣電動機的定子電壓就會降低，從而就能夠讓功率因數(shù)不斷的提高一直到設(shè)定的值。

在電動機的定子電壓下降的過程當中，那么通過相關(guān)的計算公式就能夠發(fā)現(xiàn)，勵磁電流也會相應的減小，那么電動機的功率因數(shù)就會相應的增加。而且在這個時候電動機當中的鐵損和銅損也會相應的降低，電動機軸上的輸出功率基本上是保持不變的，那么電動機的效率也就能夠得到提高。在電動機轉(zhuǎn)子電壓降低的過程當中，可能會引起轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不斷的下降，根據(jù)實際的測試可以發(fā)現(xiàn)，如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在下降的過程當中沒有超過正常轉(zhuǎn)速的2%，那么對于那些對于調(diào)速要求不是很好的機械設(shè)備來說是沒有什么影響的。

當負載達到了比額定負載30%還低的時候，和電動機的總功率相比較，電動機的自身消耗功率占據(jù)了絕大部分，在對電壓降低的過程當中如果通過控制器來完成的話，那么電動機本身的功率消耗也就會降低，最終就能夠有效的實現(xiàn)節(jié)能的目的。

3 對智能功率因數(shù)控制器硬件電路設(shè)計的分析

本文涉及的智能功率因數(shù)控制器它控制系統(tǒng)的核心是單片機AT89S51，而輸入的電路主要就包括了時鐘的基準電路、功率因數(shù)的檢測電路、參數(shù)的設(shè)置電路以及看門狗電路等，而輸出的電路則主要包括了可控硅的觸發(fā)電路以及控制器的狀態(tài)指示燈。

3.1 時鐘的基準電路的分析

時鐘基準電路的主要作用就是在對U相電壓信號的正半波進行整形之后輸入到CPU的輸入口當中，把它當成是觸發(fā)電路在對三組可控硅進行控制的時鐘基準，同時也作為功率因數(shù)在對電路判斷功率因數(shù)值進行檢測的時鐘基準。

3.2 對功率因數(shù)的檢測電路分析

功率因數(shù)角主要就是電流和電壓之間的夾角，電動機的負載是電感性的，在電壓過零的時候，電流并沒有過零，所以可控硅在這個時候依然是導通的，而在可控硅的兩端電壓則基本上為零，在電流過零可控硅關(guān)斷的時候，就會出現(xiàn)一個脈沖，功率因數(shù)的檢測電路是用U相電壓信號的正半波過零點來作為時鐘基準的，對U相可控硅關(guān)斷時候的脈沖進行檢測，然后經(jīng)過高速光耦將這個脈沖送到CPU當中，這樣兩者的時間差值就能夠計算出來，而這個計算出來的時間差值其實就是U相的功率因數(shù)角，另外功率因數(shù)的檢測電路還能夠?qū)θ嚯娫吹娜毕噙M行檢測。

3.3 對觸發(fā)電路的分析

在對電動機的負載輕重進行判斷的時候主要就是通過CPU來對功率因數(shù)角的大小進行檢測。這樣對于可控硅的觸發(fā)角的數(shù)值就能夠有效的計算出來，當同步時鐘到來的時候，那么就會相應的延遲觸發(fā)角數(shù)值相對的時間，然后通過觸發(fā)電路把觸發(fā)脈沖送到雙向可控硅的控制端，在實際的輸送過程當中應該要按照每個60°然后按照U相、W相、V相的順序來進行。這樣在對電動機的定子電壓數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)節(jié)的時候就能夠通過功率因數(shù)的變化來完成，這樣的一種動態(tài)調(diào)節(jié)方式能夠讓拖動系統(tǒng)的運行能夠很好的保證在正常狀態(tài)下，同時也能夠達到節(jié)能的主要目的。

3.4 對參數(shù)設(shè)置電路和看門狗電路的分析

參數(shù)設(shè)置電路的主要目的就是為了設(shè)置電動機的頻率以及啟動時間等不同的狀態(tài)。而看門狗電路主要的目的就是避免當程序出現(xiàn)死循環(huán)的時候會給CPU一個復位的信號，這樣系統(tǒng)才能夠正常的進行運轉(zhuǎn)。

4 對智能功率因數(shù)控制器軟件的設(shè)置分析

在對智能功率因數(shù)控制器的軟件進行設(shè)計時，按其功能一般分為三種，具體為：

4.1 軟啟動軟件

通過軟啟動軟件的運用，可以使得電動機在啟動的過程中保持平穩(wěn)狀態(tài)，這樣將能夠有效的減少對拖動系統(tǒng)的影響，同時還能夠提高電動機的功效，減少啟動功率損耗。這種方式主要是通過用戶對啟動時間的設(shè)置，再根據(jù)啟動的計算公式來對電動機進行啟動。

4.2 功率因數(shù)控制器

功率因數(shù)控制器的軟件設(shè)計，在該軟件中是通過對功率因數(shù)值設(shè)定的固定參考值的比對來檢測電動機的功率是否屬于正常的。在對電動機的動態(tài)功率因數(shù)進行檢測時，當檢測數(shù)值比參考值大時，則系統(tǒng)處于重載狀態(tài)。這時通過控制算法程序得出觸發(fā)角需要降低角度，CPU就觸發(fā)電路升高電動機的定子電壓，使得動態(tài)功率因數(shù)降到與參考值一樣；如果檢測值小于參考值，則控制算法程序就會計算出觸發(fā)角需要升高，這時CPU就會觸發(fā)使定子電壓降低，這樣動態(tài)功率因數(shù)就升高到參考值大小。

4.3 故障保護軟件

通過該軟件將能有效的對電動機發(fā)生故障時進行及時的控制。它主要是對CPU進行檢測，檢測內(nèi)容主要是看CPU是否缺相，電流、電壓是否過大；如果出現(xiàn)這些情況時，它會自動的停止觸發(fā)電路的輸出，同時通過顯示燈提示故障信息，從而對設(shè)備進行有效的保護。

5 結(jié)束語

總而言之，在智能功率因數(shù)控制器中主要是采用的單片機進行控制的，這就有效的降低了該控制器的生產(chǎn)成本；并且根據(jù)單片機的相關(guān)特性，在生產(chǎn)中也可以根據(jù)實際情況的需要對其進行變更和擴展，這將更能有效的提高控制器的性能和作用。通過對智能功率因數(shù)控制器的設(shè)計的分析與探討，可以發(fā)現(xiàn)該控制器能夠有效起到節(jié)約電能的功效，并且在特殊情況下也能保證良好的節(jié)能效果，所以應該大力推廣該技術(shù)的發(fā)展與應用。

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