基于單片機的電機節能系統設計

黃　敏

（1.合肥工業大學　電氣及自動化工程學院，安徽　合肥　230009；2.六安職業技術學院　機電工程學院，　　安徽　六安　237158）

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基于單片機的電機節能系統設計

黃敏1，2

（1.合肥工業大學電氣及自動化工程學院，安徽合肥230009；2.六安職業技術學院機電工程學院，安徽六安237158）

摘要：針對電機在負載較小時運行效率低、資源浪費的問題，詳細分析了電機節能的基本原理，基于STC89C51單片機提出了一種功率因數控制方案，通過單片機的控制實現功率因數的調節，進而達到電機節能的設計目的.本文給出了系統工作原理、系統硬件結構以及軟件流程，實際的使用和測試表明，本系統對于經常處于負載較輕或者負載經常變化的電機有較好的節能效果，系統的穩定性也滿足設計要求.

關鍵詞：單片機；電機節能；電流檢測；功率因數

交流異步電機具有結構簡單、成本低廉、操作方便、可靠性高等特點，在工業、農業中廣泛使用，作為機電設備的重要動力輸出裝備在各行各業特別是工礦企業中使用.但是在實際的使用過程中，許多電機運行在恒定輸出功率之下，無法改變系統的輸出功率.這與實際運行環境中負載實時變化的事實是相矛盾的，是一種非常不經濟、不環保的運行狀態，往往會造成較大的能源浪費，同時還會造成不必要的電機損耗.所以說電機節能系統的研究和推廣具有很大的迫切性和必要性.

針對上述情況，本文在詳細分析電機能源浪費原因、電機節能控制原理的基礎上，基于STC89C51單片機設計了一種功率因數控制方案，該方案通過單片機對電機系統的控制實現了電機功率因數的調節，進而在不同的負載情況下，實現了系統功率的改變，達到電機節能的目的.本文給出了系統的硬件設計、軟件流程分析等，并且在實際的工作環境中進行了測試，表明，本系統符合設計要求，工作穩定，對經常處于負載較輕或者負載經常變化的電機有較好的節能效果.

1　電機能源浪費原因分析

交流電機雖然有使用簡單、價格低廉、可靠性好的特點，并在工業、農業中廣泛使用，但是卻有相當一部分交流電機由于各方面的原因處于電能浪費狀態并增加了機器的損耗，總結起來，電機造成能源浪費的原因主要有[1]：

（1）大部分電機在實際使用過程中，都采用直接啟動方式，不但對電網和動力系統造成沖擊，并且超出常規運行電流的大電流啟動造成巨大的電能損耗.

（2）在實際的工作環境中，往往在電動機動能配置的時候，會較為片面的追求相對安全的余量，這就會造成電動機容量過大的結果，導致工作中的電動機偏離系統設計的最佳工作狀態，使得運行的功率因數降低.

（3）工作環境中，由于成本、管理、人員控制等原因，往往會讓電動機采用穩定功率運行，這樣在電動機空載、輕載的時候，會造成巨大的額外電能損失.

2　電機節能原理

目前我國電機系統的運行效率與國際水平相比還有較大差距，大概在10%- 20%左右，隨著國家節能減排的力度加大，電機節能技術也日益受到重視.針對上述電機能量浪費原因的分析，可以通過建立較為完善的實時監控測量系統，對電機的運行參數進行全面你的監控，適時調整電機的輸入輸出的功率，這樣能夠使電機按照負載的實際需求進行適當的輸入和輸出，對功率進行靈活的調節，從而減少系統電能的浪費和消耗.目前較為流行的電機能耗控制方法是功率因數控制閥，此方法通過實時監測電機功率因數角的變化，監測電壓，進而進行調整，從而使電機達到最佳運行狀態.本方法的特點有[2]：

（1）比較適合恒定功率運行，負載經常變化的電機.

（2）實現電壓、電流的同步協動，電機節能效果

顯著增強.

（3）適用范圍較廣，適用于大多數三相交流電機，只需要按照功率大小進行分別配置即可.

（4）穩定性和精確性好.

電動機在額定負載的情況下功率因數最高，系統運行狀態最佳，但是在空載的情況下，功率因數最低.并且根據電動機工作原理可以分析得知，電動機的負載電流會隨著負載大小變化，所以可以將負載電流作為系統檢測信號.功率因數越高，有用功占功率總功率的比重越大，系統運行效率更好.所以說，從某種意義上來說，功率因數是衡量電氣設備運行效率高低的一個重要系數，功率因數降低，則說明用于無用功的消耗的增加，設備的運行效率在降低.所以在電機節能技術中，往往會把功率因數作為重要的檢測指標.提高功率因數的優勢主要有以下幾個方面：

（1）通過功率因數的提高，減少了電機的損耗，減少和生產成本，提高系統工作效率.

（2）通過功率因數的改善，減少了供電系統中的電壓損耗，可以使得電機的供電電壓更為穩定，改善了電能質量，減少的電機的磨損，降低了安全隱患.

（3）功率因數的提高可以提高系統的裕度.

在本文設計的系統中，主要通過對正在運行電機的相電壓和相電流進行過零檢測，計算出功率因數角，通過內控芯片的比對、檢測以及處理，在通過脈沖信號觸發電流，控制導通角，使電壓和電流隨負載的變化靈活進行調整，從而真正達到降壓節能的目的[3].

系統設計整體框圖如圖1所示：

圖1　系統設計整體框圖

3　系統硬件設計

本文在詳細分析電機能源浪費原因、電機節能控制原理的基礎上，基于STC89C51單片機設計了一種功率因數控制方案，該方案通過單片機對電機系統的控制實現了電機功率因數的調節，進而在不同的負載情況下，實現了系統功率的改變，達到電機節能的目的.

STC89C51具有指令速度快、穩定性好、在線燒錄、編程簡單、成本低等原因，非常適合本文設計系統.

功率因數的檢測主要是對運行狀態電機的相電流和相電壓進行檢測，在異步電動機中，由于感性負載的存在，所以在電壓經過過零點后，往往會有一個延遲角，電流才能過零，這個夾角就是功率因數角.電壓過零檢測就是把輸入的負載電壓轉換成同一相位的矩形波，通過單片機的輸入管腳，送入核心處理器，這個矩形波的下降沿既是脈沖的觸發信號，又是單片機的定時器信號.電流過零檢測就是把電流信號轉換為矩形波，有單片機進行檢測和處理.通過對功率因數角的檢測，然后通過余弦取值，進而判斷功率因數角的大小，推導出系統負載的變化，進而改變晶閘管的導通角[4]，實現電壓的調節.電壓電流過零檢測電路如圖2所示，其中電壓采樣電路如圖3所示.通過本采樣電路，可以對電機的線電壓隔離降壓，然后進行整流，達到直流信號再經過濾波、分壓后送至單片機的A/D端進行模數轉換，可以得到實時的電壓值，由單片機進行判斷.

電流采樣電路如圖4所示，通過本采樣電路，可以利用三個電流互感器分別檢測三相電流，采集的信號通過橋式整流后送入單片機的模數轉換接口進行檢測，將其與預先設定的數值進行比較，進而判斷負載的狀態，決定是否觸發脈沖，降低系統電壓.

在完成系統檢測之后，就要進行系統處理和觸發，其中晶閘管的觸發是通過觸發電路實現的，所以說觸發電路才是決定系統準確性和可靠性的關鍵電路，直接影響著系統節能的效率，所以由較高的設計要求.觸發電路的脈沖信號必須大于相應晶閘管的觸發閾值，同時觸發脈沖的幅度和上升沿坡度也會影響觸發精度.為保證晶閘管的可靠導通和

系統的可靠運行，本系統中的觸發電路采用兩個三極管組成放大電路[5,6]，系統電路結構如圖5所示.

4　系統軟件設計

圖2　程序主要設計流程

本系統采用模塊化的設計思想，以主程序為核心設計子模塊，簡化和結構設計，運行中通過主程序實現對子模塊的調用.主要設計流程如圖6所示：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單片機的存儲器中，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，則系統會默認在一個系統周期之內自動進入軟啟動，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.系統每半個周期都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.

5　系統測試分析

在系統設計完成后，需要進行詳細的功能測試和性能測試，驗證系統設計的正確定.但是由于系統實際條件限制，本系統智能針對實驗室異步電機進行測試.系統功能測試結果如表1所示：

表1　系統功能測試結果

系統空載時，電壓對功率因數的影響如表2所示：

表2　電壓對功率因數的影響

由上述結果可以看出，電壓的降低對于系統空載時的功率因數影響很大，通過功率因數的調節，確實可以達到功率調節的目的.

實驗室電機為9KW，本次測試時間為4小時，每個系統狀態各一個小時，系統性能測試結果如表3所示：

表3　系統性能測試結果

上述試驗數據看出，在四個小時之內，使用節能系統比不使用節能系統，少使了4.5度電，節能效率達到了12.5%，達到系統設計要求.

本文在詳細分析電機能源浪費原因、電機節能控制原理的基礎上，基于STC89C51單片機設計了一種功率因數控制方案，該方案通過單片機對電機系統的控制實現了電機功率因數的調節，進而在不同的負載情況下，實現了系統功率的改變，達到電機節能的目的.本文給出了系統的硬件設計、軟件流程分析等，并且在實際的工作環境中進行了測試，表明，本系統符合設計要求，工作穩定，對經常處于負載較輕或者負載經常變化的電機有較好的節能效果.

中圖分類號：TM301

文獻標識碼：A

文章編號：1673- 260X（2015）03- 0137- 03