基于單片機的三相異步電動機節能控制研究

李 遠，劉 倩

（1.漯河職業技術學院電氣電子工程系，河南 漯河 462000；2.漯河職業技術學院電氣電子工程系，河南 漯河 462000）

引言

在我國生活生產的動力機械中，三相異步電機得到了廣泛地使用，其耗電量比重較大，大概占我國年總耗電量50%以上。對于其工作能效而言，負荷與工作能效具有負相關性，在滿負荷工況條件下其工作能效才會達到最高，大約為80%左右。因此，在實際應用過程中，對于三相異步電機的選取應結合最大可能負和最壞工況來定，結合現狀來看，目前我國三相異步電機的工作能效通常維持在50%～60%之間，都是比較低的。因此，如果能提高三相異步電機的工作能效對于我國電網經濟的提高是很可觀的[1-3]。

對于三相異步電機的工作原理來講，當其三相定子繞組接入三相交流電之后，會產生一個穩定的旋轉磁場，且會對轉子繞組進行切割，繼而使得轉子繞組產生感應電流，使其進一步產生電磁力，在滿足電磁轉矩形成的基礎上，就會驅動電動機旋轉?；谌喈惒诫姍C的工作原理的理解，若要降低三相異步電機的損耗，可以有三種方式：一是改變頻率；二是減小定子電壓；三是對電動機系統進行優化。在本文中，研究的重點是第二種方式，即通過減小電壓來達到節能增效的目的，其原理是當三相異步電機負載降低時，同時也降低工作電壓，從而來使得三相異步電機維持在一個較高的效率[4]。

1 控制器的的總體方案

本文所設計的總體方案如圖1所示，主控芯片單片機對異步電機相電壓與相電流通過AD轉換后進行過零點檢測，接著以此來計算出異步電機的功率因數角，結合異步電機的功率因數角進一步處理后，通過HSO輸出觸發脈沖，實現對雙向晶閘管導通角的控制，從而實現有效的降壓節能目的。該總體方案包含的子單元有如下幾個部分：單片機控制單元、電信號采集單元、功率因數角檢測單元、供電單元、人機交互單元（鍵盤及顯示）及過流保護單元等。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

對于本系統的硬件設計，是本文的一個研究重點，結合前文的系統結構框圖設計，下面對各個子單元的硬件那部分設計進行分析，但是限于文章篇幅限制，本節僅對以下幾部分電路設計進行闡述[5]。

2.1 功率因數檢測電路設計

對于功率因數檢測電路，其作用是采集外部輸入的電信號，將電壓、電流過零點信號進行采集并AD轉換，轉換后傳輸給單片機CPU的輸入端口，單片機的HSIO-HSD高速傳輸端口用來接收數據信息，傳輸給CPU進行處理，單片機的HSOO-HSOI高速傳輸端口為輸出端口，能夠輸出脈沖波（亦稱PWM波），并且脈沖波的寬度與周期均可調節。三相異步電機是一個感性負載，當其電壓為零值之后，還需要一個延遲角電流才能為零值，二者的夾角為功率因數角，電壓過零檢測的原理就是對輸入電壓進行轉換，使其成為一個同相位的矩形波，并將其輸入給單片機的HSI端口，觸發脈沖的基準信號可以采用該矩形波的下降沿，并且該下降沿還能夠當做單片機軟件定時器的開始信號。此外，若要準確估算出調壓的大小，需要對功率因數角進行檢測，以功率因數角的大小來改變晶閘管的導通角的大小，從而實現科學調壓，因此，功率因數角檢測越準確越能夠達到降壓節能的效果。所以，本文設計以下采樣電路（見圖2）。

圖2 電壓電流過零檢測電路圖

2.2 電壓電流檢測電路設計

單片機處理的是數字量，因此在進行電壓電流檢測時需要將電信號轉換成數字量，為了降低設計的復雜性，本文選取的單片機型號為80C196KB，其自帶有8個通過的AD輸入，且具有10 bit，能夠保證電信號的精確度，將輸入的電信號模擬量盡可能滿量程地涵蓋AD的10 bit，該AD具有門限探測模式，若出現過載現象，將會產生中斷信號。基于以上理論，對于電壓電流檢測電路設計的設計如圖3所示，采用變壓器將線電壓先進行隔離降壓，之后將信號進行調整，在此基礎上在進行濾波處理，之后傳輸給單片機進行AD轉換（見圖3）。

圖3 電壓檢測電路圖

對于電流檢測硬件實現，是利用三個電流互感器來進行的，先進行整流然后進入模數轉換，已達到對于電流檢測的目的，具體如圖4所示。

圖4 電流檢測電路圖

3 控制系統軟件設計

異步電機在運行的時候，若想增強功率，就需要知道目前電機負載情況，之后合理地對電機電壓進行調節，結合檢測到的電壓電流數據來完成增強功率的需求。通過軟件控制的方式確保系統運行的最優性，并且軟件系統應具備對故障信息的預判、報警、顯示功能。因此，對于軟件的設計包含了初始化功能、開始結束功能、電流電壓計算功能、控制功能、顯示功能、故障判斷功能，具體如圖5所示。

圖5 主控系統流程圖

4 結論

本文所設計的節能控制器硬件是以80C196KB單片機為主控芯片實現的，實現電壓電流過零點精確檢測、狀態顯示、斷相保護和過壓過流保護等功能。該節能控制器實現了電機的軟起動與軟剎車、過載保護、缺相以及三相不平衡保護，并被實際應用到電機上。所設計的節能控制器的關鍵技術就是利用最小輸入有功功率最優控制方法實現電機經濟運行，通過三路電流和兩路電壓采集得來數據，計算出一個精確值，該值能表征電機在一段時間的平均有功功率的變化情況，通過調整電機運行曲線來判斷電機有功功率的變化情況，最后找到電機有功功率最小的工作曲線，至此動態尋找過程結束。同時根據早晚電壓有一定壓差，系統會在一定時間內重新進入動態尋優過程。