基于單片機(jī)的異步電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉芬 徐務(wù)農(nóng)

（1. 海軍蚌埠士官學(xué)校二系，安徽 蚌埠 233012；2. 海軍902廠，上海 200083）

1 引言

異步電動(dòng)機(jī)是量大、面廣的耗能設(shè)備，約占工業(yè)耗電量的80%。一般系列的異步電機(jī)都是根據(jù)滿載或四分之三負(fù)載的效率值來(lái)設(shè)計(jì)的。而在實(shí)際使用中，電機(jī)卻經(jīng)常是在中載、輕載，甚至是在空載狀態(tài)下運(yùn)行，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率不高，電能浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。如果適當(dāng)降低電壓，可使勵(lì)磁無(wú)功電流成比例下降，從而降低鐵耗和從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率，提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)能基本原理

異步電動(dòng)機(jī)電流向量圖如圖1所示。在額定電壓時(shí)，定子電流為其中電流的無(wú)功分量為有功分量為功率因數(shù)角為φ；在電壓降低后，氣隙主磁通下降，電機(jī)定子電流的無(wú)功分量下降到并且電流無(wú)功分量的值隨端子電壓的下降而下降。同時(shí)由于電機(jī)負(fù)載不變，電流有功分量也將基本不變，兩者的作用使得電機(jī)的定子電流隨電壓的下降而下降。

圖1 電流向量圖

3 節(jié)能控制系統(tǒng)的組成

圖2 單片機(jī)調(diào)壓控制系統(tǒng)框圖

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可從電流或功率因數(shù)的變化獲知負(fù)載的變化情況，故可以將功率因數(shù)作為反饋量來(lái)進(jìn)行控制。本文采用的控制系統(tǒng)是利用電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化，電流滯后電壓的角度（功率因數(shù)角）發(fā)生變化的原理而設(shè)計(jì)的。晶閘管降壓節(jié)能控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，通過(guò)檢測(cè)定子電壓與電流的相位差角，經(jīng)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量，該采樣值經(jīng)單片機(jī)處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖，使之根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的大小自動(dòng)調(diào)整可控硅的控制角，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)的端電壓，使之與負(fù)載理想匹配，達(dá)到低損耗，高效率節(jié)能之目的。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由晶閘管及移相觸發(fā)電路、信號(hào)檢測(cè)板和單片機(jī)控制板三部分組成。

4.1 晶閘管及移相觸發(fā)電路

晶閘管及移相觸發(fā)電路主要接收控制板的控制信號(hào)，實(shí)施交流電壓的調(diào)節(jié)。采用專用集成觸發(fā)芯片TC787，其基本連接如圖3所示。

從同步變壓器來(lái)的三相過(guò)零信號(hào)經(jīng)耦合電容Cl、C2、C3到 6V的直流信號(hào)上送入 18、2和 1腳。TC787對(duì)其進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，經(jīng)積分電容C4、C5、C6形成以過(guò)零點(diǎn)為起點(diǎn)的三角波，與由 VR引入的觸發(fā)控制信號(hào)比較，再經(jīng)C7調(diào)制成觸發(fā)脈沖，由12、9、10、7、8、11腳輸出，由脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)晶閘管。

圖3 晶閘管及TC878芯片的連接

4.2 信號(hào)檢測(cè)板

信號(hào)檢測(cè)板主要接收傳感器的信號(hào)并進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流的有效值及功率因數(shù)角送控制板。標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流的有效值轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

此電路在絕對(duì)值電路基礎(chǔ)上，增加了濾波電容Cl，將交流信號(hào)的絕對(duì)值變?yōu)槠骄怠：侠碓O(shè)計(jì)R5的阻值，將平均值變?yōu)橛行е怠?/p>

功率因數(shù)角檢測(cè)電路如圖5所示。

電壓信號(hào)VA和電流信號(hào)IA經(jīng)與微電平信號(hào)REF比較，取得電壓和電流信號(hào)的正半周；經(jīng)RC濾波后由信號(hào)“或”電路，形成含有功率因數(shù)角的信號(hào)，由單片機(jī)去除其中的電壓半周期，即得功率因數(shù)角。

4.3 單片機(jī)控制板部分

此部分電路主要是接收信號(hào)檢測(cè)板的信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算發(fā)出控制信號(hào)到移相觸發(fā)電路，實(shí)施最佳功率因數(shù)控制，同時(shí)控制板還通過(guò)鍵盤顯示面板對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行修改，并顯示控制器運(yùn)行狀態(tài)。部分基本電路如圖6所示。

TLC5615是10位串行D／A，將控制量變?yōu)槟M電壓信號(hào)，去控制晶閘管交流調(diào)壓；TLC0834是4路8位A/D轉(zhuǎn)換器，采用1路電壓和3路電流信號(hào)；X25045是含WDT和EEPROM的多功能電路，負(fù)責(zé)單片機(jī)系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)和重要參數(shù)的保護(hù)；SN75176是RS485接口，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

圖4 有效值轉(zhuǎn)換部分基本電路

圖5 相位檢測(cè)部分基本電路

5 軟件設(shè)計(jì)

本軟件采用KEIL C51語(yǔ)言編程，程序主要由鍵盤與顯示監(jiān)控部分、串行接口芯片驅(qū)動(dòng)部分和信號(hào)采集與實(shí)時(shí)控制部分組成。

串行接口芯片驅(qū)動(dòng)部分，主要是根據(jù)芯片的時(shí)序圖，以單片機(jī)的 I／O口模擬串行口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)串行芯片的讀寫操作。由于本設(shè)計(jì)單片機(jī) I／O較多，各個(gè)芯片采用單獨(dú)的 I／O信號(hào)。信號(hào)采集與實(shí)時(shí)控制部分，以實(shí)時(shí)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，采集電壓和電流信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的安全進(jìn)行監(jiān)視。采集功率因數(shù)信號(hào)與最優(yōu)值比較，以PI控制算法進(jìn)行運(yùn)算，適時(shí)發(fā)出控制指令，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓，使其運(yùn)行于高效率狀態(tài)。

圖6 單片機(jī)控制板部分基本電路

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

利用設(shè)計(jì)的節(jié)能控制系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的 5.5 kW的異步電機(jī)進(jìn)行了節(jié)能實(shí)驗(yàn)，表1為不同負(fù)載率下的節(jié)電率實(shí)驗(yàn)。

由數(shù)據(jù)可以看出，電機(jī)在不同負(fù)載率下運(yùn)行，通過(guò)節(jié)能控制系統(tǒng)使電壓降低，從而提高功率因數(shù)。降壓對(duì)異步電機(jī)輕載時(shí)的節(jié)能效果最好，可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)較好的節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行的新思路，這對(duì)于節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的實(shí)際意義。但當(dāng)負(fù)載率大于60%以后，節(jié)能效果已經(jīng)不明顯，因此，利用降低電機(jī)端電壓的方法進(jìn)行節(jié)能的范圍是有限的。

表1 不同負(fù)載下的節(jié)電率

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