基于單片機的異步電機節能控制系統設計

劉芬 徐務農

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

1 引言

異步電動機是量大、面廣的耗能設備，約占工業耗電量的80%。一般系列的異步電機都是根據滿載或四分之三負載的效率值來設計的。而在實際使用中，電機卻經常是在中載、輕載，甚至是在空載狀態下運行，導致電動機的功率因數和效率不高，電能浪費現象十分嚴重。如果適當降低電壓，可使勵磁無功電流成比例下降，從而降低鐵耗和從電網吸收的無功功率，提高電動機的運行效率，達到節能的目的。

2 電動機降壓節能基本原理

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

圖1 電流向量圖

3 節能控制系統的組成

圖2 單片機調壓控制系統框圖

電機運行過程中，可從電流或功率因數的變化獲知負載的變化情況，故可以將功率因數作為反饋量來進行控制。本文采用的控制系統是利用電動機負載變化，電流滯后電壓的角度（功率因數角）發生變化的原理而設計的。晶閘管降壓節能控制系統原理框圖如圖2所示，通過檢測定子電壓與電流的相位差角，經轉換器變為數字量，該采樣值經單片機處理后，產生相應的控制脈沖，使之根據電動機負載的大小自動調整可控硅的控制角，從而調整電動機的端電壓，使之與負載理想匹配，達到低損耗，高效率節能之目的。

4 硬件電路設計

硬件電路主要由晶閘管及移相觸發電路、信號檢測板和單片機控制板三部分組成。

4.1 晶閘管及移相觸發電路

晶閘管及移相觸發電路主要接收控制板的控制信號，實施交流電壓的調節。采用專用集成觸發芯片TC787，其基本連接如圖3所示。

從同步變壓器來的三相過零信號經耦合電容Cl、C2、C3到 6V的直流信號上送入 18、2和 1腳。TC787對其進行過零檢測，經積分電容C4、C5、C6形成以過零點為起點的三角波，與由 VR引入的觸發控制信號比較，再經C7調制成觸發脈沖，由12、9、10、7、8、11腳輸出，由脈沖變壓器驅動晶閘管。

圖3 晶閘管及TC878芯片的連接

4.2 信號檢測板

信號檢測板主要接收傳感器的信號并進行處理，得到標準電壓和電流的有效值及功率因數角送控制板。標準電壓和電流的有效值轉換電路如圖4所示。

此電路在絕對值電路基礎上，增加了濾波電容Cl，將交流信號的絕對值變為平均值。合理設計R5的阻值，將平均值變為有效值。

功率因數角檢測電路如圖5所示。

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

4.3 單片機控制板部分

此部分電路主要是接收信號檢測板的信號，通過運算發出控制信號到移相觸發電路，實施最佳功率因數控制，同時控制板還通過鍵盤顯示面板對控制器參數進行修改，并顯示控制器運行狀態。部分基本電路如圖6所示。

TLC5615是10位串行D／A，將控制量變為模擬電壓信號，去控制晶閘管交流調壓；TLC0834是4路8位A/D轉換器，采用1路電壓和3路電流信號；X25045是含WDT和EEPROM的多功能電路，負責單片機系統的安全監測和重要參數的保護；SN75176是RS485接口，實現聯網監控。

圖4 有效值轉換部分基本電路

圖5 相位檢測部分基本電路

5 軟件設計

本軟件采用KEIL C51語言編程，程序主要由鍵盤與顯示監控部分、串行接口芯片驅動部分和信號采集與實時控制部分組成。

串行接口芯片驅動部分，主要是根據芯片的時序圖，以單片機的 I／O口模擬串行口，以實現對串行芯片的讀寫操作。由于本設計單片機 I／O較多，各個芯片采用單獨的 I／O信號。信號采集與實時控制部分，以實時時鐘為基準，采集電壓和電流信號對系統的安全進行監視。采集功率因數信號與最優值比較，以PI控制算法進行運算，適時發出控制指令，對電動機進行調壓，使其運行于高效率狀態。

圖6 單片機控制板部分基本電路

6 實驗結果及結論

利用設計的節能控制系統，對實驗室的 5.5 kW的異步電機進行了節能實驗，表1為不同負載率下的節電率實驗。

由數據可以看出，電機在不同負載率下運行，通過節能控制系統使電壓降低，從而提高功率因數。降壓對異步電機輕載時的節能效果最好，可實現異步電動機較好的節能經濟運行，是異步電動機節能運行的新思路，這對于節約能源、提高經濟效益具有重要的實際意義。但當負載率大于60%以后，節能效果已經不明顯，因此，利用降低電機端電壓的方法進行節能的范圍是有限的。

表1 不同負載下的節電率

[1]常進, 張曾科. 感應電機恒功率因數控制的研究[J].中國電機工程學報, 2002, 22（11）： 70～74.

[2]王曉明. 電動機的單片機控制[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社, 2002.

[3]董愛華, 李金麗等.一種基于單片機電壓采樣的功率因數在線檢測[J]. 微計算機信息, 2010, 6： 98-99.