電機功率因數控制器的控制算法

張有東

(華北科技學院機電工程學院，河北三河 065201)

0 引言

電機功率因數控制器是以雙向晶閘管為調壓元件，根據三相異步電機在不同負載時的功率因數變化，控制雙向晶閘管的控制角度，調節電機端電壓。負載大，功率因數高時，雙向晶閘管控制角小，晶閘管輸出電壓高，負載小，功率因數低時，雙向晶閘管控制角大，晶閘管輸出電壓低，該設備對電機來講是透明的，它只是根據電機負載情況給出最合理的電壓，使電機的有功功率和無功功率之比達到最佳值，從而達到節能的目的。如何找到電機負載變化和控制器輸出電壓變化之間的對應關系即控制算法，是本文研究的目的。

1 雙向晶閘管輸出電壓變化與晶閘管控制角的關系

晶閘管輸入端為三相正弦波電源，現以輸入電壓380 V、50 Hz動力電為對象說明，見圖1。

圖1 三相交流電壓波形

從三相正弦波圖形可看出，U、V、W三相互差120°相位角，考慮電源電壓的頻率是50 Hz，那么每相一周期的時間為20 ms，一周期為360°，每度對應時間為55.56 μs，因此可將度數換算成相對應的時間來表示。

本例中以U相電壓從負變正的瞬間作為時鐘基準點，如想得到380 V輸出電壓，采用單片機控制方式檢測基準點到來時刻，單片機立刻對U相晶閘管控制角觸發，過 60°(3 333.6 μs)對 W相晶閘管控制角觸發，再過60°對V相觸發，在負半周，同樣經過U、W、V相觸發，經過一周期360°后又回到時鐘基點，重復運行，就可得到380 V輸出電壓。如想得到220 V輸出電壓，當時鐘基點到來時 U相晶閘管控制角在延后60°(3 333.6 μs)觸發，同理，W 相在 60°后再延遲60°觸發，以此類推，就可得到220 V輸出電壓。380 V到220 V電壓變化對應觸發角度為0～60°。但真正觸發時，因要使電源形成回路，所以一次觸發兩相，即U、V相同時觸發，U、W相同時，V、W 相同時，V、U 相同時，U、W 相同時，V、W相同時觸發。

2 電機負載和功率因數角的關系

電機負載是感性負載，因此電流總要滯后電壓一個角度，而這個角度就是功率因數角，其大小由電機的負載決定，當電機負載為額定負載時，其功率因數角最小，功率因數最大，達到0.9以上，當電機為空載時，功率因數角最大，功率因數最小，約為0.16。可見，功率因數角變化完全可以反應負載變化，所以，功率因數控制器根據電機負載的變化情況(功率因數的變化情況)來適時調整電機端電壓，使電機在輕載情況下也能保持較高的功率因數，降低了無功功率，重載時又能及時增高電機端電壓，從而達到節能目的。

3 功率因數控制器的控制算法實現

功率因數角是電流滯后電壓的角度，而角度又可轉換成時間來表示，因此就可采用晶閘管電壓過零檢測電路和晶閘管電流過零檢測電路，通過單片機計算出兩個檢測點的時間差，通過換算就可得到功率因數角。

假設三相電是平衡的，以A相電壓由負變正的瞬間作為參考點，功率因數角的測量也以A相為準，當時鐘參考點到來的時刻開始計算A相晶閘管關斷(電流為零)的時間，由上分析，時間可以換算成角度，這個時間就是電壓和電流之間的夾角(功率因數角)，從而判斷出電機負載的大小。

根據功率因數的大小來調整電機端電壓的控制算法可以采用兩種方式，一種是恒功率因數控制方式，另一種是隨動功率因數控制方式，現分別加以說明。

3.1 恒功率因數控制方式

該方式采用一個固定的功率因數做比較點，如采用負載為額定負載53%的功率因數0.8做參考點，當電機軟起動完成時，開始計算電機的適時功率因數，當功率因數比參考點功率因數低時，認為是輕載，控制器就以每周期晶閘管控制角升1°的方式降低輸出電機端電壓，電機端電壓降低就引起功率因數升高，當升高到與設定的功率因數相等時，電機端電壓穩定。如果電機端電壓降到一個設定值(如220 V)時，功率因數仍低于設定值，為保證設備穩定運行，電壓被控制在設定值運行。反之，當電機適時功率因數比設定的功率因數高時，認為電機負載加大，控制器就以每周期晶閘管控制角降1°的方式升高輸出電機端電壓，電壓升高功率因數相應降低，當電機適時功率因數與設定的功率因數相等時，電機端電壓穩定。程序控制框圖見圖2。

圖2 控制算法程序框圖

3.2 隨動功率因數控制方式

以相鄰兩次功率因數測量值做比較，如n次和n+1次相減，結果小于一個設定值，則認為電機負載和輸出電壓相匹配，所以輸出電壓不變。n次和n+1次相減，當結果大于一個設定值，并為正數，則認為電機負載為重載，可控硅輸出電壓被控制升高，直到功率因數差小于設定值，輸出電壓穩定。n次和n+1次相減，當結果大于設定值，并為負數，則認為電機負載為輕載，晶閘管輸出電壓被控制降低，直到功率因數差小于設定值，輸出電壓穩定。

4 結語

通過對功率因數控制器控制算法的分析，提出了三相正弦波角度與時間的換算關系，使對角度控制的理論改為對時間進行控制，從而為通過單片機控制方式對功率因數角進行直接控制打下基礎。介紹了功率因數控制器的工作原理，給出了控制流程框圖，并提出了切實可行的控制方案，為實際制造該產品提供了必要的方式。

［1］王廣林，敬淑義，李志杰，等.感應電動機隨動功率因數控制法節電控制的研究［J］.節能技術，2003(1):5-6.

［2］禹成七，于成軍，閻增奎，等.電機功率因數控制器的研究與設計［J］.華北電力大學學報，1998(4):36-41.