基于單片機控制的功率因數(shù)控制器的設(shè)計①

張有東 李 捷

(1.華北科技學(xué)院機機電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.北京創(chuàng)發(fā)科技有限公司，北京 100700)

基于單片機控制的功率因數(shù)控制器的設(shè)計①

張有東1②李 捷2

(1.華北科技學(xué)院機機電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.北京創(chuàng)發(fā)科技有限公司，北京 100700)

通過對目前電動機節(jié)能方式的分析，提出了利用單片機89C52為控制核心，根據(jù)電動機負(fù)載變化，實時檢測電動機功率因數(shù)，調(diào)整電動機定子端電壓的控制方案，以達(dá)到提高功率因數(shù)、節(jié)約電能的目的。同時，給出了功率控制器的硬件和軟件的設(shè)計方法。通過該方案的控制，系統(tǒng)可以實現(xiàn)電動機的軟啟動及過載、斷相、欠壓等的全方位監(jiān)測。

功率因數(shù)控制器;異步電動機;節(jié)能運行;單片機

目前，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力供需矛盾日益突出，為此，國家在大力發(fā)展電力的同時，號召全社會節(jié)能、提效、減排，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，三相異步電動機拖動負(fù)載耗電量占電力系統(tǒng)總耗電量的60%以上，采用節(jié)能技術(shù)使三相異步電動機拖動系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，節(jié)約電能，為企業(yè)降低成本就顯得很重要。

1 三相異步電動機拖動系統(tǒng)節(jié)能方式

三相異步電動機拖動系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)主要采用變頻器控制方式和降壓式節(jié)能器控制兩種方式。

變頻器控制方式節(jié)能就是通過改變電動機運行速度實現(xiàn)的，當(dāng)電動機控制對象需要不時調(diào)整速度時，使用變頻器可以獲得良好的運行特性和節(jié)能效果，并為業(yè)界所公認(rèn)。

對于另一種情況，電動機拖動負(fù)載運行時，不需要調(diào)整速度，而負(fù)載大小經(jīng)常會發(fā)生變化，此時，采用變頻器控制方式就不能達(dá)到節(jié)能的目的。針對這種工況要求，功率因數(shù)控制器可以解決上述問題。經(jīng)過實驗證明，可以達(dá)到良好的節(jié)能效果。

2 功率因數(shù)控制器工作原理

功率因數(shù)控制器是以三組雙向可控硅做為控制調(diào)壓元件，根據(jù)電動機功率因數(shù)的動態(tài)變化及時調(diào)整雙向可控硅的觸發(fā)角，以此調(diào)節(jié)電動機的定子電壓，使功率因數(shù)保持恒定。若負(fù)載大，功率因數(shù)比設(shè)定的功率因數(shù)高，則減小觸發(fā)角以升高電動機定子電壓，反之，負(fù)載小，功率因數(shù)低比設(shè)定的功率因數(shù)低，則增大觸發(fā)角以降低電動機定子電壓，使功率因數(shù)提高到設(shè)定值。當(dāng)電動機定子電壓降低時，根據(jù) U≈E=4.44N1f1kw1Φm，Φm減小，勵磁電流會隨之減小，電動機的功率因數(shù)會隨之提高，同時電動機的銅損、鐵損也會相應(yīng)降低，電動機軸上輸出功率基本不變，電動機的效率提高。電動機由于轉(zhuǎn)子電壓降低會引起轉(zhuǎn)速的下降，根據(jù)實測，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降為正常轉(zhuǎn)速的2%左右，不影響對調(diào)速要求不高的生產(chǎn)機械。當(dāng)負(fù)載為額定負(fù)載的30%以下，電動機自身功率消耗與電動機總功率相比，占有較大比例，所以，控制器通過降低電壓來降低電動機本身的功率損耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3 功率因數(shù)控制器硬件電路設(shè)計

控制器硬件框圖如圖1所示，它是以89C52為核心的控制系統(tǒng)，輸入電路主要有時鐘基準(zhǔn)電路、功率因數(shù)檢測電路、參數(shù)設(shè)置電路、看門狗電路等，輸出電路主要有可控硅觸發(fā)電路、控制器狀態(tài)指示等。

3.1 時鐘基準(zhǔn)電路

本電路的作用是將U相電壓信號正半波經(jīng)過整形后輸入CPU輸入口，作為觸發(fā)電路控控制三組可控硅的時鐘基準(zhǔn)，也做為功率因數(shù)檢測電路判斷功率因數(shù)值的時鐘基準(zhǔn)。

圖1 功率因數(shù)控制器硬件框圖

3.2 功率因數(shù)檢測電路

電壓和電流之間的夾角是功率因數(shù)角，電動機是電感性負(fù)載，當(dāng)電壓過零時，電流沒有過零，所以可控硅此時仍導(dǎo)通，可控硅兩端電壓基本為零，當(dāng)電流過零可控硅關(guān)斷瞬間，會產(chǎn)生一個脈沖，本電路是以U相正半波過零點為時鐘基準(zhǔn)，檢測U相可控硅關(guān)斷瞬間脈沖，通過高速光耦送到CPU，算出兩者時間差值，此差值就是U相的功率因數(shù)角，同時本電路還可檢測三相電源缺相。

3.3 觸發(fā)電路

CPU通過檢測功率因數(shù)角的大小判斷出電動機負(fù)載輕重，計算出可控硅觸發(fā)角數(shù)值，同步時鐘到來時，延遲觸發(fā)角數(shù)值所對應(yīng)的時間，然后每隔60°以U相、W相、V相順序通過觸發(fā)電路將觸發(fā)脈沖送到雙向可控硅控制端，從而可以通過功率因數(shù)變化動態(tài)調(diào)整電動機定子電壓數(shù)值，在保證拖動系統(tǒng)正常運行的同時，還可達(dá)到良好的節(jié)能效果。

3.4 參數(shù)設(shè)置電路

參數(shù)設(shè)置電路是利用拔碼開關(guān)的不同組合，用來設(shè)定電動機啟動時間、頻率等不同狀態(tài)。

3.5 看門狗電路

本電路是防止程序死循環(huán)時給CPU一個復(fù)位信號，以保證系統(tǒng)正常運行。

4 控制器軟件設(shè)計

本裝置軟件按功能分可分為軟啟動軟件、功率因數(shù)控制軟件、故障保護(hù)軟件組成。

4.1 軟啟動軟件

軟啟動軟件是按照用戶設(shè)置的啟動時間，按照軟啟動計算公式，平穩(wěn)的起動電動機，減少對拖動系統(tǒng)的沖擊，并減少啟動時的功率損耗。

4.2 功率因數(shù)控制器的軟件設(shè)計

本軟件是以一固定的功率因數(shù)值做參考值，檢測電動機的動態(tài)功率因數(shù)，檢測的值比參考值低時，認(rèn)為系統(tǒng)輕載，CPU通過觸發(fā)電路降低電動機定子電壓，使動態(tài)功率因數(shù)升高到與參考值相等，反之，認(rèn)為系統(tǒng)重載，CPU通過觸發(fā)電路升高電動機定子電壓，使動態(tài)功率因數(shù)降低到與參考值相等。詳見圖2，控制算法程序框圖。

4.3 故障保護(hù)軟件

本軟件是當(dāng)CPU檢測到發(fā)生缺相，過流、過壓等故障時，及時中斷觸發(fā)電路輸出，以保證設(shè)備不受損壞，同時將故障信息通過指示燈顯示。

圖2 控制算法程序框圖

5 功率因數(shù)控制器的節(jié)能效果

本產(chǎn)品在研究出來后，在37.5kw削皮機上做工業(yè)性實驗，經(jīng)過連續(xù)五十天運行，完全滿足削皮機工況要求，通過安裝控制器和沒安裝控制器的兩臺削皮機生產(chǎn)119256張皮子耗電量對比，裝控制器的設(shè)備總耗電量為28480度，沒安裝控制器的設(shè)備總耗電量為33427度，節(jié)電率為14.8%。

6 結(jié)論

本文介紹了三相電動機拖動系統(tǒng)的節(jié)電方式，提出了功率因數(shù)控制的軟硬件設(shè)計思路和實現(xiàn)方法，通過工業(yè)性實驗得到控制器的節(jié)電效果，證明功率因數(shù)控制器在特定的工況條件下是有良好的節(jié)電效果的。由于該系統(tǒng)采用了單片機控制，所以具有高的性能價格比和柔性，可以根據(jù)實際生產(chǎn)情況變更和擴展，提高了控制器的靈活性和適用性，有利于該技術(shù)的引用和推廣。

［1］ 上官宇劍，謝利理，劉素梅.基于功率因數(shù)的節(jié)能控制器的設(shè)計［J］.機電一體化，2007，(06):73-75，78

［2］ 王廣林，敬淑義，李志杰，王惠峰.感應(yīng)電動機隨動功率因數(shù)控制法節(jié)電控制的研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2003，(01):5-6

［3］ 禹成七，成軍，增奎，武新力.電動機功率因數(shù)控制器的研究與設(shè)計［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報，1998，(10):36-41

Design on motor’s power factor controller based on Single-chip Microcomputer

ZHANG Youdong1，LI Jie2

(1.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East 101601 2.Chuangfa Technology Company Limited of Beijing，Beijing 100700)

By studying on the motor’s economical running conditions，the paper proposes the control proposal that the Singlechip Microcomputer 89C52 is the control heart，the motor’s power factor is tested in real time and the voltage of stator is adjusted according to the change of motor’s load.Though the proposal carried out，the power factor is improved and the electric energy is saved.Meanwhile the paper explained the controller’s software and hardware principles.Controlling the motor by using the proposal can monitor the motor in all domains，such as starting，over-load，power cut and not enough voltage，etc.

power factor controller;asynchronous motor;economical running;Single-chip Microcomputer

TM343+.2

A

1672-7169(2012)01-0062-02

2012-01-03。該裝置已申請國家新型專利，專利號:ZL 2010 2 0681621.8

張有東(1970-)男，河北安新人，大學(xué)畢業(yè)，華北科技學(xué)院機電工程學(xué)院，副教授，現(xiàn)在從事電氣工程控制、信號檢測分析的教學(xué)與研究工作。