李 遠(yuǎn)，劉 倩

（1.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，河南 漯河 462000；2.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，河南 漯河 462000）

引言

在我國生活生產(chǎn)的動力機(jī)械中，三相異步電機(jī)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(fù)荷與工作能效具有負(fù)相關(guān)性，在滿負(fù)荷工況條件下其工作能效才會達(dá)到最高，大約為80%左右。因此，在實際應(yīng)用過程中，對于三相異步電機(jī)的選取應(yīng)結(jié)合最大可能負(fù)和最壞工況來定，結(jié)合現(xiàn)狀來看，目前我國三相異步電機(jī)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(jī)的工作能效對于我國電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的提高是很可觀的[1-3]。

對于三相異步電機(jī)的工作原理來講，當(dāng)其三相定子繞組接入三相交流電之后，會產(chǎn)生一個穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場，且會對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行切割，繼而使得轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流，使其進(jìn)一步產(chǎn)生電磁力，在滿足電磁轉(zhuǎn)矩形成的基礎(chǔ)上，就會驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)?；谌喈惒诫姍C(jī)的工作原理的理解，若要降低三相異步電機(jī)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)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(dá)到節(jié)能增效的目的，其原理是當(dāng)三相異步電機(jī)負(fù)載降低時，同時也降低工作電壓，從而來使得三相異步電機(jī)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(shè)計的總體方案如圖1所示，主控芯片單片機(jī)對異步電機(jī)相電壓與相電流通過AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行過零點檢測，接著以此來計算出異步電機(jī)的功率因數(shù)角，結(jié)合異步電機(jī)的功率因數(shù)角進(jìn)一步處理后，通過HSO輸出觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)對雙向晶閘管導(dǎo)通角的控制，從而實現(xiàn)有效的降壓節(jié)能目的。該總體方案包含的子單元有如下幾個部分：單片機(jī)控制單元、電信號采集單元、功率因數(shù)角檢測單元、供電單元、人機(jī)交互單元（鍵盤及顯示）及過流保護(hù)單元等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

對于本系統(tǒng)的硬件設(shè)計，是本文的一個研究重點，結(jié)合前文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計，下面對各個子單元的硬件那部分設(shè)計進(jìn)行分析，但是限于文章篇幅限制，本節(jié)僅對以下幾部分電路設(shè)計進(jìn)行闡述[5]。

2.1 功率因數(shù)檢測電路設(shè)計

對于功率因數(shù)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(jìn)行采集并AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī)CPU的輸入端口，單片機(jī)的HSIO-HSD高速傳輸端口用來接收數(shù)據(jù)信息，傳輸給CPU進(jìn)行處理，單片機(jī)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(diào)節(jié)。三相異步電機(jī)是一個感性負(fù)載，當(dāng)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(shù)角，電壓過零檢測的原理就是對輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為一個同相位的矩形波，并將其輸入給單片機(jī)的HSI端口，觸發(fā)脈沖的基準(zhǔn)信號可以采用該矩形波的下降沿，并且該下降沿還能夠當(dāng)做單片機(jī)軟件定時器的開始信號。此外，若要準(zhǔn)確估算出調(diào)壓的大小，需要對功率因數(shù)角進(jìn)行檢測，以功率因數(shù)角的大小來改變晶閘管的導(dǎo)通角的大小，從而實現(xiàn)科學(xué)調(diào)壓，因此，功率因數(shù)角檢測越準(zhǔn)確越能夠達(dá)到降壓節(jié)能的效果。所以，本文設(shè)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(shè)計

單片機(jī)處理的是數(shù)字量，因此在進(jìn)行電壓電流檢測時需要將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為了降低設(shè)計的復(fù)雜性，本文選取的單片機(jī)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(xiàn)過載現(xiàn)象，將會產(chǎn)生中斷信號。基于以上理論，對于電壓電流檢測電路設(shè)計的設(shè)計如圖3所示，采用變壓器將線電壓先進(jìn)行隔離降壓，之后將信號進(jìn)行調(diào)整，在此基礎(chǔ)上在進(jìn)行濾波處理，之后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換（見圖3）。

圖3 電壓檢測電路圖

對于電流檢測硬件實現(xiàn)，是利用三個電流互感器來進(jìn)行的，先進(jìn)行整流然后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換，已達(dá)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(tǒng)軟件設(shè)計

異步電機(jī)在運行的時候，若想增強(qiáng)功率，就需要知道目前電機(jī)負(fù)載情況，之后合理地對電機(jī)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)合檢測到的電壓電流數(shù)據(jù)來完成增強(qiáng)功率的需求。通過軟件控制的方式確保系統(tǒng)運行的最優(yōu)性，并且軟件系統(tǒng)應(yīng)具備對故障信息的預(yù)判、報警、顯示功能。因此，對于軟件的設(shè)計包含了初始化功能、開始結(jié)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(tǒng)流程圖

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的節(jié)能控制器硬件是以80C196KB單片機(jī)為主控芯片實現(xiàn)的，實現(xiàn)電壓電流過零點精確檢測、狀態(tài)顯示、斷相保護(hù)和過壓過流保護(hù)等功能。該節(jié)能控制器實現(xiàn)了電機(jī)的軟起動與軟剎車、過載保護(hù)、缺相以及三相不平衡保護(hù)，并被實際應(yīng)用到電機(jī)上。所設(shè)計的節(jié)能控制器的關(guān)鍵技術(shù)就是利用最小輸入有功功率最優(yōu)控制方法實現(xiàn)電機(jī)經(jīng)濟(jì)運行，通過三路電流和兩路電壓采集得來數(shù)據(jù)，計算出一個精確值，該值能表征電機(jī)在一段時間的平均有功功率的變化情況，通過調(diào)整電機(jī)運行曲線來判斷電機(jī)有功功率的變化情況，最后找到電機(jī)有功功率最小的工作曲線，至此動態(tài)尋找過程結(jié)束。同時根據(jù)早晚電壓有一定壓差，系統(tǒng)會在一定時間內(nèi)重新進(jìn)入動態(tài)尋優(yōu)過程。