引言

三相異步電機(jī)是廣泛使用的一種動(dòng)力機(jī)械，每年的耗電量占我國總耗電量的50%以上。在滿負(fù)荷工況條件下，電機(jī)的效率一般較高，通常在80%左右；然而，一旦負(fù)荷下降，電機(jī)的效率便隨之顯著下降。因?yàn)殡姍C(jī)選型時(shí)是按最大可能負(fù)荷和最壞工況所需的功率而定的，多數(shù)電機(jī)在大部分運(yùn)行時(shí)間的負(fù)荷率都在50%～60%，所以實(shí)際運(yùn)行時(shí)的效率都是比較低的。因此，提高這部分電機(jī)的運(yùn)行效率，有著巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 節(jié)能原理

電機(jī)的效率是電機(jī)輸出功率與輸入功率的比值的百分?jǐn)?shù)。因此供電機(jī)的電能即輸入功率并不僅用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)即輸出功率，還有一部分將成為電機(jī)固有的損耗。電機(jī)的主要損耗為銅耗和鐵損，其中銅耗是由于電流流過電機(jī)繞組而產(chǎn)生，與電流的平方成正比；鐵損是由于定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中的磁化電流而產(chǎn)生，與供電電壓成正比。其它損耗很小，可忽略。

調(diào)壓節(jié)電原理是當(dāng)負(fù)荷下降時(shí)，可以適當(dāng)降低電源電壓以減少鐵損，同時(shí)電流隨之下降也減少了銅損及無謂的浪費(fèi)，此時(shí)電機(jī)的效率將得到改善。電機(jī)負(fù)荷的檢測通常采用功率因數(shù)法進(jìn)行：電機(jī)負(fù)荷大，則它的功率因數(shù)大；電機(jī)負(fù)荷小，則它的功率因數(shù)小。

2 技術(shù)難點(diǎn)及解決

①功率因數(shù)角的檢測。通常情況下電流波形是完整的，通過檢測電壓和電流的過零點(diǎn)獲得的相位差即是功率因數(shù)角。但本控制器由于采用了可控硅交流調(diào)壓，當(dāng)導(dǎo)通角較小時(shí)，電流波形出現(xiàn)斷續(xù)。電流繼續(xù)使電流過零檢測失效。為此，我們采取電流與微電平比較來獲取其正半周連續(xù)波形的部分，進(jìn)而取得近似的相位差。

②電壓和電流有效值的檢測。一般按有效值的定義進(jìn)行檢測的電路需要用到模擬乘法器，因而電路比較復(fù)雜，成本也高。由于有效值和絕對平均值之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，并且此處對檢測精度要求不高，故我們先檢測絕對平均值，再轉(zhuǎn)化為有效值。

③強(qiáng)干擾下的系統(tǒng)加固。本節(jié)電器工作在工廠的惡劣環(huán)境下，強(qiáng)電磁干擾會(huì)嚴(yán)重影響微機(jī)系統(tǒng)的正常工作，為此我們采取了多種保護(hù)措施：將數(shù)字電路部分單獨(dú)安裝在金屬機(jī)殼中，以屏蔽空間電磁干擾；選用優(yōu)質(zhì)開關(guān)電源和傳感器，以減少從線路串入的干擾；在微機(jī)外圍電路中廣泛采用串行接口芯片，以簡化電路板布線；采用廣泛使用的WDT電路，提高軟件抗干擾能力。

④可控硅的移相觸發(fā)電路。在三相交流調(diào)壓電路中，一個(gè)很重要的指標(biāo)是三相平衡問題。以前的三相交流調(diào)壓常采用3個(gè)單相移相觸發(fā)芯片設(shè)計(jì)（如TA785），要細(xì)心調(diào)試才能達(dá)到三相平衡。我們采用最新推出的三相移相觸發(fā)芯片AT787，簡化了電路設(shè)計(jì)，使該電路免于繁雜的調(diào)試；同時(shí)還采用了可控硅的強(qiáng)觸發(fā)技術(shù)，使其觸發(fā)得更準(zhǔn)確。

3 硬件設(shè)計(jì)

本控制器主要由3部分組成：可控硅及移相觸發(fā)電路部分，接收控制板的控制信號(hào)，實(shí)施交流電壓的調(diào)節(jié)；信號(hào)檢測板部分，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)有送控制板；單片機(jī)控制板部分，接收信號(hào)檢測板的信號(hào)，通過控制運(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)控制板還通過鍵盤顯示面板對控制器參數(shù)進(jìn)行修改，并顯示控制器運(yùn)行狀態(tài)。

可控硅及移觸發(fā)電路部分TC787芯片的基本連接如圖1所示。

從同步變壓器來的三相過零信號(hào)經(jīng)C1、C2、C3電容耦合到6V的直流信號(hào)上送入18、2、1腳。TC787對其進(jìn)行過零檢測，經(jīng)積分電容C4、C5、C6形成以過零點(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)可控硅。

信號(hào)檢測板部分標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流的有效值轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

此電路基于基本的絕對值電路，增加了濾波電容C1，將交流信號(hào)的絕對值變?yōu)槠骄?；合理設(shè)計(jì)R5的阻值，將平均值變?yōu)橛行е怠?/p>

相位檢測電路如圖3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。

單片機(jī)控制板部分基本電路如圖4所示。

TLC0834是4路8位A/D轉(zhuǎn)換器，采集1路電壓和3路電流信號(hào)；TLC5615是10位串行D/A，將控制量變?yōu)槟M電壓信號(hào)，去控制可控硅交流調(diào)壓；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)視和重要參數(shù)的保護(hù)；SN75176是RS485接口，實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)監(jiān)控。

4 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件采用C51語言編程，C51與匯編語言相比，有編程效率高、代碼易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。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)芯片廠商時(shí)序圖，以單片機(jī)的I/O口模擬串行口，以實(shí)現(xiàn)對串行芯片的讀寫操作。本課題由于單片機(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)，采集電壓電流信號(hào)對系統(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，對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓，使其運(yùn)行于高效率狀態(tài)。

5 系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)并處理了如下幾個(gè)問題。

①電動(dòng)機(jī)可控硅交流調(diào)壓的穩(wěn)定性問題。由于電動(dòng)機(jī)是大電感性負(fù)載，在按外三角接法時(shí)最好采用半控形式。其中的數(shù)據(jù)管發(fā)揮了吸收諧波的作用。要使用全控形式，最好采用內(nèi)三角形式。該接法中各個(gè)繞組單獨(dú)供電，繞組之間不會(huì)產(chǎn)生相互干擾。

②三相調(diào)壓移相觸發(fā)板的器件選擇問題。3個(gè)積分電容的值必須相互一致，誤差在1%以內(nèi)，調(diào)制電容C7的值不能太大，耦合電容C1、C2、C3亦不能太大，不然會(huì)使電路不能長期運(yùn)行，或出現(xiàn)三相的不平衡。

③節(jié)電控制器的最佳功率因數(shù)設(shè)定問題。最佳值一般在0.85附近，風(fēng)機(jī)可以設(shè)定在0.9附近，針對不同電機(jī)而稍有不同。如果超出了此范圍，則屬不正?，F(xiàn)象。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)從理論上有一個(gè)在75%～80%負(fù)載率附近的最高效率點(diǎn)，若電動(dòng)機(jī)老化而無此特性，則節(jié)能不能成立。應(yīng)用中必須注意此原則。

6 結(jié)論

本電機(jī)節(jié)能控制器除了具有功率因數(shù)控制節(jié)能功能外，還實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、斷相保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等功能。經(jīng)用戶測試表明，該電機(jī)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果明顯。