韓　鋼

摘要：文章提出的電機(jī)節(jié)能保護(hù)系統(tǒng)以異步電機(jī)相電壓與相電流的過零點(diǎn)信號(hào)為取樣對象，在80C196單片機(jī)的控制下，根據(jù)計(jì)算出的功率因數(shù)角，采用基于模糊控制的節(jié)能控制算法，通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角，以達(dá)到降壓節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：80C196單片機(jī)；電機(jī)節(jié)能保護(hù)系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；功率因數(shù)

中圖分類號(hào)：TM343文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）09-0017-02

交流異步電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電設(shè)備的重要?jiǎng)恿碓丛诠さV企業(yè)中被廣泛使用，但有相當(dāng)多的異電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)是處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)的，結(jié)果造成了電能的巨大浪費(fèi)。究其原因，大致是由以下幾種情況造成的：（1）由于大部分電機(jī)采用直接起動(dòng)方式，除了造成對電網(wǎng)及拖動(dòng)系統(tǒng)的沖擊和事故之外，8～10倍的起動(dòng)電流造成巨大的能量損耗；（2）在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容量選配時(shí)，往往片面追求大的安全余量，結(jié)果使電動(dòng)機(jī)容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)偏離最佳工況點(diǎn)，運(yùn)行效率和功率因數(shù)降低；（3）從電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械自身的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考慮，往往要求電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有變壓、變速調(diào)節(jié)能力，若用定速定壓拖動(dòng)，勢必造成大量的額外電能損失。針對電動(dòng)機(jī)的非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，采用智能全自動(dòng)控制技術(shù)對運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)實(shí)行整體全息監(jiān)控，在不改變電動(dòng)機(jī)原有功能和使用規(guī)范的前提下，隨機(jī)地瞬態(tài)跟蹤，動(dòng)態(tài)調(diào)整，始終保持電動(dòng)機(jī)在最安全、最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下運(yùn)行，從而可有效地避免電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中的電能浪費(fèi)。

一、電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

電機(jī)在額定負(fù)載的情況下工作效率最高，而在輕載或空載狀態(tài)下的工作效率是非常低的。通過改變電動(dòng)機(jī)的工作電壓，使加在電機(jī)上的電壓跟隨負(fù)載而變化，負(fù)載輕時(shí)電壓也低，這樣即可降低電動(dòng)機(jī)的有功功率、無功功率及其損耗，從而可提高輕載或空載時(shí)的工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的?？刂七^程中，先由主控制器80C196單片機(jī)通過對異步電機(jī)相電壓與相電流的過零點(diǎn)檢測，計(jì)算出異步電機(jī)的功率因數(shù)角，經(jīng)過主控制芯片的處理，再由HSO輸出觸發(fā)脈沖，控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角，達(dá)到降壓節(jié)能的目的。節(jié)能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

（一）電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件部分主要由微控制器、電流和電壓檢測模塊、鍵盤與顯示模塊、觸發(fā)模塊等組成。

1．功率因數(shù)檢測電路的設(shè)計(jì)。功率因數(shù)的檢測主要是對電機(jī)相電壓和相電流的過零點(diǎn)進(jìn)行檢測，節(jié)能控制中，對功率因數(shù)角φ的檢測是實(shí)現(xiàn)調(diào)壓節(jié)能的關(guān)鍵，通過判斷φ的大小，可以改變晶閘管的導(dǎo)通角α的大小來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。因異步電動(dòng)機(jī)為感性負(fù)載，當(dāng)電壓過零后尚需一個(gè)延遲角電流才過零，其夾角即為功率因數(shù)角。電壓過零檢測就是把輸入電壓轉(zhuǎn)換成同相位的矩形波，送入單片機(jī)的高速輸入端HSI，此矩形波的下降沿既是觸發(fā)脈沖的基準(zhǔn)信號(hào)，又可作為單片機(jī)軟件定時(shí)器的開始信號(hào)。電流過零檢測是把由電流信號(hào)由互感器采集處理后轉(zhuǎn)換成矩形波，然后送入單片機(jī)的高速輸入端HSI，單片機(jī)由記錄的電壓和電流過零時(shí)間得到一個(gè)功率因數(shù)角φ。電壓和電流采樣電路如圖2所示，以A相為例，對A相電壓采樣，相電壓通過V1、V2穩(wěn)壓，進(jìn)入比較器與地進(jìn)行比較。若是在波形的正半周，則比較器輸出高電平1；若是在負(fù)半周，則輸出比較器為低電平0。在輸出信號(hào)為高時(shí)，使光偶導(dǎo)通，進(jìn)入單片機(jī)高速輸入HSI。1的信號(hào)就為高電平，這樣實(shí)現(xiàn)電壓過零點(diǎn)檢測。對電流信號(hào)的檢測是對晶閘管兩端電流信號(hào)的檢測，通過一個(gè)電流互感器對電流信號(hào)進(jìn)行采樣，通過比較器把電流過零點(diǎn)的相位信息轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)后，送入單片機(jī)高速輸入HSI。

2．實(shí)現(xiàn)電流過零檢測。電壓、電流檢測電路的設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，需將采集到的電壓和電流信號(hào)送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電壓檢測電路如圖3所示，把線電壓由變壓器隔離降壓，然后對變換后的信號(hào)進(jìn)行整流，得到的直流信號(hào)再經(jīng)濾波分壓后送入單片機(jī)的A/D端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，就可得到電壓值，以便對電機(jī)端電壓進(jìn)行判斷，確定是否進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。電流檢測電路如圖4所示，檢測時(shí)利用三個(gè)電流互感器分別檢測三相電流，檢測到的信號(hào)經(jīng)整流橋整流分壓后送入單片機(jī)的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由此還可對異步電機(jī)的電流進(jìn)行監(jiān)測，使其與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，大于某個(gè)閥值就對電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，否則繼續(xù)監(jiān)測。

需注意的是，系統(tǒng)對電流、電壓的檢測到對雙向晶閘管的觸發(fā)，在一個(gè)周期20ms中要全部完成。通過對另外兩相的過零檢測，經(jīng)過單片機(jī)處理，每個(gè)周期要對系統(tǒng)進(jìn)行同步，這樣可以消除在每個(gè)周期中對晶閘管觸發(fā)時(shí)累積起來的誤差。

3．觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。晶閘管的導(dǎo)通是靠觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)的，因此觸發(fā)電路觸發(fā)時(shí)序的準(zhǔn)確性直接影響著節(jié)能控制系統(tǒng)的工作狀況，所以要求其具有較高的穩(wěn)定性。觸發(fā)脈沖的電壓和電流必須大于相應(yīng)的晶閘管的門極觸發(fā)電壓和電流，才能保證晶閘管可靠地工作；同時(shí)，觸發(fā)脈沖的幅值和前沿上升的坡度也會(huì)影響晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，因此，脈沖功率放大環(huán)節(jié)的作用就是使輸出脈沖能滿足晶閘管門極觸發(fā)的需要，保證晶閘管的可靠導(dǎo)通。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路采用兩個(gè)三極管組成的放大電路，把由高速輸出口HS0輸出的觸發(fā)脈沖放大，電路圖如圖5所示：

（二）電機(jī)節(jié)能保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該節(jié)能保護(hù)系統(tǒng)采用基于模糊控制的節(jié)能控制算法，上電后系統(tǒng)先調(diào)用初始化子程序，對各個(gè)功能模塊進(jìn)行初始化并進(jìn)行檢測，同時(shí)對模糊控制算法進(jìn)行離線處理，把計(jì)算得到的模糊控制查詢表存入RAM，以便節(jié)能時(shí)查表使用。初始化子程序完成后，進(jìn)入軟起動(dòng)設(shè)定程序，進(jìn)行軟起動(dòng)初始時(shí)間的設(shè)定，若不設(shè)定，則系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)在20ms自動(dòng)進(jìn)入軟啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后進(jìn)入主循環(huán)，電壓、電流等功能電路對系統(tǒng)進(jìn)行采樣，并將采樣信息送入主控制器，后由各子程序進(jìn)行處理，并進(jìn)行故障檢測。若有故障則可根據(jù)初始設(shè)定對其進(jìn)行處理，若沒有則繼續(xù)執(zhí)行主程序。其中子程序主要包括：功率因數(shù)檢測子程序、模糊控制及觸發(fā)子程序和故障中斷子程序。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)每10ms要對晶閘管進(jìn)行一次觸發(fā)，并且還要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、狀態(tài)顯示等功能，所以對實(shí)時(shí)的要求較高。功能檢測模塊與PID控制模塊實(shí)時(shí)控制部分以實(shí)時(shí)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，采集電壓和電流信號(hào)對系統(tǒng)的安全進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)保持電機(jī)定子電壓與電流的比例為最優(yōu)；以PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，適時(shí)發(fā)出控制指令，能根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)所帶負(fù)載大小的不同對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓，使其始終運(yùn)行于高效率狀態(tài)。

二、結(jié)論

該電機(jī)節(jié)能保護(hù)系統(tǒng)以異步電機(jī)相電壓與相電流的過零點(diǎn)信號(hào)為取樣對象，在80C196單片機(jī)的控制下，根據(jù)計(jì)算出的功率因數(shù)角，采用基于模糊控制的節(jié)能控制算法，通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角，以達(dá)到降壓節(jié)能的目的。該系統(tǒng)可自動(dòng)跟蹤、檢測電機(jī)負(fù)載的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)的供電電壓，可使電機(jī)在最佳經(jīng)濟(jì)情況下運(yùn)行，特別在輕載和變負(fù)載情況下節(jié)電效果顯著，平均節(jié)電率在16%～40%。該系統(tǒng)除具有功率因數(shù)控制節(jié)能功能外，還具有軟起動(dòng)、斷相保護(hù)和過流保護(hù)等多種功能。實(shí)驗(yàn)證明該電機(jī)節(jié)能保護(hù)系統(tǒng)節(jié)電效果顯著、運(yùn)行可靠，有較廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：韓鋼（1957－），男，遼寧沈陽人，沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系講師，研究方向：電機(jī)與電力拖動(dòng)技術(shù)、電氣控制技術(shù)、電氣測量技術(shù)等。