黃　敏

（1.合肥工業(yè)大學(xué)　電氣及自動化工程學(xué)院，安徽　合肥　230009；2.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院　機電工程學(xué)院，　　安徽　六安　237158）

?

基于單片機的電機節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計

黃敏1，2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣及自動化工程學(xué)院，安徽合肥230009；2.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，安徽六安237158）

摘要：針對電機在負載較小時運行效率低、資源浪費的問題，詳細分析了電機節(jié)能的基本原理，基于STC89C51單片機提出了一種功率因數(shù)控制方案，通過單片機的控制實現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，進而達到電機節(jié)能的設(shè)計目的.本文給出了系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以及軟件流程，實際的使用和測試表明，本系統(tǒng)對于經(jīng)常處于負載較輕或者負載經(jīng)常變化的電機有較好的節(jié)能效果，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也滿足設(shè)計要求.

關(guān)鍵詞：單片機；電機節(jié)能；電流檢測；功率因數(shù)

交流異步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作方便、可靠性高等特點，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)中廣泛使用，作為機電設(shè)備的重要動力輸出裝備在各行各業(yè)特別是工礦企業(yè)中使用.但是在實際的使用過程中，許多電機運行在恒定輸出功率之下，無法改變系統(tǒng)的輸出功率.這與實際運行環(huán)境中負載實時變化的事實是相矛盾的，是一種非常不經(jīng)濟、不環(huán)保的運行狀態(tài)，往往會造成較大的能源浪費，同時還會造成不必要的電機損耗.所以說電機節(jié)能系統(tǒng)的研究和推廣具有很大的迫切性和必要性.

針對上述情況，本文在詳細分析電機能源浪費原因、電機節(jié)能控制原理的基礎(chǔ)上，基于STC89C51單片機設(shè)計了一種功率因數(shù)控制方案，該方案通過單片機對電機系統(tǒng)的控制實現(xiàn)了電機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，進而在不同的負載情況下，實現(xiàn)了系統(tǒng)功率的改變，達到電機節(jié)能的目的.本文給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件流程分析等，并且在實際的工作環(huán)境中進行了測試，表明，本系統(tǒng)符合設(shè)計要求，工作穩(wěn)定，對經(jīng)常處于負載較輕或者負載經(jīng)常變化的電機有較好的節(jié)能效果.

1　電機能源浪費原因分析

交流電機雖然有使用簡單、價格低廉、可靠性好的特點，并在工業(yè)、農(nóng)業(yè)中廣泛使用，但是卻有相當(dāng)一部分交流電機由于各方面的原因處于電能浪費狀態(tài)并增加了機器的損耗，總結(jié)起來，電機造成能源浪費的原因主要有[1]：

（1）大部分電機在實際使用過程中，都采用直接啟動方式，不但對電網(wǎng)和動力系統(tǒng)造成沖擊，并且超出常規(guī)運行電流的大電流啟動造成巨大的電能損耗.

（2）在實際的工作環(huán)境中，往往在電動機動能配置的時候，會較為片面的追求相對安全的余量，這就會造成電動機容量過大的結(jié)果，導(dǎo)致工作中的電動機偏離系統(tǒng)設(shè)計的最佳工作狀態(tài)，使得運行的功率因數(shù)降低.

（3）工作環(huán)境中，由于成本、管理、人員控制等原因，往往會讓電動機采用穩(wěn)定功率運行，這樣在電動機空載、輕載的時候，會造成巨大的額外電能損失.

2　電機節(jié)能原理

目前我國電機系統(tǒng)的運行效率與國際水平相比還有較大差距，大概在10%- 20%左右，隨著國家節(jié)能減排的力度加大，電機節(jié)能技術(shù)也日益受到重視.針對上述電機能量浪費原因的分析，可以通過建立較為完善的實時監(jiān)控測量系統(tǒng)，對電機的運行參數(shù)進行全面你的監(jiān)控，適時調(diào)整電機的輸入輸出的功率，這樣能夠使電機按照負載的實際需求進行適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵觯瑢β蔬M行靈活的調(diào)節(jié)，從而減少系統(tǒng)電能的浪費和消耗.目前較為流行的電機能耗控制方法是功率因數(shù)控制閥，此方法通過實時監(jiān)測電機功率因數(shù)角的變化，監(jiān)測電壓，進而進行調(diào)整，從而使電機達到最佳運行狀態(tài).本方法的特點有[2]：

（1）比較適合恒定功率運行，負載經(jīng)常變化的電機.

（2）實現(xiàn)電壓、電流的同步協(xié)動，電機節(jié)能效果

顯著增強.

（3）適用范圍較廣，適用于大多數(shù)三相交流電機，只需要按照功率大小進行分別配置即可.

（4）穩(wěn)定性和精確性好.

電動機在額定負載的情況下功率因數(shù)最高，系統(tǒng)運行狀態(tài)最佳，但是在空載的情況下，功率因數(shù)最低.并且根據(jù)電動機工作原理可以分析得知，電動機的負載電流會隨著負載大小變化，所以可以將負載電流作為系統(tǒng)檢測信號.功率因數(shù)越高，有用功占功率總功率的比重越大，系統(tǒng)運行效率更好.所以說，從某種意義上來說，功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備運行效率高低的一個重要系數(shù)，功率因數(shù)降低，則說明用于無用功的消耗的增加，設(shè)備的運行效率在降低.所以在電機節(jié)能技術(shù)中，往往會把功率因數(shù)作為重要的檢測指標(biāo).提高功率因數(shù)的優(yōu)勢主要有以下幾個方面：

（1）通過功率因數(shù)的提高，減少了電機的損耗，減少和生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)工作效率.

（2）通過功率因數(shù)的改善，減少了供電系統(tǒng)中的電壓損耗，可以使得電機的供電電壓更為穩(wěn)定，改善了電能質(zhì)量，減少的電機的磨損，降低了安全隱患.

（3）功率因數(shù)的提高可以提高系統(tǒng)的裕度.

在本文設(shè)計的系統(tǒng)中，主要通過對正在運行電機的相電壓和相電流進行過零檢測，計算出功率因數(shù)角，通過內(nèi)控芯片的比對、檢測以及處理，在通過脈沖信號觸發(fā)電流，控制導(dǎo)通角，使電壓和電流隨負載的變化靈活進行調(diào)整，從而真正達到降壓節(jié)能的目的[3].

系統(tǒng)設(shè)計整體框圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)設(shè)計整體框圖

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文在詳細分析電機能源浪費原因、電機節(jié)能控制原理的基礎(chǔ)上，基于STC89C51單片機設(shè)計了一種功率因數(shù)控制方案，該方案通過單片機對電機系統(tǒng)的控制實現(xiàn)了電機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，進而在不同的負載情況下，實現(xiàn)了系統(tǒng)功率的改變，達到電機節(jié)能的目的.

STC89C51具有指令速度快、穩(wěn)定性好、在線燒錄、編程簡單、成本低等原因，非常適合本文設(shè)計系統(tǒng).

功率因數(shù)的檢測主要是對運行狀態(tài)電機的相電流和相電壓進行檢測，在異步電動機中，由于感性負載的存在，所以在電壓經(jīng)過過零點后，往往會有一個延遲角，電流才能過零，這個夾角就是功率因數(shù)角.電壓過零檢測就是把輸入的負載電壓轉(zhuǎn)換成同一相位的矩形波，通過單片機的輸入管腳，送入核心處理器，這個矩形波的下降沿既是脈沖的觸發(fā)信號，又是單片機的定時器信號.電流過零檢測就是把電流信號轉(zhuǎn)換為矩形波，有單片機進行檢測和處理.通過對功率因數(shù)角的檢測，然后通過余弦取值，進而判斷功率因數(shù)角的大小，推導(dǎo)出系統(tǒng)負載的變化，進而改變晶閘管的導(dǎo)通角[4]，實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié).電壓電流過零檢測電路如圖2所示，其中電壓采樣電路如圖3所示.通過本采樣電路，可以對電機的線電壓隔離降壓，然后進行整流，達到直流信號再經(jīng)過濾波、分壓后送至單片機的A/D端進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以得到實時的電壓值，由單片機進行判斷.

電流采樣電路如圖4所示，通過本采樣電路，可以利用三個電流互感器分別檢測三相電流，采集的信號通過橋式整流后送入單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口進行檢測，將其與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進行比較，進而判斷負載的狀態(tài)，決定是否觸發(fā)脈沖，降低系統(tǒng)電壓.

在完成系統(tǒng)檢測之后，就要進行系統(tǒng)處理和觸發(fā)，其中晶閘管的觸發(fā)是通過觸發(fā)電路實現(xiàn)的，所以說觸發(fā)電路才是決定系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵電路，直接影響著系統(tǒng)節(jié)能的效率，所以由較高的設(shè)計要求.觸發(fā)電路的脈沖信號必須大于相應(yīng)晶閘管的觸發(fā)閾值，同時觸發(fā)脈沖的幅度和上升沿坡度也會影響觸發(fā)精度.為保證晶閘管的可靠導(dǎo)通和

系統(tǒng)的可靠運行，本系統(tǒng)中的觸發(fā)電路采用兩個三極管組成放大電路[5,6]，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖5所示.

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖2　程序主要設(shè)計流程

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，以主程序為核心設(shè)計子模塊，簡化和結(jié)構(gòu)設(shè)計，運行中通過主程序?qū)崿F(xiàn)對子模塊的調(diào)用.主要設(shè)計流程如圖6所示：上電后系統(tǒng)先調(diào)用初始化子程序，對各個功能模塊進行初始化并進行檢測，同時對模糊控制算法進行離線處理，把計算得到的模糊控制查詢表存入單片機的存儲器中，以便節(jié)能時查表使用．初始化子程序完成后，進入軟起動設(shè)定程序，進行軟起動初始時間的設(shè)定，若不設(shè)定，則系統(tǒng)會默認在一個系統(tǒng)周期之內(nèi)自動進入軟啟動，啟動完成后進入主循環(huán)，電壓、電流等功能電路對系統(tǒng)進行采樣，并將采樣信息送入主控制器，后由各子程序進行處理，并進行故障檢測.系統(tǒng)每半個周期都要對晶閘管進行一次觸發(fā)，并且還要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、狀態(tài)顯示等功能，所以對實時的要求較高.

5　系統(tǒng)測試分析

在系統(tǒng)設(shè)計完成后，需要進行詳細的功能測試和性能測試，驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確定.但是由于系統(tǒng)實際條件限制，本系統(tǒng)智能針對實驗室異步電機進行測試.系統(tǒng)功能測試結(jié)果如表1所示：

表1　系統(tǒng)功能測試結(jié)果

系統(tǒng)空載時，電壓對功率因數(shù)的影響如表2所示：

表2　電壓對功率因數(shù)的影響

由上述結(jié)果可以看出，電壓的降低對于系統(tǒng)空載時的功率因數(shù)影響很大，通過功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，確實可以達到功率調(diào)節(jié)的目的.

實驗室電機為9KW，本次測試時間為4小時，每個系統(tǒng)狀態(tài)各一個小時，系統(tǒng)性能測試結(jié)果如表3所示：

表3　系統(tǒng)性能測試結(jié)果

上述試驗數(shù)據(jù)看出，在四個小時之內(nèi)，使用節(jié)能系統(tǒng)比不使用節(jié)能系統(tǒng)，少使了4.5度電，節(jié)能效率達到了12.5%，達到系統(tǒng)設(shè)計要求.

本文在詳細分析電機能源浪費原因、電機節(jié)能控制原理的基礎(chǔ)上，基于STC89C51單片機設(shè)計了一種功率因數(shù)控制方案，該方案通過單片機對電機系統(tǒng)的控制實現(xiàn)了電機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，進而在不同的負載情況下，實現(xiàn)了系統(tǒng)功率的改變，達到電機節(jié)能的目的.本文給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件流程分析等，并且在實際的工作環(huán)境中進行了測試，表明，本系統(tǒng)符合設(shè)計要求，工作穩(wěn)定，對經(jīng)常處于負載較輕或者負載經(jīng)常變化的電機有較好的節(jié)能效果.

中圖分類號：TM301

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673- 260X（2015）03- 0137- 03