楊瑩

摘 要：對于現(xiàn)代電機在較小負(fù)荷運行過程中的效率較低，并且會導(dǎo)致資源浪費的問題，對電機節(jié)能的原理進行了全面的分析，在此背景下以89C51單片機提出了一種異步電機節(jié)能控制系統(tǒng)，使用單片機能夠調(diào)節(jié)功率因數(shù)，以此實現(xiàn)電機節(jié)能的目的。文章所設(shè)計的異步電機節(jié)能控制系統(tǒng)在處于輕負(fù)載及負(fù)載變化頻繁的電機具有良好的節(jié)能效果，并且具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：89C51單片機；異步電機；節(jié)能控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP368.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0107-02

交流異步電機的結(jié)果較為簡單，并且成本較低，操作較為簡單，還具有較高的可靠性，被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、工礦企業(yè)中。但是電機在實際應(yīng)用過程中，部分電機是在恒定輸出功率中運行，系統(tǒng)的輸出功率不能夠隨意變化，這和實際運行環(huán)境中的負(fù)載實時變化是相互矛盾的，其運行狀態(tài)不滿足環(huán)保及經(jīng)濟的需求，導(dǎo)致能源嚴(yán)重浪費，并且還會出現(xiàn)多余的電機損耗，研究并且設(shè)計電機節(jié)能控制系統(tǒng)是非常必要且迫切的。對于此，本文就對電機能源浪費的原因進行了分析，基于89C51單片機設(shè)計了異步電機節(jié)能控制系統(tǒng)，滿足電機節(jié)能的需求。

1 電機能源的浪費因素及節(jié)能原理

交流電機的使用較為簡單，并且價錢合理，具有較高的可靠性，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)和農(nóng)業(yè)中，但是有部分交流電機在使用過程中會由于多方面的因素導(dǎo)致電能浪費，從而提高了機器損耗，主要包括：其一，在使用過程中使用直接起動，不僅對動力系統(tǒng)及電網(wǎng)造成沖擊，而且還超出常規(guī)大電流，導(dǎo)致電能出現(xiàn)損耗；其二，在電動機動能配置過程中片面的追求安全余量，導(dǎo)致電動機容量過大，從而使電動機在工作過程中的功率因數(shù)較低；其三，因為人員、管理及成本多種因素，導(dǎo)致電動機使用穩(wěn)定因素運行，以此在處于輕載、空載過程中出現(xiàn)額外電能損失。要想能夠降低能源的消耗，可以從以下方面進行：其一，選擇能夠在恒定功率運行，并且負(fù)載能夠經(jīng)常變化的電機；其二，實現(xiàn)電流和電壓的同步協(xié)動，提高電機節(jié)能效果；其三，選擇能夠在所有三相交流電機中使用的電機；其四，具有較高的精確性及穩(wěn)定性。在本文系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要是通過對電動機工作過程中電壓進行改變，從而使加在電機中的電壓能夠變化，負(fù)載較輕時候的電壓較低，從而降低電動機有功/無功功率及損耗，以此有效提高空載及輕載時候的工作效率，實現(xiàn)節(jié)能的目的。在電機控制過程中，通過主控制器89C51單片機監(jiān)測異步電機相電壓和電流，得到功率因數(shù)角，經(jīng)過雙向晶閥管實現(xiàn)節(jié)能降壓目的[1]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 功率因數(shù)檢測電路

功率因數(shù)檢測電路設(shè)計的主要目的就是實現(xiàn)電機相電流及電壓的過零點監(jiān)測，在節(jié)能控制過程中，節(jié)能調(diào)壓的關(guān)鍵就是實現(xiàn)功率因數(shù)的監(jiān)測，通過對功率因數(shù)大小進行監(jiān)測，以此對晶閘管導(dǎo)通角大小進行改變對壓力進行調(diào)節(jié)。因為異步電機是一種感性負(fù)載，所以在電壓過零之后需要延遲角電流才能夠過零，這個延遲角就是功率因數(shù)角。對電壓過零進行監(jiān)測，其主要目的就是輸入電壓的同相位矩形波的轉(zhuǎn)換，輸入到單片機高速輸入端，這個下降的矩形波就是根據(jù)觸發(fā)脈沖信號，其也是單片機軟件定時器信號。在電流過零監(jiān)測之后，收集并且處理電流信號，之后將其轉(zhuǎn)換為矩形波，將矩形波傳送到單片機高速輸入端中，單片機通過電壓電流過零得到功率因數(shù)角，比如A相電壓的采樣，相電壓實現(xiàn)穩(wěn)壓，對比地和比較器，如果為波形正半周，那么比較器的輸出高電平就是1，如果處于負(fù)半周，那么輸出比較器就是低電平0。如果輸出信號較高，那么光耦就能夠?qū)?，進入到高速輸入端。高電平為信號1，監(jiān)測電壓過零點。采樣電流信號，通過比較器將電流過零點相位信息轉(zhuǎn)換成為方波信號，將其輸送到高速輸入端。

2.2 控制板模塊

控制板模塊主要的任務(wù)就是實現(xiàn)信號檢測板信號，通過計算將控制信號發(fā)送到觸發(fā)電路中，以此控制最佳的功率因數(shù)，并且控制板還能夠通過鍵盤修改控制器參數(shù)，將控制器運行情況充分顯示出來。

2.3 信號檢測板

信號檢測板的主要目的就是實現(xiàn)傳感器信號的收集和處理，以此得到標(biāo)準(zhǔn)電流及電壓，之后將信號發(fā)送到控制板中。信號檢測板是以絕對值電路為基礎(chǔ)，添加濾波電容，將交流信號絕對值轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄?，將電容阻值進行計算，將平均值作為有效值。電壓信號及電流信號通過微電平信號進行對比，得到電流及電壓信號的正半周，通過RC濾波之后將信號或電路轉(zhuǎn)變成為具有功率因數(shù)角的信號，去除單片機電壓半周期，也就是功率因數(shù)角。

2.4 電路觸發(fā)

電路觸發(fā)的主要目的就是實現(xiàn)晶閘管導(dǎo)通，所以在設(shè)計電路觸發(fā)過程中時序準(zhǔn)確性具有重要的作用，其影響著節(jié)能控制系統(tǒng)在工作過程中的精準(zhǔn)性及穩(wěn)定性。脈沖觸發(fā)電流及電壓要比晶閘管門極觸發(fā)電流電壓大，以此使晶閘管能夠穩(wěn)定可靠的工作。并且要求其幅值及前沿的提高坡度對晶閘管導(dǎo)通時間有所影響，所以脈沖功率的放大環(huán)節(jié)主要目的就是使脈沖輸出能夠有效滿足晶閘管門極觸發(fā)需求，以此提高晶閘管導(dǎo)通過程中的可靠性。本文所設(shè)計的觸發(fā)電路使用兩個三極管構(gòu)成，將通過高速輸出口輸出的脈沖進行放大[2]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本文所設(shè)計的異步電機節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計使用C51編程語言，程序主要包括串行接口芯片驅(qū)動、監(jiān)控顯示及鍵盤顯示、信號收集和控制構(gòu)成。串行接口芯片的驅(qū)動主要是通過芯片時序圖為基礎(chǔ)，將單片機輸入輸出接口作為串行口的模擬，從而有效是吸納串行芯片的讀寫操作。因為本文所設(shè)計系統(tǒng)的輸入輸出接口較多，不同芯片都要使用相互獨立的輸入輸出接口。信號收集和控制將實時時鐘作為基礎(chǔ)，通過電壓及電流信號對系統(tǒng)在工作過程中的安全性進行全面的監(jiān)控。對比收集功率因數(shù)信號及最優(yōu)的值，通過PI控制算法進行計算，適當(dāng)?shù)陌l(fā)出控制指令，實現(xiàn)電動機的調(diào)壓，從而使本文所設(shè)計的系統(tǒng)處于高效率運行狀態(tài)。

首先，在系統(tǒng)上電之后實現(xiàn)子程序的初始化調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)中各個功能模塊的初始化及監(jiān)測，并且處理模糊控制算法，將計算得出的模糊控制表到單片機存儲器中存儲，從而便于節(jié)能過程中的查表使用。在完成子程序初始化之后，系統(tǒng)就會進入到軟啟動過程中實現(xiàn)程序的設(shè)定，如果不對其進行設(shè)定，系統(tǒng)就會默認(rèn)在某個時間內(nèi)自動進入到軟啟動中，之后進入到主循環(huán)中，收集系統(tǒng)的電流及電壓信號，將其傳送到主控制器中，之后通過子程序?qū)ζ溥M行處理，并且對系統(tǒng)進行故障監(jiān)測。

4 系統(tǒng)實驗及測試

在完成系統(tǒng)設(shè)計之后，就要對系統(tǒng)的功能進行詳細(xì)的設(shè)計，從而判斷系統(tǒng)在運行過程中的穩(wěn)定性、安全性及正確性。本文設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)果詳見表1：

表1 系統(tǒng)功能的測試結(jié)果

在系統(tǒng)處于空載背景下，電壓在影響功率因數(shù)的結(jié)果詳見表2：

表2 系統(tǒng)空載的電壓對功率因數(shù)影響

通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出來，電壓在不斷降低過程中，對系統(tǒng)在空載背景下的功率因數(shù)影響越大，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，能夠有效實現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。在四小時之內(nèi)，如果節(jié)能系統(tǒng)進行使用，那么會比不使用節(jié)能系統(tǒng)降低用電的度數(shù)，有效滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計的異步電機節(jié)能控制系統(tǒng)主要是將相電壓及電流過零信號作為取樣的對象，基于89C51單片機，對功率因數(shù)角進行設(shè)計，使用基于模糊控制算法，利用雙向晶閘管導(dǎo)通角的控制，實現(xiàn)降壓節(jié)能的設(shè)計需求。本文所設(shè)計的系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)自動跟蹤及電機負(fù)載監(jiān)測的目的，對供電電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)，使電機在運行過程中的電壓為最優(yōu)，尤其是在變負(fù)載和輕負(fù)載時候，具有良好的節(jié)能節(jié)電效果。系統(tǒng)還有其他功能，比如過流保護、斷相保護等，通過實驗表示，本文所設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，并且運行穩(wěn)定且可靠，具有良好的使用背景。

參考文獻：

[1]劉俊良.基于AT89C51單片機步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].科研，2016（3）：33.

[2]劉芬，徐務(wù)農(nóng).基于單片機的異步電機節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].船電技術(shù)，2011，31（9）：17-19.

[3]段桃英.步進電機控制器的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（25）：25-26.endprint