王 勇,靳 曄,賈英新,龐增拴,劉占陽,孫海波

(河北省機(jī)電一體化中試基地,河北石家莊 050081)

一種基于單片機(jī)的智能節(jié)電器的研究

王 勇,靳 曄,賈英新,龐增拴,劉占陽,孫海波

(河北省機(jī)電一體化中試基地,河北石家莊 050081)

介紹了智能節(jié)電器的節(jié)能原理,給出了以A T89C52單片機(jī)為核心的智能節(jié)電器,介紹了硬件設(shè)計(jì)和軟件框圖。該節(jié)電器采用智能降壓節(jié)能。

智能節(jié)電器;A T89C52;程序流程圖

1 引言

三相交流異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)電保護(hù)一直是電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),特別是近幾年來全國出現(xiàn)電力供應(yīng)緊張的局面,使得對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能設(shè)備的研究和推廣更為迫切。三相異步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單,使用方便可靠而受到廣泛應(yīng)用,但它卻是電能消耗的最大用戶,據(jù)測(cè)算有50%以上的電能被它消耗,而有20%的電能是在沒有做任何有用的工作下耗掉的。在實(shí)際使用過程中,三相異步電動(dòng)機(jī)往往不是在額定功率下工作的,常常是在輕載下運(yùn)行,這就形成了所謂的“大馬拉小車”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象既造成了能源大量浪費(fèi),又造成電機(jī)功率因數(shù)降低(滿載時(shí)功率因數(shù)為90%,空載時(shí)功率因數(shù)只有20%),從而所消耗的電能轉(zhuǎn)換為熱使得電機(jī)溫度升高,這對(duì)電動(dòng)機(jī)的使用壽命有嚴(yán)重的影響。一般說電機(jī)溫度降低10℃可使電動(dòng)機(jī)的使用壽命延長一倍。為此,作者研制出一種三相異步電動(dòng)機(jī)智能節(jié)電控制器。它與傳統(tǒng)的電容功率補(bǔ)償器相比,能跟隨隨機(jī)變化的負(fù)載而自動(dòng)調(diào)節(jié);與利用機(jī)械或電子方式作軟啟動(dòng)的節(jié)電器相比,具有持續(xù)工作在節(jié)電狀態(tài)及成本低的特點(diǎn);與變頻器相比,無需精確調(diào)速、適合負(fù)載變化隨機(jī)性大的工況、成本低,因此,應(yīng)用前景十分廣闊。

2 電動(dòng)機(jī)節(jié)電器的原理

2.1 節(jié)電率與電機(jī)效率之間的關(guān)系

根據(jù)三相電機(jī)功率公式P=U Icosφ,要降低功率消耗可以通過減少電機(jī)的U,I和cosφ來實(shí)現(xiàn)。由于在降低電壓,減少勵(lì)磁電流(電機(jī)的電流主要是勵(lì)磁電流)的同時(shí),功率因數(shù)會(huì)上升,因此功率上升的幅度要小于電流降低的程度,才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

電機(jī)效率越低,電機(jī)的耗電就越大,則電機(jī)的節(jié)電空間越大。電機(jī)從電網(wǎng)吸收的功率Ps,等于電機(jī)額定功率Pn與總損耗之和(電機(jī)效率是η),即:

電機(jī)的總損耗與額定功率和效率的關(guān)系為

同樣功率的電機(jī)轉(zhuǎn)速越低、效率越低,轉(zhuǎn)速越高、效率越高。電機(jī)功率越小,效率越低,損耗越大。由于采取輕載調(diào)壓節(jié)電主要是減少電機(jī)在輕載時(shí)的功率損耗,從而提高電機(jī)效率。由此可見,效率越低,空載損耗越大的電機(jī),采取調(diào)壓節(jié)電的空間就越大。

2.2 節(jié)電率與負(fù)載率之間的關(guān)系

空載損耗在總損耗中所占比例較大?？蛰d損耗的主要成分是鐵損和機(jī)械損耗,稱為不變損耗;銅損和雜散損耗隨電流的增加按平方關(guān)系增加,故稱為可變損耗?！凹与姍C(jī)輸出功率的上升,效率最初明顯呈上升趨勢(shì)。負(fù)載率越低,空載損耗所占的比例就越大,調(diào)壓節(jié)電率就越高”,但要達(dá)到最好的節(jié)電率,還取決于調(diào)壓幅度。雖然降壓可以降低鐵耗,但當(dāng)電壓降到一定程度之后,若繼續(xù)下降,則電流又要增加,因而又增加了銅耗,因此要取得最好的節(jié)能效果,必須有一個(gè)合理的調(diào)壓系數(shù)。

由于電壓降低,電機(jī)負(fù)載不變,轉(zhuǎn)差率增大,電動(dòng)機(jī)輸出功率也會(huì)有所減少,因此在實(shí)際測(cè)量過程中,節(jié)約的有功會(huì)比理論計(jì)算的要偏大。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比,若電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不變,則轉(zhuǎn)差率近似地與電壓的平方成正比。

從以上分析可看見,節(jié)電率的高低取決于電機(jī)的效率、及負(fù)載特性電機(jī)輕載時(shí)采取降壓的幅度。因此在對(duì)電機(jī)進(jìn)行降壓節(jié)電改造時(shí),認(rèn)真分析電機(jī)的運(yùn)行特性有利于估算節(jié)電率,并將有利于成本的控制和回收。

2.3 基于可控硅的節(jié)能原理

通過使用三端雙向可控硅來“切削”電壓控制電機(jī)電壓和電流之間的相位角。三端雙向可控硅只允許電源電壓正半周和負(fù)半周的一部分供給電機(jī),如圖1所示,這樣的結(jié)果是降低了供給電機(jī)的均方根電壓,其結(jié)果是磁滯損耗最小化,相位角回到原來大小,電機(jī)效率提高。維持電機(jī)工作的電流是由兩個(gè)不同的部分組成:負(fù)載或阻性電流和感性或勵(lì)磁電流。感性電流依賴于電壓和磁通密度。在一定程度上,阻性電流也是電壓的函數(shù)。這樣通過減低電機(jī)的供電電壓而節(jié)能。

圖1 典型的三端雙向晶閘管電壓電流輸出波形

3 基于單片機(jī)的電機(jī)電器設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件部分的構(gòu)成如圖2所示,由 A T89S52單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、同步檢測(cè)電路、晶閘管觸發(fā)電路及外部信號(hào)處理接口構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)選用A TM EL公司的 A T89S52單片機(jī),該單片機(jī)內(nèi)含3個(gè)定時(shí)器,2個(gè)外部中斷源,內(nèi)含8KB的Fla sh存儲(chǔ)器,256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,還有多種保護(hù)功能,在系統(tǒng)中無需擴(kuò)充中斷、定時(shí)控制芯片即可完全滿足本系統(tǒng)工作要求。

電路中設(shè)置有兩個(gè)功能設(shè)定端口和一個(gè)故障輸出端口,一個(gè)端口可設(shè)定晶閘管的給定方式,當(dāng)端口閉合時(shí)由外部信號(hào)給定,另一個(gè)端口用于控制觸發(fā)脈沖,當(dāng)端口閉合時(shí)有脈沖輸出,當(dāng)端口斷開時(shí)強(qiáng)制晶閘管脈沖關(guān)斷。在系統(tǒng)工作不正常時(shí),故障輸出端口閉合,可外接報(bào)警器件。LED信號(hào)燈用于顯示負(fù)載工作狀態(tài)和電路在故障時(shí)的原因。

3.2 同步檢測(cè)電路

同步檢測(cè)電路如圖3所示,由同步變壓器、比較器和光電隔離器件構(gòu)成。當(dāng)電源電壓正向過零后引起單片機(jī)系統(tǒng)的中斷。

圖3 同步檢測(cè)電路

3.3 晶閘管驅(qū)動(dòng)電路

晶閘管驅(qū)動(dòng)電路如圖 4所示。由單片機(jī)P1.0送出的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)光電隔離、晶體管放大,脈沖變壓器變換后形成晶閘管觸發(fā)信號(hào) G1 K1, G2 K2形成電路與該電路類似。

圖4 晶體管觸發(fā)電路

3.4 外部信號(hào)接口電路

當(dāng)給定信號(hào)由其他調(diào)節(jié)器輸出或由外部電位器等給定時(shí),需將給定模擬信號(hào)((0一lOV)或(1 -5V),由程序設(shè)定經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)計(jì)算機(jī),A/D轉(zhuǎn)換器選用了高速12倍A/D轉(zhuǎn)換器AD574轉(zhuǎn)換速度為25μs,完全滿足系統(tǒng)的要求。經(jīng)過電流檢測(cè),電壓檢測(cè)信號(hào)經(jīng)整流、濾波等處理后,信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后,單片機(jī)首先對(duì)編程芯片進(jìn)行初始化,初始化結(jié)束后,采集端口數(shù)據(jù),根據(jù)端口數(shù)據(jù)確定觸發(fā)角的給定方式(外部端口電壓給定),將給定值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時(shí)問值存入指定單元。由同步檢測(cè)電路引發(fā)的中斷送出晶閘管的觸發(fā)信號(hào),根據(jù)外部設(shè)定,顯示相應(yīng)的內(nèi)容(如負(fù)載電壓、電流、晶閘管觸發(fā)角給定值等),主程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件框圖

(2)輸入模塊:外部輸入的判斷,根據(jù)不同功能的要求,調(diào)用相應(yīng)的功能子程序,如電路故障顯示、電流截止反饋設(shè)定等。

(3)顯示子程序:顯示電路的故障和工作狀態(tài)。

(4)同步檢測(cè)子程序:由硬件電路檢測(cè)到電網(wǎng)電壓過零后,引起單片機(jī)的中斷,進(jìn)入中斷子程序后,將觸發(fā)角對(duì)應(yīng)的時(shí)間值裝入計(jì)數(shù)器中啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)時(shí)間到引起單片機(jī)定時(shí)中斷送出對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖。

通過各種功能模塊,實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電壓(電流)的連續(xù)可調(diào),將實(shí)際的電壓(電流)與給定的值相比較。節(jié)電器設(shè)計(jì)時(shí)把模糊控制引入到控制系統(tǒng)中,模糊控制不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,能夠克服非線性因素的影響。將模糊控制器用于交流電機(jī)節(jié)電器的控制系統(tǒng),可以充分體現(xiàn)其適應(yīng)于非線性、時(shí)變快速響應(yīng)的特點(diǎn),能夠起到明顯的節(jié)電效果。

根據(jù)程序流程將軟件按功能構(gòu)成以下模塊:

(1)初始化模塊:完成A/D芯片的初始化,單片機(jī)內(nèi)控制寄存器的設(shè)定等。

5 結(jié)論

研制的電機(jī)節(jié)電器節(jié)電效果顯著。特別是對(duì)那些經(jīng)常處于低負(fù)載以及負(fù)載變化較頻繁的電動(dòng)機(jī),平均節(jié)電率在16%-30%,提高了功率因數(shù),降低了電網(wǎng)線損及變壓器的銅損。還具備完善的軟啟動(dòng)和軟停車功能,可保證電機(jī)連續(xù)平滑地啟動(dòng),消除了常規(guī)啟動(dòng)方式伴隨電機(jī)啟動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和大啟動(dòng)電流,有效降低軸承和皮帶的磨損,減少齒條及齒輪的機(jī)械應(yīng)力,從而延長電機(jī)的使用壽命。采用智能化的微處理器控制,無需人工調(diào)節(jié),在輕負(fù)載情況下,電機(jī)電壓自動(dòng)降至最低需求而轉(zhuǎn)速保持恒定。

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Research on power-saveing equipment of intelligent based on a m icrocontroller

WANG Yong,JIN Ye,JIA Ying-xin,PANG Zen-shuan,LIU Zhan-yang,SUN Hai-bo

(Hebei M echatronics Intrmediate Pilot Production.,Shijiazhuang Hebei050081,China)

This paper introduces a kind of equipment w ith A T89C52.The wo rk p rincip le,hardware design and softw are flow are stated in detail in the paper.The equipment could save energy by means of intelligent stepping dow n.

Power-saveing equipment of intelligent;A T89C52;Softw are flow

TP273

:A

1001-9383(2010)04-0030-04

2010-09-21

王 勇(1975-),男,河北冀州人,助理研究員,主要從事機(jī)電一體化開發(fā)與研究.