李 遠，劉 倩

（1.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，河南 漯河 462000；2.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，河南 漯河 462000）

引言

在我國生活生產(chǎn)的動力機械中，三相異步電機得到了廣泛地使用，其耗電量比重較大，大概占我國年總耗電量50%以上。對于其工作能效而言，負荷與工作能效具有負相關(guān)性，在滿負荷工況條件下其工作能效才會達到最高，大約為80%左右。因此，在實際應(yīng)用過程中，對于三相異步電機的選取應(yīng)結(jié)合最大可能負和最壞工況來定，結(jié)合現(xiàn)狀來看，目前我國三相異步電機的工作能效通常維持在50%～60%之間，都是比較低的。因此，如果能提高三相異步電機的工作能效對于我國電網(wǎng)經(jīng)濟的提高是很可觀的[1-3]。

對于三相異步電機的工作原理來講，當其三相定子繞組接入三相交流電之后，會產(chǎn)生一個穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場，且會對轉(zhuǎn)子繞組進行切割，繼而使得轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流，使其進一步產(chǎn)生電磁力，在滿足電磁轉(zhuǎn)矩形成的基礎(chǔ)上，就會驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)。基于三相異步電機的工作原理的理解，若要降低三相異步電機的損耗，可以有三種方式：一是改變頻率；二是減小定子電壓；三是對電動機系統(tǒng)進行優(yōu)化。在本文中，研究的重點是第二種方式，即通過減小電壓來達到節(jié)能增效的目的，其原理是當三相異步電機負載降低時，同時也降低工作電壓，從而來使得三相異步電機維持在一個較高的效率[4]。

1 控制器的的總體方案

本文所設(shè)計的總體方案如圖1所示，主控芯片單片機對異步電機相電壓與相電流通過AD轉(zhuǎn)換后進行過零點檢測，接著以此來計算出異步電機的功率因數(shù)角，結(jié)合異步電機的功率因數(shù)角進一步處理后，通過HSO輸出觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)對雙向晶閘管導(dǎo)通角的控制，從而實現(xiàn)有效的降壓節(jié)能目的。該總體方案包含的子單元有如下幾個部分：單片機控制單元、電信號采集單元、功率因數(shù)角檢測單元、供電單元、人機交互單元（鍵盤及顯示）及過流保護單元等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

對于本系統(tǒng)的硬件設(shè)計，是本文的一個研究重點，結(jié)合前文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計，下面對各個子單元的硬件那部分設(shè)計進行分析，但是限于文章篇幅限制，本節(jié)僅對以下幾部分電路設(shè)計進行闡述[5]。

2.1 功率因數(shù)檢測電路設(shè)計

對于功率因數(shù)檢測電路，其作用是采集外部輸入的電信號，將電壓、電流過零點信號進行采集并AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機CPU的輸入端口，單片機的HSIO-HSD高速傳輸端口用來接收數(shù)據(jù)信息，傳輸給CPU進行處理，單片機的HSOO-HSOI高速傳輸端口為輸出端口，能夠輸出脈沖波（亦稱PWM波），并且脈沖波的寬度與周期均可調(diào)節(jié)。三相異步電機是一個感性負載，當其電壓為零值之后，還需要一個延遲角電流才能為零值，二者的夾角為功率因數(shù)角，電壓過零檢測的原理就是對輸入電壓進行轉(zhuǎn)換，使其成為一個同相位的矩形波，并將其輸入給單片機的HSI端口，觸發(fā)脈沖的基準信號可以采用該矩形波的下降沿，并且該下降沿還能夠當做單片機軟件定時器的開始信號。此外，若要準確估算出調(diào)壓的大小，需要對功率因數(shù)角進行檢測，以功率因數(shù)角的大小來改變晶閘管的導(dǎo)通角的大小，從而實現(xiàn)科學(xué)調(diào)壓，因此，功率因數(shù)角檢測越準確越能夠達到降壓節(jié)能的效果。所以，本文設(shè)計以下采樣電路（見圖2）。

圖2 電壓電流過零檢測電路圖

2.2 電壓電流檢測電路設(shè)計

單片機處理的是數(shù)字量，因此在進行電壓電流檢測時需要將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為了降低設(shè)計的復(fù)雜性，本文選取的單片機型號為80C196KB，其自帶有8個通過的AD輸入，且具有10 bit，能夠保證電信號的精確度，將輸入的電信號模擬量盡可能滿量程地涵蓋AD的10 bit，該AD具有門限探測模式，若出現(xiàn)過載現(xiàn)象，將會產(chǎn)生中斷信號?；谝陨侠碚摚瑢τ陔妷弘娏鳈z測電路設(shè)計的設(shè)計如圖3所示，采用變壓器將線電壓先進行隔離降壓，之后將信號進行調(diào)整，在此基礎(chǔ)上在進行濾波處理，之后傳輸給單片機進行AD轉(zhuǎn)換（見圖3）。

圖3 電壓檢測電路圖

對于電流檢測硬件實現(xiàn)，是利用三個電流互感器來進行的，先進行整流然后進入模數(shù)轉(zhuǎn)換，已達到對于電流檢測的目的，具體如圖4所示。

圖4 電流檢測電路圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

異步電機在運行的時候，若想增強功率，就需要知道目前電機負載情況，之后合理地對電機電壓進行調(diào)節(jié)，結(jié)合檢測到的電壓電流數(shù)據(jù)來完成增強功率的需求。通過軟件控制的方式確保系統(tǒng)運行的最優(yōu)性，并且軟件系統(tǒng)應(yīng)具備對故障信息的預(yù)判、報警、顯示功能。因此，對于軟件的設(shè)計包含了初始化功能、開始結(jié)束功能、電流電壓計算功能、控制功能、顯示功能、故障判斷功能，具體如圖5所示。

圖5 主控系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的節(jié)能控制器硬件是以80C196KB單片機為主控芯片實現(xiàn)的，實現(xiàn)電壓電流過零點精確檢測、狀態(tài)顯示、斷相保護和過壓過流保護等功能。該節(jié)能控制器實現(xiàn)了電機的軟起動與軟剎車、過載保護、缺相以及三相不平衡保護，并被實際應(yīng)用到電機上。所設(shè)計的節(jié)能控制器的關(guān)鍵技術(shù)就是利用最小輸入有功功率最優(yōu)控制方法實現(xiàn)電機經(jīng)濟運行，通過三路電流和兩路電壓采集得來數(shù)據(jù)，計算出一個精確值，該值能表征電機在一段時間的平均有功功率的變化情況，通過調(diào)整電機運行曲線來判斷電機有功功率的變化情況，最后找到電機有功功率最小的工作曲線，至此動態(tài)尋找過程結(jié)束。同時根據(jù)早晚電壓有一定壓差，系統(tǒng)會在一定時間內(nèi)重新進入動態(tài)尋優(yōu)過程。