趙學軍 黨選舉 向 榮 溫佩芝

     來源：《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》

     摘要：三相交流電動機的負載功率偏低時，電機運行功率因數(shù)也較低，適當調(diào)節(jié)電動機端電壓，可以提高功率因數(shù)而降低能耗實現(xiàn)節(jié)能。本文介紹一種89c51單片機實現(xiàn)的功率因數(shù)控制裝置，通過可控硅調(diào)壓來調(diào)節(jié)功率因數(shù)實現(xiàn)節(jié)能，同時該裝置還有軟啟動和多種電機保護功能。實驗表明，該裝置對經(jīng)常處于輕載或變負載情況下的電機能取得較好節(jié)能效果。

     關鍵詞：單片機

     功率因數(shù) 可控硅 高壓節(jié)能 軟啟動 電機保護

     引言

     三相異步電機是廣泛使用的一種動力機械，每年的耗電量占我國總耗電量的50%以上。在滿負荷工況條件下，電機的效率一般較高，通常在80%左右；然而，一旦負荷下降，電機的效率便隨之顯著下降。因為電機選型時是按最大可能負荷和最壞工況所需的功率而定的，多數(shù)電機在大部分運行時間的負荷率都在50%～60%，所以實際運行時的效率都是比較低的。因此，提高這部分電機的運行效率，有著巨大經(jīng)濟效益和社會效益。

     1 節(jié)能原理

     電機的效率是電機輸出功率與輸入功率的比值的百分數(shù)。因此供電機的電能即輸入功率并不僅用來驅(qū)動電機即輸出功率，還有一部分將成為電機固有的損耗。電機的主要損耗為銅耗和鐵損，其中銅耗是由于電流流過電機繞組而產(chǎn)生，與電流的平方成正比；鐵損是由于定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中的磁化電流而產(chǎn)生，與供電電壓成正比。其它損耗很小，可忽略。

     調(diào)壓節(jié)電原理是當負荷下降時，可以適當降低電源電壓以減少鐵損，同時電流隨之下降也減少了銅損及無謂的浪費，此時電機的效率將得到改善。電機負荷的檢測通常采用功率因數(shù)法進行：電機負荷大，則它的功率因數(shù)大；電機負荷小，則它的功率因數(shù)小。

     2 技術(shù)難點及解決

     ①功率因數(shù)角的檢測。通常情況下電流波形是完整的，通過檢測電壓和電流的過零點獲得的相位差即是功率因數(shù)角。但本控制器由于采用了可控硅交流調(diào)壓，當導通角較小時，電流波形出現(xiàn)斷續(xù)。電流繼續(xù)使電流過零檢測失效。為此，我們采取電流與微電平比較來獲取其正半周連續(xù)波形的部分，進而取得近似的相位差。

     ②電壓和電流有效值的檢測。一般按有效值的定義進行檢測的電路需要用到模擬乘法器，因而電路比較復雜，成本也高。由于有效值和絕對平均值之間存在一定的對應關系，并且此處對檢測精度要求不高，故我們先檢測絕對平均值，再轉(zhuǎn)化為有效值。

     ③強干擾下的系統(tǒng)加固。本節(jié)電器工作在工廠的惡劣環(huán)境下，強電磁干擾會嚴重影響微機系統(tǒng)的正常工作，為此我們采取了多種保護措施：將數(shù)字電路部分單獨安裝在金屬機殼中，以屏蔽空間電磁干擾；選用優(yōu)質(zhì)開關電源和傳感器，以減少從線路串入的干擾；在微機外圍電路中廣泛采用串行接口芯片，以簡化電路板布線；采用廣泛使用的wdt電路，提高軟件抗干擾能力。

     ④可控硅的移相觸發(fā)電路。在三相交流調(diào)壓電路中，一個很重要的指標是三相平衡問題。以前的三相交流調(diào)壓常采用3個單相移相觸發(fā)芯片設計（如ta785），要細心調(diào)試才能達到三相平衡。我們采用最新推出的三相移相觸發(fā)芯片at787，簡化了電路設計，使該電路免于繁雜的調(diào)試；同時還采用了可控硅的強觸發(fā)技術(shù)，使其觸發(fā)得更準確。

     3 硬件設計

     本控制器主要由3部分組成：可控硅及移相觸發(fā)電路部分，接收控制板的控制信號，實施交流電壓的調(diào)節(jié)；信號檢測板部分，接收傳感器的信號并進行處理，得到標準電壓和電流的有效值及功率因數(shù)有送控制板；單片機控制板部分，接收信號檢測板的信號，通過控制運算發(fā)出控制信號到移相觸發(fā)電路，實施最佳功率因數(shù)控制，同時控制板還通過鍵盤顯示面板對控制器參數(shù)進行修改，并顯示控制器運行狀態(tài)。

     可控硅及移觸發(fā)電路部分tc787芯片