智能功率因數(shù)控制器的設(shè)計

劉喬

摘要：本文主要就是對現(xiàn)在一些電動機的節(jié)能方式進(jìn)行了分析，然后提出了一種采用單片機AT89S51作為控制的核心，然后再根據(jù)電動機的荷載變化來對電動機的功率因數(shù)進(jìn)行實時的測量，通過對電動機定子端的電壓控制方案機械能調(diào)整，這樣功率因數(shù)就能夠有效的提高，從而來達(dá)到節(jié)約電能的目的。本文主要就對這種智能功率因數(shù)控制器的設(shè)計進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：智能功率因數(shù)控制器設(shè)計節(jié)能單片機

在我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展的過程當(dāng)中，電力資源的緊缺也逐漸的表現(xiàn)了出來，電力資源的供需矛盾也變得更加的突出，面對這樣的一種情況，國家在大力發(fā)展經(jīng)濟建設(shè)的過程當(dāng)中，也開始號召社會各界要開始節(jié)能減排和提效。

通過對相關(guān)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析和統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，在電力系統(tǒng)當(dāng)中，三相異步電動機的拖動負(fù)載耗電量占據(jù)了其中的60%，所以想要對電力系統(tǒng)當(dāng)中的耗電量進(jìn)行有效的控制，那么就需要采取合理的技術(shù)措施來對三相異步電動機的拖動系統(tǒng)進(jìn)行處理，讓它能夠運行的更加的平穩(wěn)和高效，這樣才能夠有效的去節(jié)約電力資源，對于電力企業(yè)的成本降低具有非常重要的作用。

1 對三相異步電動機拖動系統(tǒng)節(jié)能方式的簡單介紹

在對三相異步電動機的拖動系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制的時候，主要采用的技術(shù)方式就是采用變頻器來進(jìn)行控制的方式以及采用降壓式節(jié)能器來進(jìn)行控制的方式。采用變頻器來進(jìn)行控制從而實現(xiàn)三相異步電動機的拖動系統(tǒng)節(jié)能主要就是通過讓電動機的運行速度發(fā)生改變從而來實現(xiàn)的，如果電動機的控制對象需要經(jīng)常去對運行的速度進(jìn)行調(diào)整，那么如果采用變頻器來進(jìn)行控制的話就能夠有不錯的節(jié)能效果以及運行的特性，這種方式在業(yè)界也是得到大家公認(rèn)的。

對于采用降壓式節(jié)能器來進(jìn)行控制的方式來說，如果三相異步電動機的拖動負(fù)載在實際的運行過程當(dāng)中不需要隨時去對運行的速度進(jìn)行調(diào)整，但是負(fù)載的大小卻會經(jīng)常的發(fā)生變化，如果在這個時候還是采用變頻器來進(jìn)行控制的話，那么就不能夠達(dá)到節(jié)能的效果。

面對這種情況的時候，如果采用功率因數(shù)控制器的話就能夠很好的實現(xiàn)節(jié)能的目的。而且在經(jīng)過很多的實踐證明之后可以發(fā)現(xiàn)，采用功率因數(shù)控制來進(jìn)行節(jié)能的話效果也非常的好。

2 對功率因數(shù)控制器的工作原理介紹

對于功率因數(shù)控制器來說，它的控制調(diào)壓元件主要是通過三組雙向的可控硅組成的，當(dāng)電動機的功率因數(shù)在不斷變化的時候，那么雙向可控硅的觸發(fā)角就能夠根據(jù)實際的情況進(jìn)行及時的調(diào)整，從而來對電動機的定子電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣功率因數(shù)就能夠一直保持不變。

如果負(fù)載比較的大，功率因數(shù)比設(shè)定的功率因數(shù)大的話，那么就可以讓雙向可控硅的觸發(fā)角減小，這樣電動機的定子電壓就會升高，相反如果負(fù)載比較的小，功率因數(shù)不能夠達(dá)到設(shè)定的功率因素，那么就可以讓雙向可控硅的觸發(fā)角增大，這樣電動機的定子電壓就會降低，從而就能夠讓功率因數(shù)不斷的提高一直到設(shè)定的值。

在電動機的定子電壓下降的過程當(dāng)中，那么通過相關(guān)的計算公式就能夠發(fā)現(xiàn)，勵磁電流也會相應(yīng)的減小，那么電動機的功率因數(shù)就會相應(yīng)的增加。而且在這個時候電動機當(dāng)中的鐵損和銅損也會相應(yīng)的降低，電動機軸上的輸出功率基本上是保持不變的，那么電動機的效率也就能夠得到提高。在電動機轉(zhuǎn)子電壓降低的過程當(dāng)中，可能會引起轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不斷的下降，根據(jù)實際的測試可以發(fā)現(xiàn)，如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在下降的過程當(dāng)中沒有超過正常轉(zhuǎn)速的2%，那么對于那些對于調(diào)速要求不是很好的機械設(shè)備來說是沒有什么影響的。

當(dāng)負(fù)載達(dá)到了比額定負(fù)載30%還低的時候，和電動機的總功率相比較，電動機的自身消耗功率占據(jù)了絕大部分，在對電壓降低的過程當(dāng)中如果通過控制器來完成的話，那么電動機本身的功率消耗也就會降低，最終就能夠有效的實現(xiàn)節(jié)能的目的。

3 對智能功率因數(shù)控制器硬件電路設(shè)計的分析

本文涉及的智能功率因數(shù)控制器它控制系統(tǒng)的核心是單片機AT89S51，而輸入的電路主要就包括了時鐘的基準(zhǔn)電路、功率因數(shù)的檢測電路、參數(shù)的設(shè)置電路以及看門狗電路等，而輸出的電路則主要包括了可控硅的觸發(fā)電路以及控制器的狀態(tài)指示燈。

3.1 時鐘的基準(zhǔn)電路的分析

時鐘基準(zhǔn)電路的主要作用就是在對U相電壓信號的正半波進(jìn)行整形之后輸入到CPU的輸入口當(dāng)中，把它當(dāng)成是觸發(fā)電路在對三組可控硅進(jìn)行控制的時鐘基準(zhǔn)，同時也作為功率因數(shù)在對電路判斷功率因數(shù)值進(jìn)行檢測的時鐘基準(zhǔn)。

3.2 對功率因數(shù)的檢測電路分析

功率因數(shù)角主要就是電流和電壓之間的夾角，電動機的負(fù)載是電感性的，在電壓過零的時候，電流并沒有過零，所以可控硅在這個時候依然是導(dǎo)通的，而在可控硅的兩端電壓則基本上為零，在電流過零可控硅關(guān)斷的時候，就會出現(xiàn)一個脈沖，功率因數(shù)的檢測電路是用U相電壓信號的正半波過零點來作為時鐘基準(zhǔn)的，對U相可控硅關(guān)斷時候的脈沖進(jìn)行檢測，然后經(jīng)過高速光耦將這個脈沖送到CPU當(dāng)中，這樣兩者的時間差值就能夠計算出來，而這個計算出來的時間差值其實就是U相的功率因數(shù)角，另外功率因數(shù)的檢測電路還能夠?qū)θ嚯娫吹娜毕噙M(jìn)行檢測。

3.3 對觸發(fā)電路的分析

在對電動機的負(fù)載輕重進(jìn)行判斷的時候主要就是通過CPU來對功率因數(shù)角的大小進(jìn)行檢測。這樣對于可控硅的觸發(fā)角的數(shù)值就能夠有效的計算出來，當(dāng)同步時鐘到來的時候，那么就會相應(yīng)的延遲觸發(fā)角數(shù)值相對的時間，然后通過觸發(fā)電路把觸發(fā)脈沖送到雙向可控硅的控制端，在實際的輸送過程當(dāng)中應(yīng)該要按照每個60°然后按照U相、W相、V相的順序來進(jìn)行。這樣在對電動機的定子電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)的時候就能夠通過功率因數(shù)的變化來完成，這樣的一種動態(tài)調(diào)節(jié)方式能夠讓拖動系統(tǒng)的運行能夠很好的保證在正常狀態(tài)下，同時也能夠達(dá)到節(jié)能的主要目的。

3.4 對參數(shù)設(shè)置電路和看門狗電路的分析

參數(shù)設(shè)置電路的主要目的就是為了設(shè)置電動機的頻率以及啟動時間等不同的狀態(tài)。而看門狗電路主要的目的就是避免當(dāng)程序出現(xiàn)死循環(huán)的時候會給CPU一個復(fù)位的信號，這樣系統(tǒng)才能夠正常的進(jìn)行運轉(zhuǎn)。

4 對智能功率因數(shù)控制器軟件的設(shè)置分析

在對智能功率因數(shù)控制器的軟件進(jìn)行設(shè)計時，按其功能一般分為三種，具體為：

4.1 軟啟動軟件

通過軟啟動軟件的運用，可以使得電動機在啟動的過程中保持平穩(wěn)狀態(tài)，這樣將能夠有效的減少對拖動系統(tǒng)的影響，同時還能夠提高電動機的功效，減少啟動功率損耗。這種方式主要是通過用戶對啟動時間的設(shè)置，再根據(jù)啟動的計算公式來對電動機進(jìn)行啟動。

4.2 功率因數(shù)控制器

功率因數(shù)控制器的軟件設(shè)計，在該軟件中是通過對功率因數(shù)值設(shè)定的固定參考值的比對來檢測電動機的功率是否屬于正常的。在對電動機的動態(tài)功率因數(shù)進(jìn)行檢測時，當(dāng)檢測數(shù)值比參考值大時，則系統(tǒng)處于重載狀態(tài)。這時通過控制算法程序得出觸發(fā)角需要降低角度，CPU就觸發(fā)電路升高電動機的定子電壓，使得動態(tài)功率因數(shù)降到與參考值一樣；如果檢測值小于參考值，則控制算法程序就會計算出觸發(fā)角需要升高，這時CPU就會觸發(fā)使定子電壓降低，這樣動態(tài)功率因數(shù)就升高到參考值大小。

4.3 故障保護(hù)軟件

通過該軟件將能有效的對電動機發(fā)生故障時進(jìn)行及時的控制。它主要是對CPU進(jìn)行檢測，檢測內(nèi)容主要是看CPU是否缺相，電流、電壓是否過大；如果出現(xiàn)這些情況時，它會自動的停止觸發(fā)電路的輸出，同時通過顯示燈提示故障信息，從而對設(shè)備進(jìn)行有效的保護(hù)。

5 結(jié)束語

總而言之，在智能功率因數(shù)控制器中主要是采用的單片機進(jìn)行控制的，這就有效的降低了該控制器的生產(chǎn)成本；并且根據(jù)單片機的相關(guān)特性，在生產(chǎn)中也可以根據(jù)實際情況的需要對其進(jìn)行變更和擴展，這將更能有效的提高控制器的性能和作用。通過對智能功率因數(shù)控制器的設(shè)計的分析與探討，可以發(fā)現(xiàn)該控制器能夠有效起到節(jié)約電能的功效，并且在特殊情況下也能保證良好的節(jié)能效果，所以應(yīng)該大力推廣該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

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