電機節能控制器的設計

引言

三相異步電機是廣泛使用的一種動(dòng)力機械，每年的耗電量占我國總耗電量的50%以上。在滿(mǎn)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(zhù)下降。因為電機選型時(shí)是按最大可能負荷和最壞工況所需的功率而定的，多數電機在大部分運行時(shí)間的負荷率都在50%～60%，所以實(shí)際運行時(shí)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(zhù)巨大經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

1 節能原理

電機的效率是電機輸出功率與輸入功率的比值的百分數。因此供電機的電能即輸入功率并不僅用來(lái)驅動(dòng)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(guò)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。

調壓節電原理是當負荷下降時(shí)，可以適當降低電源電壓以減少鐵損，同時(shí)電流隨之下降也減少了銅損及無(wú)謂的浪費，此時(shí)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法進(jìn)行：電機負荷大，則它的功率因數大；電機負荷小，則它的功率因數小。

2 技術(shù)難點(diǎn)及解決

①功率因數角的檢測。通常情況下電流波形是完整的，通過(guò)檢測電壓和電流的過(guò)零點(diǎn)獲得的相位差即是功率因數角。但本控制器由于采用了可控硅交流調壓，當導通角較小時(shí)，電流波形出現斷續。電流繼續使電流過(guò)零檢測失效。為此，我們采取電流與微電平比較來(lái)獲取其正半周連續波形的部分，進(jìn)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(jìn)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(guān)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，再轉化為有效值。

③強干擾下的系統加固。本節電器工作在工廠(chǎng)的惡劣環(huán)境下，強電磁干擾會(huì )嚴重影響微機系統的正常工作，為此我們采取了多種保護措施：將數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(kāi)關(guān)電源和傳感器，以減少從線(xiàn)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(jiǎn)化電路板布線(xiàn)；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。在三相交流調壓電路中，一個(gè)很重要的指標是三相平衡問(wèn)題。以前的三相交流調壓常采用3個(gè)單相移相觸發(fā)芯片設計（如TA785），要細心調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(jiǎn)化了電路設計，使該電路免于繁雜的調試；同時(shí)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(shí)施交流電壓的調節；信號檢測板部分，接收傳感器的信號并進(jìn)行處理，得到標準電壓和電流的有效值及功率因數有送控制板；單片機控制板部分，接收信號檢測板的信號，通過(guò)控制運算發(fā)出控制信號到移相觸發(fā)電路，實(shí)施最佳功率因數控制，同時(shí)控制板還通過(guò)鍵盤(pán)顯示面板對控制器參數進(jìn)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芯片的基本連接如圖1所示。

從同步變壓器來(lái)的三相過(guò)零信號經(jīng)C1、C2、C3電容耦合到6V的直流信號上送入18、2、1腳。TC787對其進(jìn)行過(guò)零檢測，經(jīng)積分電容C4、C5、C6形成以過(guò)零點(diǎn)為起點(diǎn)的三角波，與由VR引入的觸發(fā)控制信號比較，再經(jīng)C7調制成觸發(fā)脈沖，由12、9、10、7、8、11腳輸出，由脈沖變壓器驅動(dòng)可控硅。

信號檢測板部分標準電壓和電流的有效值轉換電路如圖2所示。