中心議題：

• 節(jié)能原理
• 技術(shù)難點及解決
• 軟硬件的調(diào)試

解決方案：

• 采取電流與微電平比較來獲取相位差
• 按有效值的定義進行檢測
• 采用廣泛使用的WDT電路，提高軟件抗干擾能力

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。

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。

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(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(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(guān)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。

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芯片的基本連接如圖1所示。

從同步變壓器來的三相過零信號經(jīng)C1、C2、C3電容耦合到6V的直流信號上送入18、2、1腳。TC787對其進行過零檢測，經(jīng)積分電容C4、C5、C6形成以過零點為起點的三角波，與由VR引入的觸發(fā)控制信號比較，再經(jīng)C7調(diào)制成觸發(fā)脈沖，由12、9、10、7、8、11腳輸出，由脈沖變壓器驅(qū)動可控硅。
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信號檢測板部分標準電壓和電流的有效值轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。


此電路基于基本的絕對值電路，增加了濾波電容C1，將交流信號的絕對值變?yōu)槠骄?；合理設計R5的阻值，將平均值變?yōu)橛行е怠?br />
相位檢測電路如圖3所示。


電壓信號VA和電流信號IA經(jīng)與微電平信號REF比較，取得電壓和電流信號的正半周；經(jīng)RC濾波后由信號“或”電路，形成含有功率因數(shù)角的信號；由單片機去除其中的電壓半周期，即得功率因數(shù)角。

單片機控制板部分基本電路如圖4所示。

TLC0834是4路8位A/D轉(zhuǎn)換器，采集1路電壓和3路電流信號；TLC5615是10位串行D/A，將控制量變?yōu)槟M電壓信號，去控制可控硅交流調(diào)壓；X25045是含WDT和EEPROM的多功能電路，負責單片機系統(tǒng)的安全監(jiān)視和重要參數(shù)的保護；SN75176是RS485接口，實現(xiàn)連網(wǎng)監(jiān)控。

軟件設計

單片機軟件采用C51語言編程，C51與匯編語言相比，有編程效率高、代碼易維護等優(yōu)點。程序主要由鍵盤與顯示監(jiān)控部分、串行接口芯片驅(qū)動部分和信號采集與實時控制部分組成。

串行接口芯片驅(qū)動部分，主要是根據(jù)芯片廠商時序圖，以單片機的I/O口模擬串行口，以實現(xiàn)對串行芯片的讀寫操作。本課題由于單片機I/O較多，各個芯片采用單獨的I/O信號。

信號采集與實時控制部分，以實時時鐘為基準，采集電壓電流信號對系統(tǒng)的安全進行監(jiān)視。采集功率因數(shù)信號與最優(yōu)值比較，以PI控制算法進行運算，適時發(fā)出控制指令，對電動機進行調(diào)壓，使其運行于高效率狀態(tài)。

系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)并處理了如下幾個問題。

①電動機可控硅交流調(diào)壓的穩(wěn)定性問題。由于電動機是大電感性負載，在按外三角接法時最好采用半控形式。其中的數(shù)據(jù)管發(fā)揮了吸收諧波的作用。要使用全控形式，最好采用內(nèi)三角形式。該接法中各個繞組單獨供電，繞組之間不會產(chǎn)生相互干擾。

②三相調(diào)壓移相觸發(fā)板的器件選擇問題。3個積分電容的值必須相互一致，誤差在1%以內(nèi)，調(diào)制電容C7的值不能太大，耦合電容C1、C2、C3亦不能太大，不然會使電路不能長期運行，或出現(xiàn)三相的不平衡。

③節(jié)電控制器的最佳功率因數(shù)設定問題。最佳值一般在0.85附近，風機可以設定在0.9附近，針對不同電機而稍有不同。如果超出了此范圍，則屬不正?，F(xiàn)象。因為電動機從理論上有一個在75%～80%負載率附近的最高效率點，若電動機老化而無此特性，則節(jié)能不能成立。應用中必須注意此原則。

本電機節(jié)能控制器除了具有功率因數(shù)控制節(jié)能功能外，還實現(xiàn)了軟啟動、斷相保護、過流保護、過熱保護等功能。經(jīng)用戶測試表明，該電機節(jié)能控制器設計合理、運行可靠、節(jié)能效果明顯。