基于AT89S52單片機(jī)的電動機(jī)節(jié)電器控制設(shè)計

三相交流異步電動機(jī)的節(jié)電器節(jié)電保護(hù)一直是電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點，特別是近幾年來全國出現(xiàn)電力供應(yīng)緊張的局面，使得對交流異步電動機(jī)的節(jié)能設(shè)備的研究和推廣更為迫切。三相異步電動機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單，智能節(jié)電器使用方便可靠而受到廣泛應(yīng)用，但它卻是電能消耗的最大用戶，據(jù)測算有50%以上的電能被它消耗，而有20%的電能是在沒有做任何有用的工作下耗掉的。

在實際使用過程中，三相異步電動機(jī)往往不是在額定功率下工作的，常常是在輕載下運行，這就形成了所謂的“大馬拉小車”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象既造成了能源大量浪費，又造成電機(jī)功率因數(shù)降低（滿載時功率因數(shù)為9000}空載時功率因數(shù)只有2000），從而所消耗的電能轉(zhuǎn)換為熱使得電機(jī)溫度升高，這對電動機(jī)的使用壽命有嚴(yán)重的影響。一般說電機(jī)溫度降低10 }C可使電動機(jī)的使用壽命延長一倍。

為此，作者研制出一種三相異步電動機(jī)智能節(jié)電器。它與傳統(tǒng)的電容功率補(bǔ)償器相比，能跟隨隨機(jī)變化的負(fù)載而自動調(diào)節(jié);與利用機(jī)械或電子方式作軟啟動的節(jié)電器相比，具有持續(xù)工作在節(jié)電狀態(tài)及成本低的特點;與變頻器相比，無需精確調(diào)速、適合負(fù)載變化隨機(jī)性大的工況、成本低，因此，應(yīng)用前景十分廣闊。

2電動機(jī)節(jié)電器的原理

2.1節(jié)電率與電機(jī)效率之間的關(guān)系

根據(jù)三相電機(jī)功率公式P - Ulcos}P，要降低功率消耗可以通過減少電機(jī)的U，I和cos }P來實現(xiàn)。由于在降低電壓，減少勵磁電流（電機(jī)的電流主要是勵磁電流）的同時，功率因數(shù)會上升，因此功率上升的幅度要小于電流降低的程度，才能實現(xiàn)節(jié)能。

電機(jī)效率越低，電機(jī)的耗電就越大，則電機(jī)的智能節(jié)電器節(jié)電空間越大。電機(jī)從電網(wǎng)吸收的功率Ps，等于電機(jī)額定功率Pn與總損耗藝P。之和（電機(jī)效率是刀），即：電機(jī)的總損耗與額定功率和效率的關(guān)系為尸n -尸，關(guān)刀（1）Ps一Pn+藝Pn（2）藝Pn一Ps一P。一（C1 /、一‘）}PnC3）同樣功率的電機(jī)轉(zhuǎn)速越低、效率越低，轉(zhuǎn)速越高、效率越高。電機(jī)功率越小，效率越低，損耗越大。由于采取輕載調(diào)壓智能節(jié)電器節(jié)電主要是減少電機(jī)在輕載時的功率損耗，從而提高電機(jī)效率。由此可見，效率越低，空載損耗越大的電機(jī)，采取調(diào)壓節(jié)電的空間就越大。

2.2節(jié)電率與負(fù)載率之間的關(guān)系

空載損耗在總損耗中所占比例較大?？蛰d損耗的主要成分是鐵損和機(jī)械損耗，稱為不變損耗;銅損和雜散損耗隨電流的增加按平方關(guān)系增加，故稱為可變損耗?！凹与姍C(jī)輸出功率的上升，效率最初明顯呈上升趨勢。負(fù)載率越低，空載損耗所占的比例就越大，調(diào)壓節(jié)電率就越高”，但要達(dá)到最好的智能節(jié)電器節(jié)電率，還取決于調(diào)壓幅度。雖然降壓可以降低鐵耗，但當(dāng)電壓降到一定程度之后，若繼續(xù)下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗，因此要取得最好的節(jié)能效果，必須有一個合理的調(diào)壓系數(shù)。

由于電壓降低，電機(jī)負(fù)載不變，轉(zhuǎn)差率增大，電動機(jī)輸出功率也會有所減少，因此在實際測量過程中，節(jié)約的有功會比理論計算的要偏大。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，若電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩不變，則轉(zhuǎn)差率近似地與電壓的平方成正比。

從以上分析可看見，節(jié)電器節(jié)電率的高低取決于電機(jī)的效率、及負(fù)載特性電機(jī)輕載時采取降壓的幅度。因此在對電機(jī)進(jìn)行降壓節(jié)電改造時，認(rèn)真分析電機(jī)的運行特性有利于估算節(jié)電率，并將有利于成本的控制和回收。

2.3基于可控硅的節(jié)能原理

通過使用三端雙向可控硅來“切削”電壓控制電機(jī)電壓和電流之間的相位角。三端雙向可控硅只允許電源電壓正半周和負(fù)半周的一部分供給電機(jī)，

如圖1所示，這樣的結(jié)果是降低了供給電機(jī)的均方根電壓，其結(jié)果是磁滯損耗最小化，相位角回到原來大小，智能節(jié)電器電機(jī)效率提高。維持電機(jī)工作的電流是由兩個不同的部分組成：負(fù)載或阻性電流和感性或勵磁電流。感性電流依賴于電壓和磁通密度。在一定程度上，阻性電流也是電壓的函數(shù)。這樣通過減低電機(jī)的供電電壓而節(jié)能?；?a target="_blank">單片機(jī)的電機(jī)電器設(shè)計控制系統(tǒng)硬件部分的構(gòu)成如圖2所示，

由AT89S52單片計算機(jī)系統(tǒng)、同步檢測電路、晶閘管觸發(fā)電路及外部信號處理接口構(gòu)成。

3.1單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)含3個定時器，2個外部中斷源，內(nèi)含8KB的Fla sh存儲器，256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，還有多種保護(hù)功能，在系統(tǒng)中無需擴(kuò)充中斷、定時控制芯片即可完全滿足本系統(tǒng)工作要求。

電路中設(shè)置有兩個智能節(jié)電器功能設(shè)定端口和一個故障輸出端口，一個端口可設(shè)定晶閘管的給定方式，當(dāng)端口閉合時由外部信號給定，另一個端口用于控制觸發(fā)脈沖，當(dāng)端口閉合時有脈沖輸出，當(dāng)端口斷開時強(qiáng)制晶閘管脈沖關(guān)斷。在系統(tǒng)工作不正常時，故障輸出端口閉合，可外接報警器件。LED信號燈用于顯示負(fù)載工作狀態(tài)和電路在故障時的原因。

3.2同步檢測電路

同步檢測電路如圖3所示，由同步變壓器、比較器和光電隔離器件構(gòu)成。當(dāng)電源電壓正向過零后引起單片機(jī)系統(tǒng)的中斷。

3.3晶閘管驅(qū)動電路

晶閘管驅(qū)動電路如圖4所示。由單片機(jī)P1.0送出的觸發(fā)信號經(jīng)光電隔離、晶體管放大，脈沖變壓器變換后形成晶閘管觸發(fā)信號G1 K1G2 K2形成電路與該電路類似。

3.4外部信號接口電路

當(dāng)給定信號由其他調(diào)節(jié)器輸出或由外部電位器等給定時，需將給定模擬信號（CO一lOV）或（C1-SV，由程序設(shè)定經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)計算機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器選用了高速12倍A/D轉(zhuǎn)換器AD574轉(zhuǎn)換速度為251}s，智能節(jié)電器完全滿足系統(tǒng)的要求。經(jīng)過電流檢測，電壓檢測信號經(jīng)整流、濾波等處理后，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)。

4軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對編程芯片進(jìn)行初始化，初始化結(jié)束后，采集端口數(shù)據(jù)，根據(jù)端口數(shù)據(jù)確定觸發(fā)角的給定方式（外部端口電壓給定），將給定值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時問值存入指定單元。由同步檢測電路引發(fā)的中斷送出晶閘管的觸發(fā)信號，根據(jù)外部設(shè)定，顯示相應(yīng)的內(nèi)容（如負(fù)載電壓、電流、晶閘管觸發(fā)角給定值等），主程序流程圖如圖5所示。

根據(jù)程序流程將軟件按功能構(gòu)成以下模塊：（1 》初始化模塊：完成A /D芯片的初始化，單片機(jī)內(nèi)控制寄存器的設(shè)定等。（2）輸入模塊：外部輸入的判斷，根據(jù)不同功能的要求，調(diào)用相應(yīng)的功能子程序，如電路故障顯示、電流截止反饋設(shè)定等。（3）顯示子程序：顯示電路的故障和工作狀態(tài)。（4）同步檢測子程序：由硬件電路檢測到電網(wǎng)電壓過零后，引起單片機(jī)的中斷，進(jìn)入中斷子程序后，將觸發(fā)角對應(yīng)的時間值裝入計數(shù)器中啟動計數(shù)器，計數(shù)時間到引起單片機(jī)定時中斷送出對應(yīng)的觸發(fā)脈沖。

通過各種功能模塊，實現(xiàn)了負(fù)載電壓（電流）的連續(xù)可調(diào)，將實際的電壓（電流）與給定的值相比較。節(jié)電器設(shè)計時把模糊控制引入到控制系統(tǒng)中，模糊控制不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響。將模糊智能節(jié)電器控制器用于交流電機(jī)節(jié)電器的控制系統(tǒng)，可以充分體現(xiàn)其適應(yīng)于非線性、時變快速響應(yīng)的特點，能夠起到明顯的節(jié)電效果。

5結(jié)論

研制的電機(jī)節(jié)電器節(jié)電效果顯著。特別是對那些經(jīng)常處于低負(fù)載以及負(fù)載變化較頻繁的電動機(jī)，平均節(jié)電率在1600-3000，提高了功率因數(shù)，降低了電網(wǎng)線損及變壓器的銅損。還具備完善的軟啟動和軟停車功能，可保證電機(jī)連續(xù)平滑地啟動，消除了常規(guī)啟動方式伴隨電機(jī)啟動所產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和大啟動電流，有效降低軸承和皮帶的磨損，減少齒條及齒輪的機(jī)械應(yīng)力，從而延長電機(jī)的使用壽命。采用智能節(jié)電器化的微處理器控制，無需人工調(diào)節(jié)，在輕負(fù)載情況下，電機(jī)電壓自動降至最低需求而轉(zhuǎn)速保持恒定。
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