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三相異步電機在工農業生產中應用非常廣泛。在電機起動時，會產生較大的電流，對系統本身以及電網都會產生較大的影響，并造成了電能的浪費。當電機的負載低于額定負載的75%時，效率較低，造成了能源浪費。經過理論分析，設計了一種電機智能節能控制器，用于電機的節能、軟起動和運行保護。

　　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，有著巨大經濟效益和社會效益。

　　三相異步電機在工農業生產中應用非常廣泛。在電機起動時，會產生較大的電流，對系統本身以及電網都會產生較大的影響，并造成了電能的浪費。當電機的負載低于額定負載的75%時，效率較低，造成了能源浪費。經過理論分析，設計了一種電機智能節能控制器，用于電機的節能、軟起動和運行保護。

　　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

　　下面從三相異步電機節能原理、技術難點及解決、 硬件設計、軟件設計、系統調試五個方面詳細解說三相異步電機節能控制器的設計節能原理：

　　一、三相異步電機節能原理

　　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驅動電機即輸出功率，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，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法進行：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。

　　二、技術難點及解決

　　1.功率因數角的檢測。通常情況下電流波形是完整的，通過檢測電壓和電流的過零點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，電流波形出現斷續。電流繼續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，再轉化為有效值。

　　3.強干擾下的系統加固。本節電器工作在工廠的惡劣環境下，強電磁干擾會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；選用優質開關電源和傳感器，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.可控硅的移相觸發電路。在三相交流調壓電路中，一個很重要的指標是三相平衡問題。以前的三相交流調壓常采用3個單相移相觸發芯片設計（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芯片at787，簡化了PCB電路設計，使該電路免于繁雜的調試；同時還采用了可控硅的強觸發技術，使其觸發得更準確。

　　三、硬件設計

　　本控制器主要由3部分組成：可控硅及移相觸發電路部分，接收控制板的控制信號，實施交流電壓的調節；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，通過控制運算發出控制信號到移相觸發電路，實施最佳功率因數控制，同時控制板還通過鍵盤顯示面板對控制器參數進行修改，并顯示控制器運行狀態。

　　可控硅及移觸發電路部分tc787芯片的基本連接

　　從同步變壓器來的三相過零信號經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引入的觸發控制信號比較，再經c7調制成觸發脈沖，由12、9、10、7、8、11腳輸出，由脈沖變壓器驅動可控硅。

　　信號檢測板部分標準電壓和電流的有效值轉換電路。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為平均值；合理設計r5的阻值，將平均值變為有效值。

　　相位檢測電路

　　電壓信號va和電流信號ia經與微電平信號ref比較，取得電壓和電流信號的正半周；經rc濾波后由信號“或”電路，形成含有功率因數角的信號；由單片機去除其中的電壓半周期，即得功率因數角。

　　單片機控制板部分基本電路

　　tlc0834是4路8位a/d轉換器，采集1路電壓和3路電流信號；tlc5615是10位串行d/a，將控制量變為模擬電壓信號，去控制可控硅交流調壓；x25045是含wdt和eeprom的多功能電路，負責單片機系統的安全監視和重要參數的保護；sn75176是rs485接口，實現連網監控。

　　四、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、代碼易維護等優點。程序主要由鍵盤與顯示監控部分、串行接口芯片驅動部分和信號采集與實時控制部分組成。

　　串行接口芯片驅動部分，主要是根據芯片廠商時序圖，以單片機的i/o口模擬串行口，以實現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的安全進行監視。采集功率因數信號與最優值比較，以pi控制算法進行運算，適時發出控制指令，對電動機進行調壓，使其運行于高效率狀態。

　　五、系統調試

　　在系統調試過程中，我們發現并處理了如下幾個問題。

　　①電動機可控硅交流調壓的穩定性問題。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。其中的數據管發揮了吸收諧波的作用。要使用全控形式，最好采用內三角形式。該接法中各個繞組單獨供電，繞組之間不會產生相互干擾。

　　②三相調壓移相觸發板的器件選擇問題。3個積分電容的值必須相互一致，誤差在1%以內，調制電容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，或出現三相的不平衡。

　　③節電控制器的最佳功率因數設定問題。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，則屬不正常現象。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，則節能不能成立。應用中必須注意此原則。

　　經從三相異步電機節能原理、技術難點及解決、 硬件設計、軟件設計、系統調試五個方面考慮后，根據總結出來的三相異步電機節能控制器的設計節能原理設計出的電機節能控制器除了具有功率因數控制節能功能外，還實現了軟啟動、斷相保護、過流保護、過熱保護等功能。經用戶測試表明，該電機節能控制器設計合理、運行可靠、節能效果明顯。