基于单片机的三相异步电动机节能控制研究

李 远，刘 倩

（1.漯河职业技术学院电气电子工程系，河南 漯河 462000；2.漯河职业技术学院电气电子工程系，河南 漯河 462000）

引言

在我国生活生产的动力机械中，三相异步电机得到了广泛地使用，其耗电量比重较大，大概占我国年总耗电量50%以上。对于其工作能效而言，负荷与工作能效具有负相关性，在满负荷工况条件下其工作能效才会达到最高，大约为80%左右。因此，在实际应用过程中，对于三相异步电机的选取应结合最大可能负和最坏工况来定，结合现状来看，目前我国三相异步电机的工作能效通常维持在50%～60%之间，都是比较低的。因此，如果能提高三相异步电机的工作能效对于我国电网经济的提高是很可观的[1-3]。

对于三相异步电机的工作原理来讲，当其三相定子绕组接入三相交流电之后，会产生一个稳定的旋转磁场，且会对转子绕组进行切割，继而使得转子绕组产生感应电流，使其进一步产生电磁力，在满足电磁转矩形成的基础上，就会驱动电动机旋转。基于三相异步电机的工作原理的理解，若要降低三相异步电机的损耗，可以有三种方式：一是改变频率；二是减小定子电压；三是对电动机系统进行优化。在本文中，研究的重点是第二种方式，即通过减小电压来达到节能增效的目的，其原理是当三相异步电机负载降低时，同时也降低工作电压，从而来使得三相异步电机维持在一个较高的效率[4]。

1 控制器的的总体方案

本文所设计的总体方案如图1所示，主控芯片单片机对异步电机相电压与相电流通过AD转换后进行过零点检测，接着以此来计算出异步电机的功率因数角，结合异步电机的功率因数角进一步处理后，通过HSO输出触发脉冲，实现对双向晶闸管导通角的控制，从而实现有效的降压节能目的。该总体方案包含的子单元有如下几个部分：单片机控制单元、电信号采集单元、功率因数角检测单元、供电单元、人机交互单元（键盘及显示）及过流保护单元等。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

对于本系统的硬件设计，是本文的一个研究重点，结合前文的系统结构框图设计，下面对各个子单元的硬件那部分设计进行分析，但是限于文章篇幅限制，本节仅对以下几部分电路设计进行阐述[5]。

2.1 功率因数检测电路设计

对于功率因数检测电路，其作用是采集外部输入的电信号，将电压、电流过零点信号进行采集并AD转换，转换后传输给单片机CPU的输入端口，单片机的HSIO-HSD高速传输端口用来接收数据信息，传输给CPU进行处理，单片机的HSOO-HSOI高速传输端口为输出端口，能够输出脉冲波（亦称PWM波），并且脉冲波的宽度与周期均可调节。三相异步电机是一个感性负载，当其电压为零值之后，还需要一个延迟角电流才能为零值，二者的夹角为功率因数角，电压过零检测的原理就是对输入电压进行转换，使其成为一个同相位的矩形波，并将其输入给单片机的HSI端口，触发脉冲的基准信号可以采用该矩形波的下降沿，并且该下降沿还能够当做单片机软件定时器的开始信号。此外，若要准确估算出调压的大小，需要对功率因数角进行检测，以功率因数角的大小来改变晶闸管的导通角的大小，从而实现科学调压，因此，功率因数角检测越准确越能够达到降压节能的效果。所以，本文设计以下采样电路（见图2）。

图2 电压电流过零检测电路图

2.2 电压电流检测电路设计

单片机处理的是数字量，因此在进行电压电流检测时需要将电信号转换成数字量，为了降低设计的复杂性，本文选取的单片机型号为80C196KB，其自带有8个通过的AD输入，且具有10 bit，能够保证电信号的精确度，将输入的电信号模拟量尽可能满量程地涵盖AD的10 bit，该AD具有门限探测模式，若出现过载现象，将会产生中断信号。基于以上理论，对于电压电流检测电路设计的设计如图3所示，采用变压器将线电压先进行隔离降压，之后将信号进行调整，在此基础上在进行滤波处理，之后传输给单片机进行AD转换（见图3）。

图3 电压检测电路图

对于电流检测硬件实现，是利用三个电流互感器来进行的，先进行整流然后进入模数转换，已达到对于电流检测的目的，具体如图4所示。

图4 电流检测电路图

3 控制系统软件设计

异步电机在运行的时候，若想增强功率，就需要知道目前电机负载情况，之后合理地对电机电压进行调节，结合检测到的电压电流数据来完成增强功率的需求。通过软件控制的方式确保系统运行的最优性，并且软件系统应具备对故障信息的预判、报警、显示功能。因此，对于软件的设计包含了初始化功能、开始结束功能、电流电压计算功能、控制功能、显示功能、故障判断功能，具体如图5所示。

图5 主控系统流程图

4 结论

本文所设计的节能控制器硬件是以80C196KB单片机为主控芯片实现的，实现电压电流过零点精确检测、状态显示、断相保护和过压过流保护等功能。该节能控制器实现了电机的软起动与软刹车、过载保护、缺相以及三相不平衡保护，并被实际应用到电机上。所设计的节能控制器的关键技术就是利用最小输入有功功率最优控制方法实现电机经济运行，通过三路电流和两路电压采集得来数据，计算出一个精确值，该值能表征电机在一段时间的平均有功功率的变化情况，通过调整电机运行曲线来判断电机有功功率的变化情况，最后找到电机有功功率最小的工作曲线，至此动态寻找过程结束。同时根据早晚电压有一定压差，系统会在一定时间内重新进入动态寻优过程。