基于單片機的交流異步電機軟啟動器節(jié)能運行研究(編輯修改稿)
2024-07-23 17:20 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 機無法一開始就達到最大轉(zhuǎn)矩，因此軟啟動器更適合于風扇、電梯、水泵、傳送帶等輕型易啟動設(shè)備?！」?jié)能運行技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 節(jié)能運行的基本原理 電機效率是電機輸出功率與輸入功率比值的百分數(shù)。因為電機的輸入功率并不僅用來驅(qū)動電機、在軸上輸出功率，還有一部分成為電機的固有損耗，所以電機效率總是小于1。電機的主要損耗為鐵耗和銅耗，其中銅耗是電流經(jīng)過電機繞組產(chǎn)生，與電流平方成正比；鐵耗是電機定子和轉(zhuǎn)子鐵心中的勵磁電流而產(chǎn)生，與供電電壓成正比。其他損耗很小可忽略。若電壓不變而電機負載變化，則與電壓成正比的勵磁電流基本不變，電機從電網(wǎng)吸取的無功功率Q也不變，但電機吸收的有功功率是隨負載增加而增大的。因此，電機在空載和輕載時功率因數(shù)很低，同時由于與負載電流成正比的可變損耗降低使電機的效率也大大下降。如能在負載減輕的同時，相應降低電機端電壓，則勵磁電流隨之減小，Q下降，從而提高了功率因數(shù)；同時，定子鐵損耗下降，可較大地提高效率，達到節(jié)電的目的?！」?jié)能運行在軟啟動器上的實現(xiàn)為獲得最佳的節(jié)能效果，人們提出很多電機端電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)原則，如恒功率因數(shù)控制、最小定子電流控制、最小功率因數(shù)角控制和最小定子輸入功率控制等，但最為重要的因素應是功率因數(shù)角定義的工程實用性。異步電機通?？傇谌珘合逻\行，電機從空載到滿載，磁場幾乎不變。因此磁化電流在所有負載下基本相同。當電機工作在空載或輕載時功率因數(shù)很低，造成電機效率低。如在輕載時適當降低端電壓，則定子電流中的無功分量將減小，從而使功率因數(shù)上升。由此可見，功率因數(shù)既能反映電機負載的變化，又能反映供電電壓波動，是一個理想的控制參數(shù)。因此，恒功率因數(shù)控制成為目前在異步電機節(jié)能運行技術(shù)中采用最多的控制策略。其原理方框圖如圖12所示。[3]圖12利用軟啟動器實現(xiàn)節(jié)能運行，就是單片機通過不斷檢測電機運行時的功率因數(shù)角（cos），并與設(shè)定的功率因數(shù)角比較，根據(jù)比較結(jié)果自動地調(diào)節(jié)軟啟動器可控硅的導通角α，cos數(shù)值低表明是輕載，要降低電動機的端電壓；cos數(shù)值高表明是重載，則需升高電機的電壓。如此一來，實現(xiàn)了可控硅輸出電壓的自動調(diào)節(jié)，使電動機始終工作在設(shè)定的功率因數(shù)下，減少了電機輕載運行時的損耗，提高了電機運行效率，從而達到節(jié)能的目的。[4] 本文任務(wù) 本文將在異步電機軟啟動器的軟硬件基礎(chǔ)上擴展節(jié)能運行功能。以Intel 89C51單片機為中心，借助功率因數(shù)測量電路和軟啟動器的晶閘管調(diào)壓電路組成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使單片機能根據(jù)負載變化相應調(diào)整電機輸出電壓，實現(xiàn)交流異步電機的恒功率因數(shù)控制，達到節(jié)能運行的目的。與此同時，添加鍵盤和LED顯示器作為人機界面，從而可對電機運行的各參數(shù)進行設(shè)定、修改和觀察。2 節(jié)能運行的工作原理節(jié)能運行是在異步電機軟啟動器的基礎(chǔ)上擴展的功能，采用恒功率因數(shù)控制原理，建立了閉環(huán)控制回路。通過擴展的人機界面，軟啟動器可以在平穩(wěn)啟動后按鍵選擇進入節(jié)能運行狀態(tài)。借助功率因數(shù)測量電路和軟啟動器的晶閘管調(diào)壓電路組成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，根據(jù)負載變化，單片機就可以相應地調(diào)整電機輸出電壓，使電機始終工作在預先設(shè)定的功率因數(shù)下，從而達到節(jié)能運行的目的?！」β室驍?shù)的測量與計算 信號的過零檢測電機的功率因數(shù)與功率因數(shù)角呈簡單的余弦關(guān)系，而功率因數(shù)角可以通過測量電壓電流之間的相位差獲得。由于異步電機是個感性負載，軸上電流滯后于電壓，電壓過零后尚需一個延遲角電流才過零，因此其夾角即為功率因數(shù)角。電路使用同步變壓器，將電機端電壓降為同頻的低電壓信號U1；使用電流互感器將流過可控硅的電流取出，并通過電阻轉(zhuǎn)化為相應的同頻同相位電壓信號U2。為使軟硬件得以簡化，在功率因數(shù)角的測量中對兩路信號采用過零檢測，通過電壓比較器LM393，將信號與微電平相比較，從而獲得同頻同相位的矩形波U1’和U2’。以電壓的上升沿作為觸發(fā)脈沖的同基準信號?！」β室驍?shù)的計算將比較器輸出的兩路矩形波信號U1’和U2’經(jīng)與門74LS08相與，輸出波形再同U1’一起送異或門74LS86，其輸出波形即顯示了相位差角的大?。▓D21）。然后將信號輸入89C51單片機的INT0口。先通過軟件對寄存器IE賦值，使INT0口關(guān)中斷。這是因為，定時器/計數(shù)器0檢測89C51的INT0口，通過定時器工作方式寄存器TMOD來控制定時器/計數(shù)器0的工作方式和操作模式，通過定時器控制寄存器TCON來控制它們的工作狀態(tài)。由于程序需要當INT0腳由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，定時器/計數(shù)器0開始計時，為了消除外部干擾，須先將INT0口關(guān)中斷。定時器/計數(shù)器0選擇工作方式一，將定時器工作方式寄存器TMOD中GATE位置位，C/T位清零；將定時器控制寄存器TCON中TR0位置位；并將中斷允許寄存器IE中EX0位清零。這樣，由于電壓信號和電流信號經(jīng)過一個異或門，當電壓首先過零而電流未過零時，INT0口就會由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，定時器0同時開始計時；當滯后的電流也過零時，INT0口又由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑〞r器0停止計時。隨后，程序?qū)⒂嫊r值送至指定單元。為提高檢測精度，又不使計數(shù)器溢出，程序連續(xù)紀錄4個矩形波的時間，算得平均值作為檢測值t。圖21由于異步電機是在工頻（50Hz）下工作，單片機的晶振頻率也可知，那么就可以求出電壓或電流一個變化周期所對應的定時器的計數(shù)值T。由 可知，t由單片機
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