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一种基于单片机的智能节电器的研究

2010-12-27贾英新庞增拴刘占阳孙海波

河北省科学院学报 2010年4期
关键词:晶闸管节电端口

王 勇,靳 晔,贾英新,庞增拴,刘占阳,孙海波

(河北省机电一体化中试基地,河北石家庄 050081)

一种基于单片机的智能节电器的研究

王 勇,靳 晔,贾英新,庞增拴,刘占阳,孙海波

(河北省机电一体化中试基地,河北石家庄 050081)

介绍了智能节电器的节能原理,给出了以A T89C52单片机为核心的智能节电器,介绍了硬件设计和软件框图。该节电器采用智能降压节能。

智能节电器;A T89C52;程序流程图

1 引言

三相交流异步电动机的节电保护一直是电机领域研究的热点,特别是近几年来全国出现电力供应紧张的局面,使得对交流异步电动机的节能设备的研究和推广更为迫切。三相异步电动机由于结构简单,使用方便可靠而受到广泛应用,但它却是电能消耗的最大用户,据测算有50%以上的电能被它消耗,而有20%的电能是在没有做任何有用的工作下耗掉的。在实际使用过程中,三相异步电动机往往不是在额定功率下工作的,常常是在轻载下运行,这就形成了所谓的“大马拉小车”现象。这种现象既造成了能源大量浪费,又造成电机功率因数降低(满载时功率因数为90%,空载时功率因数只有20%),从而所消耗的电能转换为热使得电机温度升高,这对电动机的使用寿命有严重的影响。一般说电机温度降低10℃可使电动机的使用寿命延长一倍。为此,作者研制出一种三相异步电动机智能节电控制器。它与传统的电容功率补偿器相比,能跟随随机变化的负载而自动调节;与利用机械或电子方式作软启动的节电器相比,具有持续工作在节电状态及成本低的特点;与变频器相比,无需精确调速、适合负载变化随机性大的工况、成本低,因此,应用前景十分广阔。

2 电动机节电器的原理

2.1 节电率与电机效率之间的关系

根据三相电机功率公式P=U Icosφ,要降低功率消耗可以通过减少电机的U,I和cosφ来实现。由于在降低电压,减少励磁电流(电机的电流主要是励磁电流)的同时,功率因数会上升,因此功率上升的幅度要小于电流降低的程度,才能实现节能。

电机效率越低,电机的耗电就越大,则电机的节电空间越大。电机从电网吸收的功率Ps,等于电机额定功率Pn与总损耗之和(电机效率是η),即:

电机的总损耗与额定功率和效率的关系为

同样功率的电机转速越低、效率越低,转速越高、效率越高。电机功率越小,效率越低,损耗越大。由于采取轻载调压节电主要是减少电机在轻载时的功率损耗,从而提高电机效率。由此可见,效率越低,空载损耗越大的电机,采取调压节电的空间就越大。

2.2 节电率与负载率之间的关系

空载损耗在总损耗中所占比例较大。空载损耗的主要成分是铁损和机械损耗,称为不变损耗;铜损和杂散损耗随电流的增加按平方关系增加,故称为可变损耗。“加电机输出功率的上升,效率最初明显呈上升趋势。负载率越低,空载损耗所占的比例就越大,调压节电率就越高”,但要达到最好的节电率,还取决于调压幅度。虽然降压可以降低铁耗,但当电压降到一定程度之后,若继续下降,则电流又要增加,因而又增加了铜耗,因此要取得最好的节能效果,必须有一个合理的调压系数。

由于电压降低,电机负载不变,转差率增大,电动机输出功率也会有所减少,因此在实际测量过程中,节约的有功会比理论计算的要偏大。由于电动机的转矩与电压平方成正比,若电动机的转矩不变,则转差率近似地与电压的平方成正比。

从以上分析可看见,节电率的高低取决于电机的效率、及负载特性电机轻载时采取降压的幅度。因此在对电机进行降压节电改造时,认真分析电机的运行特性有利于估算节电率,并将有利于成本的控制和回收。

2.3 基于可控硅的节能原理

通过使用三端双向可控硅来“切削”电压控制电机电压和电流之间的相位角。三端双向可控硅只允许电源电压正半周和负半周的一部分供给电机,如图1所示,这样的结果是降低了供给电机的均方根电压,其结果是磁滞损耗最小化,相位角回到原来大小,电机效率提高。维持电机工作的电流是由两个不同的部分组成:负载或阻性电流和感性或励磁电流。感性电流依赖于电压和磁通密度。在一定程度上,阻性电流也是电压的函数。这样通过减低电机的供电电压而节能。

图1 典型的三端双向晶闸管电压电流输出波形

3 基于单片机的电机电器设计

控制系统硬件部分的构成如图2所示,由 A T89S52单片计算机系统、同步检测电路、晶闸管触发电路及外部信号处理接口构成。

图2 系统构成

3.1 单片机系统

系统选用A TM EL公司的 A T89S52单片机,该单片机内含3个定时器,2个外部中断源,内含8KB的Fla sh存储器,256B内部数据存储器,还有多种保护功能,在系统中无需扩充中断、定时控制芯片即可完全满足本系统工作要求。

电路中设置有两个功能设定端口和一个故障输出端口,一个端口可设定晶闸管的给定方式,当端口闭合时由外部信号给定,另一个端口用于控制触发脉冲,当端口闭合时有脉冲输出,当端口断开时强制晶闸管脉冲关断。在系统工作不正常时,故障输出端口闭合,可外接报警器件。LED信号灯用于显示负载工作状态和电路在故障时的原因。

3.2 同步检测电路

同步检测电路如图3所示,由同步变压器、比较器和光电隔离器件构成。当电源电压正向过零后引起单片机系统的中断。

图3 同步检测电路

3.3 晶闸管驱动电路

晶闸管驱动电路如图 4所示。由单片机P1.0送出的触发信号经光电隔离、晶体管放大,脉冲变压器变换后形成晶闸管触发信号 G1 K1, G2 K2形成电路与该电路类似。

图4 晶体管触发电路

3.4 外部信号接口电路

当给定信号由其他调节器输出或由外部电位器等给定时,需将给定模拟信号((0一lOV)或(1 -5V),由程序设定经A/D转换进入单片机计算机,A/D转换器选用了高速12倍A/D转换器AD574转换速度为25μs,完全满足系统的要求。经过电流检测,电压检测信号经整流、滤波等处理后,信号经A/D转换后进入单片机。

4 软件设计

系统上电后,单片机首先对编程芯片进行初始化,初始化结束后,采集端口数据,根据端口数据确定触发角的给定方式(外部端口电压给定),将给定值转换成相应的时问值存入指定单元。由同步检测电路引发的中断送出晶闸管的触发信号,根据外部设定,显示相应的内容(如负载电压、电流、晶闸管触发角给定值等),主程序流程图如图5所示。

图5 软件框图

(2)输入模块:外部输入的判断,根据不同功能的要求,调用相应的功能子程序,如电路故障显示、电流截止反馈设定等。

(3)显示子程序:显示电路的故障和工作状态。

(4)同步检测子程序:由硬件电路检测到电网电压过零后,引起单片机的中断,进入中断子程序后,将触发角对应的时间值装入计数器中启动计数器,计数时间到引起单片机定时中断送出对应的触发脉冲。

通过各种功能模块,实现了负载电压(电流)的连续可调,将实际的电压(电流)与给定的值相比较。节电器设计时把模糊控制引入到控制系统中,模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型,能够克服非线性因素的影响。将模糊控制器用于交流电机节电器的控制系统,可以充分体现其适应于非线性、时变快速响应的特点,能够起到明显的节电效果。

根据程序流程将软件按功能构成以下模块:

(1)初始化模块:完成A/D芯片的初始化,单片机内控制寄存器的设定等。

5 结论

研制的电机节电器节电效果显著。特别是对那些经常处于低负载以及负载变化较频繁的电动机,平均节电率在16%-30%,提高了功率因数,降低了电网线损及变压器的铜损。还具备完善的软启动和软停车功能,可保证电机连续平滑地启动,消除了常规启动方式伴随电机启动所产生的机械噪声和大启动电流,有效降低轴承和皮带的磨损,减少齿条及齿轮的机械应力,从而延长电机的使用寿命。采用智能化的微处理器控制,无需人工调节,在轻负载情况下,电机电压自动降至最低需求而转速保持恒定。

[1] 何立民.单片机应用技术选编(1)[M].北京:北京航空航天出版社,1993.

[2] 陆安定,陈渭等.电动机节能改造实用手册[M].上海:上海科学技术出版社出版社,1994.

[3] 吴大榕.电机学[M].北京:水利电力出版社.

[4] 徐志红等.电机降压技术[J].节能与环保,2003,(9):40 -41.

Research on power-saveing equipment of intelligent based on a m icrocontroller

WANG Yong,JIN Ye,JIA Ying-xin,PANG Zen-shuan,LIU Zhan-yang,SUN Hai-bo

(Hebei M echatronics Intrmediate Pilot Production.,Shijiazhuang Hebei050081,China)

This paper introduces a kind of equipment w ith A T89C52.The wo rk p rincip le,hardware design and softw are flow are stated in detail in the paper.The equipment could save energy by means of intelligent stepping dow n.

Power-saveing equipment of intelligent;A T89C52;Softw are flow

TP273

:A

1001-9383(2010)04-0030-04

2010-09-21

王 勇(1975-),男,河北冀州人,助理研究员,主要从事机电一体化开发与研究.

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