電機(jī)功率因數(shù)控制器的控制算法

張有東

(華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北三河 065201)

0 引言

電機(jī)功率因數(shù)控制器是以雙向晶閘管為調(diào)壓元件，根據(jù)三相異步電機(jī)在不同負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)變化，控制雙向晶閘管的控制角度，調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓。負(fù)載大，功率因數(shù)高時(shí)，雙向晶閘管控制角小，晶閘管輸出電壓高，負(fù)載小，功率因數(shù)低時(shí)，雙向晶閘管控制角大，晶閘管輸出電壓低，該設(shè)備對(duì)電機(jī)來講是透明的，它只是根據(jù)電機(jī)負(fù)載情況給出最合理的電壓，使電機(jī)的有功功率和無功功率之比達(dá)到最佳值，從而達(dá)到節(jié)能的目的。如何找到電機(jī)負(fù)載變化和控制器輸出電壓變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系即控制算法，是本文研究的目的。

1 雙向晶閘管輸出電壓變化與晶閘管控制角的關(guān)系

晶閘管輸入端為三相正弦波電源，現(xiàn)以輸入電壓380 V、50 Hz動(dòng)力電為對(duì)象說明，見圖1。

圖1 三相交流電壓波形

從三相正弦波圖形可看出，U、V、W三相互差120°相位角，考慮電源電壓的頻率是50 Hz，那么每相一周期的時(shí)間為20 ms，一周期為360°，每度對(duì)應(yīng)時(shí)間為55.56 μs，因此可將度數(shù)換算成相對(duì)應(yīng)的時(shí)間來表示。

本例中以U相電壓從負(fù)變正的瞬間作為時(shí)鐘基準(zhǔn)點(diǎn)，如想得到380 V輸出電壓，采用單片機(jī)控制方式檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)到來時(shí)刻，單片機(jī)立刻對(duì)U相晶閘管控制角觸發(fā)，過 60°(3 333.6 μs)對(duì) W相晶閘管控制角觸發(fā)，再過60°對(duì)V相觸發(fā)，在負(fù)半周，同樣經(jīng)過U、W、V相觸發(fā)，經(jīng)過一周期360°后又回到時(shí)鐘基點(diǎn)，重復(fù)運(yùn)行，就可得到380 V輸出電壓。如想得到220 V輸出電壓，當(dāng)時(shí)鐘基點(diǎn)到來時(shí) U相晶閘管控制角在延后60°(3 333.6 μs)觸發(fā)，同理，W 相在 60°后再延遲60°觸發(fā)，以此類推，就可得到220 V輸出電壓。380 V到220 V電壓變化對(duì)應(yīng)觸發(fā)角度為0～60°。但真正觸發(fā)時(shí)，因要使電源形成回路，所以一次觸發(fā)兩相，即U、V相同時(shí)觸發(fā)，U、W相同時(shí)，V、W 相同時(shí)，V、U 相同時(shí)，U、W 相同時(shí)，V、W相同時(shí)觸發(fā)。

2 電機(jī)負(fù)載和功率因數(shù)角的關(guān)系

電機(jī)負(fù)載是感性負(fù)載，因此電流總要滯后電壓一個(gè)角度，而這個(gè)角度就是功率因數(shù)角，其大小由電機(jī)的負(fù)載決定，當(dāng)電機(jī)負(fù)載為額定負(fù)載時(shí)，其功率因數(shù)角最小，功率因數(shù)最大，達(dá)到0.9以上，當(dāng)電機(jī)為空載時(shí)，功率因數(shù)角最大，功率因數(shù)最小，約為0.16?？梢姡β室驍?shù)角變化完全可以反應(yīng)負(fù)載變化，所以，功率因數(shù)控制器根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化情況(功率因數(shù)的變化情況)來適時(shí)調(diào)整電機(jī)端電壓，使電機(jī)在輕載情況下也能保持較高的功率因數(shù)，降低了無功功率，重載時(shí)又能及時(shí)增高電機(jī)端電壓，從而達(dá)到節(jié)能目的。

3 功率因數(shù)控制器的控制算法實(shí)現(xiàn)

功率因數(shù)角是電流滯后電壓的角度，而角度又可轉(zhuǎn)換成時(shí)間來表示，因此就可采用晶閘管電壓過零檢測(cè)電路和晶閘管電流過零檢測(cè)電路，通過單片機(jī)計(jì)算出兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差，通過換算就可得到功率因數(shù)角。

假設(shè)三相電是平衡的，以A相電壓由負(fù)變正的瞬間作為參考點(diǎn)，功率因數(shù)角的測(cè)量也以A相為準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)鐘參考點(diǎn)到來的時(shí)刻開始計(jì)算A相晶閘管關(guān)斷(電流為零)的時(shí)間，由上分析，時(shí)間可以換算成角度，這個(gè)時(shí)間就是電壓和電流之間的夾角(功率因數(shù)角)，從而判斷出電機(jī)負(fù)載的大小。

根據(jù)功率因數(shù)的大小來調(diào)整電機(jī)端電壓的控制算法可以采用兩種方式，一種是恒功率因數(shù)控制方式，另一種是隨動(dòng)功率因數(shù)控制方式，現(xiàn)分別加以說明。

3.1 恒功率因數(shù)控制方式

該方式采用一個(gè)固定的功率因數(shù)做比較點(diǎn)，如采用負(fù)載為額定負(fù)載53%的功率因數(shù)0.8做參考點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)軟起動(dòng)完成時(shí)，開始計(jì)算電機(jī)的適時(shí)功率因數(shù)，當(dāng)功率因數(shù)比參考點(diǎn)功率因數(shù)低時(shí)，認(rèn)為是輕載，控制器就以每周期晶閘管控制角升1°的方式降低輸出電機(jī)端電壓，電機(jī)端電壓降低就引起功率因數(shù)升高，當(dāng)升高到與設(shè)定的功率因數(shù)相等時(shí)，電機(jī)端電壓穩(wěn)定。如果電機(jī)端電壓降到一個(gè)設(shè)定值(如220 V)時(shí)，功率因數(shù)仍低于設(shè)定值，為保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，電壓被控制在設(shè)定值運(yùn)行。反之，當(dāng)電機(jī)適時(shí)功率因數(shù)比設(shè)定的功率因數(shù)高時(shí)，認(rèn)為電機(jī)負(fù)載加大，控制器就以每周期晶閘管控制角降1°的方式升高輸出電機(jī)端電壓，電壓升高功率因數(shù)相應(yīng)降低，當(dāng)電機(jī)適時(shí)功率因數(shù)與設(shè)定的功率因數(shù)相等時(shí)，電機(jī)端電壓穩(wěn)定。程序控制框圖見圖2。

圖2 控制算法程序框圖

3.2 隨動(dòng)功率因數(shù)控制方式

以相鄰兩次功率因數(shù)測(cè)量值做比較，如n次和n+1次相減，結(jié)果小于一個(gè)設(shè)定值，則認(rèn)為電機(jī)負(fù)載和輸出電壓相匹配，所以輸出電壓不變。n次和n+1次相減，當(dāng)結(jié)果大于一個(gè)設(shè)定值，并為正數(shù)，則認(rèn)為電機(jī)負(fù)載為重載，可控硅輸出電壓被控制升高，直到功率因數(shù)差小于設(shè)定值，輸出電壓穩(wěn)定。n次和n+1次相減，當(dāng)結(jié)果大于設(shè)定值，并為負(fù)數(shù)，則認(rèn)為電機(jī)負(fù)載為輕載，晶閘管輸出電壓被控制降低，直到功率因數(shù)差小于設(shè)定值，輸出電壓穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過對(duì)功率因數(shù)控制器控制算法的分析，提出了三相正弦波角度與時(shí)間的換算關(guān)系，使對(duì)角度控制的理論改為對(duì)時(shí)間進(jìn)行控制，從而為通過單片機(jī)控制方式對(duì)功率因數(shù)角進(jìn)行直接控制打下基礎(chǔ)。介紹了功率因數(shù)控制器的工作原理，給出了控制流程框圖，并提出了切實(shí)可行的控制方案，為實(shí)際制造該產(chǎn)品提供了必要的方式。

［1］王廣林，敬淑義，李志杰，等.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)隨動(dòng)功率因數(shù)控制法節(jié)電控制的研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2003(1):5-6.

［2］禹成七，于成軍，閻增奎，等.電機(jī)功率因數(shù)控制器的研究與設(shè)計(jì)［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(4):36-41.