基于89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)異步電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)

楊瑩

摘 要：對于現(xiàn)代電機(jī)在較小負(fù)荷運(yùn)行過程中的效率較低，并且會導(dǎo)致資源浪費(fèi)的問題，對電機(jī)節(jié)能的原理進(jìn)行了全面的分析，在此背景下以89C51單片機(jī)提出了一種異步電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，使用單片機(jī)能夠調(diào)節(jié)功率因數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能的目的。文章所設(shè)計(jì)的異步電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)在處于輕負(fù)載及負(fù)載變化頻繁的電機(jī)具有良好的節(jié)能效果，并且具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：89C51單片機(jī)；異步電機(jī)；節(jié)能控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0107-02

交流異步電機(jī)的結(jié)果較為簡單，并且成本較低，操作較為簡單，還具有較高的可靠性，被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、工礦企業(yè)中。但是電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中，部分電機(jī)是在恒定輸出功率中運(yùn)行，系統(tǒng)的輸出功率不能夠隨意變化，這和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的負(fù)載實(shí)時(shí)變化是相互矛盾的，其運(yùn)行狀態(tài)不滿足環(huán)保及經(jīng)濟(jì)的需求，導(dǎo)致能源嚴(yán)重浪費(fèi)，并且還會出現(xiàn)多余的電機(jī)損耗，研究并且設(shè)計(jì)電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)是非常必要且迫切的。對于此，本文就對電機(jī)能源浪費(fèi)的原因進(jìn)行了分析，基于89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了異步電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，滿足電機(jī)節(jié)能的需求。

1 電機(jī)能源的浪費(fèi)因素及節(jié)能原理

交流電機(jī)的使用較為簡單，并且價(jià)錢合理，具有較高的可靠性，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)和農(nóng)業(yè)中，但是有部分交流電機(jī)在使用過程中會由于多方面的因素導(dǎo)致電能浪費(fèi)，從而提高了機(jī)器損耗，主要包括：其一，在使用過程中使用直接起動，不僅對動力系統(tǒng)及電網(wǎng)造成沖擊，而且還超出常規(guī)大電流，導(dǎo)致電能出現(xiàn)損耗；其二，在電動機(jī)動能配置過程中片面的追求安全余量，導(dǎo)致電動機(jī)容量過大，從而使電動機(jī)在工作過程中的功率因數(shù)較低；其三，因?yàn)槿藛T、管理及成本多種因素，導(dǎo)致電動機(jī)使用穩(wěn)定因素運(yùn)行，以此在處于輕載、空載過程中出現(xiàn)額外電能損失。要想能夠降低能源的消耗，可以從以下方面進(jìn)行：其一，選擇能夠在恒定功率運(yùn)行，并且負(fù)載能夠經(jīng)常變化的電機(jī)；其二，實(shí)現(xiàn)電流和電壓的同步協(xié)動，提高電機(jī)節(jié)能效果；其三，選擇能夠在所有三相交流電機(jī)中使用的電機(jī)；其四，具有較高的精確性及穩(wěn)定性。在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要是通過對電動機(jī)工作過程中電壓進(jìn)行改變，從而使加在電機(jī)中的電壓能夠變化，負(fù)載較輕時(shí)候的電壓較低，從而降低電動機(jī)有功/無功功率及損耗，以此有效提高空載及輕載時(shí)候的工作效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。在電機(jī)控制過程中，通過主控制器89C51單片機(jī)監(jiān)測異步電機(jī)相電壓和電流，得到功率因數(shù)角，經(jīng)過雙向晶閥管實(shí)現(xiàn)節(jié)能降壓目的[1]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 功率因數(shù)檢測電路

功率因數(shù)檢測電路設(shè)計(jì)的主要目的就是實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流及電壓的過零點(diǎn)監(jiān)測，在節(jié)能控制過程中，節(jié)能調(diào)壓的關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的監(jiān)測，通過對功率因數(shù)大小進(jìn)行監(jiān)測，以此對晶閘管導(dǎo)通角大小進(jìn)行改變對壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。因?yàn)楫惒诫姍C(jī)是一種感性負(fù)載，所以在電壓過零之后需要延遲角電流才能夠過零，這個(gè)延遲角就是功率因數(shù)角。對電壓過零進(jìn)行監(jiān)測，其主要目的就是輸入電壓的同相位矩形波的轉(zhuǎn)換，輸入到單片機(jī)高速輸入端，這個(gè)下降的矩形波就是根據(jù)觸發(fā)脈沖信號，其也是單片機(jī)軟件定時(shí)器信號。在電流過零監(jiān)測之后，收集并且處理電流信號，之后將其轉(zhuǎn)換為矩形波，將矩形波傳送到單片機(jī)高速輸入端中，單片機(jī)通過電壓電流過零得到功率因數(shù)角，比如A相電壓的采樣，相電壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，對比地和比較器，如果為波形正半周，那么比較器的輸出高電平就是1，如果處于負(fù)半周，那么輸出比較器就是低電平0。如果輸出信號較高，那么光耦就能夠?qū)?，進(jìn)入到高速輸入端。高電平為信號1，監(jiān)測電壓過零點(diǎn)。采樣電流信號，通過比較器將電流過零點(diǎn)相位信息轉(zhuǎn)換成為方波信號，將其輸送到高速輸入端。

2.2 控制板模塊

控制板模塊主要的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)信號檢測板信號，通過計(jì)算將控制信號發(fā)送到觸發(fā)電路中，以此控制最佳的功率因數(shù)，并且控制板還能夠通過鍵盤修改控制器參數(shù)，將控制器運(yùn)行情況充分顯示出來。

2.3 信號檢測板

信號檢測板的主要目的就是實(shí)現(xiàn)傳感器信號的收集和處理，以此得到標(biāo)準(zhǔn)電流及電壓，之后將信號發(fā)送到控制板中。信號檢測板是以絕對值電路為基礎(chǔ)，添加濾波電容，將交流信號絕對值轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄?，將電容阻值進(jìn)行計(jì)算，將平均值作為有效值。電壓信號及電流信號通過微電平信號進(jìn)行對比，得到電流及電壓信號的正半周，通過RC濾波之后將信號或電路轉(zhuǎn)變成為具有功率因數(shù)角的信號，去除單片機(jī)電壓半周期，也就是功率因數(shù)角。

2.4 電路觸發(fā)

電路觸發(fā)的主要目的就是實(shí)現(xiàn)晶閘管導(dǎo)通，所以在設(shè)計(jì)電路觸發(fā)過程中時(shí)序準(zhǔn)確性具有重要的作用，其影響著節(jié)能控制系統(tǒng)在工作過程中的精準(zhǔn)性及穩(wěn)定性。脈沖觸發(fā)電流及電壓要比晶閘管門極觸發(fā)電流電壓大，以此使晶閘管能夠穩(wěn)定可靠的工作。并且要求其幅值及前沿的提高坡度對晶閘管導(dǎo)通時(shí)間有所影響，所以脈沖功率的放大環(huán)節(jié)主要目的就是使脈沖輸出能夠有效滿足晶閘管門極觸發(fā)需求，以此提高晶閘管導(dǎo)通過程中的可靠性。本文所設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路使用兩個(gè)三極管構(gòu)成，將通過高速輸出口輸出的脈沖進(jìn)行放大[2]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的異步電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C51編程語言，程序主要包括串行接口芯片驅(qū)動、監(jiān)控顯示及鍵盤顯示、信號收集和控制構(gòu)成。串行接口芯片的驅(qū)動主要是通過芯片時(shí)序圖為基礎(chǔ)，將單片機(jī)輸入輸出接口作為串行口的模擬，從而有效是吸納串行芯片的讀寫操作。因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入輸出接口較多，不同芯片都要使用相互獨(dú)立的輸入輸出接口。信號收集和控制將實(shí)時(shí)時(shí)鐘作為基礎(chǔ)，通過電壓及電流信號對系統(tǒng)在工作過程中的安全性進(jìn)行全面的監(jiān)控。對比收集功率因數(shù)信號及最優(yōu)的值，通過PI控制算法進(jìn)行計(jì)算，適當(dāng)?shù)陌l(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的調(diào)壓，從而使本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)處于高效率運(yùn)行狀態(tài)。

首先，在系統(tǒng)上電之后實(shí)現(xiàn)子程序的初始化調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的初始化及監(jiān)測，并且處理模糊控制算法，將計(jì)算得出的模糊控制表到單片機(jī)存儲器中存儲，從而便于節(jié)能過程中的查表使用。在完成子程序初始化之后，系統(tǒng)就會進(jìn)入到軟啟動過程中實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)定，如果不對其進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)就會默認(rèn)在某個(gè)時(shí)間內(nèi)自動進(jìn)入到軟啟動中，之后進(jìn)入到主循環(huán)中，收集系統(tǒng)的電流及電壓信號，將其傳送到主控制器中，之后通過子程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理，并且對系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及測試

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，就要對系統(tǒng)的功能進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，從而判斷系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性、安全性及正確性。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)果詳見表1：

表1 系統(tǒng)功能的測試結(jié)果

在系統(tǒng)處于空載背景下，電壓在影響功率因數(shù)的結(jié)果詳見表2：

表2 系統(tǒng)空載的電壓對功率因數(shù)影響

通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出來，電壓在不斷降低過程中，對系統(tǒng)在空載背景下的功率因數(shù)影響越大，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。在四小時(shí)之內(nèi)，如果節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行使用，那么會比不使用節(jié)能系統(tǒng)降低用電的度數(shù)，有效滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的異步電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)主要是將相電壓及電流過零信號作為取樣的對象，基于89C51單片機(jī)，對功率因數(shù)角進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用基于模糊控制算法，利用雙向晶閘管導(dǎo)通角的控制，實(shí)現(xiàn)降壓節(jié)能的設(shè)計(jì)需求。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)自動跟蹤及電機(jī)負(fù)載監(jiān)測的目的，對供電電壓進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，使電機(jī)在運(yùn)行過程中的電壓為最優(yōu)，尤其是在變負(fù)載和輕負(fù)載時(shí)候，具有良好的節(jié)能節(jié)電效果。系統(tǒng)還有其他功能，比如過流保護(hù)、斷相保護(hù)等，通過實(shí)驗(yàn)表示，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，并且運(yùn)行穩(wěn)定且可靠，具有良好的使用背景。

參考文獻(xiàn)：

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