基于单片机控制的功率因数控制器的设计①

张有东 李 捷

(1.华北科技学院机机电工程学院，北京东燕郊 101601;2.北京创发科技有限公司，北京 100700)

基于单片机控制的功率因数控制器的设计①

张有东1②李 捷2

(1.华北科技学院机机电工程学院，北京东燕郊 101601;2.北京创发科技有限公司，北京 100700)

通过对目前电动机节能方式的分析，提出了利用单片机89C52为控制核心，根据电动机负载变化，实时检测电动机功率因数，调整电动机定子端电压的控制方案，以达到提高功率因数、节约电能的目的。同时，给出了功率控制器的硬件和软件的设计方法。通过该方案的控制，系统可以实现电动机的软启动及过载、断相、欠压等的全方位监测。

功率因数控制器;异步电动机;节能运行;单片机

目前，随着经济的快速发展，电力供需矛盾日益突出，为此，国家在大力发展电力的同时，号召全社会节能、提效、减排，根据相关资料统计，三相异步电动机拖动负载耗电量占电力系统总耗电量的60%以上，采用节能技术使三相异步电动机拖动系统高效稳定运行，节约电能，为企业降低成本就显得很重要。

1 三相异步电动机拖动系统节能方式

三相异步电动机拖动系统节能技术主要采用变频器控制方式和降压式节能器控制两种方式。

变频器控制方式节能就是通过改变电动机运行速度实现的，当电动机控制对象需要不时调整速度时，使用变频器可以获得良好的运行特性和节能效果，并为业界所公认。

对于另一种情况，电动机拖动负载运行时，不需要调整速度，而负载大小经常会发生变化，此时，采用变频器控制方式就不能达到节能的目的。针对这种工况要求，功率因数控制器可以解决上述问题。经过实验证明，可以达到良好的节能效果。

2 功率因数控制器工作原理

功率因数控制器是以三组双向可控硅做为控制调压元件，根据电动机功率因数的动态变化及时调整双向可控硅的触发角，以此调节电动机的定子电压，使功率因数保持恒定。若负载大，功率因数比设定的功率因数高，则减小触发角以升高电动机定子电压，反之，负载小，功率因数低比设定的功率因数低，则增大触发角以降低电动机定子电压，使功率因数提高到设定值。当电动机定子电压降低时，根据 U≈E=4.44N1f1kw1Φm，Φm减小，励磁电流会随之减小，电动机的功率因数会随之提高，同时电动机的铜损、铁损也会相应降低，电动机轴上输出功率基本不变，电动机的效率提高。电动机由于转子电压降低会引起转速的下降，根据实测，转子转速下降为正常转速的2%左右，不影响对调速要求不高的生产机械。当负载为额定负载的30%以下，电动机自身功率消耗与电动机总功率相比，占有较大比例，所以，控制器通过降低电压来降低电动机本身的功率损耗，从而达到节能的目的。

3 功率因数控制器硬件电路设计

控制器硬件框图如图1所示，它是以89C52为核心的控制系统，输入电路主要有时钟基准电路、功率因数检测电路、参数设置电路、看门狗电路等，输出电路主要有可控硅触发电路、控制器状态指示等。

3.1 时钟基准电路

本电路的作用是将U相电压信号正半波经过整形后输入CPU输入口，作为触发电路控控制三组可控硅的时钟基准，也做为功率因数检测电路判断功率因数值的时钟基准。

图1 功率因数控制器硬件框图

3.2 功率因数检测电路

电压和电流之间的夹角是功率因数角，电动机是电感性负载，当电压过零时，电流没有过零，所以可控硅此时仍导通，可控硅两端电压基本为零，当电流过零可控硅关断瞬间，会产生一个脉冲，本电路是以U相正半波过零点为时钟基准，检测U相可控硅关断瞬间脉冲，通过高速光耦送到CPU，算出两者时间差值，此差值就是U相的功率因数角，同时本电路还可检测三相电源缺相。

3.3 触发电路

CPU通过检测功率因数角的大小判断出电动机负载轻重，计算出可控硅触发角数值，同步时钟到来时，延迟触发角数值所对应的时间，然后每隔60°以U相、W相、V相顺序通过触发电路将触发脉冲送到双向可控硅控制端，从而可以通过功率因数变化动态调整电动机定子电压数值，在保证拖动系统正常运行的同时，还可达到良好的节能效果。

3.4 参数设置电路

参数设置电路是利用拔码开关的不同组合，用来设定电动机启动时间、频率等不同状态。

3.5 看门狗电路

本电路是防止程序死循环时给CPU一个复位信号，以保证系统正常运行。

4 控制器软件设计

本装置软件按功能分可分为软启动软件、功率因数控制软件、故障保护软件组成。

4.1 软启动软件

软启动软件是按照用户设置的启动时间，按照软启动计算公式，平稳的起动电动机，减少对拖动系统的冲击，并减少启动时的功率损耗。

4.2 功率因数控制器的软件设计

本软件是以一固定的功率因数值做参考值，检测电动机的动态功率因数，检测的值比参考值低时，认为系统轻载，CPU通过触发电路降低电动机定子电压，使动态功率因数升高到与参考值相等，反之，认为系统重载，CPU通过触发电路升高电动机定子电压，使动态功率因数降低到与参考值相等。详见图2，控制算法程序框图。

4.3 故障保护软件

本软件是当CPU检测到发生缺相，过流、过压等故障时，及时中断触发电路输出，以保证设备不受损坏，同时将故障信息通过指示灯显示。

图2 控制算法程序框图

5 功率因数控制器的节能效果

本产品在研究出来后，在37.5kw削皮机上做工业性实验，经过连续五十天运行，完全满足削皮机工况要求，通过安装控制器和没安装控制器的两台削皮机生产119256张皮子耗电量对比，装控制器的设备总耗电量为28480度，没安装控制器的设备总耗电量为33427度，节电率为14.8%。

6 结论

本文介绍了三相电动机拖动系统的节电方式，提出了功率因数控制的软硬件设计思路和实现方法，通过工业性实验得到控制器的节电效果，证明功率因数控制器在特定的工况条件下是有良好的节电效果的。由于该系统采用了单片机控制，所以具有高的性能价格比和柔性，可以根据实际生产情况变更和扩展，提高了控制器的灵活性和适用性，有利于该技术的引用和推广。

［1］ 上官宇剑，谢利理，刘素梅.基于功率因数的节能控制器的设计［J］.机电一体化，2007，(06):73-75，78

［2］ 王广林，敬淑义，李志杰，王惠峰.感应电动机随动功率因数控制法节电控制的研究［J］.节能技术，2003，(01):5-6

［3］ 禹成七，成军，增奎，武新力.电动机功率因数控制器的研究与设计［J］.华北电力大学学报，1998，(10):36-41

Design on motor’s power factor controller based on Single-chip Microcomputer

ZHANG Youdong1，LI Jie2

(1.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East 101601 2.Chuangfa Technology Company Limited of Beijing，Beijing 100700)

By studying on the motor’s economical running conditions，the paper proposes the control proposal that the Singlechip Microcomputer 89C52 is the control heart，the motor’s power factor is tested in real time and the voltage of stator is adjusted according to the change of motor’s load.Though the proposal carried out，the power factor is improved and the electric energy is saved.Meanwhile the paper explained the controller’s software and hardware principles.Controlling the motor by using the proposal can monitor the motor in all domains，such as starting，over-load，power cut and not enough voltage，etc.

power factor controller;asynchronous motor;economical running;Single-chip Microcomputer

TM343+.2

A

1672-7169(2012)01-0062-02

2012-01-03。该装置已申请国家新型专利，专利号:ZL 2010 2 0681621.8

张有东(1970-)男，河北安新人，大学毕业，华北科技学院机电工程学院，副教授，现在从事电气工程控制、信号检测分析的教学与研究工作。