智能功率因数控制器的设计

刘乔

摘要：本文主要就是对现在一些电动机的节能方式进行了分析，然后提出了一种采用单片机AT89S51作为控制的核心，然后再根据电动机的荷载变化来对电动机的功率因数进行实时的测量，通过对电动机定子端的电压控制方案机械能调整，这样功率因数就能够有效的提高，从而来达到节约电能的目的。本文主要就对这种智能功率因数控制器的设计进行了分析。

关键词：智能功率因数控制器设计节能单片机

在我国社会经济快速发展的过程当中，电力资源的紧缺也逐渐的表现了出来，电力资源的供需矛盾也变得更加的突出，面对这样的一种情况，国家在大力发展经济建设的过程当中，也开始号召社会各界要开始节能减排和提效。

通过对相关的数据资料进行分析和统计可以发现，在电力系统当中，三相异步电动机的拖动负载耗电量占据了其中的60%，所以想要对电力系统当中的耗电量进行有效的控制，那么就需要采取合理的技术措施来对三相异步电动机的拖动系统进行处理，让它能够运行的更加的平稳和高效，这样才能够有效的去节约电力资源，对于电力企业的成本降低具有非常重要的作用。

1 对三相异步电动机拖动系统节能方式的简单介绍

在对三相异步电动机的拖动系统进行节能控制的时候，主要采用的技术方式就是采用变频器来进行控制的方式以及采用降压式节能器来进行控制的方式。采用变频器来进行控制从而实现三相异步电动机的拖动系统节能主要就是通过让电动机的运行速度发生改变从而来实现的，如果电动机的控制对象需要经常去对运行的速度进行调整，那么如果采用变频器来进行控制的话就能够有不错的节能效果以及运行的特性，这种方式在业界也是得到大家公认的。

对于采用降压式节能器来进行控制的方式来说，如果三相异步电动机的拖动负载在实际的运行过程当中不需要随时去对运行的速度进行调整，但是负载的大小却会经常的发生变化，如果在这个时候还是采用变频器来进行控制的话，那么就不能够达到节能的效果。

面对这种情况的时候，如果采用功率因数控制器的话就能够很好的实现节能的目的。而且在经过很多的实践证明之后可以发现，采用功率因数控制来进行节能的话效果也非常的好。

2 对功率因数控制器的工作原理介绍

对于功率因数控制器来说，它的控制调压元件主要是通过三组双向的可控硅组成的，当电动机的功率因数在不断变化的时候，那么双向可控硅的触发角就能够根据实际的情况进行及时的调整，从而来对电动机的定子电压进行调节，这样功率因数就能够一直保持不变。

如果负载比较的大，功率因数比设定的功率因数大的话，那么就可以让双向可控硅的触发角减小，这样电动机的定子电压就会升高，相反如果负载比较的小，功率因数不能够达到设定的功率因素，那么就可以让双向可控硅的触发角增大，这样电动机的定子电压就会降低，从而就能够让功率因数不断的提高一直到设定的值。

在电动机的定子电压下降的过程当中，那么通过相关的计算公式就能够发现，励磁电流也会相应的减小，那么电动机的功率因数就会相应的增加。而且在这个时候电动机当中的铁损和铜损也会相应的降低，电动机轴上的输出功率基本上是保持不变的，那么电动机的效率也就能够得到提高。在电动机转子电压降低的过程当中，可能会引起转子的转速不断的下降，根据实际的测试可以发现，如果转子的转速在下降的过程当中没有超过正常转速的2%，那么对于那些对于调速要求不是很好的机械设备来说是没有什么影响的。

当负载达到了比额定负载30%还低的时候，和电动机的总功率相比较，电动机的自身消耗功率占据了绝大部分，在对电压降低的过程当中如果通过控制器来完成的话，那么电动机本身的功率消耗也就会降低，最终就能够有效的实现节能的目的。

3 对智能功率因数控制器硬件电路设计的分析

本文涉及的智能功率因数控制器它控制系统的核心是单片机AT89S51，而输入的电路主要就包括了时钟的基准电路、功率因数的检测电路、参数的设置电路以及看门狗电路等，而输出的电路则主要包括了可控硅的触发电路以及控制器的状态指示灯。

3.1 时钟的基准电路的分析

时钟基准电路的主要作用就是在对U相电压信号的正半波进行整形之后输入到CPU的输入口当中，把它当成是触发电路在对三组可控硅进行控制的时钟基准，同时也作为功率因数在对电路判断功率因数值进行检测的时钟基准。

3.2 对功率因数的检测电路分析

功率因数角主要就是电流和电压之间的夹角，电动机的负载是电感性的，在电压过零的时候，电流并没有过零，所以可控硅在这个时候依然是导通的，而在可控硅的两端电压则基本上为零，在电流过零可控硅关断的时候，就会出现一个脉冲，功率因数的检测电路是用U相电压信号的正半波过零点来作为时钟基准的，对U相可控硅关断时候的脉冲进行检测，然后经过高速光耦将这个脉冲送到CPU当中，这样两者的时间差值就能够计算出来，而这个计算出来的时间差值其实就是U相的功率因数角，另外功率因数的检测电路还能够对三相电源的缺相进行检测。

3.3 对触发电路的分析

在对电动机的负载轻重进行判断的时候主要就是通过CPU来对功率因数角的大小进行检测。这样对于可控硅的触发角的数值就能够有效的计算出来，当同步时钟到来的时候，那么就会相应的延迟触发角数值相对的时间，然后通过触发电路把触发脉冲送到双向可控硅的控制端，在实际的输送过程当中应该要按照每个60°然后按照U相、W相、V相的顺序来进行。这样在对电动机的定子电压数据进行动态调节的时候就能够通过功率因数的变化来完成，这样的一种动态调节方式能够让拖动系统的运行能够很好的保证在正常状态下，同时也能够达到节能的主要目的。

3.4 对参数设置电路和看门狗电路的分析

参数设置电路的主要目的就是为了设置电动机的频率以及启动时间等不同的状态。而看门狗电路主要的目的就是避免当程序出现死循环的时候会给CPU一个复位的信号，这样系统才能够正常的进行运转。

4 对智能功率因数控制器软件的设置分析

在对智能功率因数控制器的软件进行设计时，按其功能一般分为三种，具体为：

4.1 软启动软件

通过软启动软件的运用，可以使得电动机在启动的过程中保持平稳状态，这样将能够有效的减少对拖动系统的影响，同时还能够提高电动机的功效，减少启动功率损耗。这种方式主要是通过用户对启动时间的设置，再根据启动的计算公式来对电动机进行启动。

4.2 功率因数控制器

功率因数控制器的软件设计，在该软件中是通过对功率因数值设定的固定参考值的比对来检测电动机的功率是否属于正常的。在对电动机的动态功率因数进行检测时，当检测数值比参考值大时，则系统处于重载状态。这时通过控制算法程序得出触发角需要降低角度，CPU就触发电路升高电动机的定子电压，使得动态功率因数降到与参考值一样；如果检测值小于参考值，则控制算法程序就会计算出触发角需要升高，这时CPU就会触发使定子电压降低，这样动态功率因数就升高到参考值大小。

4.3 故障保护软件

通过该软件将能有效的对电动机发生故障时进行及时的控制。它主要是对CPU进行检测，检测内容主要是看CPU是否缺相，电流、电压是否过大；如果出现这些情况时，它会自动的停止触发电路的输出，同时通过显示灯提示故障信息，从而对设备进行有效的保护。

5 结束语

总而言之，在智能功率因数控制器中主要是采用的单片机进行控制的，这就有效的降低了该控制器的生产成本；并且根据单片机的相关特性，在生产中也可以根据实际情况的需要对其进行变更和扩展，这将更能有效的提高控制器的性能和作用。通过对智能功率因数控制器的设计的分析与探讨，可以发现该控制器能够有效起到节约电能的功效，并且在特殊情况下也能保证良好的节能效果，所以应该大力推广该技术的发展与应用。

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