基于AT89S52单片机的电动机节电器控制设计

三相交流异步电动机的节电器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，智能节电器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9000}空载时功率因数只有2000），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 }C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 - Ulcos}P，要降低功率消耗可以通过减少电机的U，I和cos }P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，则电机的智能节电器节电空间越大。电机从电网吸收的功率Ps，等于电机额定功率Pn与总损耗艺P。之和（电机效率是刀），即：电机的总损耗与额定功率和效率的关系为尸n -尸，关刀（1）Ps一Pn+艺Pn（2）艺Pn一Ps一P。一（C1 /、一‘）}PnC3）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。由于采取轻载调压智能节电器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”，但要达到最好的智能节电器节电率，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，节电器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，智能节电器电机效率提高。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。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AT89S52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。

3.1单片机系统

系统选用ATMEL公司的AT89S52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。

电路中设置有两个智能节电器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。

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 K1G2 K2形成电路与该电路类似。

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（CO一lOV）或（C1-SV，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251}s，智能节电器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。

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。（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。将模糊智能节电器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。

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1600-3000，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。采用智能节电器化的微处理器控制，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。
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