- 節(jié)能原理
- 技術(shù)難點(diǎn)及解決
- 軟硬件的調(diào)試
- 采取電流與微電平比較來獲取相位差
- 按有效值的定義進(jìn)行檢測
- 采用廣泛使用的WDT電路,提高軟件抗干擾能力
節(jié)能原理
電機(jī)的效率是電機(jī)輸出功率與輸入功率的比值的百分?jǐn)?shù)。因此供電機(jī)的電能即輸入功率并不僅用來驅(qū)動電機(jī)即輸出功率,還有一部分將成為電機(jī)固有的損耗。電機(jī)的主要損耗為銅耗和鐵損,其中銅耗是由于電流流過電機(jī)繞組而產(chǎn)生,與電流的平方成正比;鐵損是由于定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中的磁化電流而產(chǎn)生,與供電電壓成正比。其它損耗很小,可忽略。
調(diào)壓節(jié)電原理是當(dāng)負(fù)荷下降時,可以適當(dāng)降低電源電壓以減少鐵損,同時電流隨之下降也減少了銅損及無謂的浪費(fèi),此時電機(jī)的效率將得到改善。電機(jī)負(fù)荷的檢測通常采用功率因數(shù)法進(jìn)行:電機(jī)負(fù)荷大,則它的功率因數(shù)大;電機(jī)負(fù)荷小,則它的功率因數(shù)小。
技術(shù)難點(diǎn)及解決
①功率因數(shù)角的檢測。通常情況下電流波形是完整的,通過檢測電壓和電流的過零點(diǎn)獲得的相位差即是功率因數(shù)角。但本控制器由于采用了可控硅交流調(diào)壓,當(dāng)導(dǎo)通角較小時,電流波形出現(xiàn)斷續(xù)。電流繼續(xù)使電流過零檢測失效。為此,我們采取電流與微電平比較來獲取其正半周連續(xù)波形的部分,進(jìn)而取得近似的相位差。
②電壓和電流有效值的檢測。一般按有效值的定義進(jìn)行檢測的電路需要用到模擬乘法器,因而電路比較復(fù)雜,成本也高。由于有效值和絕對平均值之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系,并且此處對檢測精度要求不高,故我們先檢測絕對平均值,再轉(zhuǎn)化為有效值。
③強(qiáng)干擾下的系統(tǒng)加固。本節(jié)電器工作在工廠的惡劣環(huán)境下,強(qiáng)電磁干擾會嚴(yán)重影響微機(jī)系統(tǒng)的正常工作,為此我們采取了多種保護(hù)措施:將數(shù)字電路部分單獨(dú)安裝在金屬機(jī)殼中,以屏蔽空間電磁干擾;選用優(yōu)質(zhì)開關(guān)電源和傳感器,以減少從線路串入的干擾;在微機(jī)外圍電路中廣泛采用串行接口芯片,以簡化電路板布線;采用廣泛使用的WDT電路,提高軟件抗干擾能力。
④可控硅的移相觸發(fā)電路。在三相交流調(diào)壓電路中,一個很重要的指標(biāo)是三相平衡問題。以前的三相交流調(diào)壓常采用3個單相移相觸發(fā)芯片設(shè)計(jì)(如TA785),要細(xì)心調(diào)試才能達(dá)到三相平衡。我們采用最新推出的三相移相觸發(fā)芯片AT787,簡化了電路設(shè)計(jì),使該電路免于繁雜的調(diào)試;同時還采用了可控硅的強(qiáng)觸發(fā)技術(shù),使其觸發(fā)得更準(zhǔn)確。
硬件設(shè)計(jì)
本控制器主要由3部分組成:可控硅及移相觸發(fā)電路部分,接收控制板的控制信號,實(shí)施交流電壓的調(diào)節(jié);信號檢測板部分,接收傳感器的信號并進(jìn)行處理,得到標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流的有效值及功率因數(shù)有送控制板;單片機(jī)控制板部分,接收信號檢測板的信號,通過控制運(yùn)算發(fā)出控制信號到移相觸發(fā)電路,實(shí)施最佳功率因數(shù)控制,同時控制板還通過鍵盤顯示面板對控制器參數(shù)進(jìn)行修改,并顯示控制器運(yùn)行狀態(tài)。
可控硅及移觸發(fā)電路部分TC787芯片的基本連接如圖1所示。
從同步變壓器來的三相過零信號經(jīng)C1、C2、C3電容耦合到6V的直流信號上送入18、2、1腳。TC787對其進(jìn)行過零檢測,經(jīng)積分電容C4、C5、C6形成以過零點(diǎn)為起點(diǎn)的三角波,與由VR引入的觸發(fā)控制信號比較,再經(jīng)C7調(diào)制成觸發(fā)脈沖,由12、9、10、7、8、11腳輸出,由脈沖變壓器驅(qū)動可控硅。
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信號檢測板部分標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流的有效值轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。
此電路基于基本的絕對值電路,增加了濾波電容C1,將交流信號的絕對值變?yōu)槠骄?;合理設(shè)計(jì)R5的阻值,將平均值變?yōu)橛行е怠?br />
相位檢測電路如圖3所示。
電壓信號VA和電流信號IA經(jīng)與微電平信號REF比較,取得電壓和電流信號的正半周;經(jīng)RC濾波后由信號“或”電路,形成含有功率因數(shù)角的信號;由單片機(jī)去除其中的電壓半周期,即得功率因數(shù)角。
單片機(jī)控制板部分基本電路如圖4所示。
TLC0834是4路8位A/D轉(zhuǎn)換器,采集1路電壓和3路電流信號;TLC5615是10位串行D/A,將控制量變?yōu)槟M電壓信號,去控制可控硅交流調(diào)壓;X25045是含WDT和EEPROM的多功能電路,負(fù)責(zé)單片機(jī)系統(tǒng)的安全監(jiān)視和重要參數(shù)的保護(hù);SN75176是RS485接口,實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)監(jiān)控。
軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)軟件采用C51語言編程,C51與匯編語言相比,有編程效率高、代碼易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。程序主要由鍵盤與顯示監(jiān)控部分、串行接口芯片驅(qū)動部分和信號采集與實(shí)時控制部分組成。
串行接口芯片驅(qū)動部分,主要是根據(jù)芯片廠商時序圖,以單片機(jī)的I/O口模擬串行口,以實(shí)現(xiàn)對串行芯片的讀寫操作。本課題由于單片機(jī)I/O較多,各個芯片采用單獨(dú)的I/O信號。
信號采集與實(shí)時控制部分,以實(shí)時時鐘為基準(zhǔn),采集電壓電流信號對系統(tǒng)的安全進(jìn)行監(jiān)視。采集功率因數(shù)信號與最優(yōu)值比較,以PI控制算法進(jìn)行運(yùn)算,適時發(fā)出控制指令,對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)壓,使其運(yùn)行于高效率狀態(tài)。
系統(tǒng)調(diào)試
在系統(tǒng)調(diào)試過程中,我們發(fā)現(xiàn)并處理了如下幾個問題。
①電動機(jī)可控硅交流調(diào)壓的穩(wěn)定性問題。由于電動機(jī)是大電感性負(fù)載,在按外三角接法時最好采用半控形式。其中的數(shù)據(jù)管發(fā)揮了吸收諧波的作用。要使用全控形式,最好采用內(nèi)三角形式。該接法中各個繞組單獨(dú)供電,繞組之間不會產(chǎn)生相互干擾。
②三相調(diào)壓移相觸發(fā)板的器件選擇問題。3個積分電容的值必須相互一致,誤差在1%以內(nèi),調(diào)制電容C7的值不能太大,耦合電容C1、C2、C3亦不能太大,不然會使電路不能長期運(yùn)行,或出現(xiàn)三相的不平衡。
③節(jié)電控制器的最佳功率因數(shù)設(shè)定問題。最佳值一般在0.85附近,風(fēng)機(jī)可以設(shè)定在0.9附近,針對不同電機(jī)而稍有不同。如果超出了此范圍,則屬不正?,F(xiàn)象。因?yàn)殡妱訖C(jī)從理論上有一個在75%~80%負(fù)載率附近的最高效率點(diǎn),若電動機(jī)老化而無此特性,則節(jié)能不能成立。應(yīng)用中必須注意此原則。
本電機(jī)節(jié)能控制器除了具有功率因數(shù)控制節(jié)能功能外,還實(shí)現(xiàn)了軟啟動、斷相保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等功能。經(jīng)用戶測試表明,該電機(jī)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果明顯。