摘要：三相异步电机在工农业生产中应用非常广泛。在电机起动时，会产生较大的电流，对系统本身以及电网都会产生较大的影响，并造成了电能的浪费。当电机的负载低于额定负载的75%时，效率较低，造成了能源浪费。经过理论分析，设计了一种电机智能节能控制器，用于电机的节能、软起动和运行保护。

　　三相异步电机是广泛使用的一种动力机械，每年的耗电量占我国总耗电量的50%以上。在满负荷工况条件下，电机的效率一般较高，通常在80%左右；然而，一旦负荷下降，电机的效率便随之显著下降。因为电机选型时是按可能负荷和坏工况所需的功率而定的，多数电机在大部分运行时间的负荷率都在50%～60%，所以实际运行时的效率都是比较低的。因此，提高这部分电机的运行效率，有着巨大经济效益和社会效益。

　　三相异步电机在工农业生产中应用非常广泛。在电机起动时，会产生较大的电流，对系统本身以及电网都会产生较大的影响，并造成了电能的浪费。当电机的负载低于额定负载的75%时，效率较低，造成了能源浪费。经过理论分析，设计了一种电机智能节能控制器，用于电机的节能、软起动和运行保护。

　　解决方案：

　　采取电流与微电平比较来获取相位差

　　按有效值的定义进行检测

　　采用广泛使用的wdt电路，提高软件抗干扰能力

　　下面从三相异步电机节能原理、技术难点及解决、 硬件设计、软件设计、系统调试五个方面详细解说三相异步电机节能控制器的设计节能原理：

　　一、三相异步电机节能原理

　　电机的效率是电机输出功率与输入功率的比值的百分数。因此供电机的电能即输入功率并不仅用来驱动电机即输出功率，还有一部分将成为电机固有的损耗。电机的主要损耗为铜耗和铁损，其中铜耗是由于电流流过电机绕组而产生，与电流的平方成正比；铁损是由于定子和转子铁芯中的磁化电流而产生，与供电电压成正比。其它损耗很小，可忽略。

　　调压节电原理是当负荷下降时，可以适当降低电源电压以减少铁损，同时电流随之下降也减少了铜损及无谓的浪费，此时电机的效率将得到改善。电机负荷的检测通常采用功率因数法进行：电机负荷大，则它的功率因数大；电机负荷小，则它的功率因数小。

　　二、技术难点及解决

　　1.功率因数角的检测。通常情况下电流波形是完整的，通过检测电压和电流的过零点获得的相位差即是功率因数角。但本控制器由于采用了可控硅交流调压，当导通角较小时，电流波形出现断续。电流继续使电流过零检测失效。为此，我们采取电流与微电平比较来获取其正半周连续波形的部分，进而取得近似的相位差。

　　2.电压和电流有效值的检测。一般按有效值的定义进行检测的电路需要用到模拟乘法器，因而电路比较复杂，成本也高。由于有效值和平均值之间存在一定的对应关系，并且此处对检测要求不高，故我们先检测平均值，再转化为有效值。

　　3.强干扰下的系统加固。本节电器工作在工厂的恶劣环境下，强电磁干扰会严重影响微机系统的正常工作，为此我们采取了多种保护措施：将数字电路部分单独安装在金属机壳中，以屏蔽空间电磁干扰；选用优质开关电源和传感器，以减少从线路串入的干扰；在微机外围电路中广泛采用串行接口芯片，以简化电路板布线；采用广泛使用的wdt电路，提高软件抗干扰能力。

　　4.可控硅的移相触发电路。在三相交流调压电路中，一个很重要的指标是三相平衡问题。以前的三相交流调压常采用3个单相移相触发芯片设计（如ta785），要细心调试才能达到三相平衡。我们采用推出的三相移相触发芯片at787，简化了PCB电路设计，使该电路免于繁杂的调试；同时还采用了可控硅的强触发技术，使其触发得更准确。

　　三、硬件设计

　　本控制器主要由3部分组成：可控硅及移相触发电路部分，接收控制板的控制信号，实施交流电压的调节；信号检测板部分，接收传感器的信号并进行处理，得到标准电压和电流的有效值及功率因数有送控制板；单片机控制板部分，接收信号检测板的信号，通过控制运算发出控制信号到移相触发电路，实施功率因数控制，同时控制板还通过键盘显示面板对控制器参数进行修改，并显示控制器运行状态。

　　可控硅及移触发电路部分tc787芯片的基本连接

　　从同步变压器来的三相过零信号经c1、c2、c3电容耦合到6v的直流信号上送入18、2、1脚。tc787对其进行过零检测，经积分电容c4、c5、c6形成以过零点为起点的三角波，与由vr引入的触发控制信号比较，再经c7调制成触发脉冲，由12、9、10、7、8、11脚输出，由脉冲变压器驱动可控硅。

　　信号检测板部分标准电压和电流的有效值转换电路。此电路基于基本的电路，增加了滤波电容c1，将交流信号的变为平均值；合理设计r5的阻值，将平均值变为有效值。

　　相位检测电路

　　电压信号va和电流信号ia经与微电平信号ref比较，取得电压和电流信号的正半周；经rc滤波后由信号“或”电路，形成含有功率因数角的信号；由单片机去除其中的电压半周期，即得功率因数角。

　　单片机控制板部分基本电路

　　tlc0834是4路8位a/d转换器，采集1路电压和3路电流信号；tlc5615是10位串行d/a，将控制量变为模拟电压信号，去控制可控硅交流调压；x25045是含wdt和eeprom的多功能电路，负责单片机系统的安全监视和重要参数的保护；sn75176是rs485接口，实现连网监控。

　　四、软件设计

　　单片机软件采用c51语言编程，c51与汇编语言相比，有编程效率高、代码易维护等优点。程序主要由键盘与显示监控部分、串行接口芯片驱动部分和信号采集与实时控制部分组成。

　　串行接口芯片驱动部分，主要是根据芯片厂商时序图，以单片机的i/o口模拟串行口，以实现对串行芯片的读写操作。本课题由于单片机i/o较多，各个芯片采用单独的i/o信号。

　　信号采集与实时控制部分，以实时时钟为基准，采集电压电流信号对系统的安全进行监视。采集功率因数信号与值比较，以pi控制算法进行运算，适时发出控制指令，对电动机进行调压，使其运行于高效率状态。

　　五、系统调试

　　在系统调试过程中，我们发现并处理了如下几个问题。

　　①电动机可控硅交流调压的稳定性问题。由于电动机是大电感性负载，在按外三角接法时采用半控形式。其中的数据管发挥了吸收谐波的作用。要使用全控形式，采用内三角形式。该接法中各个绕组单独供电，绕组之间不会产生相互干扰。

　　②三相调压移相触发板的器件选择问题。3个积分电容的值必须相互一致，误差在1%以内，调制电容c7的值不能太大，耦合电容c1、c2、c3亦不能太大，不然会使电路不能长期运行，或出现三相的不平衡。

　　③节电控制器的功率因数设定问题。值一般在0.85附近，风机可以设定在0.9附近，针对不同电机而稍有不同。如果超出了此范围，则属不正常现象。因为电动机从理论上有一个在75%～80%负载率附近的效率点，若电动机老化而无此特性，则节能不能成立。应用中必须注意此原则。

　　经从三相异步电机节能原理、技术难点及解决、 硬件设计、软件设计、系统调试五个方面考虑后，根据总结出来的三相异步电机节能控制器的设计节能原理设计出的电机节能控制器除了具有功率因数控制节能功能外，还实现了软启动、断相保护、过流保护、过热保护等功能。经用户测试表明，该电机节能控制器设计合理、运行可靠、节能效果明显。