电气工程及其自动化专业综合实践论文_电气工程及自动化论文

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电气工程及其自动化专业综合实践

论文

题目:数字存储式交流电机 软起动装置的组装与调试

摘要：

本次专业实验实习是数字存储式交流电机软起动装置的组装与调试，通过驱动电路，控制电路与晶闸管触发电路等一系列的调控。其中，驱动电路接入三项脉冲波通过电路的滤波整流后输出晶闸管的触发脉冲，这里的脉冲用于直接控制输出电压的大小。控制电路在其中起到指示、调节、错相序保护的功能。由此几部分协调调节三项输出电压以达到对三项异步电机启动电压的调节，最终达到使三相异步电机软起动的目的。

关键词：

滞环过零比较；

锁相环倍频；

单稳延时；

输出封锁；

超低频率；

错相序封锁；

单稳移相；

模式选择控制电路；

晶闸管驱动；

交流电源；

三项异步电机；

灯箱；

引言

数字存储式交流电机软起动装置应用在广泛的交流电动机大多数以反电势为主的负载，启动电流非常大，严重影响电动机的使用寿命并危害电网的安全运行。随着电子技术、半导体技术、计算机技术的发展，一种新型起动装置—异步电动机软起动器诞生了。它既能改变电动机的起动特性，保护拖动系统，更能保证电动机可靠起动，还能降低起动电流，通过计算机通讯接口实现智能控制。软起动器主要由串接于定子回路的具有限流作用的电力器件--实现限流起动。通过改变晶闸管的导通角，改变加到定子绕组的三相电压，实现软起动。起动时晶闸管的导通角从00开始上升，逐渐增大，直到起动结束。目前软起动器的起动有以下几种起动方式：限流起动、电压控制起动、转矩控制起动、转矩加突跳控制起动、斜坡电压起动本次实践中即使采用电压控制启动。

限流起动主要用在主要用在轻载起动的负载，降低起动压降。电压控制起动主要用在轻载起动的场合，在保证起动压降下发挥电动机的最大起动转矩缩短起动时间，是较优的轻载软起动方式。转矩控制起动用在重载起动，将电动机的起动转矩由小到大线性上升，起动平滑，柔性好，缺点是起动时间长，是较优的重载起动方式。转矩加突跳控制起动也是用在重载起动，不同的是在起动的瞬间用突跳转矩克服电动机的静转矩，然后转矩平滑上升，缩短起动时间，但是，突跳会给电网发送尖脉冲，影响电网安全运行，要特别引起注意。斜坡电压起动是电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压起动从有级变成了无级，主要用在重载起动。

综上所述，目前较适用的和比较先进的软起动方式应是电压控制起动、转矩控制起动、转矩加突跳控制起动。

软起动器作为新一代的工业控制装置，以其优越的起动性能而广泛应用于冶金、化工、电力、煤炭、水利、轻工等各个行业。

1、系统组成及其控制原理

1.1交流电机降压启动原理

降压起动的目的：降低起动电流Ist。

图1 感应电机机械特性

2TUm1降压后的机械特性:

TstU12。

交流电机轻载时降压运行，可以提高电机效率，避免大马拉小车现象，节约了电能。

图2 电机效率曲线

1.2双向晶闸管的相控调压

普通晶闸管：两个普通晶闸管反并联，输入两路脉冲。

双向晶闸管(KS)：两个主电极T1、T2，一个

图4 单双向晶闸管示意图

门极G。通常在G-T2之间加入触发脉冲，使其导通。

触发脉冲的时序波形及相控电压波性：触发脉冲经过高频调制，以减小脉冲变压器的体积。

相控调压的缺点：功率因数低，电流非正弦对电网有谐波污染。软起动：电机刚起动时较大。逐渐减小，转速接近稳态时=0。的调压可控范围：~180。

图5 相控调压触发角示意图

1.3控制系统硬件电路分析

由于交流电机转速与其端电压成正比，而端电压大小取决于导通脚大小，因此，通过控制导通角的大小就可以控制电机转速。

1、EEPROM存储模式及触发脉冲的产生

***2322022271A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEWENCD0D1D2D3D4D5D6D71112***9

AT28C64管脚图

AT28C64原理图

1.4 EEPROM存储模式及触发脉冲的产生

电可擦出的可编程 ROM，简称EEPROM。有四种工作方式，即读，写，字节擦出，整体擦除。实验中用EEPROM2864.图6 EEPROM存储脉冲示意图

图7 EEPROM外部连接图

图8 16种启动方式

模式选择：=150o，„„ 20o，10o，0o，共16种，每个模式占有256B，共占4kB存储空间。……………D7D6…D1D00EFEH0EFFH0F00H0F01H00FEH00FFH0100H0101H0000H0001H01FEH01FFH0200H0201H0FFEH0FFFH



##15模式

1模式

#

0模式

1.5锁相同步倍频器 集成电路：CD4046、74LS393 组成：鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）、8位计数器

作用：完成工频50Hz的同步和256倍频。

图9 CD4046 f1f2f2fo/256fo256f1

图10 鉴相器输出特性

1.6滞环比较器

uref0.7V

1.7 单稳移向电路

V12VV12V

LM393(B)、74LS04作用：将输出波形变为标准TTL方波。

图14 单稳移向电路

t10.7VR2C111.667ms

图15 控制角波形图

1.8模式选择控制电路

采用可预置同步计数器74161实现。

控制功能: 当计数到第15个时钟脉冲，Q3~Q0=1111，TC由0变1，形成一个正脉冲，将PE端置零，置入P0~P3数据，输出保持全1，即保持最后一个模式不变。

多谐振荡器555 提供74161的计数脉冲，通过改变电位器阻值，改变计数脉冲周期。

tH=0.693(R25+ VR6)C15 tL=0.693 VR6*C15 T=0.693(R25+ 2VR6)C15

f(R251.442VR6)C15

1.9错相序封锁控制

作用：当三相相序接错的时候能够自动封锁74LS244的输出，禁止系统运行，避免事故的发生。

原理：实验中利用uab与uac之间的相位差，分别延时后相“与”，从而判断是否错相序，实现相序控制。

Uac相位检测电路：光耦隔离同步检测电路

图16 555外部连接图

图 17错相序封锁控制原理图

1.10晶闸管驱动电路

作用：(1)产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通；

(2)隔离控制电路与主电路。

要求：门极的脉冲电流必须有足够大的幅值和持续时间，以及尽可能短的电流上升时间。驱动电路：

A相：光耦MOC3052及外围电路

B相：运放LM393和脉冲变压器及外围电路 C相：三极管9013和脉冲变压器及外围电路

A相驱动电路：光耦MOC3052（光电双向可控硅驱动器）

B、C相驱动电路：9013、脉冲变压器、外围电路

2.实验结果及分析

2.1驱动板波形：

1、B1脉冲输出

2、B2脉冲输出

3、C相脉冲输出

由以上波形，B1输出波形近似为规则的方波，B2与B1基本一致，C相拖尾时间有些长，我们尝试将板子上的滤波电容由104更换为103，拖尾时间有了比较明显的减小。由以上脉冲输出波形可以看出，高电平触发时间超过20S，且高电平幅值超过1V,可以满足要求。

控制板波形： 滞环电压比较器波形

1、uab与电压比较器输出波形：

经过运放后初步产生的波形并非标准的方波，在高电平带有弧状，这是由于输入与输出相叠加产生的效果。另外，由此波形可以看出，VH=0，VL=-3V2、uab与整形后的输出波形 ：

此时波形已经被整为标准的TTL方波。

单稳移相电路波形：

uab与Q（ua）波形

由图可以看出，通过调节VR2阻值，可以使ua较uab滞后30°

锁相同步倍频波形：

1、鉴相器PD输入波形（AIN、BIN）

由波形可以看出，AIN和BIN波形上升沿对齐，周期相等，故可以完成锁相的功能，即实现频率自动跟踪和相位锁定。

2、CD4046输入与输出波形

将时间尺度变小后可得

通过示波器可以读出输出波形的频率为12.82KHz，与理论值十分接近，从而实现了256倍频。

十六种不同工作模式对应的波形：

按照角从大到小，对应的Q和D0波形分别为:1、00002、0001

12.8KHz3、00104、00115、01006、01017、01108、01119、100010、100111、101012、101113、110014、110115、111016、1111

有以上16个波形可知，在起动过程中，可以通过调节NE555的定时时间，555每来一个上升沿，74161进行一次计数，在实验中，通过改变555定时器的定时时间，让其周期为10S，从而每隔10S，运行模式发生一次改变，角由大变小，最终为0°，起动过程结束。在次过程中，可以通过控制板上发光二极管的亮灭来识别当前的运行模式。

错相序封锁控制波形：

1、uab与uac

相位相差60°

2、uab与u1（u1为uab经5ms延时后的信号）

3、uac与u2（u2为uac经1ms延时后的信号）

4、u1和u25、u2和u3（u1和u2相与之后的信号）

由图可知，u1和u2相与的结果是将u2保留了下来。

6、u3和u4（u4为u3经25ms延时之后的信号）

由波形可知，在可重复触发单稳74122的延时作用下u4恒为高电平。相序不对时，u4为低电平,74244被封锁。

7、uab和LM393（2）B的7脚波形

相序正常时，7脚电压恒为低，从而74244的1脚和19脚使能端有效，芯片正常工作。

负载接灯箱并联电机起动过程中的灯箱相电压波形

由波形可知，随着时间的推移，通过万用表测量相电压的值逐渐增大，对应于相电压波形的形状“向左推移”，变得越来越完整，越来越接近正弦。在达到最后一个模式时，电压波形为完整的平滑正弦波。思考题

1、分析计算滞环比较器的VH、VL的调节范围。若使VH=0，电位器VR1应调至多大？输出高电平应为多少伏，与何参数有关？ 答：由VR1+R4=R1,有：

UiR1R2UoUrefR1R2R1R2，由于式中Uref=-0.7V 适当地选择VR1，即可得到不同的VH和VL值。当令VH=0，带入以上公式可以解得VR1=151K，VL=-1.49V，输出高电平与供电电源的电压有关，还有后面的整形调理电路中的相关分压电阻阻值有关。

2、移相30°，单稳为什么不从Q端输出？计算移相时间。该单稳对输入脉冲宽度有何要求？若前级的滞环比较器VH调得不是0V而是+0.5V，可否通过对单稳移相时间的调整予以补偿，这样做会存在何缺点？

答：Q输出的为下降沿，而实验中要求得到的是与ua同步的上升沿。要求输入脉冲的宽度不能太小，应该比30°对应的时间宽度要大。可以通过单稳移相来调整。此时会使触发角变小，输出电压变小。

3、对错相序封锁部分的电路，设uac为380V，光耦输入侧发光二极管的额定电流取9mA，试选择确定R13的阻值和瓦数。分析二极管D2的作用。

答：因为光耦侧发光二极管的额定电流为9mA，所以 R13的阻值为

380/9= 42.2 K，取

R13=40 K，故其功率为 380*380/（2*40*1000）=1.8 W 二极管 D2的作用是使的uac正半周光耦导通，负半周不导通。

在原理图上找出u1~u4的对应位置并标出。u1、u2、u4对应的单稳与30移相的单稳，两者工作原理和所起的作用有何区别？为何从Q端输出？若u1、u2的脉宽对调，会带来什么问题（结合波形）？ 答：两者的工作原理相同，只是所起的功能不同。u1、u2、u4对应的单稳的输出是为了判断相序是否正确，30移相的单稳是为了得与ua同步的信号。从Q端输出的是uab和uac的单稳延时信号，上升沿一

致，若从Q输出，得到是经过反相后的信号。若u1、u2的脉宽对调，此时，u4将一直是低电平，导致74244封锁，电路无法正常工作。分析运放LM393（2）：B的上电延时封锁控制原理，确定其上电后的延时时间。

答：刚上电时，74LS122（4）的8号引脚给电容C5 充电，直到C5两端的电压达到2.5V左右，74244的1和19管脚为低电平，芯片开始工作。刚上电时，由于C5两端电压没有达到2.5V，为逻辑低电平，74244处于封锁的状态。其上电后延时的时间取决于此RC充电回路中电阻R24和电容C5的大小。

6、在控制板上找出封锁延时部分与模式选择计数器（74161）的MR端的连线，分析其作用及原理。

答：由原理图可知，MR管脚为74LS161的复位端，当其为低电平时，161一直处于复位状态，不计数，当其为高电平时，开始计数。当相序正确时，上电后，74122（4）的8脚输出为一高电平，对电容C5充电，达到一定值时，161开始计数，模式开始进行变化，实现电压的逐渐升高，实现软起动功能。

7、74LS161的计数保持作用与原理分析

答：74LS161计数满后，会在其TC端输出一个高电平，经过反相后，将PE端置零，置入P0~P3数据，输出保持全1，即保持最后一个模式不变。

若要求启动时间为160s,试确定有关555的外围参数。

答、要求启动时间为160S，共16种模式，故每种模式持续时间是10S，即555的输出的矩形波的周期为10S。根据T0.693(R252VR6)C15，将R25,=43K

C15=47uf,代入上述公式，可得 VR6132K

9、结合图12分析：LM393-A输出波形的高电平带有弧状的原因； 答：当比较器的输入端为正弦波的正半周期时，相当于一个0V的直流电压源和一个正弦波的叠加，又因为输入经过电阻和输出相连，因此输出端会有弧状。

当输入端输入正弦波的负半周期时，由于二极管的嵌位，导致负半周的正弦波不会叠加在输出端。

10、试分析A相主电路的光耦隔离驱动原理，该驱动电路相比较脉冲变压器隔离驱动方式有何优点？其门极驱动的能量来源在哪里？ 答：当MOC3052的1端输入正脉冲时，发光二极管导通发光，使其内部的光敏双向晶闸管导通，从而给主电路提供触发脉冲。使用光耦MOC3052实现脉冲触发电路和强电的隔离，和B、C相使用脉冲变压器实现强弱电隔离相比，该电路简单可靠，工作稳定。门集驱动的能量来自MOC3052内部的发光二极管。

11、主电路负载Yo接，若用双踪示波器同时观察C相的负载电压和门极触发波形，应如何连接两探头？

答:首先应使用强弱电隔离探头，同时测高压要使用探头衰减，两通道的黑夹子不能夹在一起。

结语

在经过了两个多月的学习和工作，我终于完成了数字存储式交流电机

软起动装置的组装与调试的论文。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，我开始了合作的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。

虽然在试验中我们不断地碰到问题但是在咨询同学老师，相互讨论仔细的检查电路板后就将问题逐一的排除干净。比如我们在测到触发脉冲发出模式测试的时候我们发现在板上的指示灯在刚启动时从0001的模式开始启动，刚开始我们认为可能是由于C5电容没有放完电从而使得74LS161无清零产生。后来通过在电容两端并接电阻的方法使得电容放电后在接通电源测试，但是我们发现问题还是没有解决于是我们开始讨论，结果就是问题只能出在74LS161没有清零的问题上最后我们在检查板子后发现在161的1号管脚处接有一条连接高电平的线。在正常的状态下一号管脚应该是由122的输出提供于是我们推测次线多余可能是上届学长在测试时加上没有去掉的结果，终于等我们去掉线后电路果然恢复正常。在最后我们将所有的电路连接好后我们又发现在输出的脉冲波形跳的比较的厉害而且在0000的模式中有一定的输出于是我们继续向回查找电路发现是由于在调节初始触发角的时候没有严格的将其调节至30度所以在其0000的模式时使得150度的触发角也可以达到触发水平。再回到驱动电路的部分在这里我们也发现许多的问题首先的就是我们在焊好电路插好变压器后发现没有输出波形于是我们在多番检查下发现是由于两根地线没有接地引起。故此我们体会到在设计制作精密电路时需要有缜密的思路以及清晰的思维，只有不断的找出错误更正错误才能使自己得到质的收获。

从中我也充分认识到了电路制作以及调试给我们带来的乐趣，这次做课程设计的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步

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