中國石油大學(xué)(華東)電氣工程及其自動化專業(yè)綜合實踐報告

1、電氣工程及其自動化專業(yè)綜合實踐報告 學(xué)生姓名： 同 組 者： 學(xué) 號： 一.本專業(yè)綜合實踐目的1二.主要訓(xùn)練內(nèi)容1三.電路組成以及原理分析11、交流電機的降壓起動原理12、雙向晶閘管的相控調(diào)壓2四.控制系統(tǒng)的硬件電路分析2五各部分電路的原理與分析41.滯環(huán)電壓比較器42.單穩(wěn)移相電路53鎖相同步倍頻器64EEPROM存儲模式及觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生85、模式選擇控制電路96.錯序封鎖電路10六.晶閘管驅(qū)動電路12七.電源板13八.主電路部分13九、各環(huán)節(jié)調(diào)試波形及分析14（1） 電源脈沖輸出波形14（2） 驅(qū)動電路脈沖輸出14（3） 控制電路輸出15十.思考討論23十一調(diào)試與解決26十二 總結(jié)26一.

2、本專業(yè)綜合實踐目的本專業(yè)涉及多門學(xué)科，包括電機拖動、電力工程、電子技術(shù)、自動控制、計算機控制，多學(xué)科滲透，強弱電結(jié)合，特別是對動手能力要求較高。為了給本專業(yè)學(xué)生提供更多的動手實踐機會，提高學(xué)生的實踐技能，教學(xué)培養(yǎng)計劃中專門安排了專業(yè)綜合實踐環(huán)節(jié)，并且為了提高其實踐效果，本系專門花費了相當(dāng)大的人力物力，來給大家創(chuàng)造一種實踐訓(xùn)練的機會。二.主要訓(xùn)練內(nèi)容 1.各部分原理分析； 2.焊接、組裝（控制、驅(qū)動、電源）； 3.各部分電路分別調(diào)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)； 4.多種儀器設(shè)備的使用與電路波形測試。三.電路組成以及原理分析1、交流電機的降壓起動原理降壓起動的目的：降低起動電流Ist。降壓后的機械特性：交流電機輕

3、載降壓運行，可以提高電機效率，避免“大馬拉小車”，節(jié)約電能。 圖1 感應(yīng)電機機械特性 圖2 軟啟動主電路2、雙向晶閘管的相控調(diào)壓 普通晶閘管：兩個普通晶閘管反并聯(lián)，輸入兩路脈沖。 雙向晶閘管(KS)：兩個主電極T1、T2，一個門極G。通常在G-T2之間加入觸發(fā)脈沖，使其導(dǎo)通。 圖3 單雙向晶閘管示意圖 觸發(fā)脈沖經(jīng)過高頻調(diào)制，以減小脈沖變壓器的體積。相控調(diào)壓的缺點：功率因數(shù)低，電流非正弦對電網(wǎng)有諧波污染。 軟起動：電機剛起動時a較大。a逐漸減小，轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)態(tài)時a=0。a的調(diào)壓可控范圍：j180 圖4 相控調(diào)壓觸發(fā)角示意圖四.控制系統(tǒng)的硬件電路分析 由于交流電機的轉(zhuǎn)速與其端電壓成正比，而端電壓又取

4、決于導(dǎo)通角的大小，因此，通過控制導(dǎo)通角的大小即可控制電機的轉(zhuǎn)速。設(shè)計一個初始角度，以后每隔一定的時間給導(dǎo)通角一個小的增量，即可實現(xiàn)電機的平滑起動。晶閘管的導(dǎo)通角控制采用數(shù)字存儲技術(shù)，事先通過編程，將要應(yīng)用的觸發(fā)脈沖數(shù)據(jù)寫入存儲器中，然后通過合適的控制方案，再讀出這些數(shù)據(jù)交易利用，便可控制晶閘管的導(dǎo)通角不斷變化，本設(shè)計中采用EEPROM2864。實驗板主要包括：滯環(huán)電壓比較器、單穩(wěn)移相電路、鎖相倍頻環(huán)節(jié)、EEPROM存儲模式及觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生、錯相序封鎖控制電路模塊，及驅(qū)動電路、主電路等?？刂瓢迳?，線電壓信號uab經(jīng)過滯環(huán)電壓比較器產(chǎn)生同步方波，方波移相后，與相電壓ua同相位，然后經(jīng)過鎖相倍頻，頻

5、率變?yōu)?56*50HZ，作為計數(shù)器74393的時鐘信號，74393產(chǎn)生8路分頻信號，連接到EEPROM2864的地址線，從而讀出2864事先存儲的數(shù)據(jù)，輸出觸發(fā)脈沖。考慮到實驗中三相相序可能接錯，設(shè)計中采用了錯相序封鎖控制。若相序接錯，則封鎖緩沖器74244的輸出，沒有觸發(fā)脈沖輸出，晶閘管不能導(dǎo)通；只有當(dāng)相序完全正確時，才能輸出觸發(fā)脈沖，導(dǎo)通晶閘管。圖5 控制電路框圖五各部分電路的原理與分析1.滯環(huán)電壓比較器 滯環(huán)電壓比較器能提高電路的抗干擾能力，因為電路在翻轉(zhuǎn)點單向靈敏，即只有輸入信號沿某一方向越過翻轉(zhuǎn)點變化時，輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而輸入沿另一方向越過該翻轉(zhuǎn)點變化時，輸出不翻轉(zhuǎn)。從而可以將工頻50

6、Hz正弦波變換為同步的標(biāo)準(zhǔn)TTL方波。 電路中引入正反饋，一方面加速了輸出電壓翻轉(zhuǎn)過程，另一方面給電路提供了雙極性參考電平，產(chǎn)生回環(huán)。實驗中滯環(huán)電壓比較器如圖所示，其主要作用是將正弦信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的TTL方波，便于后續(xù)電路的使用。該比較器采用LM393實現(xiàn)，雙電源供電方式，有利于調(diào)試。滯環(huán)電壓比較器原理圖如圖所示：圖6 滯環(huán)電壓比較環(huán)節(jié)原理圖 滯環(huán)比較器的輸出為-12V+12V，經(jīng)過電平調(diào)理電路，后接非門。采用兩次反相，主要是因為電路產(chǎn)生的方波并不是非常標(biāo)準(zhǔn)，低電平有負(fù)值，高電平有時不足4.2V，當(dāng)后續(xù)電路工作時，高電平被拉得很低，并且有凸峰，不利于后續(xù)電路的工作。加上反相器后，將原來波形變成

7、標(biāo)準(zhǔn)的TTL方波。 滯環(huán)回差的作用：在過零點附近，若迭加有雜波干擾，不會導(dǎo)致的多次跳變而造成同步紊亂，只要干擾幅度不超過。2.單穩(wěn)移相電路實驗中利用相電壓產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，如果用線電壓信號，就會造成觸發(fā)紊亂， 單穩(wěn)移相電路就是為了把線電壓轉(zhuǎn)換成相電壓而設(shè)計的。在本設(shè)計中用74ls122實現(xiàn)，如下圖，調(diào)節(jié)VR2使122的輸出Q的上升沿比滯環(huán)電壓比較器的上升沿（B2口）延 遲30，由于是要保證上升沿同步，故取Q的反作為輸出。相對應(yīng)的調(diào)節(jié)時間為。圖7 單穩(wěn)移相電路原理圖8 控制角波形圖3鎖相同步倍頻器采用集成鎖相環(huán)CD4046完成工頻50HZ的同步和256倍頻，如圖6所示?；驹砣缦拢鸿b相器PD將AI

8、N與BIN的相位進行比較，產(chǎn)生一個與二者的相位差成正比的誤差電壓V（t），再經(jīng)由LPF濾波，得到控制電壓Vd(t),并加到VCO的控制端。VCO的輸出經(jīng)一個計數(shù)器進行8分頻后，再送至鑒相器，進而與輸入進行相位比較，最后使二者的相位差恒定，從而實現(xiàn)鎖相。硬件原理圖如下圖所示。圖9 鎖相同步環(huán)工作原理工頻50Hz同步是應(yīng)相位同步的要求，256倍頻是應(yīng)128個起動模式的要求。相位鎖定的基本原理是：當(dāng)計數(shù)回零時，BIN輸入一個上升沿，此沿與同步信號AIN上升沿對齊從而保證計數(shù)器在電網(wǎng)正半周0時開始從0開始計數(shù)。如果某一時刻，AIN和BIN的脈沖的上升沿沒有對齊，那么在鑒相器內(nèi)部便會產(chǎn)生電壓差，使壓控振

9、蕩器輸入端的電壓變髙或變低，從而改變倍頻的頻率。圖10 鎖相環(huán)輸出特性當(dāng)BIN比AIN滯后一個小的角度，那么鑒相器就會產(chǎn)生正的電壓差，壓控振蕩器輸入端 的電壓變高，倍頻頻率上升，最終完成AIN和BIN的對齊；當(dāng)BIN比AIN超前一個小 的角度，那么鑒相器就會產(chǎn)生負(fù)的電壓差，壓控振蕩器輸入端的電壓變低，倍頻頻率下 降，最終也完成了 AIN和BIN的對齊。BIN 為8位計數(shù)器輸出的第8個管角，即Q7可見其頻率是50Hz。AIN為工頻電網(wǎng)相位信號。通過這樣的動態(tài)調(diào)節(jié)，VCO輸出的256*50Hz的脈沖就可以保持和工頻電網(wǎng)相位的對準(zhǔn)了。4EEPROM存儲模式及觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生 電可擦除的可編程ROM，簡

10、稱EEPROM。有四種工作方式，即讀、寫、字節(jié)擦除、整體擦除。實驗中使用EEPROM2864。 圖11EEPROM存儲脈沖示意圖 事先編程產(chǎn)生數(shù)據(jù)代碼，以匯編方式固化存入EEPROM。其外部連接如圖所示： 圖12EEPROM外部連接圖實驗中AA用于模式選擇，即導(dǎo)通角的大小。AA用于在每個正弦周期產(chǎn)生脈沖，即根據(jù)導(dǎo)通角的大小，選擇連續(xù)脈沖的寬度。4位計數(shù)采用74161實現(xiàn)，不斷變換模式。8位計數(shù)循環(huán)掃描采用74393實現(xiàn)。 總結(jié)構(gòu)如下圖：總的思想為：由256倍頻的時鐘驅(qū)動8位計數(shù)器循環(huán)掃描，得到輸出信號：00FF00FF，8位計數(shù)器輸出信號作為存儲器低8位地址線A0A7的輸入，用于每種模式的脈沖

11、產(chǎn)生，A8A11用于選擇模式，即導(dǎo)通角的大小。每一次掃描將內(nèi)存中對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)（事先保存好的）讀出。這樣，每完成一次計數(shù)掃描，正好實現(xiàn)一個周期的脈沖觸發(fā)，在這里，輸出為八位，由于只有三相，有效位為D0，D1和D2，如下圖所示： 圖13 2864存儲模式工作原理5、模式選擇控制電路16種工作模式由計數(shù)器161實現(xiàn)，調(diào)節(jié)555的時鐘周期作為161的時鐘觸發(fā)clk就可以調(diào)節(jié)每種模式保持的時間。多諧振蕩器555的結(jié)構(gòu)如下圖tH=0.693(R25+ VR6) C15tL=0.693 VR6*C15T=0.693(R25+ 2VR6) C15調(diào)節(jié)VR6，使得頻率為0.1HZ，則每個模式將執(zhí)行10s。圖1

12、4 多諧振蕩器555工作原理6.錯序封鎖電路當(dāng)三相相序接錯的時候能夠自動封鎖74LS244的輸出，禁止系統(tǒng)運行，避免事故的發(fā)生。由于實際工頻交流電源很少有中線，因此控制電路一般都是采集線電壓信號。實驗中利用與之間的相位差，分別延時后相“與”，從而判斷是否錯相序，實現(xiàn)相序控制。利用光耦4N25，將交流信號轉(zhuǎn)換為方波。電壓高達(dá)380V，要求二極管耐壓高，功率大，是正半周光耦導(dǎo)通時，發(fā)光二極管電流10mA左右。原理圖如下：圖15錯相序封鎖控制波形圖實驗時，按先后順序?qū)⒏鞑糠謫为毢附诱{(diào)試。先不接錯相序封鎖部分，通過跳線控制74244的輸出。跳線接在GND時，74244正常輸出。當(dāng)跳線接在LM393的7

13、腳輸出時，74244由錯相序部分控制輸出。相序正確時，Uab比Uac超前60，即Uab比Uac超前3.3ms，74LS08輸出1ms的高電平脈沖，在74122的延時作用下輸出高電平，74244正常工作，發(fā)光二極管正常發(fā)光，錯序時則封鎖。采用Uac時，相位檢測電路用4N25光耦隔離同步檢測電路，原理圖如下：圖16 光耦隔離同步檢測電路六.晶閘管驅(qū)動電路為了產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，同時實現(xiàn)隔離控制電路與主電路，需采用晶閘管驅(qū)動電路。本設(shè)計中，A相采用光耦MOC3052及外圍電路，B、C相采用三極管9013和脈沖變壓器及外圍電路，其中B相采用兩個單向二極管反

14、并聯(lián)，而A、C相采用雙向晶閘管。圖17 A相光耦驅(qū)動工作原理20 R4圖18 B、C相9013三極管驅(qū)動原理上原理圖中，VD1和R3很重要，構(gòu)成了續(xù)流之路，若無R3，則電流衰減慢，不能在下一個脈沖到來之前時磁通復(fù)位，則會造成飽和。同時因為續(xù)流之路的存在，使9013在關(guān)斷瞬間的集電極電位大為下降。電阻R1起限流作用，R2可提高電路的穩(wěn)定性，電容可以濾除低頻諧波。晶閘管驅(qū)動的關(guān)鍵在于門極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續(xù)時間，以及盡可能短的電流上升時間。測量結(jié)果驅(qū)動幅值約為1V左右，持續(xù)時間約為20us，滿足晶閘管的觸發(fā)要求。同時，由于A相采用光耦觸發(fā)，無法測量其對應(yīng)的波形，只能在實際中檢測。七.

15、電源板組成：交流電源電路、直流電源電路、測試脈沖產(chǎn)生電路。作用：產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的交流電、直流電和測試脈沖。八.主電路部分九、各環(huán)節(jié)調(diào)試波形及分析（1） 電源脈沖輸出波形（2） 驅(qū)動電路脈沖輸出 B1相輸出 B2相輸出 C相輸出 （3） 控制電路輸出滯環(huán)比較環(huán)節(jié)： LM393比較器1輸出 輸出TTL標(biāo)準(zhǔn)電平如圖所示，比較器1的輸出符合滯環(huán)曲線的特性，輸出正負(fù)12V的高低電平，調(diào)節(jié)了電位器VR1使VH=0V，保證了輸出電平與線電壓Uab的同步，讀取回差為5V。但是讀取波形發(fā)現(xiàn)比較器1的輸出高電平帶弧狀，可能是由于之后的負(fù)載電路中含有電容導(dǎo)致的充放電效應(yīng)，也有可能是因為工作線性和非線性區(qū)或是飽和和非

16、飽和區(qū)的原因。單穩(wěn)移相環(huán)節(jié)： 相移30波形對比 CD4046AIN與BIN同頻同相 線電壓移相30后變?yōu)橄嚯妷?，晶閘管的導(dǎo)通角是從相電壓過零點算起。鎖相同步倍頻器：通過鑒相器，保證了兩個輸入端口信號的同步，這里的同步指的是上升沿同步。選取倍頻計數(shù)的輸出及Q0到Q3四個口的輸出依次如下： Q3輸出 Q2輸出 Q1輸出 Q0輸出不同模式下觸發(fā)角的大小：實驗中，通過改變555定時器的定時時間，每隔10S，運行模式發(fā)生一次改變，角由大變小，最終為0，起動過程結(jié)束并通過控制板上發(fā)光二極管的亮滅來識別當(dāng)前的運行模式。 模式15 模式14 模式13 模式12 模式11 模式10 模式9 模式8 模式7 模式

17、6 模式5 模式4 模式3 模式2 模式1各觸發(fā)模式對應(yīng)觸發(fā)角工作模式A相對應(yīng)時間（ms)A相角度08.2147.316.6118.5626107.7835.49744.886.2354.682.6364.377.047471.8683.868.2693.257.49102.748.511235.93121.526.9513117.96140.47.191500錯相序封鎖控制：檢測相序： Uac超前Ubc 60 光耦之后LM393輸入與輸出 1ms延時 5ms延時 74LS08輸入 u1超前u2 60度 74LS08輸出（u1與u2相與）帶燈箱負(fù)載波形隨著模式由0變到15，相電壓波形越來越完整

18、，并接近正弦。在達(dá)到最后一個模式時，電壓波形為完整的平滑正弦波。 模式1 模式2 模式5 模式8 模式14 模式15十.思考討論1分析計算滯環(huán)比較器的VH與VL的調(diào)節(jié)范圍。若使VH=0，電位器VR1應(yīng)調(diào)多大？輸出高電平應(yīng)為多少伏，與何參數(shù)有關(guān)？答：由公式,由，當(dāng)時,=151.4。 輸出高電平應(yīng)為12V，與比較器的供電電源電壓有關(guān)，還與后面的整形調(diào)理電路中的相關(guān)分壓電阻阻值有關(guān)。2移相30，單穩(wěn)為什么不從Q端輸出？計算移相時間。該單穩(wěn)對輸入脈沖寬度有何要求？若前級的滯環(huán)比較器VH調(diào)得不是0V而是+0.5V，可否通過對單穩(wěn)移相時間的調(diào)整予以補償，這樣做會存在何缺點？答：通過單穩(wěn)移相30從線電壓Ua

19、b得到相電壓Ua,需得到與同步的上升沿，輸出為上升沿觸發(fā)脈沖。移相時間：ms。若前級的滯環(huán)比較器VH調(diào)得不是0V而是+0.5V，可以通過單穩(wěn)移相來調(diào)整。缺點：對不同幅值的正弦輸入，不能保證移相角度正確。3錯相序封鎖部分的電路，設(shè)Uac為380V，光耦輸入側(cè)發(fā)光二極管的額定電流取9mA，試選擇確定R13的阻值和瓦數(shù)。分析二極管D2的作用。答：因為光耦側(cè)發(fā)光二極管的額定電流為9mA，所以R13的阻值為 (380-1.4)/9= 42.07 K ，可取為40K，其功率為92*40*10(-3)=3.4W二極管D2的作用是使的Uac只導(dǎo)通正半周。4、在原理圖上找出U1U4的對應(yīng)位置并標(biāo)出。U1.U2.

20、U4對應(yīng)的單穩(wěn)與30移相的單穩(wěn)，兩者工作原理和所起的作用有何區(qū)別？為何從Q端輸出？若U1.U2的脈寬對調(diào)，會帶來什么問題（結(jié)合波形）？答：他們的工作原理相同，只是所起的功能不同。U1.U2.U4對應(yīng)的單穩(wěn)的輸出是為了判斷Uab和Uac相序是否正確。從Q端輸出的才是Uab和Uac的相位。若U1.U2的脈寬對調(diào)，此時，U4將一直是低電平，導(dǎo)致輸出無法正常工作。5、分析運放LM393（2）：B的上電延時封鎖控制原理，確定其上電后的延時時間。答：剛上電時，C5初始電壓很小，LM393輸出高電平，使74244的3路輸入信號被封鎖，輸出處于高阻態(tài)，當(dāng)電容充電電壓超過2.5V左右，運放輸出變低，解除封鎖，7

21、4LS122開始工作。6、在控制板上找出封鎖延時部分與模式選擇計數(shù)器（74161）的MR端的連線，分析其作用及原理。答： 封鎖延時的輸出通過電容與模式計數(shù)器相連，開始上電時，由于電容電位低，MR端得到低電平，使計數(shù)器不工作，待到電容充電結(jié)束，計數(shù)器工作正常。7、 在控制板上確定4位發(fā)光二極管的排列順序。答： 控制板板面向上，自右向左依次為Q0Q3。8、74LS161的計數(shù)保持作用與原理分析答：當(dāng)74LS161計數(shù)到第15個時鐘脈沖，TC由0變1，形成一個正脈沖，將PE置零，置入P0P3數(shù)據(jù)，輸出保持全1，即保持最后一個模式不變。9、若要求啟動時間為160s,試確定有關(guān)555的外圍參數(shù)。答：要求

22、啟動時間為160S，又因為有16種模式，那么每種模式持續(xù)時間就是10S，即555的輸出的矩形波的周期為10S。根據(jù)，可得=132K10、結(jié)合圖12分析：LM393-A輸出波形的高電平帶有弧狀的原因；答：可能是由于之后的負(fù)載電路中含有電容導(dǎo)致的充放電效應(yīng)，也有可能是因為工作線性和非線性區(qū)或是飽和和非飽和區(qū)的原因。11、 在圖9所示鎖相環(huán)電路中，分析其中的非門所起的作用，結(jié)合鎖相環(huán)在保證晶閘管觸發(fā)角與電網(wǎng)同步方面所起的作用，分析若將非門移除不用，對同步觸發(fā)會帶來何種影響？答：當(dāng)八位計數(shù)計滿256分頻時，Q7由1變0為下降沿，f1為上升沿，要保證鎖相成功，須加非門反相。若沒有非門，在記滿128時鑒相器開始比較，相當(dāng)于在計數(shù)中間時，即延遲了半個周期，仍可以同步觸發(fā)。12、試分析A相主電路的光耦隔離驅(qū)動原理，該驅(qū)動電路相比較脈沖變壓器隔離驅(qū)動方式有何優(yōu)點？其門極驅(qū)動的能量來源在哪里？答：當(dāng)A相輸入正的電壓時，發(fā)光二極管工作，使MOC3052內(nèi)部的光敏晶閘管導(dǎo)通，從而給主電路提