專業(yè)綜合實踐 中國石油大學(xué)電氣

1、電氣工程及其自動化專業(yè)綜合實踐學(xué)生姓名：董凱同 組 者：楊志鵬、周洋宇學(xué) 號：12053511專業(yè)班級：電氣工程及其自動化1205班2015年 7月20日數(shù)字存儲式交流電機軟起動裝置的組裝與調(diào)試一、實踐內(nèi)容1、 各部分原理分析；2、 焊接、組裝（控制、驅(qū)動、電源）；3、 各部分電路的獨立調(diào)試與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；4、 多種儀器設(shè)備的使用與電路波形測試。二、實踐意義本專業(yè)綜合實踐涉及多門學(xué)科，包括電機電器、電力工程、微電子技術(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。但從前幾屆的畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)生的實際工作能力看，往往實際動手能力較弱，對動手能力訓(xùn)練不足。為了給本專業(yè)學(xué)生提供

2、更多的實踐機會，提高學(xué)生的實踐能力，教學(xué)培養(yǎng)計劃張專門安排了專業(yè)綜合實踐環(huán)節(jié)，并且為了提高實踐效果，教研室專門掛費了相當(dāng)大的人力物力，來給大家創(chuàng)造一種實踐訓(xùn)練的機會。希望每一位同學(xué)對該實踐課程給以足夠的重視，珍惜這一動手實踐機會，認(rèn)真完成好每一部分內(nèi)容的原理分析及實驗調(diào)試工作。三、實驗原理與波形分析1、 主電路本次專業(yè)綜合實踐所涉及的主電路原理是交流電機的降壓起動，由于交流電機起動時，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，一般沖擊電流會達(dá)到電機額定電流的47倍，降壓起動是交流電機常用的一種起動方式，且交流電機輕載時降壓運行可以達(dá)到節(jié)能的目的。傳統(tǒng)的降壓起動有兩種：Y切換與自耦變壓器起動。這兩種方法無法實現(xiàn)電壓

3、的連續(xù)變化，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管相控調(diào)壓的應(yīng)用越來越廣泛，通過控制晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)壓。普通晶閘管：兩個普通晶閘管反并聯(lián)，可以代替雙向晶閘管，需輸入兩路脈沖。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。 本次專業(yè)綜合實踐正是采用了雙向晶閘管的相控調(diào)壓來進(jìn)行交流電機的軟啟動，為了減小脈沖變壓器的體積，將觸發(fā)脈沖進(jìn)行了高頻調(diào)制，用一系列的窄脈沖來觸發(fā)晶閘管。 圖1 普通晶閘管與雙向晶閘管(KS) 圖2 相控調(diào)壓觸發(fā)角示意圖 圖4 相控調(diào)壓觸發(fā)角示意圖圖3 軟起動主電路 2、 控制電路控制電路的設(shè)計思想是電機起動時，設(shè)計一個初始導(dǎo)通角，

4、以后每隔一段時間給導(dǎo)通角一個增量，本次設(shè)計中采用EEPROM2864存儲觸發(fā)脈沖數(shù)據(jù)，通過適當(dāng)?shù)目刂品桨?，讀出存儲器里存放的數(shù)據(jù)，便可控制晶閘管導(dǎo)通角不斷變化，以下為各部分控制電路的原理及測試波形分析：（1） 滯環(huán)電壓比較器為使正弦信號變成標(biāo)準(zhǔn)的方波，便于后續(xù)電路的使用，可采用比較器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。過零比較器的結(jié)構(gòu)簡單，但抗干擾能力太差，而滯環(huán)電壓比較器在翻轉(zhuǎn)點單向靈敏，可提高電路的抗干擾能力，因而采用滯環(huán)比較器。但是滯環(huán)比較器產(chǎn)生的方波不是標(biāo)準(zhǔn)的TTL方波，所以經(jīng)過兩次反相整形。滯環(huán)電壓比較器可以通過改變參考電壓和反饋回路電阻來改變VL和VH，但是由于二極管的作用，已經(jīng)將參考電壓固定為-0.7V，

5、所以只能通過調(diào)節(jié)電位器VR1來改變VL和VH，調(diào)節(jié)電位器使VH=0，從而保證和嚴(yán)格同步。圖5 滯環(huán)比較器原理圖圖6 滯環(huán)特性圖7 比較器輸出實測波形Lm393的1腳輸出波形 Lm393的7腳輸出波形經(jīng)整形后74ls02的2腳輸出波形波形分析從波形圖可以看出，滯環(huán)過零比較器的輸出（lm393的1管腳）不是標(biāo)準(zhǔn)的TTL方波，低電平有負(fù)值，高電平有時不足4.2V，通過調(diào)節(jié)電位器VR1使VH=0；經(jīng)過一次反相后，輸出波形（lm393的7管腳）被反向且依然有正有負(fù)，為了實現(xiàn)和嚴(yán)格同步且轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的TTL方波，又將輸出信號經(jīng)過74LS04進(jìn)行一次反相，輸出波形良好。 （2）單穩(wěn)移相電路實驗中采用的是線電壓

6、信號，但實際的觸發(fā)脈沖是通過相電壓產(chǎn)生的，利用單穩(wěn)移相電路將線電壓移相30°可以得到相電壓信號。實驗中采用了74LS122可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，具有可重復(fù)觸發(fā)功能和異步置零功能。B1 、B2為正脈沖觸發(fā)脈沖輸入端；、為輸出端。觸發(fā)脈沖有效時，端輸出正脈沖，端輸出負(fù)脈沖。輸出的負(fù)脈沖寬度為，其中VR2和C11是外接定時元件。A相晶閘管的導(dǎo)通角應(yīng)從ua的過零點，即的上升沿算起，如圖10所示。 圖8 單穩(wěn)移相電路及輸入輸出波形圖9 控制角波形圖實測波形移相30度波形波形分析過零滯環(huán)比較器的輸出作為單穩(wěn)移相電路的輸入，其上升沿和的下降沿一致，通過調(diào)節(jié)電位器VR2使的上升沿滯后的上升沿1.6

7、67ms，即可實現(xiàn)移相30°的功能；（3）鎖相同步倍頻器采用集成鎖相環(huán)CD4046與74LS393。基本組成：鑒相器（PD）、低通濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）、8位計數(shù)器鎖相同步倍頻器主要有兩個作用：同步和倍頻，即實現(xiàn)與工頻50Hz相電壓的同步和256倍頻。鑒相器PD的AIN輸入是與相電壓同步的方波信號，BIN輸入是壓控振VCO輸出的高頻信號經(jīng)過8分頻再反相后的信號，和AIN輸入是同頻率的，當(dāng)兩路輸入有相位差時，鑒相器PD就會產(chǎn)生一個與二者相位差成正比的誤差電壓信號，經(jīng)過低通濾波LPF和壓控振VCO之后產(chǎn)生高頻信號輸出。圖10 鎖相同步倍頻原理圖實測波形4046的3腳與14

8、腳兩路輸入 4046的4腳輸出2864的A0地址信號（6.4khz） 2864的A1地址信號（3.2khz）2864的A2地址信號（1.6khz） 2864的A3地址信號（800hz）2864的A4地址信號（400hz） 2864的A5地址信號（200hz）2864的A6地址信號（100hz） 2864的A7地址信號（50hz）波形分析從4046的3腳與14腳兩路輸入可以看出，鎖相環(huán)的兩路輸入信號完全同步，即實現(xiàn)了同步的功能；從4046的4腳輸出可以看出，鎖相環(huán)的輸出信號約為輸入信號頻率的256倍，即理論輸出頻率為50*256Hz=12.8KHz，實際監(jiān)測過程中，頻率在波動，但波動范圍不大，即

9、可判定CD4046實現(xiàn)了倍頻的功能。8位計數(shù)器的輸出即2864的低八位地址輸入，最低位地址的頻率為6.4KHz，隨著地址位的增加，頻率依次減半，A7的信號頻率為50Hz。（4）錯相序封鎖電路為了防止三相相序接錯時出現(xiàn)事故，系統(tǒng)加入了錯相序封鎖控制環(huán)節(jié)。相序接錯時，自動封鎖74LS244的輸出，禁止系統(tǒng)運行。由于實際中工頻交流電源很少有中線，因此控制電路線電壓信號。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。實驗中接入的相序正確時，超前60°，二者相差約為3.3ms，利用產(chǎn)生5ms的單穩(wěn)延時信號，利用產(chǎn)生1ms的單穩(wěn)延時信號，將兩路單穩(wěn)延時信號相與，

10、即可得到脈寬為1ms的信號，利用作為25ms單穩(wěn)延時的觸發(fā)信號，由于工頻50Hz對應(yīng)周期為20ms，所以當(dāng)三相相序沒接錯時，25ms單穩(wěn)延時的輸出應(yīng)該一直為高電平，而當(dāng)相序接錯時，和不再有重疊區(qū)，所以將一直為低，封鎖74LS244的輸出。 圖11 Uac相位檢測電路（光耦隔離同步檢測電路）圖12 錯相序封鎖控制波形圖 圖13 封鎖控制電路實測波形圖1 Uab和Uac圖2 Uab和U1(5ms) 圖3 Uac和U2（1ms）圖4 U3 圖5 U4波形分析（藍(lán)）與（黃）分別對應(yīng)的TTL方波，從圖中可以看出，超前大約60°，相序連接正確；圖2為單穩(wěn)延時5ms的輸入與輸出波形；圖3單穩(wěn)延時1

11、ms的輸入與輸出波形；單穩(wěn)延時5ms的原因是保證在相序正確的前提下與單穩(wěn)延時1ms信號有重疊區(qū)域，可以使相與后的輸出信號為單穩(wěn)延時25ms提供上升沿，保證后續(xù)電路的正常工作；從圖5可以看出，單穩(wěn)延時25ms的輸出一直為高電平，原因是信號周期為20ms，在25ms未結(jié)束時又有上升沿出現(xiàn)，使得輸出一直為高電平，保證74LS161可以正常進(jìn)行模式選擇；（5）模式選擇控制電路多諧振蕩器555為74LS161提供時鐘脈沖，使74LS161的輸出從全0變到全1，當(dāng)其變?yōu)槿?時，TC由0變1，形成一個正脈沖，將PE端置零，置入P0P3數(shù)據(jù)，輸出保持全1，即保持最后一個模式不變。通過調(diào)節(jié)555的輸出頻率，可以

12、調(diào)節(jié)模式切換的時間，實驗中調(diào)節(jié)555的周期為10s,即16種模式每10s切換一次。 圖36 74LS161連接圖 圖37 555外部連接圖實測波形模式1（0000） 模式2（0001）模式3（0010） 模式4（0011）模式5（0100） 模式6（0101）模式7（0110） 模式8（0111）模式9（1000） 模式10（1001）模式11（1010） 模式12（1011）模式13 （1100） 模式14（1101）模式15 （1110） 模式16（1111）波形分析由圖可以看出，隨著模式從1切換至16，觸發(fā)脈沖越來越寬，最終保持在模式16，即全觸通；通過放大測量可以得到觸發(fā)脈沖的寬度，進(jìn)

13、而通過=（1-/10）*180°得到每種觸發(fā)模式下的觸發(fā)角，從模式1至模式16的觸發(fā)角為：150°、140°、130°、···、20°、10°、0°，實際觸發(fā)角與理論觸發(fā)角存在一定的誤差，實際觸發(fā)角在每次切換時的變化第一次最大，約30°，以后減小再增大，但相對較穩(wěn)定，沒有太大的變化，觸發(fā)角的這種變化可能原因是低八位地址電平信號抖動，使得每一模式下并未按照理論的統(tǒng)一的地址循環(huán)。（6）觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路存儲器EEPROM2864中，A8A11用于模式選擇，即改變導(dǎo)通角的大小，A0A7用于在每

14、個正弦周期產(chǎn)生脈沖，根據(jù)導(dǎo)通角的大小會改變連續(xù)脈沖的寬度，低八位處于高頻掃頻狀態(tài)，只要模式不改變，連續(xù)脈沖的寬度就不會變，高四位處于低頻掃頻狀態(tài)，每10s改變一次模式，即導(dǎo)通角減小一次，通過74LS244的D0D2即可輸出三相連續(xù)觸發(fā)脈沖。 圖72 EEPROM存儲脈沖示意圖圖73 EEPROM外部連接圖波形記錄同（5）模式選擇控制電路3、 驅(qū)動電路晶閘管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，才能保證晶閘管可靠觸發(fā)導(dǎo)通。實驗中控制電路和主電路的隔離是通過脈沖變壓器實現(xiàn)的，這種觸發(fā)驅(qū)動電路很難傳遞寬觸發(fā)脈沖，所以要對輸入的寬脈沖信號進(jìn)行高頻調(diào)制，頻率越高，脈沖變壓

15、器的體積越小。實驗中采用三種不同的驅(qū)動電路來分別驅(qū)動三相晶閘管：1 A相驅(qū)動電路由光耦MOC3052和外圍電路組成；2 B相由運放LM393、脈沖變壓器及外圍電路組成；3 C相由三極管9013、脈沖變壓器及外圍電路組成。 實際實驗過程中B相的運放LM393用三極管9013代替，則B相與C相的驅(qū)動電路基本是一致的，只是B相有兩路驅(qū)動信號，而C相只有一路驅(qū)動信號。實測波形B相變壓器原副邊（1）B相變壓器原副邊（2）C相變壓器原副邊波形分析：由圖可以看出，B相兩路觸發(fā)脈沖的形狀是完全相同的，通過測量可以看出，B相觸發(fā)脈沖幅值達(dá)到1.5v左右，C相觸發(fā)脈沖幅值可以達(dá)到1V左右，觸發(fā)脈沖比較理想。四、系

16、統(tǒng)聯(lián)調(diào)結(jié)果及波形分析經(jīng)過調(diào)試確定電源板、驅(qū)動板、控制板和主電路板都沒有錯誤后，開始聯(lián)機調(diào)試。 帶燈箱時的相電壓波形（其中幾種模式）現(xiàn)象：起動過程中可以發(fā)現(xiàn)，燈泡的亮度逐漸增加，到達(dá)最后一個模式時，電壓波形為完整的正弦波，且不再發(fā)生變化，燈泡亮度也不再改變。 帶電機時的相電壓波形（其中幾種模式）現(xiàn)象：起動過程中，電機逐漸加速，波形逐漸變?yōu)檎也ǎ蟛辉僮兓?。五、思考題1、分析計算滯環(huán)比較器的、的調(diào)節(jié)范圍。若使=0，電位器應(yīng)調(diào)至多大？輸出高電平應(yīng)為多少伏，與何參數(shù)有關(guān)？答：Up=式中=-0.7V令=0，帶入以上公式可以解得=-1.49V輸出高電平與供電電源的電壓有關(guān)，還有后面的整形調(diào)理電路中的相

17、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：因為移相輸出的波形為CD4046的14管腳AIN的輸入，AIN的輸入要求為上升沿有效，而Q輸出的是高電平，下降沿有效，所以單穩(wěn)不從Q端輸出，而是從74LS122的6管腳輸出。，要求輸入脈沖的寬度不能太小，應(yīng)該比30°對應(yīng)的時間寬度要大。可以通過單穩(wěn)移相來調(diào)整。此時會使觸發(fā)角變小，輸出電壓變小。3、畫出74244個管腳的內(nèi)部邏輯關(guān)系框圖4、對錯相序封鎖部分的電路，設(shè)為

18、380V，光耦輸入側(cè)發(fā)光二極管的額定電流取9mA，試選擇確定的阻值和瓦數(shù)。分析二極管的作用。答：因為光耦側(cè)發(fā)光二極管的額定電流為9mA，所以 的阻值為 380/9= 42.2 K，取=40 K，故其功率為 380*380/（2*40*1000）=1.8 W二極管 的作用是使的正半周光耦導(dǎo)通，負(fù)半周不導(dǎo)通。5、在原理圖上找出的對應(yīng)位置并標(biāo)出。、對應(yīng)的單穩(wěn)與移相的單穩(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、的脈寬對調(diào)，會帶來什么問題（結(jié)合波形）？答：兩者的工作原理相同，只是所起的功能不同。、對應(yīng)的單穩(wěn)的輸出是為了判斷相序是否正確，移相的單穩(wěn)是為了得與同步的信號。從Q端輸出的是和的單

19、穩(wěn)延時信號，上升沿一致，若從輸出，得到是經(jīng)過反相后的信號。若、的脈寬對調(diào)，此時，將一直是低電平，導(dǎo)致74244封鎖，電路無法正常工作。6、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，74LS122（4）的8號引腳給電容C5 充電，直到C5兩端的電壓達(dá)到2.5V左右，74244的1和19管腳為低電平，芯片開始工作。剛上電時，由于C5兩端電壓沒有達(dá)到2.5V，為邏輯低電平，74244處于封鎖的狀態(tài)。其上電后延時的時間取決于此RC充電回路中電阻和電容C5的大小。7、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。

20、答：由原理圖可知，MR管腳為74LS161的復(fù)位端，當(dāng)其為低電平時，161一直處于復(fù)位狀態(tài)，不計數(shù)，當(dāng)其為高電平時，開始計數(shù)。當(dāng)相序正確時，上電后，74122（4）的8腳輸出為一高電平，對電容C5充電，達(dá)到一定值時，161開始計數(shù)，模式開始進(jìn)行變化，實現(xiàn)電壓的逐漸升高，實現(xiàn)軟起動功能。8、74LS161的計數(shù)保持作用與原理分析答：74LS161計數(shù)滿后，會在其TC端輸出一個高電平，經(jīng)過反相后，將PE端置零，置入數(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、要求啟動時間為160S，共16種模式，故每種模式持續(xù)時間是10S，即555的輸

21、出的矩形波的周期為10S。根據(jù)，將,=43C15=47uf,代入上述公式，可得 10、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：當(dāng)比較器的輸入端為正弦波的正半周期時，相當(dāng)于一個0V的直流電壓源和一個正弦波的疊加，又因為輸入經(jīng)過電阻和輸出相連，因此輸出端會有弧狀。當(dāng)輸入端輸入正弦波的負(fù)半周期時，由于二極管的嵌位，導(dǎo)致負(fù)半周的正弦波不會疊加在輸出端。11、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？當(dāng)光耦輸入加上正脈沖時，其內(nèi)部發(fā)光二極管導(dǎo)通，光耦有輸出，當(dāng)輸入加的不是正脈沖時，二極管無法導(dǎo)通，光耦就沒有輸

22、出。優(yōu)點：電路簡單，節(jié)約器件，能量損耗小。其門極驅(qū)動的能量來源于加在晶閘管兩端的強電。門集驅(qū)動的能量來自MOC3052內(nèi)部的發(fā)光二極管。12、主電路負(fù)載接，若用雙蹤示波器同時觀察C相的負(fù)載電壓和門極觸發(fā)波形，應(yīng)如何連接兩探頭？答:首先應(yīng)使用強弱電隔離探頭，同時測高壓要使用探頭衰減，兩通道的黑夾子不能夾在一起。六、實踐總結(jié)在本次專業(yè)綜合實踐中，用到了我們專業(yè)之前學(xué)過的很多學(xué)科的內(nèi)容，主要包括電力電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和電機與拖動基礎(chǔ)等學(xué)科，綜合性很強，對我們的動手實踐能力有較高的要求，經(jīng)過為期兩周的實踐，我們確實從中學(xué)到了很多。對于相關(guān)專業(yè)知識的理解有了進(jìn)一步的加深，對于電路的焊接和調(diào)試有了更加熟練的掌握和認(rèn)識，對于團(tuán)隊合作精神和分析解決問題的能力有了較大