电机软启动课程设计

数字存储式交流电机软启动装置的组装与调试

一．专业综合实践意义

此次专业综合实践涉及多门学科，包括电机电器、电力工程、微电子技术、自动控制、计算机控制，多学科渗透，强弱电结合，对动手能力要求较高。此次专业综合实践，针对以往学生的动手能力较弱入手，给学生提供了更多的动手实践机会，可以提高学生的实践技能。

二．专业综合实践内容

1、对各部分原理进行分析； 2、进行焊接与组装练习;

3、各部分电路的独立调试与系统联调； 4、多种仪器设备的使用与电路波形调试。、

三．交流电机的起动原理

1、主电路

此次专业综合实践所涉及的主电路原理十分简单，即交流电机的降压起动，由于交流电机起动时，会产生很大的冲击电流，一般冲击电流会达到电机额定电流的4~7倍，降压起动是交流电机常用的一种起动方式，且交流电机轻载时降压运行可以达到节能的目的。

传统的降压起动往往通过星—三角切换或者自耦变压器起动，无法实现电压的连续变化，随着电力电子技术的发展，晶闸管相控调压的应用越来越广泛，通过控制晶闸管的触发角来进行调压，此次专业综合实践正是采用了双向晶闸管的相控调压来进行交流电机的软启动，为了减小脉冲变压器的体积，将触发脉冲进行了高频调制，用一系列的窄脉冲来触发晶闸管。

2、控制电路

控制电路的设计思想是电机起动时，设计一个初始导通角，以后每隔一段时间给导通角一个增量，此次设计采用ＥＥＰＲＯＭ２８６４存储触发脉冲数据，通过适当的控制方案，读出ROM里存放的数据，便可控制晶闸管导通角不断变化，下面是各部分控制电路的原理及波形分析：

（1）滞环电压比较器

由于过零比较器的抗干扰能力太差，所以采用了滞环电压比较器，其作用是将正弦信号变成标准的方波，但是滞环比较器产生的方波不是标准的TTL电平，所以经过两次反相整形。滞环电压比较器可以通过改变参考电压和反馈回路电阻来改变

V

L

和

VH，但是由于二

极管的作用，已经将参考电压固定为0.7V，所以只能通过调节电位器来改变调节电位器使

VL和

VH，

VH=0，从而保证

u和u

oab

严格同步。

（2）单稳移相电路

实验中采用的是线电压信号，但实际的触发脉冲是通过相电压产生的，利用单稳移相电路将线电压移相30°可以得到相电压信号。实验中采用了74LS122可重复触发单稳态触发器，触发脉冲有效时，Q端输出负脉冲，输出脉宽为30°/360°*20ms=1.667ms。

（3）锁相同步倍频器

锁相同步倍频器主要有两个作用：同步和倍频，即实现与工频50Hz相电压的同步以及256倍频,CD4046的AIN输入是与相电压

?ua同步的方波信号，BIN输入是其输出的高频信

号经过8分频再反相后的信号，和AIN输入是同频率的，当两路输入有相位差时，鉴相器就会产生一个与二者相位差成正比的误差电压信号，经过低通滤波和压控振之后产生高频信号输出。

（4）错相序封锁电路

为了防止三相相序接错时出现事故，系统加入了错相序封锁控制环节，相序接错时，自动封锁74LS244的输出，禁止系统运行，实验中利用的是相序正确时，二者时间差约为3.3ms，利用延时信号

uac

ab超前

u

ac

60°，

u

ab

产生5ms的单稳延时信号

u，利用u

1产生1ms的单稳，利用

u2，将两路单稳延时后的信号相与，即可得到脉宽

1ms的信号

u3u3作为

25ms单稳延时的触发信号，由于工频50Hz对应周期为20ms,所以当三相相序没接错时，25ms单稳延时的输出

u4应该一直为高电平，而当相序接错时，

u和u12不再有重叠区，所以

u4将一直为低，封锁74LS244.

由于时间关系，并没有调试错相封锁部分，因而需要将74LS244的控制信号接地，保证正常输出，但是通电后发现，运行模式指示灯一直全亮，并没有模式的切换，因而继续查找原因，后来发现问题，是因为错相序封锁的输出一直是高电平，除了用来控制244的工作外，还利用其刚上电是低电平来对74LS161实现清零，由于开始只是用高电平代替了所以76LS161无法实现清零，一直保持在全‘1’状态，后通过改进，将

u4，

u

ab

的5ms单稳延

时与高电平相与，作为25ms单稳延时的输入，则其输出即可满足上电初始为低，之后一直为高，模式切换电路工作才正常。

（5）模式选择控制电路

多谐振荡器555为74LS161提供时钟脉冲，74LS161的输出

Q~Q从全‘0’变到全

03‘1’，当其变为全‘1’后，输出保持当前状态不变，通过调节555的输出频率，可以调节模式切换的时间，实验中调节555的周期为10s,即16种模式每10s切换一次。

（6）触发脉冲产生电路

EEPROM2864中

A~A811用于模式选择，即改变导通角的大小，

A~A用于在每个

0

7

正弦周期产生脉冲，根据导通角的大小会改变连续脉冲的宽度，低八位处于高频扫频状态，只要模式不改变，连续脉冲的宽度就不会变，高四位处于低频扫频状态，每10s改变一次模式，导通角减小一次，通过244的

D~D02即可输出三相连续触发脉冲。

3、驱动电路

晶闸管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，才能保证晶闸管可靠触发导通，实验中控制电路和主电路的隔离是通过脉冲变压器实现的，这种触发驱动电路很难传递宽触发脉冲，所以要对输入的宽脉冲信号进行高频调制，频率越高，脉冲变压器铁芯的体积可以越小。

实验中采用三种不同的驱动电路来分别驱动三相晶闸管，A相驱动电路由光耦

MOC3052和外围电路组成，B相由运放LM393、脉冲变压器及外围电路组成，C相由三极管9013、脉冲变压器及外围电路组成，实际实验过程中B相的运放LM393用三极管9013

代替。

四．测试波形

1.滞环电压比较器波形记录如下：

图1 滞环过零比较器输入输出 图2 滞环比较器输入与一次反相后输出

图3 滞环比较器输入与两次反相后输出 图4 滞环比较器输入与两次反相后输出

分析：从图1可以看出，滞环过零比较器的直接输出不是标准方波，通过调节电位器已经满足了和

VH=0，由图2可知，经过一次反相后，输出已经是标准方波，但是为了实现

uouab严格同步，又将输出信号经过了一次反相，如图3所示，图4是将图3信号局部放大

后的效果，便于观察比较器是严格的过零翻转。

2.单稳移相电路波形记录如下：

图5 单稳移相电路输入输出 图6 单稳移相电路输入输出

分析：从图5可知，过零滞环比较器的输出

??uo作为单稳移相电路的输入，其上升沿和

Q的下降沿一致，通过调节电位器使Q的上升沿与uo的上升沿错开1.667ms，即可实现

移相30°的功能，图6是调节电位器过程中用于精确测量用的放大后的波形。

3.锁相同步倍频器波形记录如下： 3.

图7 CD4046两路输入信号 图8 CD4046输入和输出信号

图9 2864的A0和A1地址信号 图10 2864的A2和A3地址信号

图11 2864的A4和A5地址信号 图12 2864的A6和A7地址信号

分析：从图7可以看出，锁相环的两路输入信号完全同步，即实现了同步的功能，从图8可以看出，锁相环的输出信号是输入信号频率的256倍，即理论输出频率为

50*256Hz=12.8KHz，实际监测过程中，频率在波动，但波动范围不大，即可判定CD4046实现了倍频的功能。图9到图12为8位计数器的输出，即2864的低八位地址输入，最低位地址的频率为6.4KHz，随着地址位的增加，频率依次减半，A7的信号频率为50Hz。

4.错相序封锁电路波形记录如下：

图13 5ms单稳延时输出 图14 5ms单稳延时输出（放大测量）

图15 74LS08输出 图16 25ms单稳延时输出

分析：图13和图14应该是对应于

uab的5ms单稳延时输出信号

u，图15是用一路高

1电平和5ms单稳延时输出相与后的结果，图16为25ms单稳延时的输出，一直为高电平，保证74LS244可以正常输出。

5.模式选择控制电路波形记录如下：

图17 74LS161的时钟信号

分析：从图17可以看出，74LS161的时钟信号周期为10s,通过实验现象也观察到，4盏模式运行指示灯依次从全灭到全亮每10s变化一次。 6.触发脉冲产生电路波形记录如下：

图18 A相和B相连续触发脉冲（1） 图19 A相和B相连续触发脉冲（2）

图20 A相和B相连续触发脉冲（3） 图21 A相和C相连续触发脉冲（1）

图22 A相和C相连续触发脉冲（2）

分析：从图18~图22可以看出，随着模式的切换，触发脉冲越来越宽，且A、B、C三相触发脉冲的形状完全相同，只是相位互差120°。 3、驱动电路

图23 B相第一路触发脉冲 图24 B相第二路触发脉冲

图25 C相触发脉冲

分析：从图23~26可以看出，B相两路触发脉冲的形状应该是完全相同的，通过测量可以看出，B相触发脉冲的尖峰已经远超过1V，但是尖峰时间很短，真正达到1V以上的时间不是很长；从25可以看出，C相触发脉冲幅值可以达到1.5V左右，脉冲宽度可达53μs，C相的触发脉冲比较理想。

带负载时波形

图26 A相带载波形（模式0） 图27 A相带载波形（模式6）

图28 A相带载波形（模式10） 图29 A相带载波形（模式15）

分析：上图为联机调试时A相负载两端的波形，观测过程中发现，随着模式的切换，A相负载两端波形逐渐改变，且逐步趋近于完整的正弦波，起动过程中也可以发现，灯泡的亮度逐渐增加，到达最后一个模式时，负载两端为完整的正弦波，且不再发生变化，灯泡亮度也不再改变，从波形上看，此次联机调试的结果还是比较理想的，B、C相的情况基本一致，不再分析。

五、课程设计总结

通过此次专业综合实践，我对晶闸管有了新的认识，以前电力电子课程的学习不是很透彻，对晶闸管驱动电路部分学习比较少，通过实习发现，晶闸管虽然起着很重要的作用，但是晶闸管并不是想象中的开关那么简单，晶闸管的驱动电路应该是正确使用晶闸管的关键步骤，也是此次专业综合实践的关键部分，但是通过实习又感觉驱动电路并不像一些经典理论那么成熟，在哪里都适用，驱动电路有一些部分是要通过实践获得的，所以做好这部分内容对动手能力要求较高，此次专业综合实践实现了不用单片机、DSP等控制器对交流电机进行软启动，虽然单片机、DSP等控制器的功能很强大，也很灵活，只需要更改程序和外围电路，就可以实现不同的功能，但是对于实现某一特定功能的控制任务来说，如果可以不用控制器实现的话，应该尽量避免用控制器，可以节约成本，避免了资源的浪费，本次专业综合实践正是实现了这一点，而且整个控制的思路很好，很值得借鉴。

实验过程中，电源板、驱动板、控制板及主电路板调试无误后，开始联机调试，调试过程中发现，C相带载的测试结果是正确的，可以看到C相负载两端波形逐渐接近正弦，但是A相和B相波形不正确，最开始时，A相带上负载时，B相输出会变为0，理论上A、B、C三相之间应该是互不影响的，但是现在A相一直影响B相，于是开始查驱动板电路有没有出现错误，仔细检查后，也没有发现焊接错误，后来发现万用板的最外面一圈焊盘本身是接在一起的，A相和B相接控制板输入的地方是通过最外边一圈引出的，所以A相和B相的输入已经短接，会出现A相影响B相输出的结果，后来又对万用板的另一侧进行检查，发现晶闸管的触发信号中B相两路正信号端也短接了，后来及时进行修改，三相电路不再互相影响，于是开始重新联机调试。

改正完那个错误后，重新调试，但是发现A相的输出总是刚开始就很接近正弦波，模式切换大概到‘３’的时候，输出就是完整的正弦波，B相输出更是一直为正弦波，只有C相是正确的，于是猜测是不是控制板的输出只有C相是正确的，所以尝试用控制板C相的输出作为驱动板A相和B相的输入，经过测试发现此时A相和B相的输出都是正确的，于是猜测可能是２４４的输出A和B都有问题，但是通过示波器仔细观察，三相输出只有相位上的差异，别的并无区别，应该不是三相输出不正确，后来想到应该是电源的问题，实际接三相负载时应该是三相电源，但是现在调试用的只是单相电源，所以和三相触发脉冲的相位并不对应，后来按照这个猜想进行改正，发现三相输出都正常，进行三相联机调试，效果

也变得比较理想。

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