中国石油大学电气工程及其自动化专业综合实践报告材料

1、电气工程及其自动化专业综合实践报告学生姓名：同组者：学 号：一. 本专业综合实践目的 1二. 主要训练内容 1三. 电路组成以及原理分析 11、交流电机的降压起动原理 12、双向晶闸管的相控调压 2四. 控制系统的硬件电路分析 3五各部分电路的原理与分析 41. 滞环电压比较器 42. 单稳移相电路 53锁相同步倍频器 64. EEPRO存储模式及触发脉冲的产生 85. 模式选择控制电路 96. 错序封锁电路 10六. 晶闸管驱动电路 11七.电源板 12八. 主电路部分 13九、各环节调试波形及分析 13（1）电源脉冲输出波形 13（2）驱动电路脉冲输出 14（ 3） 控制电路输出 14十

2、. 思考讨论 23十一.调试与解决 26十二. 总结 26一. 本专业综合实践目的本专业涉及多门学科，包括电机拖动、电力工程、电子技术、自动控制、计算机控制，多学科渗透，强弱电结合，特别是对动手能力要求较高。为了给本专业 学生提供更多的动手实践机会，提高学生的实践技能，教学培养计划中专门安排了 专业综合实践环节，并且为了提高其实践效果，本系专门花费了相当大的人力物力， 来给大家创造一种实践训练的机会。二. 主要训练内容1. 各部分原理分析；2. 焊接、组装（控制、驱动、电源）；3. 各部分电路分别调试及系统联调；4. 多种仪器设备的使用与电路波形测试。三. 电路组成以及原理分析1、交流电机的降

3、压起动原理降压起动的目的：降低起动电流I st。降压后的机械特性：Tm二U12Tst 乂 U12交流电机轻载降压运行，可以提高电机效率，避免“大马拉小车”，节约电能图1感应电机机械特性2、双向晶闸管的相控调压图2软启动主电路普通晶闸管：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, 个门极G通常在G-T2之间加入触发脉冲，使其导通IA202G1Al图3单双向晶闸管示意图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4 相控调压

4、触发角示意图四. 控制系统的硬件电路分析 由于交流电机的转速与其端电压成正比，而端电压又取决于导通角的大小， 因此，通过控制导通角的大小即可控制电机的转速。 设计一个初始角度， 以后每隔 一定的时间给导通角一个小的增量，即可实现电机的平滑起动。晶闸管的导通角控制采用数字存储技术，事先通过编程，将要应用的触发脉冲 数据写入存储器中， 然后通过合适的控制方案，再读出这些数据交易利用，便可控 制晶闸管的导通角不断变化，本设计中采用EEPROM2864实验板主要包括：滞环电压比较器、单稳移相电路、锁相倍频环节、EEPR 0存储模式及触发脉冲的产生、错相序封锁控制电路模块，及驱动电路、主电路等。控制板上

5、，线电压信号 uab 经过滞环电压比较器产生同步方波，方波移相后，与相电压ua同相位，然后经过锁相倍频，频率变为 256*50HZ作为计数器74393 的时钟信号，74393产生8路分频信号，连接到EEPROM286的地址线，从而读出 2864事先存储的数据，输出触发脉冲。考虑到实验中三相相序可能接错，设计中采用了错相序封锁控制。若相序接错， 则封锁缓冲器 74244的输出，没有触发脉冲输出，晶闸管不能导通；只有当相序完 全正确时，才能输出触发脉冲，导通晶闸管。数字存储式交流电机软起动控制框图LM393CD404674122llL74122LM393频蛊PEL单稳 延时 1115滞环 过零 比

6、较*8位计数74393Q0AJ7DODLD274244至 予SCR 驱动Q774161Z 4NE555图5控制电路框图五. 各部分电路的原理与分析1.滞环电压比较器滞环电压比较器能提高电路的抗干扰能力，因为电路在翻转点单向灵敏，即只有 输入信号沿某一方向越过翻转点变化时， 输出发生翻转，而输入沿另一方向越过该 翻转点变化时，输出不翻转。从而可以将工频 50Hz正弦波变换为同步的标准 TTL 方波。电路中引入正反馈，一方面加速了输出电压翻转过程，另一方面给电路提供了 双极性参考电平，产生回环。实验中滞环电压比较器如图所示， 其主要作用是将正 弦信号转换为标准的TTL方波，便于后续电路的使用。该比

7、较器采用 LM393实现， 双电源供电方式，有利于调试。滞环电压比较器原理图如图所示：+12VVR11F 5Q0KR410K1R3112K74L SO4010KE3O*J0.22U |1D1LM393(1:AR110KR71CKO.O22UF-12V-12V_图6滞环电压比较环节原理图滞环比较器的输出为-12V+12V,经过电平调理电路，后接非门。采用两次反相，主要是因为电路产生的方波并不是非常标准,低电平有负值，高电平有时不足4.2V，当后续电路工作时，高电平被拉得很低，并且有凸峰，不利于后续电 路的工作。加上反相器后，将原来波形变成标准的TTL方波。滞环回差的作用：Uab在过零点附近，若迭

8、加有杂波干扰，不会导致uo的多次 跳变而造成同步紊乱，只要干扰幅度不超过 *。2.单稳移相电路实验中利用相电压产生触发脉冲，如果用线电压信号，就会造成触发紊乱，单 稳移相电路就是为了把线电压转换成相电压而设计的在本设计中用74IS122实现，如下图，调节VR2使122的输出Q的上升沿比滞 环电压比较器的上升沿（B2 口）延 迟30，由于是要保证上升沿同步，故取 Q的 反作为输出。相对应的调节时间为 匕=0.7 VR2 Cn=1667ms。+5VBa 血)14Wc B,Rm-rCn11ti=O.BzAi AsQ (%)LI30，J采用集成锁相环CD4046完成工频50HZ的同步和256倍频，如图

9、6所示。基本原理 如下：鉴相器PD将AIN与BIN的相位进行比较，产生一个与二者的相位差成正比 的误差电压V (t)，再经由LPF滤波，得到控制电压Vd(t),并加到VCO的控制端。 VCO的输出经一个计数器进行8分频后，再送至鉴相器，进而与输入进行相位比较， 最后使二者的相位差恒定，从而实现锁相。硬件原理图如下图所示50Hz压控振(VCO)鉴相器PD低通(LPF)图9锁相同步环工作原理256*50Hz工频50Hz同步是应相位同步的要求，256倍频是应128个起动模式的要求。相位锁定的基本原理是：当计数回零时，BIN输入 个上升沿，此沿与同步信号AIN上升沿对齐从而保证计数器在电网正半周0时开

10、始从0开始计数。如果某一时刻，AIN和BIN的脉冲的上升沿没有对齐，那么在鉴相器内部便会产生电压差，使压控振荡器输入端的电压变髙或变低，从而改变倍频的频率。ATNBINt PD2i 5V:i2.5V2,5Vttont图10锁相环输出特性当BIN比AIN滞后一个小的角度，那么鉴相器就会产生正的电压差，压控振荡器输入端 的电压变高，倍频频率上升，最终完成AIN和BIN的对齐；当BIN比AIN 超前一个小 的角度，那么鉴相器就会产生负的电压差，压控振荡器输入端的电压 变低，倍频频率下 降，最终也完成了 AIN和BIN的对齐。BIN为8位计数器输出 的第8个管角，即Q7可见其频率是50Hz AIN为工

11、频电网相位信号。通过这样的动 态调节，VCO输出的256*50Hz的脉冲就可以保持和工频电网相位的对准了。4. EEPRO存储模式及触发脉冲的产生电可擦除的可编程ROM简称EEPROM有四种工作方式，即读、写、字节擦除、整体擦除。实验中使用 EEPROM2864图11EEPRO存储脉冲示意图事先编程产生数据代码，以汇编方式固化存入EEPRQM其外部连接如图所示:至244 驱 动低频脉冲形成调起动时间图12EEPR0外部连接图实验中A8Al用于模式选择，即导通角的大小。AoA7用于在每个正弦周期产生脉 冲，即根据导通角的大小，选择连续脉冲的宽度。4位计数采用74161实现，不断变换模式。8位计数

12、循环扫描采用74393实现。总结构如下图：总的思想为：由256倍频的时钟驱动8位计数器循环扫描，得到输出信号：00 FF 00 FF,8位计数器输出信号作为存储器低 8位地址线A0- A7的输入， 用于每种模式的脉冲产生，A8A11用于选择模式，即导通角的大小。每一次扫描 将内存中对应地址的数据（事先保存好的）读出。这样，每完成一次计数扫描，正 好实现一个周期的脉冲触发，在这里，输出为八位，由于只有三相，有效位为D0,D1和D2,如下图所示：D7 d6Di DoT T个01#25613 256B256B15*图13 2864存储模式工作原理5、模式选择控制电路16种工作模式由计数器161实现，

13、调节555的时钟周期作为161的时钟触发elk就可以调节每种模式保持的时间。多谐振荡器555的结构如下图R一8启动7时间叹63调整55521图14多谐振荡器555工作原理如=0.693(只25+ VR 6)C15如=0.693 VR6*Ci5T=0.693(R25+ 2VR6)C15f1.44= (R 25 2VR6)Ci5调节VR6使得频率为0.1HZ,则每个模式将执行10s。6.错序封锁电路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。由于实际工频交流电源很少有中线，因此控制电路一般都是采集线电压信号。 实验中利用Uab与Uac之间的相位差，分别延

14、时后相“与”，从而判断是否错相序， 实现相序控制。利用光耦4N25,将交流信号转换为方波。Uac电压高达380V,要求 二极管d2耐压高，r13功率大，是正半周光耦导通时，发光二极管电流10mA左右。原理图如下：:3.jso11+:ImSI图15错相序封锁控制波形图实验时，按先后顺序将各部分单独焊接调试。 先不接错相序封锁部分，通过跳 线控制74244的输出。跳线接在 GND寸，74244正常输出。当跳线接在LM393的7 脚输出时，74244由错相序部分控制输出。相序正确时，Uab比Uac超前60,即Uab比Uac超前3.3ms, 74LS08输出1ms的 高电平脉冲，在74122的延时作用

15、下输出高电平，74244正常工作，发光二极管正 常发光，错序时则封锁。米用Uac时，相位检测电路用4N25光耦隔离同步检测电路，原理图如下：为了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， 同 时实现隔离控制电路与主电路，需采用晶闸管驱动电路。本设计中， A相采用光耦 MOC305及外围电路，B、C相采用三极管9013和脉冲变压器及外围电路，其中 B 相采用两个单向二极管反并联，而 A、C相采用双向晶闸管。O PTJLSEAHR91.5K 2Wps30T Vi图17 A相光耦驱动工作原理0.1KFL53K R3CI图18 B、C相9013三极管驱动原理上原理图中，VD1

16、和R3很重要，构成了续流之路，若无 R3,则电流衰减慢，不能 在下一个脉冲到来之前时磁通复位， 则会造成饱和。同时因为续流之路的存在，使 9013在关断瞬间的集电极电位大为下降。电阻R1起限流作用，R2可提高电路的稳定性，电容可以滤除低频谐波。晶闸管驱动的关键在于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。测量结果驱动幅值约为 1V左右，持续时间约为20us,满足 晶闸管的触发要求。同时，由于 A相采用光耦触发，无法测量其对应的波形，只能 在实际中检测。七. 电源板组成：交流电源电路、直流电源电路、测试脉冲产生电路作用：产生系统所需要的交流电、直流电和测试脉冲。八.

17、 主电路部分JPILSEA-OA-O Bl-O Bt-O B2-O dO C亠0C”O34567AHJKAt QFl2 AAlBt0CloJIP1IASE-AJ2P1LXSE-B3J0f22AJ5PHASE-CClQB2-ORQi T0.221630OBE-J4PHASE-AoAO0 CRIZAMR3B0/2W/rCR12AMOBOOB-c-oJ6PHASERococoQTA%V3lCTJF 63OXr九、各环节调试波形及分析（1）电源脉冲输出波形(2)驱动电路脉冲输出Swlft5TEK2 103l*lUMeasureMeasure0.GwlftSTEK甘 K 500MU Z 100MU频率1

18、： 6.631kHz 3： chan off峰-峰值1- 1.河 2； chan offQ CH2 EDEE FDCC IBS.143Hz占空率1； 22.04N 2； chan off11： 389, ?ns2： chan offW1： 199mU2： chan off,LJ. iV rtii、上峰峰值i； 1.41U2； chan off平均值1： 229mU2： ehan off频率卜1： 6.S21kHz I I%-X - - l: : -1i i耳* w：V Mi111iij.ihN J4, _丄ilLjJ| i i0 I 1j 、0.2： ch亦 off fiS? 1:细亦2l c

19、han off?iw1： 534.7ns2： chan off CH2 EDEE ZDC 24&.322HSB1相输出B2相输出0.SwlftSTEKQi = 500MIJ2 IOQrUti 6.5043HzMeasure峰-峰值It 1. S3U 2： chan off W1： 565mU2： chan off频率1： &.616kHi 2： chan off 占空率 f 42.&Cg chmn oFf1：2： chan offEDGE yDCfSDlC 相输出(3)控制电路输出滞环比较环节:臨林 STEK5, lQQniTri i - f*L上升时间 1： 1. 124ms K 5 &峰-

20、峰值1； 26.3U 2； 50.7U2； 50 03Hz1： -1.75UO = 5UQ= 10110)2,5msEDGE J7 DC0 50. 0294Hzrsol臨忻STEK0, 000S丁广_T*L 初总日Sue*峰峰曬1： 36*5Lus2： 5 706msfDbnsOi.- 0 SQGeTt AutosetVV|Vlll|llpv|viii|iifti 口口 * rri r 厂 i 11卫.叶.：”tt nFE-TLMT-i - r-rirl1!評询EKv- 直 SS0sT*L Autoset - I PI 1 fl I I kfl |V I m I Tl I V| -Fl P I

21、 l-l I ! I R I | H4O = 5UEDGE TDCQ5U50.0364Hzfsol0 = 5U05UEDGE TDCG50.0412Hz饰模式14模式15模式13模式12模式11模式10百叫AST EKAutosetEDGE JDC(i 49, 9833Hz模式9模式8Q5U50.0008HzfSDl模式7模式67片壬0. 000每回复 设置 EDGE FDC&5G.0407Hz囱模式5模式4二.rtAutoset6.0盹MG-MSTEK50.0G43HZ*1宇：；:Mr1*3：遣EDEE ZDC模式3模式2Autoset0. 000爲fSDlimlinniii回复 设置EDG

22、E TDCG 50. 0127HzO = 5V目=5U模式1各触发模式对应触发角工作模式A相对应时间（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错相序封锁控制:检测相序:Q= 10H50.0037HzUac超前Ubc 600 000WGinsrEkgi 0 2U 0=2U0 49.9923HzTr-L-ic _f*LMeasure峰峰值.L 5.19U2； S

23、. 19UTOff1! 2, SIU 3： 2.30U频率1： 30. MHz 2： 501； 43.60C： 2： 46*93 Wffl1： 15.99US2： 31 g* GumEDGE rDCC 50.0021Hzrso)EDGE J DC光耦之后LM393输入与输出1ms延时输入延时74LS085msu1超前u2 60度输出（u1与u2相与）74LS08带灯箱负载波形随着模式由0变到15,相电压波形越来越完整，并接近正弦。在达到最后一个模式时，电压波形为完整的平滑正弦波49.9991HzfSDlQ CH2 EDGE rDC 50.0202Hz模式1 一展 底部反相 关且 带宽限制关且模

24、式2fSDl49.97S3HZfSDlQ CHS EDGE rDCll 50.0513Hz模式5模式8臨协STEKv+* 0Tr-igy# J*l CH 2nW)1 口(D 諭 mDCH2 EDGE TCC50.0057Hz饰T耦合A ： Z7 :厂FW 1 I 1 I i. n Lua ja.Ba I： ： 7 ：?： : 7:/:/7 V亠反相关且 带宽限制关且电压I V 1| 1 ： Z ：!：/：； A :J；fu /J-*1 :VII IU 1 1:4 i i1亠亠.1” 1: :展部 r底臨伏STEKv+* 0, Q00s 工均里. *工 CH 2(Dmm匚贮 EDGE ypcC

25、5G.QC41HZfso)模式14模式15十.思考讨论1. 分析计算滞环比较器的VH与V的调节范围。若使VH=0,电位器VR1应调多大？ 输出高电平应为多少伏，与何参数有关？R1 - R2R1 - R2答： 由 公 式uUhUUl =Uref, 由R1+R2 R1 + R2 R1 + R2 R1 + R2U =12V,U-12V,Uref 二-0.7V，当 Uh =0 时,Vr1=151.4 K1。输出高电平应为12V,与比较器的供电电源电压有关，还与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

26、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：通过单稳移相30从线电压Uab得到相电压Ua,需得到与ua同步的上升沿，Q 输出为上升沿触发脉冲。移相时间：20* -301.667 ms360若前级的滞环比较器 VH调得不是0V而是+0.5V，可以通过单稳移相来调整。缺点：对不同幅值的正弦输入，不能保证移相角度正确。3. 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（380-1.4）/9二

27、42.07 K，可取为 40K），其功率为 9A2*40*10A（-3）=3.4W二极管D2的作用是使的Uac只导通正半周。4、在原理图上找出U1U4勺对应位置并标出。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：他们的工作原理相同，只是所起的功能不同。对应的单稳的输出是为了判断Uab和Uac相序是否正确。从Q端输出的才是Uab和Uac的相位。若U1.U2 的脉宽对调，此时，U4将一直是低电平，导致输出无法正常工作。5、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：

28、刚上电时，C5初始电压很小，LM393输出高电平，使74244的3路输入信号被 封锁，输出处于高阻态，当电容充电电压超过 2.5V左右，运放输出变低，解除封 锁，74LS122开始工作。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：封锁延时的输出通过电容与模式计数器相连，开始上电时，由于电容电位低，MR端得到低电平，使计数器不工作，待到电容充电结束，计数器工作正常。7、在控制板上确定4位发光二极管的排列顺序。答：控制板板面向上，自右向左依次为 Q0Q38、74LS161的计数保持作用与原理分析答：当74LS161计数到第15个时钟脉冲，

29、TC由0变1,形成一个正脉冲，将PE置 零，置入P0P3数据，输出保持全1,即保持最后一个模式不变。9、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,又因为有16种模式，那么每种模式持续时间就是10S, 即555的输出的矩形波的周期为10S。根据tH =0.693(R25 VR6)*C15，可得VR6=132Kj10、结合图12分析：LM393-A输出波形的高电平带有弧状的原因；答：可能是由于之后的负载电路中含有电容导致的充放电效应，也有可能是因为工作线性和非线性区或是饱和和非饱和区的原因。11、在图9所示锁相环电路中，分析其中的非门所起的作用，结合锁相环在保证晶闸管触发角与电网同步方面所起的作用，分析若将非门移除不用，对同步触发会带来何种影响？答：当八位计