数字存储式交流电机软起动装置的组装与调试

1、 电气工程及其自动化专业综合实践 学 院 ： 信息与控制工程学院 专业班级 ： 电气工程及其自动化11-3班 数字存储式交流电机软起动装置的组装与调试摘要介绍了一种交流电机软起动装置的数字存储式的实现方案。该实验装置通过控制交流电机的端电压导通角的大小来控制电机的转速，从而可以实现电机的平滑软启动。分析和讨论了控制系统和驱动系统的基本工作和基本原理。该装置主要可以使交流电机在轻载时降压运行，从而可以提高电机效率，避免大马拉小车的现象，节约电能。通过试验测试结果验证了本系统方案及控制方法的正确性与可行性。 关键词：驱动、控制板、灯箱和电机负载、开关管 AbstractIntroduces a i

2、mplementation scheme of AC motor soft start device is digital storage. The experimental device controls the motor speed by controlling the AC motor conduction angle of a terminal voltage, which can achieve smooth soft starting of the motor. Analyses and discusses the basic work and basic principles

3、on control system and drive system. The device can make the AC motor step-down at light loads, which can improve the motor efficiency, saving energy. According to the experiment testing, the system plan is proved to be reasonable and feasible.0、引言 三相异步电动机因其结构简单，性能稳定及无需维护等特点，在各行业中得到了广泛的应用。但它是以反电势为主的负

4、载，即以反电势来平衡外加电压。电动机的反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在启动开始时反电势为零，所以启动电流很大。这样大的启动电流不仅加重了进线供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷，而且对电网及其负载造成干扰，严重时甚至危害电网的安全运行；同时，由于启动应力较大，出现的巨大转矩又会使电动机发生猛烈的冲振，并且也给用作动力传输辅助设备（如三角皮带、变速机构）和做功机械设备带来不可避免的机械冲击。所以，这种“硬启动”不仅会缩短传动单元和做功机械设备的使用寿命，而且过高的启动电流还会引起供电电网的电压骤然跌落，致使那些对电压敏感的用电设备产生负面影响。 1、部分电路的原理及电路分析1.

5、1交流电机的降压起动原理 降压起动的目的：降低起动电流Ist。降压后的机械特性：、图1：感应电机机械特性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。1.2基于晶闸管的相控调压 （1）普通晶闸管：两个普通晶闸管反并联，输入两路脉冲。 （2）双向晶闸管(KS)： 两个主电极T1、T2，一个门极G。通常在G-T2之间加入触发脉冲，使其导通。 图2 单双向晶闸管示意图 图3 软启动主电路 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

6、。的调压可控范围：180°。图4 相控调压触发角示意图2、控制系统的硬件电路分析 LM39328642.1 EEPROM存储模式及触发脉冲的产生 图5 EEPROM存储脉冲示意图电可擦除的可编程ROM，简称EEPROM。有四种工作模式，即读、写、字节擦除、整体擦出。 图6 EEPROM外部连接图D0D2：A、B、C三相脉冲序列，依次相差120°。总起动时间实际上就是16个模式总运行时间，如果每个模式是10s，那么总起动时间就是160s。图7 16种起动模式模式选择：=150°， 20°，10°，0°，共16种，每个模式占有256B，共

7、占4kB存储空间。A8A11：选择模式，即导通角的大小。A0A7：选择模式中的某一位。2.2 模式选择控制电路采用可预置同步计数器74161实现。图9 555外部连接图图8 74161连接图74161的控制功能: 当计数到第15个时钟脉冲，Q3Q0=1111，TC由0变1，形成一个正脉冲，将PE端置零，置入P0P3数据，输出保持全1，即保持最后一个模式不变。超低频时钟的产生：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。通过改变电位器R2的大小，便可以改变输出方波的频率。2.3 滞环电压比较器作用：将工频50Hz正弦波变换为同步的标准TTL方波。 图10 滞

8、环特性 图11 滞环比较器原理图二极管D1将电位拉至-0.7V，作为参考端。LM393输出为集电极开路结构，需在输出侧加上拉电阻，否则无法输出高电平。R5、R31为上拉电阻。LM393输出高电平时，D3导通；LM393输出低电平时，D3截止，从而实现电平转换。回差：。调VR1使=0，过零比较，使和严格同步，（检测的每周期起点）。滞环回差的作用：再过零点附近，若迭加有杂波干扰，不会导致的多次跳变而造成同步紊乱，只要干扰幅度不超过。LM393(B)、74LS04作用：将输出波形变为标准TTL方波。2.4 单稳移相电路 超前30°。作用：将的同步信号转换为的同步信号。 图12 单稳移相电路

9、74LS122是可重复触发单稳态触发器，具有可重复触发功能和异步置零功能。B1、B2为正跳变触发脉冲输入端；Q、是输出端。在触发脉冲有效时，Q端输出正脉冲。输出脉冲宽度。图13 控制角波形图A相晶闸管的开通角应从的过零点，即Q的上升沿算起。2.5 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14 CD4046原理图 2.6 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

10、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。图15 光耦隔离同步检测 利用光耦4N25，将交流信号转化为方波。电压高达380V，要求二极管D2耐压高，功率大，使正半周光耦导通时，发光二级管电流10mA左右。相序正确：uab比uac超前60o，即uab比uac超前3.3ms；相序错误：uab比uac滞后60o，即uab比uac滞后3.3ms。相序错误：移相后u1将比u2滞后3.3ms（ u1代表uab的相位, u2代表uac的相位），而不是上面的超前3.3ms。u1和u2相“与”的结果，u3将不再有1ms的脉冲产生，则u4恒低 。封锁控制电路：图16 封锁控制电路图作用:（1）

11、将u4转变为74LS244控制信号； （2）刚上电时，鉴相器需要一定的稳定时间，在尚未完全锁相同步情况下，暂时封锁输出。3、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 图17 A相驱动电路原理图光耦MOC3052（光电双向可控硅驱动器）图18 B相驱动电路原理图 LM393、脉冲变压器、外围电路20 R4

12、 图19 C相驱动电路原理图 9013、脉冲变压器、外围电路4、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。 4.1 直流电源电路电压等级：+5V、+12V、-12V三端稳压块：7805、7812、79124.2 交流电源电路交流电源电路主要是一台小型变压器构成。该变压器输入交流220V，分别输出交流8V、交流18V和交流双13V三组电源。为了防止由于短路或有其他原因造成过流，在220V的输入电路和交流18V的输出电路均串联了保险丝，以实现保护作用。4.3 测试脉冲产生电路作用：产生频率可调的脉冲信号，用来测试驱动电路。通过计算，

13、该电路所输出信号频率可在6.2520kHz之间变化。5、测试波形图5.1 电源波形图 图1 交流18V输出 图2 +5V输出 图3 12V输出 图4 +12V输出 图5 555测试脉冲输出分析：由波形可知，电源板的直流正负12V和交流18V都输出正常，555测试脉冲的输出脉冲频率为10kz，符合要求，可以用来测试驱动板的输出。5.2 驱动电路脉冲输出 图1 B相副边1驱动输出 图2 B相副边2驱动输出图3 C相副边驱动输出分析：由以上波形，B相C相输出波形近似为规则的方波，B相副边1和2基本一致，C相有纹波，不过纹波的峰峰值在10V以下对驱动的影响不大。由以上脉冲输出波形可以看出，高电平触发时

14、间超过30，且高电平幅值超过1V,可以满足要求。5.3 控制电路部分输出（1） 过零+移相30度波形图 图1 滞环过零比较 图2 A相移相30度分析：由图1可知波形已经被整为标准的TTL方波，而且方波严格过零。图二是通过调节阻值，可以使较滞后30°。（2） LM393各管脚波形图 LM393（1）一管脚 LM393（1）二管脚 LM393（1）三管脚 LM393（1）四管脚 LM393（1）六管脚 LM393（1）七管脚 LM393（1）八管脚分析：由图可知，LM393各管脚的输出波形正常。（3） CD4046锁相环倍频波形图图1锁相环AIN和BIN（同相同频） 图2 锁相倍频CD4

15、046的输出256倍频分析：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。CD4046的输出也是256倍频之后的波形图，频率为12.8kz.（4）74LS393分频输出 74LS393的输入波形256*50Hz 74LS393最高位输出50Hz 74LS393次高位输出100Hz 74LS393第2位输出200Hz 74LS393第3位输出400Hz 74LS393第4位输出800Hz 74LS393第5位输出1.6kHz 74LS393第6位输出3.2kHz74LS393第7位输出6.4kHz 分析： 由波形可知，74LS393的

16、输入端为256*50Hz的脉冲，即鉴相器的输出脉冲，输出端3、4、5、6、11、10、9、8管脚的输出波形频率依次减小一倍，作为2864的低八位输入，用作寻址选择对应的脉冲宽度。 (5)2864在不同工作模式下的A相的触发角（选取部分角度图像） 模式0 =154.8度输出脉冲 模式4 =90度输出脉冲 模式9 =60度输出脉冲 模式12 =25.92度输出脉冲模式15 =0度输出脉冲表1 所有工作模式对应触发角汇总表工作模式A相触发时间（ms）A相触发角度(°)00008.6154.8°00016.8122.4°00106.2111.6°00115.61

17、00.8°0100590°01014.581°01104.2877°0111472°10003.868.4°10013.259.4°10102.646.8°10112.137.8°11001.4425.92°11010.9216.56°11100.447.92°111100°分析：有以上部分波形可知，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5S左右，从而每隔5S

18、，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。角的变化并不是以10°为公差的等差数列。图一：A、B两相输出脉冲相差120度 图二： B、C两相输出脉冲相差120度分析：此两个图用来验证控制板的输出脉冲是严格相差120°的，符合要求。（6） 错相序保护电路波形图图1 220V线电压Uab和Uac(60度) 图2 延时1ms 图3 延时5ms 图4 U3（方波）和U4(高电平)分析：比滞后60°，二者相差约为3.3ms。和分别为和延时之后的信号。在和与接正确的情况下，比超前3.

19、3ms，和相与后，产生1ms的高电平脉冲，在可重复触发单稳74122的延时作用下恒为高电平。（7） 带负载情况(a)、带灯箱负载时线电压波形分析：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，对应于线电压波形的形状“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。（b）、带电机负载时线电压波形分析：带电机负载时，由波形可知，随着时间的推移，通过万用表测量线电压的值逐渐增大，对应于线电压波形的形状“向左推移”，变得越来越完整，越来越接近正弦，到第6个模式左右时电压已达到最大值，输出波形也已成为正弦波，这是因为电机为感性负载，会对后面模

20、式的电压进行补偿，所以不用到最后一个模式，电压波形就以变成完整的平滑正弦波。6、思考题1、 分析计算置环比较器的、的调节范围。若使=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：由实验指导书图12，令+=,有：，式中=-0.7V。合理地选择的值，即可得到不同的和值。令=0，带入以上公式可以解得=151，=-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度，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？若前级的置环比较器调的不是0伏而是+0.5伏，可否通过对单稳相移时间的调整予以补偿，这样做会存

21、在何缺点？答：Q输出的为下降沿，而实验中要求得到的是与同步的上升沿。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、 确定EEPROM2864(8KB)输出触发脉冲的周期和调制频率。 若取每个角度对应的存储长度为64bit，则2864能存储最多达多少模式，给出其全部管脚的接线设计方案。比较两方案的优缺点。答：若取每个角度对应的存储长度为64bit，则8*1024/64=128种，优点是启动更加平稳，缺点是启动时间更长了。5、画出74244各管脚的内部逻辑关系框架。6、对错相序封锁部分的电路，设Uac为380伏，

22、光耦输入侧发光二级管的额定电流取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 的阻值为 380/9= 42.2 K，取=40 K，故其功率为380*380/（2*40*1000）=1.8 W，二极管 的作用是使的正半周光耦导通，负半周不导通。7、在原理图找出U1U4的对应位置并标出。U1、U2、U4对应的单稳与30度移相的单稳，两者工作原理和所起作用有何区别？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：为74LS122（3）的8脚；为74ls122（2）的8脚；为74ls08的11脚；为74ls122(

23、4)的8脚。两者的工作原理相同，只是所起的功能不同。、对应的单稳的输出是为了判断相序是否正确，只是延时作用，利用的仍然是脉冲的上升沿。移相的单稳是为了得与同步的信号。从Q端输出的是和的单稳延时信号，上升沿一致，若从输出，得到是经过反相后的信号。若、的脉宽对调，此时，将一直是低电平，导致74244封锁，电路无法正常工作。8、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

24、平，74244处于封锁的状态，当电容充电电压超过2.5V时，运放输出变低，解除封锁。其上电后延时的时间取决于此RC充电回路中电阻和电容的大小。8、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。8、在控制板上确定4位发光二极管的排列顺序。答：发光顺序为从右往左亮，即Q0先

25、亮，Q3最后亮。从0000到1111。11、74161的计满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，置入数据，输出保持全1，即保持最后一个模式不变。12、若要起动时间为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，将,=43C15=47uf,代入上述公式，可得 13、结合图12分析： （1）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

26、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。16、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。18、对C相驱动电路，结合理论分析和实验，试画出变压器原边、副边

27、、输出端电压和晶体管集电极电位波形，给出分析。如图所示为C相的驱动波形，黄线为变压器原边的输入波形，蓝线为副边输出波形。由图可知，输出脉冲的上升沿大于1V，持续时间在30us左右，符合触发要求。能够使C相晶闸管正常导通关断。19、主电路负载Y0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？（注意测高电压要使用探头衰减）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。7、实习总结为期一周半的实习算是告一段落，通过这个课程设计对数字存储式交流电机软起动装置的组装与调试有了更深刻的了解与认识。尤其是驱动电路，以前只是知道有“驱动”这个名

28、词，通过这个实习明白了驱动的真正含义，驱动实际上就是功率放大，将控制面板输出的控制信号进行功率放大，使其能够时主电路的开关管正常的导通关断。应当注意的是，驱动电路和主电路之间要有强弱电的隔离。7.1 电路的测试此次实习的电路由四部分组成，电源板、控制电路、驱动电路、主电路。首先调试的是电源板，测试输出的直流和交流电源是否正常，然后测试了555芯片的测试脉冲是否正确，通过改变电阻，将其频率调到了10kz，用于后面的驱动电路的测试用。接下来是焊驱动板，电路图使用将以上给出的电路图，只是有一小部分改动了一下，驱动板的主要问题是变压器的绕制和电路的布局，通过小组成员的分工协作，焊接的驱动板在加上测试信号后都能正常工作，输出脉冲的幅值和高电平持续时间也符合要求，值得欣慰的是所绕变压器在工作时的噪声特别小，因为噪声越大对后面的主电路影响越大。然后等老师发芯片进行控制板的调试。测试的步骤如下（1） 调节电位器，测试交流和74LS04的4脚，使=0，过零比较，使和严格同步。（2） 调节电位器，测试74LS122（1）的4脚和6脚，使其输出移相30°。（3） 测试CD4046的同相输入和倍频输出。（4） 测试74LS393的8个管脚的分频输出是否正常。（5） 调节电位器,测试74LS122（2）的4脚和8脚，使u2延时1ms.（6） 调节电位器,测试74L