馮興田,張加勝,李浩光

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061)

為了給電氣工程專業(yè)學(xué)生提供更多的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì),提高他們的綜合分析問題和解決問題的實(shí)踐技能,本文提出了一種基于數(shù)字存儲(chǔ)式控制的交流電機(jī)軟起動(dòng)裝置。該裝置應(yīng)用了交流電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)原理,采用晶閘管的相控方式,利用了數(shù)字存儲(chǔ)器E2PROM為核心實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì);該裝置結(jié)合了電氣工程專業(yè)的重點(diǎn)課程內(nèi)容,能夠讓學(xué)生系統(tǒng)全面的匯總所學(xué)理論知識(shí),提高綜合實(shí)踐能力[1]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

交流電機(jī)軟起動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由主電路和軟起動(dòng)控制裝置構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的軟起動(dòng)功能。主電路由三相交流電源經(jīng)過(guò)雙向晶閘管連接三相交流電機(jī)與負(fù)載構(gòu)成。基于數(shù)字存儲(chǔ)式控制的交流電機(jī)軟起動(dòng)裝置主要包括:E2PROM存儲(chǔ)控制電路、錯(cuò)相序控制電路、晶閘管主電路及驅(qū)動(dòng)電路。軟起動(dòng)裝置控制框圖如圖1所示。

1.1 E2PROM存儲(chǔ)控制電路

交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和其端電壓成正比,而端電壓的大小又取決于導(dǎo)通角的大小,通過(guò)控制導(dǎo)通角的大小就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)定一個(gè)初始的角度,以后每隔一定的時(shí)間給導(dǎo)通角一個(gè)小的增量,即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑軟起動(dòng)[2]。晶閘管導(dǎo)通角的控制,采用了數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)。事先通過(guò)編程,將要存儲(chǔ)的觸發(fā)脈沖數(shù)據(jù)先寫入存儲(chǔ)器中,然后通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂品桨?再讀出這些數(shù)據(jù)加以利用,便可控制晶閘管的導(dǎo)通角持續(xù)變化。

圖1 交流電機(jī)軟起動(dòng)裝置控制框圖

實(shí)驗(yàn)裝置中采用的存儲(chǔ)器為電可擦除的可編程E2PROM 2864。A0～A14為其地址線,作為輸入端,D0～D7為其數(shù)據(jù)線,讀方式時(shí)輸出數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中高四位A8～A11用于選擇模式,即導(dǎo)通角大小。A0～A7用于在每個(gè)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。由于工頻交流電只有三相,因此輸出數(shù)據(jù)線只用到了D0～D2,其余懸空即可。4位計(jì)數(shù)器不斷變換模式,其時(shí)鐘信號(hào)由超低頻脈沖形成元件555多諧振蕩器提供。改變555的外接電位器阻值,即可以改變電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間[3]。8位計(jì)數(shù)循環(huán)掃描:00→FF→00→……,根據(jù)導(dǎo)通角的大小,選擇對(duì)應(yīng)的脈沖寬度。運(yùn)行模式共16種(A11～ A8選擇),共占 4kB存儲(chǔ)空間,每種運(yùn)行模式都有相應(yīng)的指示。假設(shè)每個(gè)模式運(yùn)行10秒,則起動(dòng)時(shí)間為16×10s=160s。

1.2 錯(cuò)相序控制電路

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生有可能將三相相序接錯(cuò),該裝置設(shè)計(jì)中采用了錯(cuò)相序封鎖控制。由于實(shí)際中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(hào)。裝置利用uab與uac之間的相位差,分別延時(shí)后相“與”,從而判斷是否錯(cuò)相序。實(shí)現(xiàn)相序控制如圖1中下半部框圖所示[4]。在三相電源線電壓uab和uac如圖1所示無(wú)誤的情況下,由單穩(wěn)產(chǎn)生的窄脈沖波形u1和u2相“與”的結(jié)果u3為窄脈沖輸出信號(hào),從而使可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)輸出信號(hào)u4保持高電平,進(jìn)而使E2PROM產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖序列經(jīng)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)正常輸出;若三相電源接線出現(xiàn)相序錯(cuò)誤,則相當(dāng)于圖1中uab、uac兩線電壓對(duì)調(diào),此時(shí),u1和u2不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)高電平,故u3恒為低電平,從而封鎖觸發(fā)脈沖,并給出錯(cuò)相序警示。

1.3 晶閘管主電路及驅(qū)動(dòng)電路

我們采用雙向晶閘管構(gòu)成典型的三相交流調(diào)壓主電路[5]。為保證晶閘管可靠觸發(fā)導(dǎo)通,門極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續(xù)時(shí)間,以及盡可能短的電流上升時(shí)間?？刂齐娐泛椭麟娐分g的隔離采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)。脈沖變壓器需要采取措施防止磁芯飽和。采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路,難以傳遞寬觸發(fā)脈沖。實(shí)驗(yàn)中采用了對(duì)輸入寬脈沖信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制的脈沖列觸發(fā)方式。一方面可以減小脈沖變壓器鐵芯的體積,另一方面有利于減小觸發(fā)驅(qū)動(dòng)功率和提高觸發(fā)的可靠性。

圖2所示的晶閘管驅(qū)動(dòng)電路由三極管9013和脈沖變壓器及附屬電路組成。當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí),在晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖,提供觸發(fā)電流。當(dāng)三極管關(guān)斷時(shí),原邊產(chǎn)生下正上負(fù)的自感反電勢(shì),使反并聯(lián)的二極管VD1導(dǎo)通,對(duì)原邊電流形成續(xù)流通路。由于二極管反偏,所以副邊形不成電流通路。VD3的存在使此時(shí)輸出給門極與陰極間的電壓近似為零,此外還具有防止負(fù)脈沖和其他干擾信號(hào)影響晶閘管工作的效果。VD1和R3提供的續(xù)流支路可使9013在關(guān)斷瞬間的集電極電位大為降低。

圖2 晶閘管驅(qū)動(dòng)電路

2 實(shí)驗(yàn)裝置特點(diǎn)

由于該裝置涉及電氣工程專業(yè)的多門課程,因而由交流電機(jī)軟起動(dòng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)形成了一個(gè)完整系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集中體現(xiàn)了強(qiáng)弱電結(jié)合的專業(yè)特點(diǎn),將微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)及電機(jī)拖動(dòng)控制技術(shù)密切結(jié)合,融為一體。

實(shí)踐內(nèi)容包括了解所使用裝置的方案設(shè)計(jì),分析掌握各部分電路的工作原理、焊接組裝及調(diào)試控制、電源和驅(qū)動(dòng)等各部分電路。學(xué)生進(jìn)行裝配接線,可掌握一定的調(diào)試方法。

3 結(jié)語(yǔ)

該實(shí)踐課程要求學(xué)生2～3人分為一組,領(lǐng)取一套實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的調(diào)試。最終的任務(wù)驗(yàn)收包括三個(gè)部分:驅(qū)動(dòng)部分、控制部分和錯(cuò)相序封鎖部分,驗(yàn)收時(shí)觀察電機(jī)軟起動(dòng)的運(yùn)行情況,并針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的提問。驗(yàn)收通過(guò)一部分就記錄一部分,當(dāng)場(chǎng)驗(yàn)收當(dāng)場(chǎng)記錄,哪個(gè)部分驗(yàn)收不合格就繼續(xù)調(diào)試哪部分。

我院開發(fā)的基于數(shù)字存儲(chǔ)式控制的交流電機(jī)軟起動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案,應(yīng)用交流電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)原理,采用晶閘管相控方式,利用數(shù)字存儲(chǔ)器E2PROM為核心實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)裝置綜合性強(qiáng),訓(xùn)練內(nèi)容多。實(shí)踐證明,交流電機(jī)軟起動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

[1] 蘇澤光,朱榮輝,肖金風(fēng).構(gòu)建電氣工程專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新能力的實(shí)踐教學(xué)體系[J].天津:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2002,l4(5):73-76

[2] 楊拴科.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2003

[3] 吳劍.基于單片機(jī)的交流電機(jī)軟啟動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)[J].北京:電力與能源,2009,25:335-336

[4] 曹漢房.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)(第四版)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2004

[5] 張加勝,張磊.電力電子技術(shù)[M].山東:中國(guó)石油大學(xué)出版社,2007