交流電機軟起動實驗平臺的開發

馮興田,張加勝,李浩光

(中國石油大學(華東)信息與控制工程學院,山東東營 257061)

為了給電氣工程專業學生提供更多的動手實踐機會,提高他們的綜合分析問題和解決問題的實踐技能,本文提出了一種基于數字存儲式控制的交流電機軟起動裝置。該裝置應用了交流電機的降壓啟動原理,采用晶閘管的相控方式,利用了數字存儲器E2PROM為核心實現控制系統的設計;該裝置結合了電氣工程專業的重點課程內容,能夠讓學生系統全面的匯總所學理論知識,提高綜合實踐能力[1]。

1 實驗裝置設計

交流電機軟起動實驗平臺主要由主電路和軟起動控制裝置構成,實現交流電機的軟起動功能。主電路由三相交流電源經過雙向晶閘管連接三相交流電機與負載構成。基于數字存儲式控制的交流電機軟起動裝置主要包括:E2PROM存儲控制電路、錯相序控制電路、晶閘管主電路及驅動電路。軟起動裝置控制框圖如圖1所示。

1.1 E2PROM存儲控制電路

交流電機的轉速和其端電壓成正比,而端電壓的大小又取決于導通角的大小,通過控制導通角的大小就可以控制電機的轉速。設定一個初始的角度,以后每隔一定的時間給導通角一個小的增量,即可實現電機的平滑軟起動[2]。晶閘管導通角的控制,采用了數字存儲技術。事先通過編程,將要存儲的觸發脈沖數據先寫入存儲器中,然后通過適當的控制方案,再讀出這些數據加以利用,便可控制晶閘管的導通角持續變化。

圖1 交流電機軟起動裝置控制框圖

實驗裝置中采用的存儲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為其數據線,讀方式時輸出數據。實驗中高四位A8～A11用于選擇模式,即導通角大小。A0～A7用于在每個正弦周期產生脈沖,即根據導通角的大小,選擇連續脈沖的寬度。由于工頻交流電只有三相,因此輸出數據線只用到了D0～D2,其余懸空即可。4位計數器不斷變換模式,其時鐘信號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,即可以改變電機的起動時間[3]。8位計數循環掃描:00→FF→00→……,根據導通角的大小,選擇對應的脈沖寬度。運行模式共16種(A11～ A8選擇),共占 4kB存儲空間,每種運行模式都有相應的指示。假設每個模式運行10秒,則起動時間為16×10s=160s。

1.2 錯相序控制電路

實驗過程中學生有可能將三相相序接錯,該裝置設計中采用了錯相序封鎖控制。由于實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。裝置利用uab與uac之間的相位差,分別延時后相“與”,從而判斷是否錯相序。實現相序控制如圖1中下半部框圖所示[4]。在三相電源線電壓uab和uac如圖1所示無誤的情況下,由單穩產生的窄脈沖波形u1和u2相“與”的結果u3為窄脈沖輸出信號,從而使可重復觸發單穩輸出信號u4保持高電平,進而使E2PROM產生的觸發脈沖序列經驅動環節正常輸出;若三相電源接線出現相序錯誤,則相當于圖1中uab、uac兩線電壓對調,此時,u1和u2不會同時出現高電平,故u3恒為低電平,從而封鎖觸發脈沖,并給出錯相序警示。

1.3 晶閘管主電路及驅動電路

我們采用雙向晶閘管構成典型的三相交流調壓主電路[5]。為保證晶閘管可靠觸發導通,門極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續時間,以及盡可能短的電流上升時間。控制電路和主電路之間的隔離采用脈沖變壓器實現。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驅動電路,難以傳遞寬觸發脈沖。實驗中采用了對輸入寬脈沖信號進行高頻調制的脈沖列觸發方式。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驅動功率和提高觸發的可靠性。

圖2所示的晶閘管驅動電路由三極管9013和脈沖變壓器及附屬電路組成。當三極管導通時,在晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發脈沖,提供觸發電流。當三極管關斷時,原邊產生下正上負的自感反電勢,使反并聯的二極管VD1導通,對原邊電流形成續流通路。由于二極管反偏,所以副邊形不成電流通路。VD3的存在使此時輸出給門極與陰極間的電壓近似為零,此外還具有防止負脈沖和其他干擾信號影響晶閘管工作的效果。VD1和R3提供的續流支路可使9013在關斷瞬間的集電極電位大為降低。

圖2 晶閘管驅動電路

2 實驗裝置特點

由于該裝置涉及電氣工程專業的多門課程,因而由交流電機軟起動的實驗平臺形成了一個完整系統。實驗平臺集中體現了強弱電結合的專業特點,將微電子技術、電力電子技術及電機拖動控制技術密切結合,融為一體。

實踐內容包括了解所使用裝置的方案設計,分析掌握各部分電路的工作原理、焊接組裝及調試控制、電源和驅動等各部分電路。學生進行裝配接線,可掌握一定的調試方法。

3 結語

該實踐課程要求學生2～3人分為一組,領取一套實驗裝置進行實驗的調試。最終的任務驗收包括三個部分:驅動部分、控制部分和錯相序封鎖部分,驗收時觀察電機軟起動的運行情況,并針對實驗現象進行相應的提問。驗收通過一部分就記錄一部分,當場驗收當場記錄,哪個部分驗收不合格就繼續調試哪部分。

我院開發的基于數字存儲式控制的交流電機軟起動實驗平臺方案,應用交流電機的降壓啟動原理,采用晶閘管相控方式,利用數字存儲器E2PROM為核心實現了控制系統的設計。該實驗裝置綜合性強,訓練內容多。實踐證明,交流電機軟起動實驗平臺達到了預期的實驗教學目的。

[1] 蘇澤光,朱榮輝,肖金風.構建電氣工程專業實踐創新能力的實踐教學體系[J].天津:電力系統及其自動化學報,2002,l4(5):73-76

[2] 楊拴科.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2003

[3] 吳劍.基于單片機的交流電機軟啟動節能設計[J].北京:電力與能源,2009,25:335-336

[4] 曹漢房.數字電路與邏輯設計(第四版)[M].武漢:華中科技大學出版社,2004

[5] 張加勝,張磊.電力電子技術[M].山東:中國石油大學出版社,2007