三相電動機運行仿真裝置的設計制作

顧宏亮

摘 要 為不斷完善職業學校實習教學環節，在自主開發教具時，都會因三相電機體積過大、過重、運轉現象不直觀、缺相運轉易損壞電機等缺陷而煩惱。筆者運用電子技術設計了一款三相電機運行仿真裝置，彌補了上述缺陷，提高了電力控制類課程實習教學效果。

關鍵詞 三相電機 運行仿真 電路設計制作

中圖分類號：TM307文獻標識碼：A

The Design of Three-phase Motor Running Simulation Device

GU Hongliang

(Jiangsu Wuxi Technician School, Wuxi, Jiangsu 214000)

Abstract To constantly improve the practice teaching in vocational schools, when the independent development of teaching aids, oversized, overweight, and running for three-phase motors are not intuitive, phase failure operation defects fretting damage motor. The author uses electronic technology to design a three-phase motor simulation apparatus, made up for this flaw, improving the effect of the practice teaching of electric power control.

Key words three-phase motor; running simulation; circuit design

0 緒論

為不斷完善職業學校實習教學環節，實習指導教師在開展日常實習教學過程中，自主開發各類實驗實訓教具就顯得尤其重要。其中，在開發電力拖動、電氣控制類課程的實驗實訓教具過程中，都會遇到因三相電機體積過大、過重給制作帶來麻煩，雖然有小功率的三相電機，當要同時安裝多個也就有相當重量了。特別是制作示教板，由于要考慮教具的重心平衡，不得不把支撐架做的很大，給日常的使用帶來麻煩，顯得過于笨重。另外，三相電機在運行過程中的正反轉控制和缺相運行控制直觀效果不明顯，并易損壞電機，給教學效果帶來了一定的影響。鑒于此，有必要開發能直觀顯示三相電動機運行過程的設備，解決上述問題。

1 系統設計的思路

圖1

1.1 電路性能要求

功能要求：（1）模擬三相電動機的正反轉運行；（2）模擬三相電動機的缺相運行；（3）模擬三相電動機的失電停轉運行；（4）三相電源顯示與缺相顯示；

性能特點：（1）強弱電部分相互隔離；（2）體積小、重量輕；（3）控制可靠性高；（4）工作無噪聲，無熱量；（5）成本低廉；

1.2 系統設計框圖（圖1）

2 系統設計的實現

2.1 取樣電路

為盡可能減小裝置的體積，考慮到電路中的強電部分與弱電部分相互隔離（通過光電耦合器來實現），工作電流較小，因此取樣電路采用電容降壓，取樣所得到的50HZ正弦波，分別作為相位識別電路與三相電源顯示電路的輸入信號。為提高電路控制的可靠性，主要采取兩項措施實現。（1）為增強相位識別的可靠性，取L1與L3，相位相差240白魑相位比較信號輸入。?）為防止電網中的干擾脈沖，抑制地線干擾，在相位識別電路之前用555電路構成施密特電路（IC3、IC6），將正弦波轉換為矩形波，送至光電耦合器（IC4、IC5），并采用光電耦合器作隔離輸出(如圖2)；而作為三相電源顯示電路的輸入信號，則對取樣信號進行全波整流、電容濾波，經穩壓后送至光電耦合器（IC7、IC8、IC9）隔離輸出。

圖2

2.2 相位識別電路

相位識別電路由IC2B（CD4013）構成，CD4013為COMS雙D觸發器，本電路選用其中一組；由光電耦合器得到的兩個矩形波信號分別加至D觸發器D端和CP端，Q端為輸出信號（如圖3）。

圖3

由圖4三相矩形波形圖可以看出，L1為上升沿時，L3為低電平；當反相時即L3為上升沿時，L1為高電平。利用D觸發器功能原理得：設L1接CP端，L3接D端，由于L1超前L3，當CP=0→1、D=0，則Q=0，K1不吸合，電機正轉仿真運行；設L3接CP端，L1接D端，當CP=0→1、D=1時，Q=1，K1吸合，電機反轉仿真運行，從而實現了相位的識別。

2.3 三相電源顯示電路

圖4

在光電耦合器IC7、IC8、IC9輸出端串接發光管（LED1、LED2、LED3），當L1、L2、L3正常時，因光耦輸出端導通而發光指示，當缺相時則因輸出端開路而不發光，指示缺相相序。為能辨別相序，可用三種不同顏色發光管指示(如圖5)。

圖5

2.4 缺相信號控制電路

由三個非門電路（IC10A）和二極管（D18、D19、D20）組成與非門（如圖6）。當三相電源正常時，IC10A的輸入端為低電平，輸出高電平，D18、D19、D20截止，V2基極為高電平而截止，K2不吸合，此時三相電機運行顯示電路的轉速為 = ，表示正常運轉；設當缺L1相時，IC10A-5腳輸入為高電平，輸出低電平，D20導通，此時因V2基極為低電平而飽和導通，K2吸合，此時三相電機運行顯示電路的轉速為 = ，由于C11＞C12，因此相對上者較小，轉速也相對變慢，此時表示缺相運轉，實現缺相控制。

2.5 失電信號控制電路

由三個非門電路（IC10B）和二極管（D21、D22、D23）組成或非門（如圖7）。當三相電源正常時，IC10B的輸入端為低電平，輸出高電平，D21、D22、D23導通，V3基極為高電平飽和導通，顯示三相電機運行電路正常工作；設當缺L1相時，IC10B-3腳輸入為高電平，輸出低電平，D23截止，此時V3基極仍為高電平不變，顯示三相電機運行電路正常工作；只有當L1、L2、L3全失電時，D21、D22、D23均截止，此時因V3基極為低電平而截止，顯示三相電機運行電路不顯示，實現失電控制。

2.6 三相電機運行顯示電路

由多諧振蕩器（IC11）、十進制計數器/脈沖分配器（IC12）與兩組發光管（LED4-LED13、LED14-LED23）構成三相電機運行顯示電路（如圖8）。IC11（NE555）與C12（C11）、R22、R23組成多諧振蕩器，為由IC12（CD4017）十進制計數器/脈沖分配器提供振蕩脈沖，振蕩頻率為 = ，改變R、C便可改變；IC12與兩組發光管構成顯示電路，將兩組發光管交替排列，圍成圓形，當LED4-LED13依次發光時，表示電機正轉；當LED14-LED23依次發光時，表示電機反轉；為使顯示比較清晰，采用 10高亮度綠色發光管，組裝底板采用有機玻璃，覆以紅色薄膜，底板直徑為95厘米。顯示電路組裝外形（如圖9）。

圖8圖9

3 結束語

上述裝置在實際使用過程中，取得了良好得教學效果。采用電子技術對電力系統運行進行仿真，不但適用于職業學校生產實習教學，還能運用于對一些遠程、危險電力設備運行狀態進行監控等場合，開發前景廣闊。

參考文獻

[1] 陳傳虞.脈沖與數字電路.第三版.高等教育出版社,1999.7.

[2] 陳其春.電子線路.第三版.高等教育出版社,2001.1.