數控式電機軟起動綜合實驗平臺建設與管理

馮興田，張加勝，劉希臣

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

電氣工程及其自動化專業是通用型專業，涵蓋多學科和強弱電，所以特別強調學生實踐能力的培養。如何多方位、短時間、內容豐富、高效地全面地覆蓋專業知識，開展相應的實驗教學，是教學實驗室面臨的一大難題[1-2]。為此，本實驗室依托廣泛應用于油田抽油機電機的軟起動裝置，通過多年的研究和完善，開發了數控式電機軟起動綜合實驗平臺(以下簡稱綜合實驗平臺)，給電氣工程專業學生提供更多的動手實踐機會。綜合實驗平臺結合科研裝置，體現石油行業特色，針對三相異步電機的軟起動系統展開全面實驗研究。主要包括主電路的設計、控制電路的調試設計、驅動電路的焊接訓練、系統聯調等環節。實驗平臺集合了電路分析、電機電器、電力工程、微電子技術、自動控制、電力電子技術、計算機控制等多門課程的知識，能讓學生全面匯總所學理論知識，并將理論知識、實踐經驗、科研項目有機地結合起來，實現產學研的“三位一體”培養。同時，通過優化整合實驗室資源，充分利用現有實驗室設備，設置不同類型、不同要求的多個實驗單元，采用先進的管理措施[3]，可針對不同類型、不同層次的學生實現不同的培養目標。

1 綜合實驗平臺設計

綜合實驗平臺基于三相異步電機的降壓起動原理，源于游梁式抽油機電機的軟起動節能裝置，以MCS51單片機控制系統為核心，結合主電路及外圍電路構成。

1.1 綜合實驗平臺結構原理

三相異步電機的轉速與其端電壓成正比，控制端電壓從小到大平滑或有級地變化，即可實現電機的軟起動。綜合實驗平臺框圖見圖1，由晶閘管構成交流調壓電路，通過控制晶閘管導通角的大小，控制加到電機上的三相電壓有效值，從而控制電機的轉速。數據采集及控制電路檢測相電壓的過零點，以此為基準設定一個初始的控制角度，以后每隔一定的時間給導通角一個小的增量，最后完全導通，即可實現電機的有級軟起動[4-6]。驅動電路實現控制信號與晶閘管門極觸發的隔離驅動，穩壓電源提供控制電路及驅動電路的直流電源。

圖1 數控式電機軟起動綜合實驗平臺框圖

1.2 綜合實驗平臺硬件系統

綜合實驗平臺的硬件系統主要包括以單片機為核心的數據采集與控制系統、主電路與驅動電路、電源電路等。

1.2.1 數據采集與控制系統

數據采集與控制系統以MCS51單片機控制系統為核心，主要完成信號的采集、軟起動時間和模式的設定、輸出的封鎖控制、輸出脈沖序列提供主電路晶閘管的觸發信號，系統框圖如圖2所示。A相交流電壓經過變壓器降壓之后，進入電壓比較器LM393，此處采用滯環過零比較方式，增強抗干擾能力，獲取A相電壓的過零點信息(若無中線，可取AB線電壓信號，通過單片機編程移相30°獲得)。模式輸入代表軟起動過程共有多少級，也就是多少個觸發角模式，可由數字鍵盤輸入。模擬電位器或數字鍵盤設定起動時間，起動時間表示每種模式下的工作時間，比如從180°到0°共設置16種觸發角模式，起動時間設定為5 s，則整個軟起動過程為16×5=80 s。模式狀態顯示可采用發光二極管或數碼管顯示系統。單片機采集到上述相關信息后，運行程序輸出相應的脈沖序列，通過74LS244緩沖電路將脈沖序列送至晶閘管驅動電路，當出現故障時，還可通過控制74LS244的封鎖端封鎖輸出信號或由單片機直接停止發送脈沖序列。

圖2 數據采集與控制系統框圖

1.2.2 系統主電路及驅動電路

實驗系統主電路如圖3所示，主要由雙向晶閘管或反并聯晶閘管構成交流調壓電路，A、B、C三相交流電源分別通過TA、TB、TC三組晶閘管與三相異步電機的定子繞組連接。此處未采用典型的三相交流調壓電路，而是采用了三組獨立的單相交流調壓電路[7]，主要目的是調試方便，便于學生針對不同的驅動電路單獨對各相進行調節。實際電路中，阻容吸收電路并聯在晶閘管兩端，用以吸收晶閘管關斷時過大的沖擊電流，防止晶閘管擊穿。

圖3 系統主電路結構圖

為充分鍛煉學生的動手能力，實驗中采用3種不同的驅動電路(見圖4)，分別用來驅動A、B、C三相的晶閘管，A1、B1、C1依次為74LS244輸出的A、B、C三相脈沖序列。

A相驅動電路使用光耦MOC3052實現脈沖觸發電路與強電的隔離，電路結構簡單，工作穩定可靠。當A1端輸入正脈沖時，發光二極管導通發光，使其內部的光敏雙向晶閘管導通，從而給主電路雙向晶閘管BTA06-600C提供觸發脈沖。

圖4 晶閘管驅動電路

B相驅動電路主要由三極管9013和脈沖變壓器及附屬電路組成。當三極管9013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，驅動單向晶閘管；當三極管9013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。同時，副邊產生下正上負的電壓，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三極管9013在關斷瞬間的集電極電位大大降低。電解電容C2可濾除低頻諧波。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,脈沖變壓器需要采取措施防止磁芯飽和。實驗中采用高頻調制的脈沖列觸發方式，一方面可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，并提高觸發的可靠性。

C相驅動電路原理和B相非常相似，采用運放LM393代替B相驅動電路中的9013。LM393的輸出引腳1端直接接到變壓器的副邊。當LM393反向輸入端(C1端)輸入正脈沖時(大于電阻R2和R3對+12 V電源的分壓)，輸出端1輸出低電平(接近0 V)，脈沖變壓器原邊導通，相當B相驅動電路中的三極管9013導通，變壓器輸出端輸出正脈沖；當LM393反向輸入端輸入低電平時，輸出端1輸出高電平(+12 V)，脈沖變壓器原邊和反并聯的二極管形成回路，相當于B相驅動電路中的三極管9013關斷。

1.2.3 電源電路

電源電路提供數據采集和控制系統以及驅動電路的直流電源，將交流電源電路經變壓器降壓后，通過整流橋變換為直流電，再將直流電輸入三端集成穩壓塊，輸出得到所需要的直流電壓。電源電路主要輸出+5 V、+12 V和-12 V 3種直流電壓，所使用的三端集成穩壓塊分別為7805、7812和7912[8]。圖5所示為+5 V直流電源的獲取電路，變壓器降壓得到的交流8 V輸入整流器，整流器輸出的電壓經過電容C1濾波后得到大約為9 V的直流電壓。該電壓加到三端穩壓塊7805的輸入端1和公共地2之間，則在7805輸出端3和公共地2之間得到+5 V的穩定電壓輸出。電容C1為濾波電容，為盡可能減少輸出紋波，該電容值應取得大些，一般可按每0.5 A電流選取1 000 μF的電容，此處取2 200 μF；電容C2的作用是緩沖負載的突變、改善瞬態響應，此處取470 μF。

圖5 直流電源電路

各單元依次有序連接后，綜合實驗平臺的硬件系統見圖6。主要包括電源板、控制板、驅動板、主電路板等開發板，以及變壓器、三相異步電動機、斷路器等設備，還有數字萬用表、數字示波器等測試工具。

圖6 綜合實驗平臺硬件系統

1.3 實驗軟件設計與數字仿真

在Keil C51編程環境下，通過對MCS51單片機編寫程序[9]，完成信號的采集、軟起動時間和模式的設定、輸出的封鎖控制、輸出脈沖序列等程序內容。其主要工作是提供主電路晶閘管的觸發信號，可在單片機的存儲器中事先寫入多種模式的觸發脈沖數據，然后根據設定的模式數量，選取相應的存儲數據輸出，控制晶閘管的觸發角從大到小持續變化，實現電壓的從小到大持續變化，完成電機的軟起動過程。實驗過程中，可以根據需要靈活調節軟起動的時間和工作模式數量。另外，針對設計的硬件電路，可事先通過電力仿真軟件進行仿真，驗證所設計電路的工作原理、調試相關電路參數，最終完善各單元的結構及電路參數。

2 實驗管理運行

綜合實驗平臺建立之后，通過采取靈活多變的管理和運行措施，不但可以優化實驗室資源配置，強化實驗室創新機制，還可以改進相應的教學方式方法，提高學生各方面的能力。

2.1 優化實驗室資源配置

綜合實驗平臺中，相關的實驗裝置、設備、儀表等都可與其他基礎或專業實驗室共享。比如三相異步電機可與電機拖動實驗室共用，三相燈箱負載、函數發生器可與電路分析實驗室共用，MCS51單片機可與單片機實驗室共用，數字示波器、數字萬用表等可與電力電子實驗室共用。同時，該實驗平臺開發的電源板、主電路板等亦可用于其他實驗室或畢業設計工作。

2.2 促進開放式教學方式

該實驗綜合性、專業性、實踐性較強，學生難以在短時間內完成，可以采用開放式教學[10-11]。學生可將部分電路的焊接和調試工作拿出實驗室完成，程序編寫調試、電路仿真分析也可在宿舍或教室完成，既避免了實驗室不夠用的情況，又激發了學生的主觀能動性。另外，還可將該實驗相關的裝置放在創新實驗室中，讓學生將該實驗與相關科研項目、大學生創新項目等聯系起來，進一步加強學生的創新意識。

2.3 助推多目標培養方法

實驗內容可按照培養類別、興趣愛好、不同需求等分成多個相對獨立的單元，從焊接、編程、調試、設計、仿真等多個角度進行分工，因材施訓，從加強學生動手能力培養的指導思想出發，充分體現精英型、特色型、研究型不同類型的培養目標。對于不同層次、不同類型、不同要求的學生，可以設置不同的實驗內容，比如：軟起動裝置的主電路、控制電路、驅動電路的設計分析調試，結合抽油機節能裝置開發適用于現場的軟起動裝置[12]，存儲式控制的設計方案，焊接組裝電氣自動化裝置等。這種方法可激發學生的不同興趣愛好，發揮各自的特長，實現不同能力的培養。同時，幾個學生分為一組，共同協作完成目標，提升學生分工合作的團隊意識和科研協作意識。

2.4 實施多元化教學方案

實施集中講解、分散訓練、個體解惑、驗收考核有機結合的多元化教學方案。集中講解就是集中向學生講解實驗中涉及到的基礎理論知識內容，系統介紹工作任務，分解工作任務，學生根據自己的興趣愛好自由分組、選擇任務；分散訓練就是按照學生的分組情況，發給他們工具設備和相應的電路及元件，各小組成員分工合作，共同實現實驗內容的設計、焊接、調試等一系列的工作，整個實驗過程中，學生可以利用網絡資源查閱相關芯片元件以及適用電路等資料，設計合適的參數和方法，最終達到實驗目標和要求；個體解惑就是整個實驗過程中強調學生學習的自主性，指導教師解答學生疑問，同時針對實驗涉及的相關理論知識、波形測試、數據處理、設備使用等各方面進行質疑，作階段性考察；驗收考核就是最后系統聯調，達到指標要求，同時回答指導教師提出的問題，提交詳盡的實驗報告，包括實驗現象、實驗數據、實驗波形等的分析，收獲體會以及改進措施等，綜合考察最終確定成績。

3 結束語

該綜合實驗平臺結合電氣工程專業重實踐的學科特點，提供給學生一個強化動手實踐的平臺。該實驗平臺既結合專業實際，又面向石油特色；既有經典的基礎理論分析方法，又有一定的科技含量，實現了產學研結合，問思練統一；可以根據精英型、特色型、研究型的不同培養要求，根據學生的不同興趣愛好和特長，靈活確定實驗內容與要求；通過集中講解、分散訓練、個體解惑、驗收考核有機結合的教學體系，全面培養學生的實踐能力、創新能力、團隊協作能力。

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