0 引言

    課程實(shí)驗(yàn)是電力電子技術(shù)專業(yè)課的必備環(huán)節(jié),，是課堂知識(shí)的延伸與拓展,，是課本知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的銜接^[1]。通過課程實(shí)驗(yàn)使學(xué)生加深理解三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理和運(yùn)行特性等內(nèi)容,，學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，為后續(xù)的工作及專業(yè)研究方面奠定一定的基礎(chǔ)^[2],。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

    實(shí)驗(yàn)室用模型變頻器包括電機(jī)控制電路,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)保護(hù)電路三部分，可以控制電機(jī)軟起動(dòng),，進(jìn)行變壓變頻調(diào)速,，并對(duì)過流、短路,、缺相,、過熱等情況進(jìn)行檢測，必要時(shí)切斷電源,，提供保護(hù),。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)集成電路由數(shù)字芯片和模擬芯片組成,，相比于以單片機(jī)為核心的系統(tǒng),，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉,、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)^[3],。而且，學(xué)生便于測量系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)電壓,、波形等參數(shù),，易于理解系統(tǒng)工作原理，能更好地建立對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,、分析的綜合素養(yǎng),，深化理解專業(yè)課程知識(shí),。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要包括軟起動(dòng)電路、電壓頻率轉(zhuǎn)換電路和脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路,。

    軟起動(dòng)電路輸出從0 V平滑變化的啟動(dòng)控制電壓,。電壓頻率轉(zhuǎn)換電路將啟動(dòng)控制電壓轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，其頻率與啟動(dòng)控制電壓成正比,，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,。脈沖寬度調(diào)制電路將啟動(dòng)控制電壓轉(zhuǎn)換為PWM波，其占空比與啟動(dòng)控制電壓成正比,，調(diào)節(jié)加載在電機(jī)上的等效電壓,。從而實(shí)現(xiàn)變壓變頻調(diào)速，保證電機(jī)平滑加速,，平滑過渡,。

2.1 軟起動(dòng)電路

    軟起動(dòng)電路的實(shí)質(zhì)是由兩個(gè)積分環(huán)節(jié)和兩個(gè)單位負(fù)反饋組成的二階系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。積分環(huán)節(jié)的實(shí)質(zhì)是基于運(yùn)算放大器的積分電路,，積分電路的時(shí)間常數(shù)由電阻R和積分電容C決定^[4]。通過改變運(yùn)算放大器反饋電阻的值,，可使反饋為單位負(fù)反饋,。

2.2 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路

    電壓頻率轉(zhuǎn)換電路由CD4046鎖相環(huán)組成，電路如圖3所示,。將12引腳懸空,，使電阻R₂趨于無窮大，電路最小輸出頻率為0 Hz,。R₁取100 kΩ,，C₁取200 pF，當(dāng)輸入VCO電壓為5 V時(shí),，從第4引腳輸出5 kHz頻率的方波信號(hào),。由于C₁充電回路和放電回路相同，輸出方波信號(hào)占空比為1:1^[5],。

    輸入VCO電壓為軟起動(dòng)電路輸出的啟動(dòng)控制電壓時(shí),，從0 V升至5 V時(shí)，從第4引腳就可以得到0 Hz～5 kHz的方波信號(hào),，方波信號(hào)頻率與輸入VCO電壓成正比,，再經(jīng)CD4040計(jì)數(shù)器分頻即可得到頻率100 Hz左右的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。CD4046鎖相環(huán)不可直接輸出低頻方波信號(hào),，輸出低頻信號(hào)會(huì)不穩(wěn)定,。

2.3 脈沖寬度調(diào)制電路

    由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2104為TTL兼容的數(shù)字芯片，因此應(yīng)將啟動(dòng)控制電壓模擬量轉(zhuǎn)換成為占空比可調(diào)的PWM波,，實(shí)現(xiàn)用數(shù)字方式控制模擬信號(hào),。這樣也使MOSFET管工作在開關(guān)狀態(tài),，提高效率，減少熱損耗,。脈寬調(diào)制電路如圖4所示,。三角波發(fā)生電路由集成運(yùn)算放大器組成，可產(chǎn)生頻率為1 kHz,，輸出范圍在0～5 V的三角波,，并輸入至運(yùn)算放大器負(fù)輸入端。正輸入端輸入啟動(dòng)控制電壓,，兩者經(jīng)運(yùn)算放大器比較,，輸出占空比正比于啟動(dòng)控制電壓的PWM波^[7-8]。加載到電機(jī)的電壓的有效值等于實(shí)際電壓與PWM波占空比之積,，從而實(shí)現(xiàn)變壓變頻啟動(dòng),，實(shí)現(xiàn)恒磁通調(diào)速,。

2.4 三相換相電路

    三相異步電機(jī)換相可以使三相電流周期性變化,，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)轉(zhuǎn)子在磁場作用下轉(zhuǎn)動(dòng),。本系統(tǒng)采用三三導(dǎo)通方式,，每個(gè)瞬間有3個(gè)MOSFET管導(dǎo)通，每隔60°換相一次,，每次換相一個(gè)MOSFET管,，合成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)過60°，每個(gè)MOSFET管通電180°^[9],。

    電壓頻率轉(zhuǎn)換電路輸出的方波信號(hào)送至CD4022脈沖分配器的時(shí)鐘引腳,，方波上升沿觸發(fā)CD4022計(jì)數(shù)，使輸出Y₀～Y₅依次輸出高電平,，Y₆與清零端相接,。所以輸出組成“000001”、“000010”……“100000”6種不同的循環(huán)狀態(tài),，在經(jīng)過組合邏輯電路就得到控制電機(jī)6種狀態(tài)的信號(hào),，組合邏輯如表1所示。

    經(jīng)過組合邏輯電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,，輸出控制電機(jī)6種狀態(tài)的信號(hào)C₀C₁C₂依次為“110”,、“100”、“101”,、“001”,、“011”、“010”,。信號(hào)送至電機(jī)全橋式驅(qū)動(dòng)電路,，當(dāng)控制信號(hào)C為“1”時(shí),，上橋?qū)ǎ?dāng)控制信號(hào)C為“0”時(shí),，下橋?qū)?。所以，MOSFET管導(dǎo)通順序依次為Q₁Q₂Q₃,、Q₂Q₃Q₄,、Q₃Q₄Q₅、Q₄Q₅Q₆,、Q₅Q₆Q₁,、Q₆Q₁Q₂，實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)180°導(dǎo)通,。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括MOSFET驅(qū)動(dòng)器IR2104和大功率MOSFET管IRF830,。IR2104為國際整流器公司生產(chǎn)的高功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，具有獨(dú)立的高側(cè)和低側(cè)輸入通道,。高壓懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)可使高側(cè)電壓最高為600 V,，并減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目。MOSFET驅(qū)動(dòng)器有兩方面作用：一是將TTL芯片輸出的5 V電平轉(zhuǎn)換成為15 V電壓輸入MOSFET管柵極,，二是提供數(shù)百毫安電流,，克服MOSFET管柵極的密勒電容^[10]。大功率MOSFET管采用IRF830,，最大漏極電流為5.9 A,。三相電機(jī)中一相的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，其余兩相與之原理相同,。

    IR2104第2引腳接電機(jī)控制信號(hào)C,，當(dāng)控制信號(hào)C為“1”時(shí)，上橋?qū)?，?dāng)控制信號(hào)C為“0”時(shí),，下橋?qū)ǎ闺姍C(jī)實(shí)現(xiàn)180°導(dǎo)通,，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,。第3引腳SD輸入端為使能端，接PWM波,，通過改變占空比間接調(diào)節(jié)加載到電機(jī)上的等效電壓,。最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)變壓變頻調(diào)速。

    自舉電容C₁在高側(cè)導(dǎo)通時(shí)為MOSFET管柵極提供足夠的電荷,，所以C₁取1 μF,。二極管D₁在高側(cè)導(dǎo)通時(shí)阻斷直流干線上的高壓，所以二極管選用MUR160，額定電壓為600 V,，恢復(fù)時(shí)間為35 ns,，可減少自舉電容向電源回饋電荷。

4 電機(jī)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

    電流傳感器采集三相電機(jī)相電流數(shù)據(jù),，轉(zhuǎn)換后送至電機(jī)保護(hù)電路,。電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)可以對(duì)過流、短路,、缺相,、過熱等情況進(jìn)行檢測，必要時(shí)切斷電源,，并通過RS觸發(fā)器對(duì)故障狀態(tài)鎖存,，直至故障排除后復(fù)位。

4.1 傳感器及轉(zhuǎn)換電路

    本系統(tǒng)采用三個(gè)CSNP661電流傳感器檢測電機(jī)的相電流,，如圖6所示,。CSNP661為霍尼韋爾公司生產(chǎn)的閉環(huán)非接觸式霍爾電流傳感器，具有響應(yīng)時(shí)間快,、精度高,、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),。采用雙電源±12 V供電,，將被測電流以1 000:1輸出，故輸出為電流量^[11-12],。

    將傳感器輸出電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，便于后續(xù)保護(hù)電路比較處理,。電流電壓轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)算放大器和反饋電阻組成,，反饋電阻取1 kΩ，可將傳感器輸出電流量轉(zhuǎn)換成放大1 000倍的電壓量,。

4.2 過流保護(hù)電路

    當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷過大,，電流會(huì)超過額定電流，這時(shí)過流保護(hù)電路應(yīng)當(dāng)延遲一定時(shí)間發(fā)出信號(hào),，切斷電源,。

    考慮到電機(jī)相電流有正負(fù)之分，應(yīng)將傳感器輸出電壓送至窗口比較器比較,，三相電流都在額定電流的正負(fù)范圍內(nèi),，輸出高電平；有一相電流超出額定電流的正負(fù)范圍,，輸出低電平,。窗口比較器中比較器采用LM339，輸出方式為集電極開路輸出，可以進(jìn)行線與運(yùn)算,。

    窗口比較器輸出結(jié)果輸入過流保護(hù)延遲電路,，電機(jī)電流過大，延遲一定時(shí)間再切斷電源,。延遲電路由運(yùn)算放大器LM339和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14538組成,，延遲時(shí)間由RX和CX之積決定，本系統(tǒng)延遲時(shí)間t為3.3 s,，原理圖如圖7所示,。

    當(dāng)電機(jī)電流正常，窗口比較器輸出高電平,，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平,，比較器1輸出高電平，比較器2輸出低電平,，相與后輸出低電平,，無拉閘動(dòng)作。當(dāng)電機(jī)電流超出額定電流時(shí)間小于3.3 s,，窗口比較器輸出低電平,，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平，比較器1輸出低電平,，比較器2輸出高電平,，相與后輸出低電平，無拉閘動(dòng)作,。當(dāng)電機(jī)電流超出額定電流時(shí)間大于3.3 s時(shí),，窗口比較器仍輸出低電平，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，比較器1輸出高電平,，比較器2輸出高電平，相與后輸出高電平,，控制繼電器切斷電機(jī)電源,。

4.3 短路保護(hù)電路

    三相電機(jī)單相接地短路會(huì)燒毀電機(jī)，相間短路會(huì)燒毀MOSFET管,，所以一旦發(fā)生短路,，應(yīng)立即切斷電源。相比于過流保護(hù)電路,，短路保護(hù)電路提高了窗口比較器的閾值電壓,，并去掉了延遲電路。

4.4 缺相保護(hù)電路

    缺相時(shí),，三相電機(jī)轉(zhuǎn)速下降,，噪聲大,，運(yùn)行無力，溫度上升,，最終電機(jī)燒毀,。所以電機(jī)一旦缺相，應(yīng)切斷電源,。

    電流傳感器輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到的電壓值送至窗口比較器,，比較器的正負(fù)閾值應(yīng)設(shè)定較小。當(dāng)電流絕對(duì)值小于閾值電流時(shí),，窗口比較器輸出0,，表示該相無電流；當(dāng)電流絕對(duì)值大于閾值電流時(shí),，窗口比較器輸出1,，表示該相有電流。三個(gè)窗口比較器輸出結(jié)果送至組合邏輯電路進(jìn)行缺相判斷,，缺相判斷邏輯如表2所示,。

    三相均有電流，表明電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),，缺相判斷電路輸出高電平,，無保護(hù)動(dòng)作。三相中任意一相或兩相無電流,，表明電機(jī)缺相,，缺相判斷電路輸出低電平，控制繼電器切斷電機(jī)電源,。三相均無電流時(shí),，表明電機(jī)未啟動(dòng)或已經(jīng)觸發(fā)其他保護(hù)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，缺相判斷電路輸出高電平,，無保護(hù)動(dòng)作^[13],。

    由于電機(jī)在換相過程中會(huì)出現(xiàn)極短時(shí)間電流為零的情況，因此缺相判斷電路后應(yīng)接延遲電路,，某一相電流為零一段時(shí)間后再觸發(fā)缺相保護(hù)。

4.5 過熱保護(hù)電路

    過熱保護(hù)采用熱電阻測溫方法,，熱敏電阻R選用銅熱電阻,，安裝在電機(jī)表面。銅熱電阻隨溫度升高阻值增大,，所以溫度升高,，運(yùn)算放大器負(fù)輸入端電壓升高，運(yùn)放輸出低電平,，表示電機(jī)過熱,，控制繼電器切斷電機(jī)電源^[14]。反饋電阻的引入是為增加滯回特性^[15]。過熱保護(hù)電路原理如圖8所示,。

5 結(jié)論

    本文完成了模型變頻器的原理設(shè)計(jì),，開發(fā)了三相異步電機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路,、保護(hù)電路,。通過功能測試與應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,，達(dá)到了預(yù)期的要求,，可以應(yīng)用于相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9和圖10所示,。

    該課程實(shí)驗(yàn)有助于提高學(xué)生動(dòng)手操作的能力,，加深學(xué)生對(duì)于專業(yè)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力,。

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作者信息:

劉敬猛，李思琦

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,，北京100191)