中国石油大学(华东)电气工程及其自动化专业综合实践报告

电气工程及其自动化专业综合实践报告学生姓名：同组者：学号：一.本专业综合实践目的................................................1二.主要训练内容......................................................1三.电路组成以及原理分析..............................................11、交流电机的降压起动原理.........................................12、双向晶闸管的相控调压...........................................2四.控制系统的硬件电路分析............................................2五．各部分电路的原理与分析...........................................41.滞环电压比较器..................................................42.单稳移相电路....................................................53．锁相同步倍频器.................................................64．EEPROM存储模式及触发脉冲的产生.................................85、模式选择控制电路...............................................96.错序封锁电路...................................................10六.晶闸管驱动电路...................................................12七.电源板...........................................................13八.主电路部分.......................................................13九、各环节调试波形及分析............................................14（1）电源脉冲输出波形........................................14（2）驱动电路脉冲输出........................................14（3）控制电路输出............................................15十.思考讨论.........................................................23十一．调试与解决....................................................26十二．总结.........................................................261一.本专业综合实践目的本专业涉及多门学科，包括电机拖动、电力工程、电子技术、自动控制、计算机控制，多学科渗透，强弱电结合，特别是对动手能力要求较高。为了给本专业学生提供更多的动手实践机会，提高学生的实践技能，教学培养计划中专门安排了专业综合实践环节，并且为了提高其实践效果，本系专门花费了相当大的人力物力，来给大家创造一种实践训练的机会。二.主要训练内容1.各部分原理分析；2.焊接、组装（控制、驱动、电源）；3.各部分电路分别调试及系统联调；4.多种仪器设备的使用与电路波形测试。三.电路组成以及原理分析1、交流电机的降压起动原理降压起动的目的：降低起动电流Ist。降压后的机械特性：交流电机轻载降压运行，可以提高电机效率，避免“大马拉小车”，节约电能。图1感应电机机械特性图2软启动主电路2121UTUTstm22、双向晶闸管的相控调压普通晶闸管：两个普通晶闸管反并联，输入两路脉冲。双向晶闸管(KS)：两个主电极T1、T2，一个门极G。通常在G-T2之间加入触发脉冲，使其导通。图3单双向晶闸管示意图触发脉冲经过高频调制，以减小脉冲变压器的体积。相控调压的缺点：功率因数低，电流非正弦对电网有谐波污染。软起动：电机刚起动时较大。逐渐减小，转速接近稳态时=0。的调压可控范围：~180图4相控调压触发角示意图四.控制系统的硬件电路分析3由于交流电机的转速与其端电压成正比，而端电压又取决于导通角的大小，因此，通过控制导通角的大小即可控制电机的转速。设计一个初始角度，以后每隔一定的时间给导通角一个小的增量，即可实现电机的平滑起动。晶闸管的导通角控制采用数字存储技术，事先通过编程，将要应用的触发脉冲数据写入存储器中，然后通过合适的控制方案，再读出这些数据交易利用，便可控制晶闸管的导通角不断变化，本设计中采用EEPROM2864。实验板主要包括：滞环电压比较器、单稳移相电路、锁相倍频环节、EEPROM存储模式及触发脉冲的产生、错相序封锁控制电路模块，及驱动电路、主电路等。控制板上，线电压信号uab经过滞环电压比较器产生同步方波，方波移相后，与相电压ua同相位，然后经过锁相倍频，频率变为256*50HZ，作为计数器74393的时钟信号，74393产生8路分频信号，连接到EEPROM2864的地址线，从而读出2864事先存储的数据，输出触发脉冲。考虑到实验中三相相序可能接错，设计中采用了错相序封锁控制。若相序接错，则封锁缓冲器74244的输出，没有触发脉冲输出，晶闸管不能导通；只有当相序完全正确时，才能输出触发脉冲，导通晶闸管。4图5控制电路框图五．各部分电路的原理与分析1.滞环电压比较器滞环电压比较器能提高电路的抗干扰能力，因为电路在翻转点单向灵敏，即只有输入信号沿某一方向越过翻转点变化时，输出发生翻转，而输入沿另一方向越过该翻转点变化时，输出不翻转。从而可以将工频50Hz正弦波变换为同步的标准TTL方波。电路中引入正反馈，一方面加速了输出电压翻转过程，另一方面给电路提供了双极性参考电平，产生回环。实验中滞环电压比较器如图所示，其主要作用是将正弦信号转换为标准的TTL方波，便于后续电路的使用。该比较器采用LM393实现，双电源供电方式，有利于调试。滞环电压比较器原理图如图所示：图6滞环电压比较环节原理图滞环比较器的输出为-12V~+12V，经过电平调理电路，后接‘非’门。采用两次反相，主要是因为电路产生的方波并不是非常标准，低电平有负值，高电平有时不足4.2V，当后续电路工作时，高电平被拉得很低，并且有凸峰，不利于后续电路的工作。加上反相器后，将原来波形变成标准的TTL方波。5滞环回差的作用：uab在过零点附近，若迭加有杂波干扰，不会导致ou的多次跳变而造成同步紊乱，只要干扰幅度不超过V。2.单稳移相电路实验中利用相电压产生触发脉冲，如果用线电压信号，就会造成触发紊乱，单稳移相电路就是为了把线电压转换成相电压而设计的。在本设计中用74ls122实现，如下图，调节VR2使122的输出Q的上升沿比滞环电压比较器的上升沿（B2口）延迟30°，由于是要保证上升沿同步，故取Q的反作为输出。相对应的调节时间为ms667.1CVR0.7t1121。图7单稳移相电路原理6图8控制角波形图3．锁相同步倍频器采用集成锁相环CD4046完成工频50HZ的同步和256倍频，如图6所示。基本原理如下：鉴相器PD将AIN与BIN的相位进行比较，产生一个与二者的相位差成正比的误差电压V（t），再经由LPF滤波，得到控制电压Vd(t),并加到VCO的控制端。VCO的输出经一个计数器进行8分频后，再送至鉴相器，进而与输入进行相位比较，最后使二者的相位差恒定，从而实现锁相。硬件原理图如下图所示。7图9锁相同步环工作原理工频50Hz同步是应相位同步的要求，256倍频是应128个起动模式的要求。相位锁定的基本原理是：当计数回零时，BIN输入一个上升沿，此沿与同步信号AIN上升沿对齐从而保证计数器在电网正半周0°时开始从0开始计数。如果某一时刻，AIN和BIN的脉冲的上升沿没有对齐，那么在鉴相器内部便会产生电压差，使压控振荡器输入端的电压变髙或变低，从而改变倍频的频率。图10锁相环输出特性当BIN比AIN滞后一个小的角度，那么鉴相器就会产生正的电压差，压控振荡器输入端的电压变高，倍频频率上升，最终完成AIN和BIN的对齐；当BIN比AIN超前一个小的角度，那么鉴相器就会产生负的电压差，压控振荡器输入端的电压8变低，倍频频率下降，最终也完成了AIN和BIN的对齐。BIN为8位计数器输出的第8个管角，即Q7可见其频率是50Hz。AIN为工频电网相位信号。通过这样的动态调节，VCO输出的256*50Hz的脉冲就可以保持和工频电网相位的对准了。4．EEPROM存储模式及触发脉冲的产生电可擦除的可编程ROM，简称EEPROM。有四种工作方式，即读、写、字节擦除、整体擦除。实验中使用EEPROM2864。图11EEPROM存储脉冲示意图事先编程产生数据代码，以汇编方式固化存入EEPROM。其外部连接如图所示：图12EEPROM外部连接图9实验中A8~A11用于模式选择，即导通角的大小。A0~A7用于在每个正弦周期产生脉冲，即根据导通角的大小，选择连续脉冲的宽度。4位计数采用74161实现，不断变换模式。8位计数循环扫描采用74393实现。总结构如下图：总的思想为：由256倍频的时钟驱动8位计数器循环扫描，得到输出信号：00—FF—00—FF……，8位计数器输出信号作为存储器低8位地址线A0～A7的输入，用于每种模式的脉冲产生，A8～A11用于选择模式，即导通角的大小。每一次扫描将内存中对应地址的数据（事先保存好的）读出。这样，每完成一次计数扫描，正好实现一个周期的脉冲触发，在这里，输出为八位，由于只有三相，有效位为D0，D1和D2，如下图所示：图132864存储模式工作原理5、模式选择控制电路16种工作模式由计数器161实现，调节555的时钟周期作为161的时钟触发clk就可以调节每种模式保持的时间。多谐振荡器555的结构如下图10图14多谐振荡器555工作原理6.错序封锁电路当三相相序接错的时候能够自动封锁74LS244的输出，禁止系统运行，避免事故的发生。由于实际工频交流电源很少有中线，因此控制电路一般都是采集线电压信号。实验中利用uab与uac之间的相位差，分别延时后相“与”，从而判断是否错相序，实现相序控制。利用光耦4N25，将交流信号转换为方波。uac电压高达380V，要求二极管D2耐压高，R13功率大，是正半周光耦导通时，发光二极管电流10mA左右。原理图如下：tH=0.693(R25+VR6)C15tL=0.693VR6*C15T=0.693(R25+2VR6)C1515625)C2VR(R44.1f调节VR6，使得频率为0.1HZ，则每个模式将执行10s。11图15错相序封锁控制波形图实验时，按先后顺序将各部分单独焊接调试。先不接错相序封锁部分，通过跳线控制74244的输出。跳线接在GND时，74244正常输出。当跳线接在LM393的7脚输出时，74244由错相序部分控制输出。相序正确时，Uab比Uac超前60°，即Uab比Uac超前3.3ms，74LS08输出1ms的高电平脉冲，在74122的延时作用下输出高电平，74244正常工作，发光二极管正常发光，错序时则封锁。采用Uac时，相位检测电路用4N25光耦隔离同步检测电路，原理图如下：12图16光耦隔离同步检测电路六.晶闸管驱动电路为了产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，同时实现隔离控制电路与主电路，需采用晶闸管驱动电路。本设