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1、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64EEPROM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26一.
2、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
3、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2、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a较大。a逐渐减小，转速接近稳态时a=0。a的调压可控范围：j180 图4 相控调压触发角示意图四.控制系统的硬件电路分析 由于交流电机的转速与其端电压成正比，而端电压又取
4、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
5、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。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50
6、Hz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
7、标准的TTL方波。 滞环回差的作用：在过零点附近，若迭加有杂波干扰，不会导致的多次跳变而造成同步紊乱，只要干扰幅度不超过。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。图7 单稳移相电路原理图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AI
8、N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。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
9、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。4EEPROM存储模式及触发脉冲的产生 电可擦除的可编程ROM，简
10、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外部连接图实验中AA用于模式选择，即导通角的大小。AA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：00FF00FF，8位计数器输出信号作为存储器低8位地址线A0A7的输入，用于每种模式的脉冲
11、产生，A8A11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13 2864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tH=0.693(R25+ VR6) C15tL=0.693 VR6*C15T=0.693(R25+ 2VR6) C15调节VR6，使得频率为0.1HZ，则每个模式将执行10s。图1
12、4 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。实验中利用与之间的相位差，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。电压高达380V，要求二极管耐压高，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：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
13、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：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。本设计中，A相采用光耦MOC3052及外围电路，B、C相采用三极管9013和脉冲变压器及外围电路，其中B相采用两个单向二极管反
14、并联，而A、C相采用双向晶闸管。图17 A相光耦驱动工作原理20 R4图18 B、C相9013三极管驱动原理上原理图中，VD1和R3很重要，构成了续流之路，若无R3，则电流衰减慢，不能在下一个脉冲到来之前时磁通复位，则会造成饱和。同时因为续流之路的存在，使9013在关断瞬间的集电极电位大为下降。电阻R1起限流作用，R2可提高电路的稳定性，电容可以滤除低频谐波。晶闸管驱动的关键在于门极的脉冲电流必须有足够大的幅值和持续时间，以及尽可能短的电流上升时间。测量结果驱动幅值约为1V左右，持续时间约为20us，满足晶闸管的触发要求。同时，由于A相采用光耦触发，无法测量其对应的波形，只能在实际中检测。七.电源板组成：交流电源电路、直流电源电路、测试脉冲产生电路。作用：产生系统所需要的交流电、直流电和测试脉冲。八.主电路部分九、各环节调试波形及分析（1） 电源脉冲输出波形（2） 驱动电路脉冲输出
