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)，是課堂知識的延伸與拓展，是課本知識與實(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)會綜合運(yùn)用專業(yè)知識分析電機(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。

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，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。由于C₁充電回路和放電回路相同，輸出方波信號占空比為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，方波信號頻率與輸入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左右的方波信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)。CD4046鎖相環(huán)不可直接輸出低頻方波信號，輸出低頻信號會不穩(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。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，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C₀C₁C₂依次為“110”、“100”、“101”、“001”、“011”、“010”。信號送至電機(jī)全橋式驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)控制信號C為“1”時(shí)，上橋?qū)ǎ?dāng)控制信號C為“0”時(shí)，下橋?qū)āＫ?，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C，當(dāng)控制信號C為“1”時(shí)，上橋?qū)?，?dāng)控制信號C為“0”時(shí)，下橋?qū)?，使電機(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，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)單相接地短路會燒毀電機(jī)，相間短路會燒毀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)生對于專業(yè)知識的理解，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)