0 引言

    課程實驗是電力電子技術(shù)專業(yè)課的必備環(huán)節(jié)，是課堂知識的延伸與拓展，是課本知識與實際應(yīng)用的銜接^[1]。通過課程實驗使學(xué)生加深理解三相異步電動機的工作原理和運行特性等內(nèi)容，學(xué)會綜合運用專業(yè)知識分析電機運行狀態(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

    實驗室用模型變頻器包括電機控制電路、電機驅(qū)動電路和電機保護電路三部分，可以控制電機軟起動，進行變壓變頻調(diào)速，并對過流、短路、缺相、過熱等情況進行檢測，必要時切斷電源，提供保護。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^[3]。而且，學(xué)生便于測量系統(tǒng)關(guān)鍵點電壓、波形等參數(shù)，易于理解系統(tǒng)工作原理，能更好地建立對實際系統(tǒng)進行調(diào)試、分析的綜合素養(yǎng)，深化理解專業(yè)課程知識。

2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

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

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

2.1 軟起動電路

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

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，當輸入VCO電壓為5 V時，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電壓為軟起動電路輸出的啟動控制電壓時，從0 V升至5 V時，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計數(shù)器分頻即可得到頻率100 Hz左右的方波信號驅(qū)動電機。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

    由于電機驅(qū)動芯片IR2104為TTL兼容的數(shù)字芯片，因此應(yīng)將啟動控制電壓模擬量轉(zhuǎn)換成為占空比可調(diào)的PWM波，實現(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，并輸入至運算放大器負輸入端。正輸入端輸入啟動控制電壓，兩者經(jīng)運算放大器比較，輸出占空比正比于啟動控制電壓的PWM波^[7-8]。加載到電機的電壓的有效值等于實際電壓與PWM波占空比之積，從而實現(xiàn)變壓變頻啟動，實現(xiàn)恒磁通調(diào)速。

2.4 三相換相電路

    三相異步電機換相可以使三相電流周期性變化，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，電機轉(zhuǎn)子在磁場作用下轉(zhuǎn)動。本系統(tǒng)采用三三導(dǎo)通方式，每個瞬間有3個MOSFET管導(dǎo)通，每隔60°換相一次，每次換相一個MOSFET管，合成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)過60°，每個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脈沖分配器的時鐘引腳，方波上升沿觸發(fā)CD4022計數(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6種狀態(tài)的信號C₀C₁C₂依次為“110”、“100”、“101”、“001”、“011”、“010”。信號送至電機全橋式驅(qū)動電路，當控制信號C為“1”時，上橋?qū)ǎ斂刂菩盘朇為“0”時，下橋?qū)?。所以，MOSFET管導(dǎo)通順序依次為Q₁Q₂Q₃、Q₂Q₃Q₄、Q₃Q₄Q₅、Q₄Q₅Q₆、Q₅Q₆Q₁、Q₆Q₁Q₂，實現(xiàn)三相異步電機180°導(dǎo)通。

3 電機驅(qū)動電路設(shè)計

    電機驅(qū)動電路包括MOSFET驅(qū)動器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)動器，具有獨立的高側(cè)和低側(cè)輸入通道。高壓懸浮驅(qū)動技術(shù)可使高側(cè)電壓最高為600 V，并減少驅(qū)動電源的數(shù)目。MOSFET驅(qū)動器有兩方面作用：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。三相電機中一相的驅(qū)動電路如圖5所示，其余兩相與之原理相同。

    IR2104第2引腳接電機控制信號C，當控制信號C為“1”時，上橋?qū)?，當控制信號C為“0”時，下橋?qū)?，使電機實現(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)加載到電機上的等效電壓。最終實現(xiàn)電機變壓變頻調(diào)速。

    自舉電容C₁在高側(cè)導(dǎo)通時為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)時間為35 ns，可減少自舉電容向電源回饋電荷。

4 電機保護電路設(shè)計

    電流傳感器采集三相電機相電流數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后送至電機保護電路。電機保護系統(tǒng)可以對過流、短路、缺相、過熱等情況進行檢測，必要時切斷電源，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CSNP661電流傳感器檢測電機的相電流，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)時間快、精度高、體積小、抗干擾能力強等特點。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)保護電路比較處理。電流電壓轉(zhuǎn)換電路由運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 過流保護電路

    當電動機負荷過大，電流會超過額定電流，這時過流保護電路應(yīng)當延遲一定時間發(fā)出信號，切斷電源。

    考慮到電機相電流有正負之分，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范圍內(nèi)，輸出高電平；有一相電流超出額定電流的正負范圍，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，可以進行線與運算。

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

    當電機電流正常，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，無拉閘動作。當電機電流超出額定電流時間小于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，無拉閘動作。當電機電流超出額定電流時間大于3.3 s時，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電源。

4.3 短路保護電路

    三相電機單相接地短路會燒毀電機，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。相比于過流保護電路，短路保護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 缺相保護電路

    缺相時，三相電機轉(zhuǎn)速下降，噪聲大，運行無力，溫度上升，最終電機燒毀。所以電機一旦缺相，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，比較器的正負閾值應(yīng)設(shè)定較小。當電流絕對值小于閾值電流時，窗口比較器輸出0，表示該相無電流；當電流絕對值大于閾值電流時，窗口比較器輸出1，表示該相有電流。三個窗口比較器輸出結(jié)果送至組合邏輯電路進行缺相判斷，缺相判斷邏輯如表2所示。

    三相均有電流，表明電機正常運轉(zhuǎn)，缺相判斷電路輸出高電平，無保護動作。三相中任意一相或兩相無電流，表明電機缺相，缺相判斷電路輸出低電平，控制繼電器切斷電機電源。三相均無電流時，表明電機未啟動或已經(jīng)觸發(fā)其他保護停止運轉(zhuǎn)，缺相判斷電路輸出高電平，無保護動作^[13]。

    由于電機在換相過程中會出現(xiàn)極短時間電流為零的情況，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間后再觸發(fā)缺相保護。

4.5 過熱保護電路

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

5 結(jié)論

    本文完成了模型變頻器的原理設(shè)計，開發(fā)了三相異步電機控制電路、驅(qū)動電路、保護電路。通過功能測試與應(yīng)用，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，達到了預(yù)期的要求，可以應(yīng)用于相關(guān)教學(xué)實驗。系統(tǒng)實物圖如圖9和圖10所示。

    該課程實驗有助于提高學(xué)生動手操作的能力，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) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191)