异步电动机轻载节能控制系统硬件设计毕业论文

1、中国石油大学（华东）现代远程教育 毕业设计（论文）题 目： 异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 学习中心：中原油田 年级专业：06春网电气工程及其自动化 学生姓名：汪利平 学 号： 06814040009 指导教师：张荣梅 职 称：教师 导师单位： 油田培训中心 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2007 年 11 月 18 日中国石油大学（华东）现代远程教育 毕业设计（论文）任务书1设计(论文)题目：异步电动机轻载节能控制系统硬件设计 2学生完成设计(论文)期限： 2007 年 8月 28日至 2007年 11 月 18 日 3设计(论文)课题要求： 1.熟悉课题明确课题

2、的任务与要求 2. 收集与课题有关系的资料,写出开题报告书; 3. 拟定进行课题的技术路线 ； 4. 关于轻载节能进行理论分析及可行性分析，并做出初步的设计思路; 5. 对控制器件晶闸管单片机AT89C51进行研究，并进行选型; 6. 根据理论指导进行轻载节能系统的设计，进行过载，缺相，过流等保护电路的设计，并对设计的可行性进行分析; 7. 撰写论文； 8. 准备毕业论文答辩. 4实验（上机、调研）部分要求内容： 5文献查阅要求： 6发 出 日 期： 2007 年 8 月 28 日 7学员完成日期： 2007 年11月 18 日指导教师签名： 学 生 签 名： 摘 要 目前异步电动机运行的损耗

3、大，效率普遍低。做到安全的高效率运行，提高控制系统的自动化程度，最终实现最大限度的节能是我们的目的，节能技术的研究和利用的价值日益显得重要。电力电子技术的发展和计算机技术应用于电动机的控制领域，建立以计算机实时控制电动机运行高精度的节能技术。 本文先从三相从异步电动机的损耗，探讨研究了异步电动机轻载调压节能的原理、途径和负载系数的测定方法。再从异步电动机轻载节能的实现方式，探讨了异步电动机轻载节能的可行性性。对异步电动机轻载节能的两种实现方法自动调压节电器和异步电动机轻载自动切换的比较，可以的到的结论是：切换的的结构虽然简单，但是要求电压值变动是一定的，不能适应各种负载的需要。自动调压节电器是

4、理想的节电器它能够按负载的大小自动改变电源电压，使电动机在各种负载系数下均运行在最佳电压比和较高的功率因数状态。 单片机应用于本控制系统使得控制的精度和实时性有了很大的提高，采用单片机控制的轻载调压节电器, 可以根据实际负载的大小来调节电动机的供电电压, 使电动机始终运行在最佳效率状态下, 因而节能效果显著。同时还可以将软起动和缺相、过载、短路、漏电等保护措施融于一体。元器件参数的计算及其选择和使用，系统各信号的检测、保护与接口电路的设计，驱动电路，给定和显示电路的设计等方面的内容进行了详细的分析和介绍。按照本文的分析和给出的参数能够设计出满足要求的异步电动机轻载节能控制系统。关键词：异步电动

5、机；轻载节能；负载系数；最佳电压比； 目 录第一章 .绪-1第二章 异步电动机轻载调压节能理论分析- -22.1 异步电动机轻载调压节能原理-22.2 单片机应用的轻载节能的可行性-3第三章. 常见异步电动机节能方法的比较-53.1 异步电动机轻载自动切换- -53.2 异步电动机轻载自动调压节电器-63.3 轻载节能电动机软起动器-73.4 轻载节能软件设计-8第四章 . 控制系统各元件的选择-94.1 系统直流电源的提供-94.1.1 工作原理-94.1.2 整流二极管的选择-104.1.3 三端集成稳压器-114.2 双向晶闸管的选择-12 晶闸管的主要参数-124.2.3 双向晶闸管-

6、134.3 双向晶闸管驱动装置的选择-154.4 电流、电压信号检测装置的选择-16 电流检测装置的选择-164.4.2 电压检测装置的选择-174.4.3 相位频率转换器原理-184.5 过电压保护-19 系统过电压保护-19 晶闸管过电压保护-204.6 过电流保护-21 系统过电流保护-21 晶闸管过电流保护-224.7 电动机的选择-234.7.1 电动机型号的选择-234.7.2 电动机软启动参数的校验-244.8 电动机电子保护器-264.8.1 ZLDB保护器主要技术特点和主要技术性能-26 正存ZLDB电动机保护器的典型应用-274.9 电动机软起动器的选择-274.9.1 主

7、要技术性能特点-27第五章 .单片机在电动机轻载节能控制系统中的应用-285.1 概述-365.2 AT89C51单片机的介绍-28 单片机的一般结构-28 AT89C51具有下列主要性能：-28 AT89C51引脚描述-29第六章. 单片机的辅助电路的选择-316.1 A/D转换器的选择-31 逐次逼近式A/D转换器结构原理及主要技术指标-316.1.2 ADC0809引脚及功能-326.2 键盘显示控制器8279-336.2.1 8279引脚及功能-33 8279控制逻辑-346.2 3 8279扫描计数器-346.3 8155可编程I0接口扩展-35 8155结构及引脚-356.3.2

8、作扩展I/0接口使用-366.4 可编程计数器定时器8253-366.4.1 8253的主要功能-376.4.2 8253的引脚特性- -37 8253的工作方式-38第七章 .总结-40谢 辞-41主要参考文献-42附录-43第一章.绪论电动机,特别是三相异步电动机是现代工农业生产的主要动力设备,统计表明世界各国电动机的用电量占总发电量的50 %60 % ,因此,电动机及其拖动系统的节能具有十分重要的意义。由于电动机的效率与负载的大小有关,当电动机在额定负载附近运行时,其效率和功率因数都较高,但当负载系数较低时,其效率和功率因数都将急骤降低,如图1所示。据统计资料表明,我国中小型异步电动机大

9、部分平均负载率在20 %65 %之间,特别是机械、纺织等行业情况更为严重。若电动机处在空载或轻载运行时适当降低电源电压,使电动机运行在效率最佳状态,此时功率因数较高,具有显著的节能效果。 图11 异步电动机的效率与功率因数曲线采用单片机控制的轻载调压节电器可以将电动机的软起动和过载检测、短路检测、缺相检测、上电检测等检测集中于一体,单片机对系统的保护措施是可以实时的保护系统和电动机的正常工作。对电动机的端电压和端电流的采样之后送入单片机的相位比较模块之后就能很精确的实现对电动机的功率因数角的测量，进而得到电动机的负载系数。在单片机的内部程序处理之后根据得到的最佳电压比，向电动机晶闸管的驱动电路

10、发出信号控制晶闸管的导通，最终使电动机工作在最佳电压比之下，真实意义上实现了单片机控制电动机的轻载节能。第二章 异步电动机轻载调压节能理论分析交流异步电动机空载或轻载运行时，功率因数很低，从而使电流较大。一般电动机空载电流在额定电流的30%左右，小型电机有达50%者。在空载或轻载时，降低电机相绕组的端电压，可使功率因数提高，起到降低定子电流作用。与电流平方成正比的供电线路损耗、变压器铜损耗和电机绕组热损失特显著减少。端电压的降低又使电动机铁芯损失大为下降，提高了电动机的效率。可见，空载或轻载运行的电动机降低其端电压运行是有力的节电措施。2.1 异步电动机轻载调压节能原理异步电动机端电压变化时，

11、铁耗与电压的平方成正比变化。设电动机的实际电压与额定电压之比为，则铁耗 （21）式中额定电压时的空载损耗 机械损耗而铜耗则与电流的平方成正比,可以用下式计算 （22） 式中电动机的负载系数 电动机的输出功率当负载系数一定时,若电动机的端电压降低,则铜耗和杂散损耗将按增大,而铁耗将按减小。在某一电压下运行时,必然有电动机总损耗最小。这一电压称为在该负载系数下的最佳运行电压,其电压比称为最佳电压比。设电动机额定电压下运行时的总损耗为 ,任意电压下运行时的总损耗为,则 （23） （24）定义效益系数 （25）对于在某一负载系数下运行的电动机,只有当<1 时,改变运行电压才有节电意义, 值越小,

12、节电效果越显著。令 ,可求得该负载系数下的最佳电压比和最佳效益系数 （26） （27）令 （28） （29）则 （210） （211）由以上分析可以得到如下结论:(1) 最佳电压比和最佳效益系数都与电动机额定运行时的损耗分布情况有关。一般异步电动机有, 即a > 1 (额定运行时的铜耗大于铁耗) , 故电动机额定运行时并非在最佳效率状态。(2) 当电动机满载运行时, 其最佳电压比, 但应使其值小于等于1.1 。只有当负载系数时, 降低电压才有节电意义。负载系数越小, 降压节电效果越显著。(3) a 值越接近于1 (额定运行时的铁耗越接近于铜耗) 的异步电动机, 采用调压节电的效果越好。2

13、.2 单片机应用的轻载节能的可行性单片机应用的轻载节能技术的发展主要取决于以下关键技术的迅速发展： (1)半导体大规模集成电路技术的迅速发展。半导体电路体积越来越小，价格越来越低。 (2)计算机及其控制技术的不断发展，使控制小型化、灵活化、智能化。 (3)传感器技术的发展，使信号采集更加方便。由于上述技术的发展，使单片机应用的轻载节能技术及其设备和产品迅速发展，而民具有很多优点和特点。单片机技术及其外围设备之所以迅速发展，在于它有以下许多优点：(1)体积小，重量轻 IC技术和LCD技术的发展，使控制装置的体积和重量减少为原来的几分之一或几十分之一。(2)速度快，精度高 由于电路集成度的提高，处

14、理速度和响应速度也大大提高，因而使超精密和高精密控制成为可能。(3)可靠性提高 在机电一体化设备小，激光、电磁技术的应用，用无触点代替了有触点开关，非接触式代替了接触式控制，减少了机械接触中漏油、磨损、断裂等问题。使可靠性大幅度提高。(4)柔性好 机电一体化系统中，只要改变软件就能实现最佳运行方式或增加新的运行方式。它们都具有很强的扩展性，个设备往往硬件不需要改变多少，就以实现多用途、多功能。第三章. 常见异步电动机节能方法的比较 对于异步电动机的节能研究一直没有间断过，有许多都是以机械的角度从电动机的软启动出发来开发出许多的启动方法如：研制高效的异步电动机, 开发新型节能电动机。近年来随着稀

15、土永磁材料的发展, 极大地推动了永磁电动机的更新, 从而使永磁三相同步电动机部分替代三相异步电动机将成为现实, 永磁同步电动机的效率比同容量的异步电动机高5% 10% , 其功率因数也很高甚至接近于1, 所以是一种很有发展前途的节能型电动机。但是随着计算机信息技术的发展和进一步的成熟，单片机应用于电动机的控制领域中越来越显示出了强大的应用前景。3.1 异步电动机轻载自动切换有些电动机重载运行的时间较短, 而空载和轻载运行的时间较长。当电动机正常运行定子绕组为接法时, 在空载和轻载运行时最简单的降压方法是转换为Y 接法。若电动机重、轻载交替工作,可采用/ Y自动切换。 图31 电动机自动切换电路

16、KA中间继电器触点；FT热继电器；SB控制按钮；KM交流接触器；HL信号灯；FU熔断器；Q电源开关D1D4，D2D5，D8D6电动机转子绕组由 接法改为Y 接法后, 其相电压降低到原来的, 即。此时电动机的额定功率也变为 接法时的三分之一。如果 接法时的负载系数为33 % , 则改为Y 接法时的负载系数将变为100 % , 其功率因数明显改善。但从电动机本身节电的角度出发,其最佳切换负载系数。只有当负载系数时才能节能。/ Y切换的优点是转换器结构简单、不消耗功率。但这一方案要求的电压值变动是一定的, 不能适应各种负载的需要。理想的节电器是按负载的大小自动改变电源电压, 使电动机在各种负载系数下

17、均运行在最佳效率和较高功率因数状态。3.2 异步电动机轻载自动调压节电器按照最佳电压比来调节电压,就可以使电动机始终处于最佳运行状态, 达到节电的目的。这里的关键是电动机负载系数的测定,下面介绍负载系数的功率法。由参考文献1可知，测量电动机的负载系数有三种方法：1)转差率法 由文献1，电机的负载系数可按下式计算 （31）式中s , ,电动机的转差率、额定转差率、额定电压测出运行时的电压和转速n , 就可以得到负载系数。2)空载电流法设电动机在额定电压时的空载电流为, 测出电动机运行时的定子电压和电流, 则负载系数 （32）式中：,电动机的额定电压、额定电流.3) 功率法 当采用调压节能运行,电

18、动机的效率一般均较高, 可近似认为等于额定效率不变,测出电动机运行时的定子电压、电流和功率因数，则由功率法可测得异步电动机的负载系数： （33）相关资料表明, 采用单片机控制的轻载调压节能器可以将电动机的软起动和过载、短路、缺相等保护集中于一体。图32 为该节电器的电路原理示意图图电动机两端的电压信号、电流信号经过单片机外围设备的A/D转换器的采样和分析的到了电压电流之间的相位的差角，经过单片机内部程序块的处理就可以得到相位角，进而可以得到电动机的功率因数，单片机按照式（33）计算算出电动机的负载系数。通过负载系数就可以得到电动机的最佳电压比，向晶闸管的驱动电路发出控制信号；晶闸管的导通角由单

19、片机发出的控制信号作用在晶闸管的驱动电路上，晶闸管的驱动电路的主要作用是将单片机发出的控制信号发大，因为单片机的控制信号是很弱的数字信号，需要又驱动电路来完成将数字信号转换成模拟信号作用在晶闸管上，真正意义上实现对晶闸管的控制。3.3 轻载节能电动机软起动器软起动指装置输出电压按指定要求上升，使被控电动机电压由零按指定斜率上升到全电压，转速相应地由零平滑加速至额定转速的过程。软起动方式既改善了电动机起动时对电网的影响，又降低了电动机自身所承受的较大结构冲击力。电动机电子软起动器，是在电力电子技术蓬蓬勃勃的发展中，悄然应运而生的。它是种减压起动器是继星三角起动器、自耦减压起动器、磁控式软起动器之

20、后目前最先进、最流行的起动器，简称“软起动器”。它一般是采用16位单片机进行智能化控制，既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动，又能降低对电网的冲击，同时还能直接与计算机实现网络通信控制，为自动化智能控制打下良好基础。起动时为防止过大的起动电流冲击, 采用降低电压, 然后逐渐升高电压, 即软起动方法, 起动时间可以根据需要调整, 起动结束后转入调压节能运行, 端电压变化如图33 所示。 图33 节电器端电压变化曲线单片机控制系统根据电压、电流采集并且有相序和缺相处理、过载和短路处理、漏电处理和自检处理等子程序, 因而具有较完善保护功能。3.4 轻载节能软件设计保护器软起动原理是采用三个双

21、向晶闸管串联于电动机的三相供电电路上，利用晶闸管的电子特性，通过控制其触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管的开通程度，从而改变电动机输入电压的大小，以达到控制电动机的软起动过程。主程序软件流程见附件，主要有主程序模块,故障检测模块,软起动控制模块,系统初始化模块等。电动机的软起动模式一般有两种：（1）限流软起动模式。这种方式可使电动机在起动时最大不超过预先设定的限流值。（2）电压斜坡起动模式。这种方式是通过设定电动机输入电压的线性的上升速率来完成电动机的起动过程。由于电压从初值到额定值是线性变化（初值可保证电机有最大的起动力矩），所以整个起动过程可保证电机平稳运行。如果检测电流小于0.4倍额定电

22、流,则输出相应的触发脉冲,控制晶闸管进行电机软起动,如果检测电流大于0.4倍额定电流,电机正常运行。因为设计的起动电压为额定电压的0.4倍，所以起动时候的电流值也应该相应的控制在额定值的0.4倍，在保持了电流在规定值之后，电动机的端电压从0.4倍额定值开始施加，直到达到额定电压值之后稳定运行，完成这个步骤之后，电动机就进入轻载节能工作状态。选择电压斜坡起动模式。在前面的硬件设计中的运行参数确定时，要保证，起动电压时，现在由晶闸管触发公式 （34）可得 （35）解得 起动时电动机输入的电压初值所需的触发角便求出了。至于输入电压额定值所对应的触发角本来应该为0，但由于是阻感性负载，电动机功率因数不

23、为1，且存在脉冲输出接口电路设计中提到的最小触发角问题，故而此时应为在运行参数确定时提到的值0.61rad。关于输入电压的上升速率则由设定的软起动时间决定。在此设定为5秒左右。由于三相交流可控硅调压每改变触发角，就会因此在触发角上丢失一个电压周期，故输入电压实际上并不是连续的，而是以一定的阶梯上升。第四章.控制系统各元件的选择 在自动调速系统中，往往需要有电流和电压等反馈信号，以便与相应的给定信号进行比较，这些反馈信号是在相应的检测单元取得的。检测元件的性能优劣，直接影响到调速系统的性能好坏。因此，合理正确地选择检测元件对设计一个系统相当重要。4.1 系统直流电源的提供整流电路的任务是将交流电

24、变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中（1kW以下），常见的整流电路有单相半波整流电路。 工作原理电路如图41所示，图中Tr为电源变压器，通过计算的可到电源变压器的变比是： （41）通过变压器的作用是将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压，是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1一D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。下图是它的简化画法。 图41 整流电路工作原理图在电源电压的正、半周(设a端为正，b端为负时是正半周)内电流通路分别用图上图中实线利虚线箭头表示。通过负载的电流以及电压的波形如下图所示。显然，它们都

25、是单方向的全波脉动波形。 图42 负载的电流以及电压的波形 整流二极管的选择用傅里叶级数对上图的波形进行分解后可得 （42）式中恒定分量即为负载电压的平均值，因此有=11.46V （43）由式(41)看出，最低次谐波分量的幅值为，角频率为电源频率的两倍，即。其他交流分量的角频率为、等偶次谐波分量。这些谐波分量总称为纹波，它叠加于直流分量之上。常用纹波系数v来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即 （44）所以要有电容滤波电路来降低纹波对负载的影响。整流元件的计算，在整流桥中，二极管、和、是两两导通的，所以流经每个二极管的平均电流为 （45）二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压，在正半周时

26、，、导通，、截止。此时、所承受到的最大反向电压均为的最大值，即 （46）同理，在的负半周，Dl、D：也承受到同样大小的反向电压。 桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负裁，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中颇为广泛的应用。所以本设计选用整流桥堆块QL62AL，它的额定电流为2A，最大反向电压为25V-1000 V。 三端集成稳压器 目前，电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。由于它只有输入、输出和公共引出端，故称之为三端式稳压器。现以具有正电压输出的78L×

27、15;系列为例介绍它的工作原理。下面对其作简单介绍。三端稳压器应用78L15作为输出电压固定的典型电路图，正常工作时，输入、输出电压差为23V。电路中接人电容用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，是电解电容，以减小稳压电源输出端由轴人电源引人的低频干扰。 图43 直流供电电路（15V部分）从图43中，可以很清楚的看出，变压器从系统的到了18V的交流电压，经过整流桥的作用，变成正半波的正弦信号，电路中接人电容220uF用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，0.1uF的电容，以减小电流引入的低频干扰。经过滤波的电流信号，是平稳的，但是

28、还不能完全满足系统的要求，所以加上三端稳压器以得到稳定的直流电压，经过三端稳压器之后，用电容在依次滤去三端稳压器产生的谐波，最后得到的是良好的直流电压提供给系统，上图只列出了15V部分，整个系统还有5V和3V的直流提供，也与15V直流电压源的原理一样，这里不在熬述。4.2双向晶闸管的选择双向晶闸管(简称双向元件)是由普通晶晶管派生出来的一种新型的大功率半导体器件。它与普通晶闸管所不同的是能采用正的或负的门极(即控制极)信号，可以便正、反两个方向导通。虽然双向晶闸管的封装形式和配用的散热器与同等规格的普通晶间管完全相似，在结构和原理上也有共同之处。但是，就其本质上它们之间却存在着很大的差异。晶闸

29、管的主要参数 普通晶闸管在反向稳态下，一定是处于阻断状态。而与电力二极管不同的是晶闸管在正向工作时不但可能处于导通状态，也可能处于阻断状态。因此，在提到晶闸管的参数时，断态和通态都是为了区分正向的不同状态，因此“正向”二字可省去。此外，各项主要参数的给出往往是与晶闸管的结温相联系的。晶闸管的重要参数见表41中。1）断态重复峰值电压 断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时允许重复加在器件上的正向峰值电压。国标规定重复频率为50Hz，每次持续时间不超过10ms。规定断态重复峰值电压为断态不重复峰值电压(即断态最大瞬时电压)的90。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压，所留裕量大小由生产厂家自

30、行规定。2）反向重复峰值电压 反向重复蜂值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。规定反向重复峰值电压为反向不重复峰值电压(即反向最大瞬态电压)的90。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压，所留裕量大小由生产厂家自行规定。 3)通态(峰值)电压 这是晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的和中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有定裕量，一船取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。4)通态平均电流 国标规定通态平均电流为品闸管在环境温度为40和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正

31、弦半波电流的平均值。这也是标称其额定电流的参数。同电力二极管一样，这个参数是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的此项电流定额，并应留一定的裕量。般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.52倍。5)维持电流 维持电流是指使晶问管维持导通所必需的最小电流，一股为几十到几百毫安。与结温有关，结温越高，则越小o6)擎住电流 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常约为的24倍。7）浪涌电流A 浪涌电流是指由于电路异常

32、情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。浪涌电流有上下两个级，这个参数可用来作为设计保护电路的依据。 除开通时间和关断时间外。，还有：1)断态电压临界上升率 这是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。如果在阻断的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率则在阻断状态下相当于一个电容的结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。使用中实际电压上升率必须低于此临界值。2)通态电流临界上升率 这是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上

33、升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶问管损坏。 双向晶闸管 双向晶闸管可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，其电气图形符号和伏安特性如图所示。图44 双向晶闸管电气图形符号（a）和伏安特性(b)它有两个主电极T1，和T2一个门极G。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通所以双向晶闸管在第和第象限有对称的伏安特性。由于双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。又参考文献1可得下表：表41 KS型双向晶闸管的额定值参数系列额定通态电流断态重复峰值电压断态重复峰值电流额定结温断态电压临界上

34、升率换向电流临界下降率门极触发电流门极触发电压维持电流通态平均电压浪涌电流AVmAmAVmAVAKS11<11152031002实厂8.4KS10101002000<10115200.2%51003测家84KS2020<101152052003值决170KS5050<151152082004定420KS100100<2011550103004840 由任务书给定的电动机的原始参数：kW，V，A，r/min，并结合上图有关KS10型双向晶闸管的技术参数可知道选用KS型双向晶闸管是符合要求的。4.3 双向晶闸管驱动装置的选择光电技术以其优良的抗干扰性能(光信号是不受电

35、磁干扰的) 而在电源技术中得到了广泛的应用。早期的光耦由于受到工艺的限制而速度较低, 从而使应用范围受到了一定的限制。随着高速光电耦合器甚至光电集成电路的出现, 其应用范围已经跨越光电隔离而在电源技术的各个领域。传统的电力电子器件(如晶闸管、电力晶体管、MOSFET、IGBT等) 的驱动方法是采用脉冲变压器,但是脉冲变压器存在一定的漏感, 这样使输出脉冲陡度受到限制, 同时其绕组寄生电感和电容使脉冲前后沿出现振荡, 对功率管不利。另外脉冲变压器在传输宽脉冲时容易出现铁心饱和, 其共模抑制比较低, 而采用数字光电耦合器则不存在这些问题。高性能的数字光耦原副边采用法拉第屏蔽进行去耦, 因此, 抗共

36、模干扰能力极强, 可以有效地抑制来自功率电路的干扰信号。其次, 光耦的隔离电压很高, 因此, 数字光耦能直接驱动IGBT和MOSFET等电压控制器件, 从而极大地简化了以往繁琐的驱动电路, 提高了电源的可靠性。同时采用光耦作为驱动元件来代替专用的驱动集成电路还可以在保证实现同等功能的条件下有效地降低成本。实际上, 用于这方面的光耦比较多,在电源技术中,可利用这个控制量去调节功率管驱动波形的占空比( PWM型) 或控制角(移相型) ,从而实现稳压或稳流输出。由于功率与控制部分应该在电源中进行电气隔离。但当输出量变化很大时,由于光耦内部光电三极管的非线性特性, 普通单光耦便不合适了,较理想的方法是

37、采用线性光耦反馈。下图所示： 图45 光耦驱动器原理图图45所示是一个利用一个普通单光耦代替线性光耦来改善非线性失真特性的应用电路,实验证明,该电路可以取得较好的线性效果。要保证上图所示电路的线性特性,TTL113 集成在一个芯片内的光耦器件, 另外, 可在这个电路的前级及后级附加运放, 并利用运放来加强放大作用，电阻和二极管用来以稳定放大倍数,阻容滤波进一步减小非线性失真。这样,可以取得相当好的效果, 但必须注意合理选择电阻及电容的参数。单片机发出的控制信号，经过光耦合作用放大成直流5V的信号后作用在晶闸管的触发电路的控制电压端。触发模块发出触发信号控制晶闸管的导通，从而控制加在电动机两端的

38、电压。4.4 电流、电压信号检测装置的选择 电流检测装置的选择利用电流互感器(CT)测交流电流。电流互感器属于不用驱动电路的无源设备其测量原理是根据电磁感应定律首先将一次侧电流转换成二次侧电流，然后利用交流电流表去测量二次侧电流，再根据变流比换算成一次侧电流值。若令一次侧和二次侧的电流有效值分别为，并且，匝数依次为， 变流比，则有关系式。选择电流互感器时应遵循以下原则：根据被测电流的大小来选择电流互感器的额定变流比，必须使电流互感器的一次侧额定电流大于被测电流；电流互感器的额定电压要与线路电压相适应；测量仪表的功耗不得超过电流互感器的额定容量。 图46 系统电流检测电路（1）系统电流上检测 电

39、图46中经过电流互感器的作用将得到小电流，在经过整流桥的作用将检测信号变成正弦半波信号，电路中接人电容220uF用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，0.1uF是电解电容，以减小电流引入的低频干扰。经过滤波的电流信号，再经过反向电压过零比较器LM358的作用将直流电流信号转换成方波信号，送入到单片机的外围保护和检测电路中，从而实现了单片机对电流的上电检测。可以很好的保护单片机控制系统不至于被过电流烧毁，也可以作为单片机系统开始工作的信号检测，对于缺相保护，过电流保护，断流保护都起到很重要的作用。（2）系统电流信号的采样 单片机系统是只能以数字信号进行识别和工作的

40、，而电动机的电流信号是模拟量，这就需要对模拟信号采样之后的数字量的转换，电流信号只有在转换成数字信号之后才可以提供给单片机的内部系统使用。又电阻分流器将电流互感器的小信号分流并放大到满足A/D转换器能够使用的4.5V左右的电压信号，供给摸数转换器进行采样，其采样周期T=50ms. 电压检测装置的选择根据测试系统的要求，需要采集被测对象的电压参数，参数采集是至关重要的。（1）电压信号检测 它直接影响到整个测试系统的测试精度。单片机对电压信号的采集和转换。先将其电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D的转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号。这种方法的优点是测量

41、简单方便，但是这种方法当电流很小时，从电阻上取得的电压值可能很小，影响测量准确度，因而很难选择一个合适其次，所得到的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器。 图47 电压检测电路图47中经过电压互感器的作用将高压转换成低压，将检测到的正弦电压信号送入到ADC0809中，从而实现了单片机对电压信号的初步采集和检测。（2）电压上电检测 图48 系统电压上电检测图48中经过电压互感器的作用将得到低电压，电路中接人电容0.1uF用来实现频率补偿，变压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，还可以减小电源引入的低频干扰。经过滤波的电压信号，再经过反向电压过零比较器LM339的作用将交流电

42、压信号转换成方波信号，送入到单片机的外围保护和检测电路中，从而实现了单片机对电压的上电检测。可以很好的保护单片机控制系统不至于被过电流烧毁，也可以作为单片机系统开始工作的信号检测，对于缺相保护，过电压保护都起到很重要的作用. 相位频率转换器原理相位频率转换式数字相位计。被测相位为 (47)式中: 实际脉冲的周期；在时间内计数值：被测信号的周期。由于是已知量，单片机系统有自己的计数器在计数系统的频率，而交流电源的频率是50Hz，就可以得到T的值。当电压检测回路检测到电压过零的时候外部计数器开始计数，直到电流检测回路检测到电流过零之后计数器停止计数，在这段时间里内计数器的到的计数值，在根据下式可以

43、得到相位角，所以： (48) 从上式可知，该测量方法的测量精度直接受频率的影响，例如，精度要求为，则要求：, (49)即当被测量信号频率增大时，时标信号频率相应加大到3600倍。另外，当输如信号为正弦波时，必须经过整形变为方波信号，转换时的门限电平的漂移给测量带来较大的误差。 图49 相位频率转换式数字相位计转换波形图在本设计的信号采样系统中，设定采样周期为50ms。系统已经能够很精确的对电压、电流信号进行采样，保证了单片机对系统信号的采集，更好的实现了对系统的动态控制。4.5 过电压保护电气设备能否正常可靠安全运行，主要决定于设备的绝缘水平和作用于绝缘上的电压高低。电气设备在正常运行情况下，作用在电气设备上的电压为额定相电压。但由于种种原因。在电气设备中的某些部分其电压可能升高。而且有时会大大超过正常运行电压，这就有可能发生电气设备绝缘严重损坏的事故，由于过电压