0 引言

    課程實驗是電力電子技術專業課的必備環節，是課堂知識的延伸與拓展，是課本知識與實際應用的銜接^[1]。通過課程實驗使學生加深理解三相異步電動機的工作原理和運行特性等內容，學會綜合運用專業知識分析電機運行狀態，培養分析問題和解決問題的能力，為后續的工作及專業研究方面奠定一定的基礎^[2]。

1 系統構成

    實驗室用模型變頻器包括電機控制電路、電機驅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。系統結構框圖如圖1所示。系統集成電路由數字芯片和模擬芯片組成，相比于以單片機為核心的系統，具有結構簡單、成本低廉、穩定性高的特點^[3]。而且，學生便于測量系統關鍵點電壓、波形等參數，易于理解系統工作原理，能更好地建立對實際系統進行調試、分析的綜合素養，深化理解專業課程知識。

2 電機驅動電路設計

    電機驅動電路主要包括軟起動電路、電壓頻率轉換電路和脈沖寬度調制(PWM)電路。

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

2.1 軟起動電路

    軟起動電路的實質是由兩個積分環節和兩個單位負反饋組成的二階系統，動態結構圖如圖2所示。積分環節的實質是基于運算放大器的積分電路，積分電路的時間常數由電阻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 電壓頻率轉換電路

    電壓頻率轉換電路由CD4046鎖相環組成，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CD4040計數器分頻即可得到頻率100 Hz左右的方波信號驅動電機。CD4046鎖相環不可直接輸出低頻方波信號，輸出低頻信號會不穩定。

2.3 脈沖寬度調制電路

    由于電機驅動芯片IR2104為TTL兼容的數字芯片，因此應將啟動控制電壓模擬量轉換成為占空比可調的PWM波，實現用數字方式控制模擬信號。這樣也使MOSFET管工作在開關狀態，提高效率，減少熱損耗。脈寬調制電路如圖4所示。三角波發生電路由集成運算放大器組成，可產生頻率為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，從而實現變壓變頻啟動，實現恒磁通調速。

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，產生旋轉磁場，電機轉子在磁場作用下轉動。本系統采用三三導通方式，每個瞬間有3個MOSFET管導通，每隔60°換相一次，每次換相一個MOSFET管，合成轉矩轉過60°，每個MOSFET管通電180°^[9]。

    電壓頻率轉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CD4022計數，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種不同的循環狀態，在經過組合邏輯電路就得到控制電機6種狀態的信號，組合邏輯如表1所示。

    經過組合邏輯電路的狀態轉換，輸出控制電機6種狀態的信號C₀C₁C₂依次為“110”、“100”、“101”、“001”、“011”、“010”。信號送至電機全橋式驅動電路，當控制信號C為“1”時，上橋導通，當控制信號C為“0”時，下橋導通。所以，MOSFET管導通順序依次為Q₁Q₂Q₃、Q₂Q₃Q₄、Q₃Q₄Q₅、Q₄Q₅Q₆、Q₅Q₆Q₁、Q₆Q₁Q₂，實現三相異步電機180°導通。

3 電機驅動電路設計

    電機驅動電路包括MOSFET驅動器IR2104和大功率MOSFET管IRF830。IR2104為國際整流器公司生產的高功率MOSFET驅動器，具有獨立的高側和低側輸入通道。高壓懸浮驅動技術可使高側電壓最高為600 V，并減少驅動電源的數目。MOSFET驅動器有兩方面作用：一是將TTL芯片輸出的5 V電平轉換成為15 V電壓輸入MOSFET管柵極，二是提供數百毫安電流，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，上橋導通，當控制信號C為“0”時，下橋導通，使電機實現180°導通，并調節轉速。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節加載到電機上的等效電壓。最終實現電機變壓變頻調速。

    自舉電容C₁在高側導通時為MOSFET管柵極提供足夠的電荷，所以C₁取1 μF。二極管D₁在高側導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 電機保護電路設計

    電流傳感器采集三相電機相電流數據，轉換后送至電機保護電路。電機保護系統可以對過流、短路、缺相、過熱等情況進行檢測，必要時切斷電源，并通過RS觸發器對故障狀態鎖存，直至故障排除后復位。

4.1 傳感器及轉換電路

    本系統采用三個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的閉環非接觸式霍爾電流傳感器，具有響應時間快、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換成電壓量，便于后續保護電路比較處理。電流電壓轉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當延遲一定時間發出信號，切斷電源。

    考慮到電機相電流有正負之分，應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，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和單穩態觸發器MC14538組成，延遲時間由RX和CX之積決定，本系統延遲時間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，單穩態觸發器輸出低電平，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，單穩態觸發器輸出高電平，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，單穩態觸發器輸出轉變為低電平，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，所以一旦發生短路，應立即切斷電源。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，應切斷電源。

    電流傳感器輸出信號經轉換后得到的電壓值送至窗口比較器，比較器的正負閾值應設定較小。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，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觸發其他保護停止運轉，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極短時間電流為零的情況，因此缺相判斷電路后應接延遲電路，某一相電流為零一段時間后再觸發缺相保護。

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 結論

    本文完成了模型變頻器的原理設計，開發了三相異步電機控制電路、驅動電路、保護電路。通過功能測試與應用，系統運轉正常，達到了預期的要求，可以應用于相關教學實驗。系統實物圖如圖9和圖10所示。

    該課程實驗有助于提高學生動手操作的能力，加深學生對于專業知識的理解，培養學生的創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 自動化科學與電氣工程學院，北京100191)