數(shù)控式電機軟起動綜合實驗平臺建設(shè)與管理

馮興田，張加勝，劉希臣

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

電氣工程及其自動化專業(yè)是通用型專業(yè)，涵蓋多學(xué)科和強弱電，所以特別強調(diào)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。如何多方位、短時間、內(nèi)容豐富、高效地全面地覆蓋專業(yè)知識，開展相應(yīng)的實驗教學(xué)，是教學(xué)實驗室面臨的一大難題[1-2]。為此，本實驗室依托廣泛應(yīng)用于油田抽油機電機的軟起動裝置，通過多年的研究和完善，開發(fā)了數(shù)控式電機軟起動綜合實驗平臺(以下簡稱綜合實驗平臺)，給電氣工程專業(yè)學(xué)生提供更多的動手實踐機會。綜合實驗平臺結(jié)合科研裝置，體現(xiàn)石油行業(yè)特色，針對三相異步電機的軟起動系統(tǒng)展開全面實驗研究。主要包括主電路的設(shè)計、控制電路的調(diào)試設(shè)計、驅(qū)動電路的焊接訓(xùn)練、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等環(huán)節(jié)。實驗平臺集合了電路分析、電機電器、電力工程、微電子技術(shù)、自動控制、電力電子技術(shù)、計算機控制等多門課程的知識，能讓學(xué)生全面匯總所學(xué)理論知識，并將理論知識、實踐經(jīng)驗、科研項目有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的“三位一體”培養(yǎng)。同時，通過優(yōu)化整合實驗室資源，充分利用現(xiàn)有實驗室設(shè)備，設(shè)置不同類型、不同要求的多個實驗單元，采用先進(jìn)的管理措施[3]，可針對不同類型、不同層次的學(xué)生實現(xiàn)不同的培養(yǎng)目標(biāo)。

1 綜合實驗平臺設(shè)計

綜合實驗平臺基于三相異步電機的降壓起動原理，源于游梁式抽油機電機的軟起動節(jié)能裝置，以MCS51單片機控制系統(tǒng)為核心，結(jié)合主電路及外圍電路構(gòu)成。

1.1 綜合實驗平臺結(jié)構(gòu)原理

三相異步電機的轉(zhuǎn)速與其端電壓成正比，控制端電壓從小到大平滑或有級地變化，即可實現(xiàn)電機的軟起動。綜合實驗平臺框圖見圖1，由晶閘管構(gòu)成交流調(diào)壓電路，通過控制晶閘管導(dǎo)通角的大小，控制加到電機上的三相電壓有效值，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)采集及控制電路檢測相電壓的過零點，以此為基準(zhǔn)設(shè)定一個初始的控制角度，以后每隔一定的時間給導(dǎo)通角一個小的增量，最后完全導(dǎo)通，即可實現(xiàn)電機的有級軟起動[4-6]。驅(qū)動電路實現(xiàn)控制信號與晶閘管門極觸發(fā)的隔離驅(qū)動，穩(wěn)壓電源提供控制電路及驅(qū)動電路的直流電源。

圖1 數(shù)控式電機軟起動綜合實驗平臺框圖

1.2 綜合實驗平臺硬件系統(tǒng)

綜合實驗平臺的硬件系統(tǒng)主要包括以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、主電路與驅(qū)動電路、電源電路等。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)以MCS51單片機控制系統(tǒng)為核心，主要完成信號的采集、軟起動時間和模式的設(shè)定、輸出的封鎖控制、輸出脈沖序列提供主電路晶閘管的觸發(fā)信號，系統(tǒng)框圖如圖2所示。A相交流電壓經(jīng)過變壓器降壓之后，進(jìn)入電壓比較器LM393，此處采用滯環(huán)過零比較方式，增強抗干擾能力，獲取A相電壓的過零點信息(若無中線，可取AB線電壓信號，通過單片機編程移相30°獲得)。模式輸入代表軟起動過程共有多少級，也就是多少個觸發(fā)角模式，可由數(shù)字鍵盤輸入。模擬電位器或數(shù)字鍵盤設(shè)定起動時間，起動時間表示每種模式下的工作時間，比如從180°到0°共設(shè)置16種觸發(fā)角模式，起動時間設(shè)定為5 s，則整個軟起動過程為16×5=80 s。模式狀態(tài)顯示可采用發(fā)光二極管或數(shù)碼管顯示系統(tǒng)。單片機采集到上述相關(guān)信息后，運行程序輸出相應(yīng)的脈沖序列，通過74LS244緩沖電路將脈沖序列送至晶閘管驅(qū)動電路，當(dāng)出現(xiàn)故障時，還可通過控制74LS244的封鎖端封鎖輸出信號或由單片機直接停止發(fā)送脈沖序列。

圖2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)框圖

1.2.2 系統(tǒng)主電路及驅(qū)動電路

實驗系統(tǒng)主電路如圖3所示，主要由雙向晶閘管或反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成交流調(diào)壓電路，A、B、C三相交流電源分別通過TA、TB、TC三組晶閘管與三相異步電機的定子繞組連接。此處未采用典型的三相交流調(diào)壓電路，而是采用了三組獨立的單相交流調(diào)壓電路[7]，主要目的是調(diào)試方便，便于學(xué)生針對不同的驅(qū)動電路單獨對各相進(jìn)行調(diào)節(jié)。實際電路中，阻容吸收電路并聯(lián)在晶閘管兩端，用以吸收晶閘管關(guān)斷時過大的沖擊電流，防止晶閘管擊穿。

圖3 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

為充分鍛煉學(xué)生的動手能力，實驗中采用3種不同的驅(qū)動電路(見圖4)，分別用來驅(qū)動A、B、C三相的晶閘管，A1、B1、C1依次為74LS244輸出的A、B、C三相脈沖序列。

A相驅(qū)動電路使用光耦MOC3052實現(xiàn)脈沖觸發(fā)電路與強電的隔離，電路結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠。當(dāng)A1端輸入正脈沖時，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，使其內(nèi)部的光敏雙向晶閘管導(dǎo)通，從而給主電路雙向晶閘管BTA06-600C提供觸發(fā)脈沖。

圖4 晶閘管驅(qū)動電路

B相驅(qū)動電路主要由三極管9013和脈沖變壓器及附屬電路組成。當(dāng)三極管9013導(dǎo)通時，在晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖，提供觸發(fā)電流，驅(qū)動單向晶閘管；當(dāng)三極管9013關(guān)斷時，原邊產(chǎn)生下正上負(fù)的自感反電勢，使反并聯(lián)的二極管VD1導(dǎo)通，對原邊電流形成續(xù)流通路。同時，副邊產(chǎn)生下正上負(fù)的電壓，由于二極管反偏，所以副邊形不成電流通路。VD3的存在使此時輸出給門極與陰極間的電壓近似為零，此外還具有防止負(fù)脈沖和其他干擾信號影響晶閘管工作的效果。VD1和R3提供的續(xù)流支路可使三極管9013在關(guān)斷瞬間的集電極電位大大降低。電解電容C2可濾除低頻諧波。為保證晶閘管可靠觸發(fā)導(dǎo)通，門極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續(xù)時間，以及盡可能短的電流上升時間,脈沖變壓器需要采取措施防止磁芯飽和。實驗中采用高頻調(diào)制的脈沖列觸發(fā)方式，一方面可減小脈沖變壓器鐵芯的體積，另一方面有利于減小觸發(fā)驅(qū)動功率，并提高觸發(fā)的可靠性。

C相驅(qū)動電路原理和B相非常相似，采用運放LM393代替B相驅(qū)動電路中的9013。LM393的輸出引腳1端直接接到變壓器的副邊。當(dāng)LM393反向輸入端(C1端)輸入正脈沖時(大于電阻R2和R3對+12 V電源的分壓)，輸出端1輸出低電平(接近0 V)，脈沖變壓器原邊導(dǎo)通，相當(dāng)B相驅(qū)動電路中的三極管9013導(dǎo)通，變壓器輸出端輸出正脈沖；當(dāng)LM393反向輸入端輸入低電平時，輸出端1輸出高電平(+12 V)，脈沖變壓器原邊和反并聯(lián)的二極管形成回路，相當(dāng)于B相驅(qū)動電路中的三極管9013關(guān)斷。

1.2.3 電源電路

電源電路提供數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)以及驅(qū)動電路的直流電源，將交流電源電路經(jīng)變壓器降壓后，通過整流橋變換為直流電，再將直流電輸入三端集成穩(wěn)壓塊，輸出得到所需要的直流電壓。電源電路主要輸出+5 V、+12 V和-12 V 3種直流電壓，所使用的三端集成穩(wěn)壓塊分別為7805、7812和7912[8]。圖5所示為+5 V直流電源的獲取電路，變壓器降壓得到的交流8 V輸入整流器，整流器輸出的電壓經(jīng)過電容C1濾波后得到大約為9 V的直流電壓。該電壓加到三端穩(wěn)壓塊7805的輸入端1和公共地2之間，則在7805輸出端3和公共地2之間得到+5 V的穩(wěn)定電壓輸出。電容C1為濾波電容，為盡可能減少輸出紋波，該電容值應(yīng)取得大些，一般可按每0.5 A電流選取1 000 μF的電容，此處取2 200 μF；電容C2的作用是緩沖負(fù)載的突變、改善瞬態(tài)響應(yīng)，此處取470 μF。

圖5 直流電源電路

各單元依次有序連接后，綜合實驗平臺的硬件系統(tǒng)見圖6。主要包括電源板、控制板、驅(qū)動板、主電路板等開發(fā)板，以及變壓器、三相異步電動機、斷路器等設(shè)備，還有數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器等測試工具。

圖6 綜合實驗平臺硬件系統(tǒng)

1.3 實驗軟件設(shè)計與數(shù)字仿真

在Keil C51編程環(huán)境下，通過對MCS51單片機編寫程序[9]，完成信號的采集、軟起動時間和模式的設(shè)定、輸出的封鎖控制、輸出脈沖序列等程序內(nèi)容。其主要工作是提供主電路晶閘管的觸發(fā)信號，可在單片機的存儲器中事先寫入多種模式的觸發(fā)脈沖數(shù)據(jù)，然后根據(jù)設(shè)定的模式數(shù)量，選取相應(yīng)的存儲數(shù)據(jù)輸出，控制晶閘管的觸發(fā)角從大到小持續(xù)變化，實現(xiàn)電壓的從小到大持續(xù)變化，完成電機的軟起動過程。實驗過程中，可以根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)軟起動的時間和工作模式數(shù)量。另外，針對設(shè)計的硬件電路，可事先通過電力仿真軟件進(jìn)行仿真，驗證所設(shè)計電路的工作原理、調(diào)試相關(guān)電路參數(shù)，最終完善各單元的結(jié)構(gòu)及電路參數(shù)。

2 實驗管理運行

綜合實驗平臺建立之后，通過采取靈活多變的管理和運行措施，不但可以優(yōu)化實驗室資源配置，強化實驗室創(chuàng)新機制，還可以改進(jìn)相應(yīng)的教學(xué)方式方法，提高學(xué)生各方面的能力。

2.1 優(yōu)化實驗室資源配置

綜合實驗平臺中，相關(guān)的實驗裝置、設(shè)備、儀表等都可與其他基礎(chǔ)或?qū)I(yè)實驗室共享。比如三相異步電機可與電機拖動實驗室共用，三相燈箱負(fù)載、函數(shù)發(fā)生器可與電路分析實驗室共用，MCS51單片機可與單片機實驗室共用，數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表等可與電力電子實驗室共用。同時，該實驗平臺開發(fā)的電源板、主電路板等亦可用于其他實驗室或畢業(yè)設(shè)計工作。

2.2 促進(jìn)開放式教學(xué)方式

該實驗綜合性、專業(yè)性、實踐性較強，學(xué)生難以在短時間內(nèi)完成，可以采用開放式教學(xué)[10-11]。學(xué)生可將部分電路的焊接和調(diào)試工作拿出實驗室完成，程序編寫調(diào)試、電路仿真分析也可在宿舍或教室完成，既避免了實驗室不夠用的情況，又激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性。另外，還可將該實驗相關(guān)的裝置放在創(chuàng)新實驗室中，讓學(xué)生將該實驗與相關(guān)科研項目、大學(xué)生創(chuàng)新項目等聯(lián)系起來，進(jìn)一步加強學(xué)生的創(chuàng)新意識。

2.3 助推多目標(biāo)培養(yǎng)方法

實驗內(nèi)容可按照培養(yǎng)類別、興趣愛好、不同需求等分成多個相對獨立的單元，從焊接、編程、調(diào)試、設(shè)計、仿真等多個角度進(jìn)行分工，因材施訓(xùn)，從加強學(xué)生動手能力培養(yǎng)的指導(dǎo)思想出發(fā)，充分體現(xiàn)精英型、特色型、研究型不同類型的培養(yǎng)目標(biāo)。對于不同層次、不同類型、不同要求的學(xué)生，可以設(shè)置不同的實驗內(nèi)容，比如：軟起動裝置的主電路、控制電路、驅(qū)動電路的設(shè)計分析調(diào)試，結(jié)合抽油機節(jié)能裝置開發(fā)適用于現(xiàn)場的軟起動裝置[12]，存儲式控制的設(shè)計方案，焊接組裝電氣自動化裝置等。這種方法可激發(fā)學(xué)生的不同興趣愛好，發(fā)揮各自的特長，實現(xiàn)不同能力的培養(yǎng)。同時，幾個學(xué)生分為一組，共同協(xié)作完成目標(biāo)，提升學(xué)生分工合作的團(tuán)隊意識和科研協(xié)作意識。

2.4 實施多元化教學(xué)方案

實施集中講解、分散訓(xùn)練、個體解惑、驗收考核有機結(jié)合的多元化教學(xué)方案。集中講解就是集中向?qū)W生講解實驗中涉及到的基礎(chǔ)理論知識內(nèi)容，系統(tǒng)介紹工作任務(wù)，分解工作任務(wù)，學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好自由分組、選擇任務(wù)；分散訓(xùn)練就是按照學(xué)生的分組情況，發(fā)給他們工具設(shè)備和相應(yīng)的電路及元件，各小組成員分工合作，共同實現(xiàn)實驗內(nèi)容的設(shè)計、焊接、調(diào)試等一系列的工作，整個實驗過程中，學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱相關(guān)芯片元件以及適用電路等資料，設(shè)計合適的參數(shù)和方法，最終達(dá)到實驗?zāi)繕?biāo)和要求；個體解惑就是整個實驗過程中強調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，指導(dǎo)教師解答學(xué)生疑問，同時針對實驗涉及的相關(guān)理論知識、波形測試、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備使用等各方面進(jìn)行質(zhì)疑，作階段性考察；驗收考核就是最后系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，達(dá)到指標(biāo)要求，同時回答指導(dǎo)教師提出的問題，提交詳盡的實驗報告，包括實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)、實驗波形等的分析，收獲體會以及改進(jìn)措施等，綜合考察最終確定成績。

3 結(jié)束語

該綜合實驗平臺結(jié)合電氣工程專業(yè)重實踐的學(xué)科特點，提供給學(xué)生一個強化動手實踐的平臺。該實驗平臺既結(jié)合專業(yè)實際，又面向石油特色；既有經(jīng)典的基礎(chǔ)理論分析方法，又有一定的科技含量，實現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，問思練統(tǒng)一；可以根據(jù)精英型、特色型、研究型的不同培養(yǎng)要求，根據(jù)學(xué)生的不同興趣愛好和特長，靈活確定實驗內(nèi)容與要求；通過集中講解、分散訓(xùn)練、個體解惑、驗收考核有機結(jié)合的教學(xué)體系，全面培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊協(xié)作能力。

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