【摘要】軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)控制的核心,直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。為了適應(yīng)各種不同負(fù)載的應(yīng)用,軟件設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)了多種不同的起動(dòng)曲線(xiàn),包括電壓斜坡起動(dòng)、限流起動(dòng)、突跳起動(dòng)及軟停車(chē)曲線(xiàn)等。同時(shí)設(shè)計(jì)完善的保護(hù)功能,包括短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓、欠壓保護(hù)、晶閘管過(guò)熱保護(hù)等。電機(jī)的參數(shù)及各種保護(hù)參數(shù)可由用戶(hù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況自行設(shè)定。交流異步電動(dòng)機(jī)廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,異步電機(jī)直接起動(dòng)存在著起動(dòng)力矩小、起動(dòng)電流大、對(duì)電網(wǎng)沖擊大、起動(dòng)困難、對(duì)機(jī)械設(shè)備沖擊大、電機(jī)使用壽命短、維護(hù)工作量大、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

一、異步電機(jī)軟起動(dòng)

異步電機(jī)軟起動(dòng)器可減小電動(dòng)機(jī)硬起動(dòng)引起的電網(wǎng)電壓降,使之不影響與其共網(wǎng)的其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行?？蓽p小電動(dòng)機(jī)的沖擊電流,沖擊電流會(huì)造成電動(dòng)機(jī)局部溫升過(guò)大,降低電動(dòng)機(jī)壽命;可減小硬起動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械沖擊力和沖擊力加速對(duì)所傳動(dòng)機(jī)械(軸、嚙合齒輪等)的磨損;減少電磁干擾,沖擊電流會(huì)以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運(yùn)行。軟起動(dòng)使電動(dòng)機(jī)可以起停自如,減少空轉(zhuǎn),提高作業(yè)率,因而有節(jié)能作用。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng),大致可分為有級(jí)和無(wú)級(jí)兩種。有級(jí)型的軟起動(dòng)有定子串電抗器降壓、液態(tài)電阻降壓、星-三角(y-△)降壓、自耦變壓器降壓和延邊三角形降壓等。無(wú)級(jí)型軟起動(dòng)有開(kāi)關(guān)變壓器降壓、磁飽和電抗器降壓、晶閘管串聯(lián)降壓軟起動(dòng)等。由于有級(jí)型降壓軟起動(dòng)的調(diào)節(jié)存在一定程度的二次電流沖擊,因此對(duì)電機(jī)的軟起動(dòng)效果有限。而在無(wú)級(jí)型軟起動(dòng)器中,隨著電力電子技術(shù)的提高和功率器件的發(fā)展以及銅、鐵等原材料價(jià)格的大幅上漲,晶閘管串聯(lián)式的高壓軟起動(dòng)裝置越來(lái)越被市場(chǎng)所認(rèn)可。

二、降壓起動(dòng)原理

摘要：介紹了一種可編程控制數(shù)字移相晶閘管觸發(fā)電路，使用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）芯片，采用VHDL硬件描述語(yǔ)言編程。此電路具有相序自適應(yīng)功能，穩(wěn)定性好，適用于三相全控整流、調(diào)壓場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備自動(dòng)化；晶閘管；數(shù)字移相觸發(fā)；VHDL；相序自適

引言

移相觸發(fā)器是控制晶閘管電力電子裝置的一個(gè)重要部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)電力電子裝置的性能指標(biāo)，因而歷來(lái)受到人們的重視。過(guò)去常用的模擬觸發(fā)電路具有很多缺點(diǎn)，給調(diào)試和使用帶來(lái)許多不便。近年來(lái)，數(shù)字移相觸發(fā)技術(shù)發(fā)展極為迅速，出現(xiàn)了以單片機(jī)、專(zhuān)用微處理器以及可編程門(mén)陣列為核心的多種觸發(fā)器集成電路。本文使用ALTERA公司的EPF10K10芯片，采用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一種以全數(shù)字移相技術(shù)為核心、具有相序自適應(yīng)以及針對(duì)調(diào)壓與整流的模式識(shí)別功能的雙脈沖列式三相晶閘管數(shù)字移相觸發(fā)電路。

1三相晶閘管相控觸發(fā)電路工作原理

觸發(fā)電路的主要功能是根據(jù)電源同步信號(hào)以及控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的移相控制。

摘要：電力電子器件又稱(chēng)為功率半導(dǎo)體器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件，其類(lèi)型非常的多樣，在各個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，是弱電與強(qiáng)電、信息與電子、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)完美結(jié)合的媒介。本文主要針對(duì)電力電子器件及其應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析、

關(guān)鍵詞：電力電子器件；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子器件裝置當(dāng)今得到了廣泛的應(yīng)用，主要涉及到交通運(yùn)輸業(yè)、先進(jìn)裝備制造業(yè)、航天航空和坦克飛機(jī)等現(xiàn)代化裝備中。得益于電子技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，全球電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展，給全球的經(jīng)濟(jì)、文化、軍事等各領(lǐng)域帶來(lái)了實(shí)質(zhì)性的影響。電子技術(shù)可以劃分為兩類(lèi)：一種是電子信息技術(shù)，電力電子元件在電子信息技術(shù)上的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)信息的傳送、儲(chǔ)存和控制等目的；第二種就是保證電能正常安全的進(jìn)行傳輸，同時(shí)將能源和信息有效的結(jié)合起來(lái)。在社會(huì)的不斷發(fā)展中，各行各業(yè)對(duì)于優(yōu)質(zhì)優(yōu)量的電能都是迫切需要的，而隨著一次次電力電子技術(shù)的改革，電力電子器件的應(yīng)用范圍也更加廣泛，成為了工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要元件。電力電子技術(shù)的發(fā)展為人類(lèi)的環(huán)保和生活都做出了重要的貢獻(xiàn)，成為了將弱電與強(qiáng)電、信息與電子、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)完美結(jié)合的媒介。所以電力電子器件的研究成為了電力電子行業(yè)的重要課題。

1.電力電子器件的應(yīng)用與發(fā)展歷程

上世紀(jì)50年代開(kāi)始，全球第一支晶閘管誕生，這就標(biāo)志著現(xiàn)代電氣傳動(dòng)中的電力電子技術(shù)登上歷史的舞臺(tái)，基于晶閘管研發(fā)的可控硅整流裝置成為了電氣傳動(dòng)行業(yè)的一次變革，開(kāi)啟了以電力電子技術(shù)控制和變換電能的變流器時(shí)代，至此電力電子技術(shù)產(chǎn)生。到70年代時(shí)晶閘管已經(jīng)研發(fā)出來(lái)可以承受高壓大電流的產(chǎn)品，這一代的半控型器材被稱(chēng)之為第一代電力電子器件。但是晶閘管的缺點(diǎn)就是不能自關(guān)斷，隨著電力電子理論和工藝的不斷進(jìn)步，隨后研發(fā)出了GTR.GTO和MOSFET等自關(guān)斷的全控型，這一類(lèi)產(chǎn)品被稱(chēng)之為第二代電力電子器件。之后出現(xiàn)了第三代電力電子器件，主要以絕緣柵雙極晶體管為代表，第三代電力電子器件具有頻率快、反映速度快和能耗較低的特點(diǎn)。在近些年的研究中，人們開(kāi)始將微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)進(jìn)行融合，從而制造出了具有多功能、智能化、高效率的全控性能集成器件。電力電子器件中使用最多，構(gòu)造簡(jiǎn)單的就是整流管，當(dāng)前整流管可以分為普通型、快恢復(fù)型和肖特基型三種。在改善電力電子性能、減少電路能源損耗和提升電流效率等方面，電力整流管發(fā)揮著重要的作用。美國(guó)通用電氣公司于1958年研發(fā)出了第一個(gè)用于工業(yè)的普通晶閘管，為今后的工藝調(diào)整和新器件的研發(fā)打下了基礎(chǔ)，隨后的十年中各式各樣的晶閘管面世，例如雙向、逆向逆導(dǎo)和非對(duì)稱(chēng)等，到現(xiàn)如今這些晶閘管還一直在被使用。為了解決晶閘管的不可自關(guān)斷問(wèn)題，美國(guó)于1964年研發(fā)了0.5kV/0.01kA的可關(guān)斷晶閘管，到今天發(fā)展成為9kV/2.5kA/0.8kHZ和6kV/6kA/1kHZ?？申P(guān)斷晶閘管具有容量大和低頻率的特點(diǎn)，在大功率牽引驅(qū)動(dòng)中發(fā)揮著極大的作用。隨后到70年代，GTR產(chǎn)品成功面世，其額定值已經(jīng)達(dá)到了1.8kV/0.8kA/2kHZ和0.6kV/0.003kA/100kHZ，GTR產(chǎn)品具有極大的靈活性，有著開(kāi)關(guān)能源消耗低和時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，在中等容量和頻率電路中發(fā)揮著主要作用。而第三代的絕緣柵型雙極性晶體管，對(duì)電壓能夠進(jìn)行控制，有著輸入阻率抗性大和驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2電力電子器件的應(yīng)用

【摘要】軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)控制的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。為了適應(yīng)各種不同負(fù)載的應(yīng)用，軟件設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)了多種不同的起動(dòng)曲線(xiàn)，包括電壓斜坡起動(dòng)、限流起動(dòng)、突跳起動(dòng)及軟停車(chē)曲線(xiàn)等。同時(shí)設(shè)計(jì)完善的保護(hù)功能，包括短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓、欠壓保護(hù)、晶閘管過(guò)熱保護(hù)等。電機(jī)的參數(shù)及各種保護(hù)參數(shù)可由用戶(hù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況自行設(shè)定。交流異步電動(dòng)機(jī)廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，異步電機(jī)直接起動(dòng)存在著起動(dòng)力矩小、起動(dòng)電流大、對(duì)電網(wǎng)沖擊大、起動(dòng)困難、對(duì)機(jī)械設(shè)備沖擊大、電機(jī)使用壽命短、維護(hù)工作量大、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

一、異步電機(jī)軟起動(dòng)

異步電機(jī)軟起動(dòng)器可減小電動(dòng)機(jī)硬起動(dòng)引起的電網(wǎng)電壓降，使之不影響與其共網(wǎng)的其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行?？蓽p小電動(dòng)機(jī)的沖擊電流，沖擊電流會(huì)造成電動(dòng)機(jī)局部溫升過(guò)大，降低電動(dòng)機(jī)壽命；可減小硬起動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械沖擊力和沖擊力加速對(duì)所傳動(dòng)機(jī)械(軸、嚙合齒輪等)的磨損；減少電磁干擾，沖擊電流會(huì)以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運(yùn)行。軟起動(dòng)使電動(dòng)機(jī)可以起停自如，減少空轉(zhuǎn)，提高作業(yè)率，因而有節(jié)能作用。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，大致可分為有級(jí)和無(wú)級(jí)兩種。有級(jí)型的軟起動(dòng)有定子串電抗器降壓、液態(tài)電阻降壓、星-三角(y-△)降壓、自耦變壓器降壓和延邊三角形降壓等。無(wú)級(jí)型軟起動(dòng)有開(kāi)關(guān)變壓器降壓、磁飽和電抗器降壓、晶閘管串聯(lián)降壓軟起動(dòng)等。由于有級(jí)型降壓軟起動(dòng)的調(diào)節(jié)存在一定程度的二次電流沖擊，因此對(duì)電機(jī)的軟起動(dòng)效果有限。而在無(wú)級(jí)型軟起動(dòng)器中，隨著電力電子技術(shù)的提高和功率器件的發(fā)展以及銅、鐵等原材料價(jià)格的大幅上漲，晶閘管串聯(lián)式的高壓軟起動(dòng)裝置越來(lái)越被市場(chǎng)所認(rèn)可。

二、降壓起動(dòng)原理

摘要：交流電焊機(jī)在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)是一種不可缺少的焊接工具之一，但是在實(shí)際的使用過(guò)程中，電焊機(jī)的空載時(shí)間甚至超過(guò)了操作時(shí)間，其空載損耗一般約在200W左右。這不僅白白浪費(fèi)了許多電能，還會(huì)降低電網(wǎng)的功率因數(shù)，甚至?xí)斐扇松碛|電傷亡事故。至此，我利用普通晶閘管可關(guān)斷電源的電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)電焊機(jī)空載節(jié)電電路，只要隨手關(guān)掉焊鉗手柄上的開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)斷電的節(jié)電電路。并在實(shí)際操作中取得了良好的節(jié)電效果。其特點(diǎn)是：功耗低、操作方便、動(dòng)作簡(jiǎn)捷、靈敏可靠、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：晶閘管控制節(jié)電提高功率因數(shù)

我公司屬于地鐵、熱力管線(xiàn)、電力隧道及人防等地下暗挖工程的施工企業(yè)，由于施工中的主要材料為大量的鋼筋拱架、網(wǎng)片及金屬管道焊接等工作，每天都有幾十臺(tái)的電焊機(jī)同時(shí)工作，在電焊工作中，從焊好一道焊縫到焊接下一到焊縫時(shí)，經(jīng)常要做很多輔助的工作。這時(shí)的電焊機(jī)就處于空載運(yùn)行狀態(tài)，電焊機(jī)變壓器的初級(jí)繞組中仍有空載電流流過(guò)，有時(shí)工人吃飯或下班都忘記關(guān)掉電源。這樣，就白白浪費(fèi)掉許多電能。為了減少這些無(wú)功電能損耗，使電焊機(jī)工作時(shí)有電，停焊時(shí)就能斷電的控制，我采用了兩個(gè)單向或一個(gè)雙向晶閘管作為交流電焊機(jī)的電源開(kāi)關(guān)。因?yàn)殡p向晶閘管在正、反相電壓下都不能導(dǎo)通，要想導(dǎo)通必須經(jīng)控制級(jí)和陰極所加一個(gè)觸發(fā)電壓才能導(dǎo)通。所以可以用它做電焊機(jī)的交流開(kāi)關(guān)，利用雙向晶閘管作電子開(kāi)關(guān)比機(jī)械開(kāi)關(guān)更加優(yōu)越。因?yàn)橹恍韬艿偷目刂乒β?，就能控制相?dāng)大的電流，它不存在觸點(diǎn)抖動(dòng)問(wèn)題，動(dòng)作速度極快，在關(guān)斷時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)電弧現(xiàn)象。

一.晶閘管的工作原理：

經(jīng)閘管是由兩層P型和兩層N型半導(dǎo)體交叉迭裝而成，在這四層半導(dǎo)體的交界面處形成3個(gè)PN結(jié)，從一端的P區(qū)引出一個(gè)陽(yáng)極（A），從另一端的N區(qū)引出一個(gè)陰極（C），在中間層的P區(qū)引出一個(gè)控制極（G）?？梢?jiàn)，經(jīng)閘管是一種四層三端器件，電路中用V表示。當(dāng)經(jīng)閘管的陽(yáng)極A加正向陽(yáng)極電壓，可以理解為一個(gè)PNP型和一個(gè)NPN型的三極管直接耦合而成的。

<圖1>晶閘管的外形及圖形符號(hào)

摘要：氣體放電機(jī)理的研究是很多物理領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)，放電電源是氣體放電的關(guān)鍵設(shè)備。針對(duì)氣體放電時(shí)復(fù)雜的工況和其特殊的負(fù)阻特性，提出并研制了一種以CPLD和PLC結(jié)合控制的放電電源。對(duì)電源主功率電路、數(shù)字控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電路的工作原理和設(shè)計(jì)理念作了詳細(xì)的闡述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際的使用均表明，本系統(tǒng)在氣體放電過(guò)程中電源工作穩(wěn)定且有良好的恒流特性，對(duì)核聚變科學(xué)研究電弧等離子體具有典型的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣體放電；電弧等離子體；負(fù)阻特性；恒流特性

1概述

飛行器在高速飛入太空時(shí)，在其周?chē)鷷?huì)形成一種極其復(fù)雜的等離子鞘套，鞘套厚度約為10cm左右，該鞘套會(huì)吸收或者反射電磁波，從而造成飛行器與外界的通信信號(hào)衰減甚至中斷，即黑障效應(yīng)。所以產(chǎn)生等離子體研究這種現(xiàn)象非常有意義。此外，電弧等離子體因具有溫度高（達(dá)30000K）[1]、能流密度大和良好的控制性等特點(diǎn)，現(xiàn)已在節(jié)能、減排、增效、環(huán)保等多領(lǐng)域備受青睞[2]。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家已將等離子體技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)固廢處理、切割、焊接、冶煉及點(diǎn)火等眾多領(lǐng)域[3]，國(guó)內(nèi)也正在推廣使用。要實(shí)現(xiàn)等離子體技術(shù)的全面推廣，具有高可靠性和優(yōu)良控制性能的大功率等離子體激勵(lì)電源是其關(guān)鍵。在工業(yè)生產(chǎn)中，獲取等離子的方式雖然有很多種，但是歸結(jié)起來(lái)主要有3種[4]：即熱電離、光輻射電離和放電電離，放電電離有時(shí)稱(chēng)場(chǎng)致電離，但在航空航天領(lǐng)域一般采用放電電離的方式來(lái)獲取穩(wěn)定的等離子體。根據(jù)電源-電弧理論以及等離子體在實(shí)際工況的應(yīng)用情況，電弧等離子體負(fù)載呈一種負(fù)阻特性，要保證其能量可持續(xù)保持在幾百千瓦或幾兆瓦，放電電源需長(zhǎng)時(shí)間工作在高壓大電流狀態(tài)。一般保持3mm左右的等離子體流，起弧電壓約5kV，電流約1A；維持電壓約300V，電流約160A，且需要在其范圍內(nèi)可連續(xù)可調(diào)。放電電源主功率電路采用了三相橋式全控整流電路，利用晶閘管較大的單管容量和較強(qiáng)的抗浪涌能力來(lái)滿(mǎn)足電弧等離子體對(duì)放電電源這種苛刻的供電要求，并采用運(yùn)算速度快、抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，提高了放電電源的可靠性和靈活性。

2放電原理及系統(tǒng)構(gòu)成

從電弧等離子體工作原理來(lái)分析，交流激勵(lì)和直流激勵(lì)均可使放電電極之間的氣體被擊穿[5]，發(fā)生放電現(xiàn)象。交流激勵(lì)一般采用工頻變壓器直接升壓后將其氣體擊穿，但因存在體積大、消耗鐵銅金屬材料較多、對(duì)電網(wǎng)沖擊厲害且功率因數(shù)極低而很少被采用。隨著新電磁材料和新控制理論的不斷出現(xiàn)并應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源中，以及與電力電子技術(shù)相關(guān)的其他學(xué)科不斷改進(jìn)和飛速發(fā)展，直流激勵(lì)一般采用開(kāi)關(guān)電源的方式獲取直流電，但是由于開(kāi)關(guān)電源在逆變環(huán)節(jié)所使用的開(kāi)關(guān)器件大多為IGBT或MOSFET，因其單管容量較小，所以在大功率放電電源中只能采用開(kāi)關(guān)器件串并聯(lián)的方式工作，由于所選用開(kāi)關(guān)器件的參數(shù)和靜態(tài)特性不可能完全一致，實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行串聯(lián)均壓和并聯(lián)均流的措施來(lái)彌補(bǔ)這種不足，不僅使電源系統(tǒng)復(fù)雜化而且因環(huán)節(jié)較多使系統(tǒng)的可靠性也大大地降低?；诂F(xiàn)有等離子體激勵(lì)電源的不足，設(shè)計(jì)了一種額定輸出電壓為500V，額定輸出電流為300A的放電電源，主功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三相全控整流橋，主電路原理圖如圖1所示。主電路主要內(nèi)容涉及進(jìn)線(xiàn)交流接觸器、工頻整流變壓器、三相整流橋電路、RC吸收電路和低通LC濾波電路。工作原理為：當(dāng)主電路上電且接收到外部控制面板的合閘信號(hào)時(shí)，進(jìn)線(xiàn)側(cè)的交流接觸器觸點(diǎn)吸收，主電路通電。工作時(shí)每個(gè)周期整流橋晶閘管器件均按照VT1、VT2→VT2、VT3→VT3、VT4→VT4、VT5→VT5、VT6→VT6、VT1的導(dǎo)通規(guī)律工作，每個(gè)晶閘管在一個(gè)工作周期內(nèi)都導(dǎo)通120°。2．1整流橋輸入線(xiàn)電壓。（1-1）2．2整流臂晶。閘管平均通態(tài)電流（1-2）電力電子器件抗電流浪涌能力都較差，晶閘管也不例外，在其開(kāi)關(guān)瞬間或過(guò)載工作時(shí)，會(huì)流過(guò)大于器件額定值的工作電流，器件極易因管芯溫度迅速升高而燒壞，且過(guò)電流是電力電子電路最容易發(fā)生且最容易損壞器件的主要原因之一；同時(shí)電力電子器件對(duì)電壓也是十分敏感，一旦外加電壓超過(guò)器件最大額定電壓時(shí)，器件會(huì)立即被損壞，而過(guò)電壓在實(shí)際工作時(shí)經(jīng)常發(fā)生，如激勵(lì)電源進(jìn)線(xiàn)交流接觸器分/合閘、晶閘管換相和關(guān)斷以及雷電均會(huì)引起過(guò)電壓，所以為了確保電路可以安全可靠的工作，在工程實(shí)際中，選取管子額定電壓和電流時(shí)一般都會(huì)考慮2~3倍的安全裕量[6]。此外，由于等離子體激勵(lì)電源對(duì)效率的要求較高，如果選擇容量較小的晶閘管讓其在接近管子額定值時(shí)長(zhǎng)期工作，不僅會(huì)縮短器件的壽命，且工作效率也較低。通過(guò)以上計(jì)算和分析，最終選擇了中國(guó)中車(chē)集團(tuán)公司生產(chǎn)的扁平式晶閘管，型號(hào)為：Y38KPJ，該晶閘管通態(tài)平均電流，IT（AV）=100（A），反向重復(fù)峰值電壓VRRM=3000（V），dv/dt=1000V/μs，di/dt=100A/μs，斷態(tài)漏電流范圍為34~39mA。2．3RC吸收電路。激勵(lì)電源整流橋晶閘管采用了RC吸收電路對(duì)其進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，緩沖電路直接并聯(lián)在其每個(gè)晶閘管的陰陽(yáng)極之間，既能對(duì)整流臂晶閘管瞬態(tài)過(guò)電壓吸收，又可抑制開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)正向電壓上升率，RC參數(shù)計(jì)算如下：（1-3）（1-4）（1-5）式中：CS—整流橋RC吸收電路電容（μF）IT（AV）—閥側(cè)器件額定正向平均電流（A）RS—整流橋RC吸收電路電阻（Ω）PRS—RC吸收電路功率損耗（W）f—電源頻率（Hz）UARM—臂反向工作峰值電壓（V）ns—每個(gè)整流臂串聯(lián)晶閘管個(gè)數(shù)換相吸收電阻R01-R06最終選擇了30W/10歐姆線(xiàn)繞電阻，換相吸收電容C01-C06為0.5μF/750V的CBB電容。

摘要：分析了由MCU和雙向晶閘管開(kāi)關(guān)來(lái)控制通用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的原理，提出了一種提高電動(dòng)機(jī)效率的設(shè)計(jì)方案，給出了該實(shí)現(xiàn)方案的硬件電路和軟件程序框圖，同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：微控制器；晶閘管開(kāi)關(guān)；電路板

1引言

在日常生產(chǎn)與生活中，大量電動(dòng)機(jī)都以規(guī)定的速度和功率去拖動(dòng)各種機(jī)械。而在軍事上，很多應(yīng)用往往要求旋轉(zhuǎn)天線(xiàn)在各種條件下都要保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng),這就要求在不同的情況下，電動(dòng)機(jī)能相應(yīng)調(diào)整工作速度，以保持恒定的速度。要實(shí)現(xiàn)這一功能，最常用的方法是對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞或交流電動(dòng)機(jī)的定子電壓，都可以在一定的范圍里改變轉(zhuǎn)速；也可用雙向晶閘管交流開(kāi)關(guān)或直接選用模擬控制的通用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)取代笨重的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組以及飽和電抗器。本文介紹一個(gè)直接由110／240V電源供電的通用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)MCU以及一個(gè)雙向晶閘管開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)控速的設(shè)計(jì)方法。其中單片機(jī)選用Microchip公司的PIC12F675。與用戶(hù)接口的方式有三種一個(gè)是接觸傳感器；一個(gè)是按鈕；一個(gè)是電位器。筆者在該仿真實(shí)驗(yàn)中采用的是電位器。輔助電源從電源電壓中變壓整流獲得。

2設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)

2．1電路結(jié)構(gòu)

1Matlab軟件介紹

Matlab能夠構(gòu)建出一個(gè)高科技環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)高科技計(jì)算，具有更好的交互式友好界面，并且還可以實(shí)現(xiàn)一種交互式的程序設(shè)計(jì)。Matlab將各種強(qiáng)大的功能集成到一個(gè)可視化窗口中，在這種環(huán)境中不僅可以實(shí)現(xiàn)矩陣計(jì)算和數(shù)值分析，還能夠進(jìn)行非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模與方針，將所應(yīng)用的科學(xué)數(shù)據(jù)已可視化窗口的形式進(jìn)行交互，使數(shù)據(jù)運(yùn)算能夠更為直觀(guān)的展現(xiàn)出來(lái)，在工程設(shè)計(jì)以及科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)值運(yùn)算與處理，是一套完整而全面的科學(xué)解決方案，并且不會(huì)受到諸如C、Fortran等程序語(yǔ)言在程序設(shè)計(jì)與編輯方面的的制約，是當(dāng)前國(guó)際主流的計(jì)算軟件。在數(shù)學(xué)軟件中，Matlab與Mathematica、Maple齊名，是當(dāng)前應(yīng)用與數(shù)學(xué)領(lǐng)域的先進(jìn)軟件，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算方面具有較高水平。Matlab能夠?qū)崿F(xiàn)矩陣運(yùn)算，構(gòu)建可視化用戶(hù)界面，并且將數(shù)學(xué)中的函數(shù)在可視化窗口中呈現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)能夠?qū)⑵渌删幊陶Z(yǔ)言很好的融入到Matlab工具箱中，進(jìn)而應(yīng)用到工程計(jì)算、信號(hào)處理、信號(hào)檢測(cè)、控制設(shè)計(jì)、金融建模與分析等諸多領(lǐng)域。在Matlab中，其基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，在指令表達(dá)方面較之于數(shù)學(xué)、工程中的形式極為相近，這也使工程運(yùn)算中引入Matlab后，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程比C、Fortran等語(yǔ)言更加簡(jiǎn)單和便捷，同時(shí)由于Matlab還融入了Maple等軟件的一些優(yōu)勢(shì)，使Matlab的功能更為強(qiáng)大，在計(jì)算與數(shù)據(jù)處理方面的能力更為突出。對(duì)于改版后的Matlab而言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)C，C++，Java以及Fortran等語(yǔ)言的直接調(diào)動(dòng)，對(duì)于用應(yīng)用上述語(yǔ)言進(jìn)行完成的實(shí)用程序，能夠更加簡(jiǎn)單的被寫(xiě)入到Mltlab中，同時(shí)對(duì)于部分Matlab愛(ài)好者而言，其中的與Matlab相關(guān)的部分程序語(yǔ)言能夠直接從網(wǎng)絡(luò)上下載使用。

2電氣工程圖的重要性

電氣圖也被成為電氣圖樣，全面被稱(chēng)作電氣工程圖。電氣工程圖是在一定的規(guī)范中繪制形成的，其中所涉及的圖形、文字、符號(hào)都采用都是標(biāo)準(zhǔn)的電氣化圖紙所要求的，并且涉及實(shí)際電器工程中與安裝、接線(xiàn)、原理、功能、配電關(guān)系的簡(jiǎn)圖。在電氣工程圖中，能夠?qū)⒏鱾€(gè)電器元件、線(xiàn)路、構(gòu)成以及原理和方法更為直觀(guān)的呈現(xiàn)出來(lái)，使工人能夠按照電氣工程圖中所部署的流程來(lái)進(jìn)行施工、維護(hù)以及管理。設(shè)計(jì)者會(huì)將其設(shè)計(jì)思想融入到電氣工程圖中，施工者要將這種設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行落實(shí)，在此基礎(chǔ)上來(lái)組織生產(chǎn)。維修人員也能夠從電氣工程圖中了解整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)和原理，及時(shí)對(duì)發(fā)生故障的部位進(jìn)行排查，進(jìn)而解決故障問(wèn)題。所以，電氣工程圖對(duì)于電氣設(shè)計(jì)者、施工者、操作者和檢修人員都是其工作的依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)交流。

3Matlab在電氣工程中的應(yīng)用

基于Matlab/Simulink進(jìn)行模型構(gòu)建，將其觸發(fā)角定為60，將a相晶閘管Thyristor1的觸發(fā)脈沖去掉，而其他兩相出發(fā)脈沖的參數(shù)在不發(fā)生改變的前提下，其中Thyristor1的觸發(fā)脈沖由于被去掉使其無(wú)法進(jìn)行導(dǎo)通，而其他兩相晶閘管能夠正常觸發(fā)并導(dǎo)通。從波形的角度來(lái)進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)c相晶閘管在出發(fā)導(dǎo)通后，直到下一次觸發(fā)b相晶閘管Thyristor2導(dǎo)通時(shí)，這之間所產(chǎn)生的負(fù)載波形為c相波形。導(dǎo)致這種效果發(fā)生的主要原因是由于負(fù)載是阻感負(fù)載，在穩(wěn)態(tài)的條件下，其電流可以被看作是一條直線(xiàn)。因?yàn)榫чl管作為一個(gè)電子器件而言是半控型的，當(dāng)a相晶閘管Thyristor1進(jìn)行導(dǎo)通時(shí)，由于其沒(méi)有被導(dǎo)通，在這種情況下，負(fù)載電流將流入c相晶閘管，并通過(guò)c相晶閘管Thyristor3與其構(gòu)成回路，這時(shí)仍然是以c相電壓為輸出電壓。由于電感大小有所不同，因而電壓所具有的連續(xù)性也存在差異，如果電感足夠小，其儲(chǔ)能量較少，在下一個(gè)脈沖到來(lái)前能夠?qū)?nèi)部能量全部釋放掉，管子閉合，使下一個(gè)管子在觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，處于零電壓。在對(duì)其進(jìn)行觀(guān)察時(shí)，可以采用調(diào)節(jié)電感大小的方式來(lái)對(duì)具體的電壓的變化情況進(jìn)行詳細(xì)觀(guān)察。從中可以發(fā)現(xiàn)，主要存在電流，那么連續(xù)電流的平均值與電感之間并不存在關(guān)聯(lián)，負(fù)載電感在所產(chǎn)生的作用方面與交流電路所形成的電感也存在差異，由于是直流電壓的輸出，這也使其電感所起到的作用是平波作用，這也與平均電流的公式相吻合。一旦仿真波形的變化較快，可以采用減小步長(zhǎng)的方式來(lái)減緩波形變化的速度，這樣做的目的在于能夠?qū)Ω鱾€(gè)時(shí)刻上的每個(gè)晶閘管以及負(fù)載中的電壓和電流瞬間的值進(jìn)行測(cè)定，也便于對(duì)晶閘管順序?qū)ㄟ^(guò)程中的各負(fù)載電流進(jìn)行觀(guān)察，其中也包括晶閘管換流時(shí)所產(chǎn)生的各種變化情況。此外，以仿真的方式來(lái)對(duì)觸發(fā)角以及負(fù)載的情況來(lái)對(duì)電力變換電路中的電壓波形、電流波形及其它工作情況進(jìn)行判定。在對(duì)斬波電路進(jìn)行分析的過(guò)程中，可以采用仿真來(lái)對(duì)扎波頻率范圍進(jìn)行觀(guān)察。比如在一個(gè)降壓斬波的模擬電路中，為了獲得小紋波的輸出電流，一般情況下開(kāi)關(guān)的工作頻率相對(duì)較高。在斬波頻率為50Hz時(shí)，對(duì)電流io進(jìn)行觀(guān)察，可以發(fā)現(xiàn)其紋波較大；在電路中各種參數(shù)不發(fā)生變化的條件下，低頻率所造成的結(jié)果是電流的不連續(xù)性；若斬波電流為1000Hz時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)其輸出電流io具有較小的紋波。應(yīng)用仿真不僅能夠?qū)Ψ€(wěn)態(tài)情況進(jìn)行分析，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)從初始電路到穩(wěn)態(tài)電路的過(guò)程直觀(guān)的呈現(xiàn)出來(lái)。因?yàn)樵陔娮柝?fù)載中，并沒(méi)有能夠進(jìn)行儲(chǔ)能的電器元件，這也表明其并沒(méi)有過(guò)渡過(guò)程。不過(guò)，阻感負(fù)載則不然，通過(guò)波形能夠分析出電路中存在的電感，電壓需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才能夠到達(dá)穩(wěn)態(tài)，直到當(dāng)電流輸出具有連續(xù)性時(shí)，才能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的穩(wěn)定。

1現(xiàn)場(chǎng)情況

某場(chǎng)站原油外輸泵中壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)C相電流偏小，開(kāi)關(guān)柜綜保繼電器負(fù)序保護(hù)動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)接線(xiàn)如圖1所示。電動(dòng)機(jī)型號(hào)YB3－450－2WF1TH，11kV，450kW。軟起動(dòng)器型號(hào)RNMV－120－11kV，中壓柜型號(hào)ASN3－12。

2檢查分析

進(jìn)行中壓電動(dòng)機(jī)的絕緣電阻和直流電阻測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)異常。進(jìn)行軟起動(dòng)器的低壓模擬測(cè)試，施加三相400V交流電壓，選用3只500W白熾燈星形連接做模擬負(fù)載。模擬測(cè)試未發(fā)現(xiàn)異常。中壓柜綜保繼電器故障錄波圖如圖2所示，故障相量圖如圖3所示。起動(dòng)初始階段C相電流偏小，A相和B相電流接近反向。圖1控制系統(tǒng)接線(xiàn)檢查開(kāi)關(guān)柜內(nèi)斷路器和軟起動(dòng)柜內(nèi)進(jìn)線(xiàn)接觸器接觸電阻，觀(guān)察起動(dòng)過(guò)程中軟起動(dòng)器進(jìn)線(xiàn)側(cè)電壓表，顯示正常，判定斷路器和進(jìn)線(xiàn)接觸器正常?？紤]到部分電動(dòng)機(jī)匝間短路僅在中壓時(shí)才能顯現(xiàn)出來(lái)，將電動(dòng)機(jī)電纜調(diào)相后試起動(dòng)，錄波圖顯示依舊，判定不是電動(dòng)機(jī)故障。分別更換軟起動(dòng)器的C相閥組和控制器，故障依舊。拆下A相、B相閥組，發(fā)現(xiàn)A相閥組閥片絕緣電阻異常。整體更換A相閥組后故障消失。

3故障原因

該中壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器每相閥組由5組閥片串聯(lián)組成。軟起動(dòng)主回路接線(xiàn)如圖4所示。軟起動(dòng)器采用三相多組正反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，接在電源和電動(dòng)機(jī)定子之間。起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑起動(dòng)［1］。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，A相晶閘管組中3小組電阻值為0．1Ω，其余正常晶閘管阻值為0．6MΩ～0．7MΩ。推測(cè)A相閥組在低壓狀態(tài)下雖然能正常工作，但在中壓狀態(tài)下功能失效，為全導(dǎo)通狀態(tài)。圖5為三相電壓曲線(xiàn)。在任意特定時(shí)刻電流從電壓為正的相流出，從電壓為負(fù)的相流回。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始階段導(dǎo)通角較小，由于A相閥組失效，B相電流可從A相流回，造成A相和B相電流大、C相電流小，與前面的故障檢測(cè)結(jié)果和推斷一致。故障原因?yàn)樵撾妱?dòng)機(jī)的軟起動(dòng)裝置A相晶閘管在中壓狀態(tài)下?lián)舸８鼡Q后，故障消失。

一、課程案例分析

晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電子電路中，是典型的小電流控制大電流的設(shè)備。晶閘管的學(xué)習(xí)在《電力電子技術(shù)》課程中占舉足輕重的作用，是本課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，因此掌握晶閘管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理及其重要。而傳統(tǒng)的課程中，全部在教室中進(jìn)行理論講解，波形分析，堂課抽象的理論講解較多，只有少數(shù)能力較強(qiáng)的同學(xué)勉強(qiáng)接受，而大部分學(xué)生不知所以然，或似懂非懂，教學(xué)效果極差。為了使學(xué)生更好的掌握晶閘管器件的原理及應(yīng)用，我們?cè)黾恿恕熬чl管調(diào)光電路分析與調(diào)試”的一體化教學(xué)內(nèi)容。選取實(shí)際生活中常用的晶閘管調(diào)光燈電路為教學(xué)載體，我們根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)狀，調(diào)換教學(xué)方法，順其自然地從抽象理論教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗笏季S教學(xué)中來(lái)，多給學(xué)生自己動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，使同學(xué)們從枯燥乏味的理論中解脫出來(lái)，獲取他們需要的技術(shù)能力。在專(zhuān)業(yè)一體化教室上課，教師可以在講授基本理論的同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段演示其工作原理，然后再讓同學(xué)們通過(guò)實(shí)際操作吸收消化，促進(jìn)理論知識(shí)與實(shí)踐教學(xué)融合，這樣在學(xué)和練中理解理論知識(shí)、掌握專(zhuān)業(yè)技能，來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

二、一體化教學(xué)實(shí)施

1、任務(wù)導(dǎo)入

在本次課開(kāi)始時(shí)，首先由教師給學(xué)生展示圖1所示的晶閘管調(diào)光電路實(shí)物，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)電路中的每一個(gè)元器件，使學(xué)生回憶課堂中每一個(gè)元器件的原理及特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，然后通電調(diào)整旋鈕，和學(xué)生一起觀(guān)察調(diào)光燈電路的工作效果，最后引入問(wèn)題，為什么調(diào)整電位器會(huì)使燈的亮度改變，晶閘管在電路中如何工作。

2、任務(wù)講解