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交流力矩電機(jī)控制器的電路原理與檢修

一、交流力矩電動機(jī)性能簡述
力矩電動機(jī)，又分為交流力矩電動機(jī)和直流力矩電動機(jī)，在電路結(jié)構(gòu)上與一般的交、直流電動機(jī)相類似，但在性能上有所不同。本文以交流力矩電機(jī)控制器的原理和檢修內(nèi)容為重點。交流力矩電動機(jī)轉(zhuǎn)子的電阻比變通交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻大，其機(jī)械特性比較軟。對力矩電機(jī)的使用所注重的技術(shù)參數(shù)主要是額定堵轉(zhuǎn)電壓、額定堵轉(zhuǎn)電流和額定堵轉(zhuǎn)電流下的堵轉(zhuǎn)時間等。
力矩電動機(jī)是一種具有軟機(jī)械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機(jī)，允許較大的轉(zhuǎn)差率，電機(jī)軸不是像變通電機(jī)一樣以恒功率輸出動力而是近似以恒定力矩輸出動力。當(dāng)負(fù)載增加時，電機(jī)轉(zhuǎn)速能隨之降低，而輸出力矩增加；力矩電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流小，能承受一定時間的堵轉(zhuǎn)運行。配以晶閘管控制裝置，可進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速，調(diào)整范圍達(dá)1：4；力矩電動機(jī)適用于紡織、電線電纜、金屬加工、造紙、橡膠塑料以及印刷機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域，其機(jī)械特性特別適用于卷繞、開卷、堵轉(zhuǎn)和調(diào)速等工藝流程。
早期對力矩電動機(jī)的調(diào)速和出力控制，是采用大功率三相自耦變壓器，來調(diào)節(jié)力矩電機(jī)的電源電壓，電力電子技術(shù)相對成熟后，逐步過渡到采用晶閘管調(diào)速（調(diào)壓）電路和變頻器調(diào)速（調(diào)頻），實施對力矩電動機(jī)的調(diào)速控制。
交流力矩電動機(jī)的晶閘管調(diào)速控制器，與一般的三相晶閘管調(diào)壓電路（主電路結(jié)構(gòu)和控制電路）是相同的，只不過驅(qū)動負(fù)載有所不同而已。有的設(shè)備在控制環(huán)節(jié)引入電流或電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，改善了起動和運行性能，也提高了機(jī)械特性硬度。
2 、一款*簡單的力矩電動機(jī)控制器

圖1 HDY-2型力矩電機(jī)控制器
  這是一款適用于額定堵轉(zhuǎn)電流12A以下小功率三相力矩電動機(jī)的控制器電路，整機(jī)電路安裝于一個小型機(jī)殼內(nèi)，機(jī)器留有6個接線端子，三個為電源進(jìn)線端子，三個為電機(jī)接線端子。主電路采用雙向晶閘管BT139（三端塑封元件），工作電流16A，耐壓600V，觸發(fā)電流≤50mA。兩只雙向晶閘管串接于L1、L2電源支路，L3直通，省去了一只雙向晶閘管。因為三相電源經(jīng)負(fù)載互成回路，只對兩相電源進(jìn)行移相調(diào)壓控制，即改變了三相輸出電壓。
移相觸發(fā)電路和調(diào)光臺燈的控制思路相同，用R、C積分電路與雙向觸發(fā)二極管相配合，提供雙向晶閘管每個電網(wǎng)周期內(nèi)正、負(fù)半波的兩個觸發(fā)電流，實現(xiàn)交流調(diào)壓。470k電位器為雙聯(lián)電位器，調(diào)節(jié)時使兩只雙向晶閘管的控制角同步變化，使輸出三相電壓平衡。

〔故障實例1〕HDY-2型力矩電機(jī)控制器，工作不正常，檢測為輸出電壓不平衡。U、W之間輸出電壓為380V。檢查發(fā)現(xiàn)L1電源所接雙向晶閘管BT139擊穿損壞，失去調(diào)壓功能，導(dǎo)致三相輸出電壓不平衡。
晶閘管調(diào)壓電路中，發(fā)現(xiàn)1000V以下截止電壓的器件，較易發(fā)生擊穿損壞故障。BT139為截止電壓600V的管子，處于交流電壓峰值500V的邊緣，雖然實際上有200V的截止電壓余量（標(biāo)定擊穿電壓值尚有100V富裕量），若用于上等電網(wǎng)（未被污染，電壓呈較好的正弦波），一般沒有問題。但問題是現(xiàn)在的電網(wǎng)，因非線性整流設(shè)備的大量安裝和應(yīng)用，好多地區(qū)電網(wǎng)波形畸變已相當(dāng)嚴(yán)重，這使得晶閘管調(diào)壓設(shè)備的運行（電氣）環(huán)境變得惡劣，設(shè)備本身的應(yīng)用，又反過來加劇了電網(wǎng)的劣變。用戶和供應(yīng)廠商，往往又出于成本的考慮，省掉了安裝該類設(shè)備必須追加的輸入電抗器！所以導(dǎo)致晶閘管調(diào)壓設(shè)備的高故障率，表現(xiàn)為耐電壓稍低的晶閘管模塊屢被擊穿！
遇有此類故障，須盡量更換反向耐壓值高的管子。對于屢損晶閘管的場所，應(yīng)追加輸入電抗器，以改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。
更換損壞晶閘管器件，在三相供電回路中串入了3只由XD1-25扼流圈代作的三相電抗器，交付用戶使用后，晶閘管擊穿的故障率大為降低。

二、TYPE TMA-4B力矩電機(jī)控制器
  TYPE TMA-4B系列力矩電機(jī)控制器，額定電壓3相380V±10%；輸出電壓70V~365V，輸出電壓不平衡度＜±2%；輸出*大電流6~80A；轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)比：10：1。
   1、TYPE TMA-4B力矩電機(jī)控制器的電路分析：
〔交流調(diào)壓主電路〕采用BTA40三只40A600V雙向塑封三端晶閘管器件，擔(dān)任三相交流調(diào)壓輸出的任務(wù)，晶閘管器件的兩端并聯(lián)有壓敏電阻，以吸收有害尖峰電壓。U、W接有450V量程的電壓表，便于監(jiān)控輸出電壓的高低。U、W輸出端還接輸出電壓反饋變壓器（見圖3），將輸出電壓信號反饋回控制電路，實現(xiàn)電壓閉環(huán)控制，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。
〔末級觸發(fā)電路〕末級觸發(fā)電路為三路脈沖變壓器TB1~TB3，由前級電路的功率放大管驅(qū)動（見圖3），D3、D6、D9用于吸收放大管截止期間脈沖變壓器產(chǎn)生的反峰電壓，D1/D2、D4/D5、D7/D8，用于限制觸發(fā)電流的方向，使晶閘管只承受正向觸發(fā)電路。末級觸發(fā)電路的供電，由非穩(wěn)壓電源+15V供給。
〔同步信號電路〕三相交流電源經(jīng)R1、R4、R7降壓和限流，加至由D10~D21的三路橋式整流電路，各自取得對應(yīng)電網(wǎng)正、負(fù)半波的同步信號。因為任一相橋式整流電路均與另兩相回構(gòu)成橋式整流通路，觸發(fā)電路又完全依據(jù)同步脈沖進(jìn)行移相控制，所以不必選擇輸入相序。所采集的L1+、L3-信號作為A相正半波同步信號，采集的L1-、L2+信號作為A相負(fù)半波同步信號，采集L3+、L1-信號和L2+、L1負(fù)同步信號作為補(bǔ)脈沖信號，也從A相移相電路輸出。這種采樣方式，省掉了后級補(bǔ)脈沖生成電路，使電路結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化。整流電路所得到的正向同步信號，經(jīng)PC1~PC3光耦合器隔離，在負(fù)載電阻R3、R6、R9上得到三相正向?qū)捗}沖信號，輸送到后級移相電路。

圖2同步信號/末級觸發(fā)電路/電源電路
〔電源電路〕電源變壓器的12V交流繞組電壓，經(jīng)整流濾波，成為+15V非穩(wěn)壓電源，供末級觸發(fā)電路，提供晶閘管的觸發(fā)電流。
雙15V繞組的交流電壓，經(jīng)整流、濾波，由LM7812、LM7912穩(wěn)壓IC得到+12V、-12V穩(wěn)壓電源，供前級調(diào)壓信號給定電路和移相脈沖形成電路。

圖3 調(diào)壓控制信號電路、移相信號形成電路
〔調(diào)壓控制信號電路〕見圖3。調(diào)壓給定信號與反饋電壓信號，相減形成控制信號1，再經(jīng)積分放大器輸出，形成控制信號2。這是一個電壓閉環(huán)PI控制電路。電位器RP1為輸出電壓調(diào)整信號，Q1、C1、D2、R5等元件構(gòu)成恒流源電路，在R8左端形成線性上升電壓，形成起動緩沖（軟起）控制電路。即上電后，無論RP1在任意調(diào)整位置（D1、D2起到電位隔離作用），R8左端的給定信號，總有一個緩慢上升的過程，避免上電后給出全速信號，易發(fā)生設(shè)備故障。當(dāng)調(diào)整RP1使給給定電壓上升，至D1正偏導(dǎo)通時， R8左端電壓將跟隨D2的負(fù)端電壓上升而上升，給定信號電壓值取決于電位器RP1調(diào)整位置。RP1調(diào)整信號經(jīng)1N1電壓跟隨器放大，與輸出電壓反饋信號相減后，輸入1N2積分放大器的同相輸入端。
輸出電壓由U、W輸出端引入反饋變壓器T1的一次繞組，經(jīng)二次繞組降壓后，由橋式整流電路變?yōu)橹绷麟妷盒盘?，再由R、C網(wǎng)絡(luò)分壓和濾波，形成在一定幅度內(nèi)變化的直流電壓反饋信號，與給定信號相混合。積分放大器輸出4V~-10V的控制信號，至移相觸發(fā)電路。
〔偏置/基準(zhǔn)電壓電路〕2N3等元件對電源+12V分壓并經(jīng)電壓跟隨放大器后，輸出+4.83V的**路基準(zhǔn)電壓，作為3N3、4N3、5N3放大器反相輸入端的靜態(tài)偏置電壓。
〔調(diào)制脈沖形成電路〕2N1、2N2電路構(gòu)成自激多諧振蕩器電路，振蕩頻率為10kHz以下。R13、R12對2N1的7腳電壓分壓，在2N1的同相輸入端5腳形成振蕩轉(zhuǎn)折點，R4對C4的正、反向充電電壓，在2N1的反相端6腳形成鋸齒波電壓，當(dāng)其電壓值與5腳電壓值產(chǎn)生“交點”時，輸出端7腳產(chǎn)生電路“跳轉(zhuǎn)”，由此形成振蕩輸出。輸出電壓波形為矩形波，占空比為1：1。
2N1輸出的振蕩脈沖信號，經(jīng)2N2電壓跟隨器放大后，經(jīng)二極管D3、D4、D5引入到移相脈沖功率放大器的信號輸入回路中，在2N2輸出負(fù)向脈沖時，D3、D4、D5導(dǎo)通，對低頻的高電平寬脈沖進(jìn)行“開槽”，完成高頻調(diào)制；在2N2輸出正向脈沖時，移相脈沖為低電平期間，D3、D4、D5反偏截止，調(diào)制信號不起作用。高頻調(diào)制的工作過程見下圖4。對觸發(fā)脈沖進(jìn)行高頻調(diào)制，可降低后級電路脈沖變壓器的直流磁化效應(yīng)和減小觸發(fā)功耗，提高觸發(fā)電路的工作可靠性。
〔移相信號電路〕以U相移相信號電路為例。2N1電壓比較器同相輸入端的信號，為來自前級同步信號電路的同步脈沖信號，3N1具有信號整形作用，輸出矩形正向?qū)捗}沖（低電平對應(yīng)電網(wǎng)過零點）。3N2輸入端正反向并聯(lián)二極管對2N1輸出信號進(jìn)行正、反向限幅后輸入反相端，3N1、C4等元件組成積分放大器電路，在輸入、輸出端連接二極管D6，是對輸入負(fù)向脈沖信號產(chǎn)生深度負(fù)反饋，將輸出（倒相）正電壓嵌位于0.7V地電平上，只對輸入正向脈沖產(chǎn)生積分放大。輸入正向矩形脈沖經(jīng)積分放大器積分后，輸入信號上升沿及前半部分變?yōu)樾本€段，3N2輸出電壓為“近似負(fù)向鋸齒波”。

圖4 移相電路的工作過程示意波形圖
   3N3的基極輸入信號是3N2輸出負(fù)向鋸齒波、2N3輸出的+4.83V偏置電壓和PI電路輸出的信號的三者合成信號，其中控制信號經(jīng)過D9輸入至3N3的反上輸入端，起到“拉低或抬高”3N3反相輸入端電壓的作用，換言之，PI控制信號起到對+4.83V偏置電壓分流（分壓）作用，決定著直流控制電壓的高低，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速信號上升或電壓反饋信號變小時，PI輸出電壓上升，控制電壓相應(yīng)上升，與負(fù)向鋸齒波相互作用，使m點波形占空比加大，輸出脈沖上升沿左移，向電網(wǎng)過零點靠近，三相輸出電壓相應(yīng)升高。反之，3N3輸出脈沖占空比減小，脈沖左上升沿右移，晶閘管導(dǎo)通角變小，輸出三相電壓變低。
    2、TYPE TMA-4B力矩電機(jī)控制器故障檢修：
本機(jī)電路的控制電路部分，采用了5片集成運算放大器擔(dān)任同步信號采樣，形成高頻調(diào)制脈沖和組成積分放大器、可調(diào)脈寬放大器、電壓比較器電路等，已經(jīng)出離“比例放大器”的范疇，其工作方式更接近或等同于開關(guān)電路，所處理的信號，也為脈沖（開關(guān)）信號。各個工作點都有相應(yīng)的工作波形，如用示波器檢測，是很方便的，尤其運行雙蹤示波器，如將同步脈沖和移相觸沖相比較，還能看出移相角度。如配合給定調(diào)壓信號的調(diào)節(jié)，可看到電路的移相動作（如移相觸沖逐漸右移）。電路傳輸?shù)拿}沖電壓，往往其*大值為正、負(fù)供電電源電壓，但因脈沖寬度不一，所測直流電壓值會有較大差異，因根據(jù)電路點的信號性質(zhì)，進(jìn)行測量判斷。
圖3電路中，除1N1工作于模擬放大狀態(tài)，其余電路均近乎工作于開關(guān)狀態(tài)，對正常工作時的各點工作電壓都作了標(biāo)注，便于檢測和判斷。另外，三路移相觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)是相同的，可以對比測量各工作點電壓值，得出檢測結(jié)果。

〔故障實例2〕TYPE TMA-4B力矩電機(jī)控制器，輸出嚴(yán)重偏相，檢查主電路雙向晶閘管，有一只已經(jīng)擊穿損壞。該類設(shè)備，主電路晶閘管故障的發(fā)生率較高。更換晶閘管后故障排除。
〔故障實例3〕TYPE TMA-4B力矩電機(jī)控制器，輸出電壓*高達(dá)不到300V，三相輸出平衡，判斷故障在Q1、1N1、1N2等PI控制電路。上電，調(diào)速RP1，檢測1N1的1腳輸出電壓，正常時有0~5.6V的變化范圍。現(xiàn)在測量在4V左右，比正常值偏低。判斷故障可能為Q1等元件**，導(dǎo)致Q1的集電極電壓偏低。更換Q1，故障排除。檢測Q1，基本上已無放大能力。
〔故障實例4〕YPE TMA-4B力矩電機(jī)控制器，輸出偏相約50V左右。判斷PI控制電路和移相控制電路，工作基本正常，產(chǎn)生移相角度不一致，故障可能在3N2、4N2、5N2三級移相放大器電路。放大器本身應(yīng)應(yīng)該是正常的，3只0.22uF電容，容量產(chǎn)生偏差的可能性*大。拆下3只電容檢測，發(fā)現(xiàn)其容量偏差較大，引起三路積分輸出波形的斜率不一致，使3路觸發(fā)脈沖的寬度產(chǎn)生差異，三只晶閘管導(dǎo)通角不一致，產(chǎn)生輸出電壓偏相。
挑選3只容量一致的新電容，一并更換。測量三相輸出電壓，達(dá)到平衡要求，故障排除。