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交流力矩電機控制器的電路原理與檢修

一、交流力矩電動機性能簡述
力矩電動機，又分為交流力矩電動機和直流力矩電動機，在電路結構上與一般的交、直流電動機相類似，但在性能上有所不同。本文以交流力矩電機控制器的原理和檢修內容為重點。交流力矩電動機轉子的電阻比變通交流電動機的轉子電阻大，其機械特性比較軟。對力矩電機的使用所注重的技術參數主要是額定堵轉電壓、額定堵轉電流和額定堵轉電流下的堵轉時間等。
力矩電動機是一種具有軟機械特性和寬調速范圍的特種電機，允許較大的轉差率，電機軸不是像變通電機一樣以恒功率輸出動力而是近似以恒定力矩輸出動力。當負載增加時，電機轉速能隨之降低，而輸出力矩增加；力矩電動機的堵轉電流小，能承受一定時間的堵轉運行。配以晶閘管控制裝置，可進行調壓調速，調整范圍達1：4；力矩電動機適用于紡織、電線電纜、金屬加工、造紙、橡膠塑料以及印刷機械等工業領域，其機械特性特別適用于卷繞、開卷、堵轉和調速等工藝流程。
早期對力矩電動機的調速和出力控制，是采用大功率三相自耦變壓器，來調節力矩電機的電源電壓，電力電子技術相對成熟后，逐步過渡到采用晶閘管調速（調壓）電路和變頻器調速（調頻），實施對力矩電動機的調速控制。
交流力矩電動機的晶閘管調速控制器，與一般的三相晶閘管調壓電路（主電路結構和控制電路）是相同的，只不過驅動負載有所不同而已。有的設備在控制環節引入電流或電壓負反饋閉環控制，改善了起動和運行性能，也提高了機械特性硬度。
2 、一款*簡單的力矩電動機控制器

圖1 HDY-2型力矩電機控制器
  這是一款適用于額定堵轉電流12A以下小功率三相力矩電動機的控制器電路，整機電路安裝于一個小型機殼內，機器留有6個接線端子，三個為電源進線端子，三個為電機接線端子。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。因為三相電源經負載互成回路，只對兩相電源進行移相調壓控制，即改變了三相輸出電壓。
移相觸發電路和調光臺燈的控制思路相同，用R、C積分電路與雙向觸發二極管相配合，提供雙向晶閘管每個電網周期內正、負半波的兩個觸發電流，實現交流調壓。470k電位器為雙聯電位器，調節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。檢查發現L1電源所接雙向晶閘管BT139擊穿損壞，失去調壓功能，導致三相輸出電壓不平衡。
晶閘管調壓電路中，發現1000V以下截止電壓的器件，較易發生擊穿損壞故障。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（標定擊穿電壓值尚有100V富裕量），若用于上等電網（未被污染，電壓呈較好的正弦波），一般沒有問題。但問題是現在的電網，因非線性整流設備的大量安裝和應用，好多地區電網波形畸變已相當嚴重，這使得晶閘管調壓設備的運行（電氣）環境變得惡劣，設備本身的應用，又反過來加劇了電網的劣變。用戶和供應廠商，往往又出于成本的考慮，省掉了安裝該類設備必須追加的輸入電抗器！所以導致晶閘管調壓設備的高故障率，表現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，應追加輸入電抗器，以改善電網供電質量。
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力矩電機控制器
  TYPE TMA-4B系列力矩電機控制器，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；轉矩調節比：10：1。
   1、TYPE TMA-4B力矩電機控制器的電路分析：
〔交流調壓主電路〕采用BTA40三只40A600V雙向塑封三端晶閘管器件，擔任三相交流調壓輸出的任務，晶閘管器件的兩端并聯有壓敏電阻，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，實現電壓閉環控制，達到穩定輸出電壓的目的。
〔末級觸發電路〕末級觸發電路為三路脈沖變壓器TB1~TB3，由前級電路的功率放大管驅動（見圖3），D3、D6、D9用于吸收放大管截止期間脈沖變壓器產生的反峰電壓，D1/D2、D4/D5、D7/D8，用于限制觸發電流的方向，使晶閘管只承受正向觸發電路。末級觸發電路的供電，由非穩壓電源+15V供給。
〔同步信號電路〕三相交流電源經R1、R4、R7降壓和限流，加至由D10~D21的三路橋式整流電路，各自取得對應電網正、負半波的同步信號。因為任一相橋式整流電路均與另兩相回構成橋式整流通路，觸發電路又完全依據同步脈沖進行移相控制，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相負半波同步信號，采集L3+、L1-信號和L2+、L1負同步信號作為補脈沖信號，也從A相移相電路輸出。這種采樣方式，省掉了后級補脈沖生成電路，使電路結構得以優化。整流電路所得到的正向同步信號，經PC1~PC3光耦合器隔離，在負載電阻R3、R6、R9上得到三相正向寬脈沖信號，輸送到后級移相電路。

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

圖3 調壓控制信號電路、移相信號形成電路
〔調壓控制信號電路〕見圖3。調壓給定信號與反饋電壓信號，相減形成控制信號1，再經積分放大器輸出，形成控制信號2。這是一個電壓閉環PI控制電路。電位器RP1為輸出電壓調整信號，Q1、C1、D2、R5等元件構成恒流源電路，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，易發生設備故障。當調整RP1使給給定電壓上升，至D1正偏導通時， R8左端電壓將跟隨D2的負端電壓上升而上升，給定信號電壓值取決于電位器RP1調整位置。RP1調整信號經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，經二次繞組降壓后，由橋式整流電路變為直流電壓信號，再由R、C網絡分壓和濾波，形成在一定幅度內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，至移相觸發電路。
〔偏置/基準電壓電路〕2N3等元件對電源+12V分壓并經電壓跟隨放大器后，輸出+4.83V的**路基準電壓，作為3N3、4N3、5N3放大器反相輸入端的靜態偏置電壓。
〔調制脈沖形成電路〕2N1、2N2電路構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，當其電壓值與5腳電壓值產生“交點”時，輸出端7腳產生電路“跳轉”，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2N2電壓跟隨器放大后，經二極管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輸出負向脈沖時，D3、D4、D5導通，對低頻的高電平寬脈沖進行“開槽”，完成高頻調制；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，調制信號不起作用。高頻調制的工作過程見下圖4。對觸發脈沖進行高頻調制，可降低后級電路脈沖變壓器的直流磁化效應和減小觸發功耗，提高觸發電路的工作可靠性。
〔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，輸出矩形正向寬脈沖（低電平對應電網過零點）。3N2輸入端正反向并聯二極管對2N1輸出信號進行正、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，是對輸入負向脈沖信號產生深度負反饋，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生積分放大。輸入正向矩形脈沖經積分放大器積分后，輸入信號上升沿及前半部分變為斜線段，3N2輸出電壓為“近似負向鋸齒波”。

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，當給定轉速信號上升或電壓反饋信號變小時，PI輸出電壓上升，控制電壓相應上升，與負向鋸齒波相互作用，使m點波形占空比加大，輸出脈沖上升沿左移，向電網過零點靠近，三相輸出電壓相應升高。反之，3N3輸出脈沖占空比減小，脈沖左上升沿右移，晶閘管導通角變小，輸出三相電壓變低。
    2、TYPE TMA-4B力矩電機控制器故障檢修：
本機電路的控制電路部分，采用了5片集成運算放大器擔任同步信號采樣，形成高頻調制脈沖和組成積分放大器、可調脈寬放大器、電壓比較器電路等，已經出離“比例放大器”的范疇，其工作方式更接近或等同于開關電路，所處理的信號，也為脈沖（開關）信號。各個工作點都有相應的工作波形，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。如配合給定調壓信號的調節，可看到電路的移相動作（如移相觸沖逐漸右移）。電路傳輸的脈沖電壓，往往其*大值為正、負供電電源電壓，但因脈沖寬度不一，所測直流電壓值會有較大差異，因根據電路點的信號性質，進行測量判斷。
圖3電路中，除1N1工作于模擬放大狀態，其余電路均近乎工作于開關狀態，對正常工作時的各點工作電壓都作了標注，便于檢測和判斷。另外，三路移相觸發電路結構是相同的，可以對比測量各工作點電壓值，得出檢測結果。

〔故障實例2〕TYPE TMA-4B力矩電機控制器，輸出嚴重偏相，檢查主電路雙向晶閘管，有一只已經擊穿損壞。該類設備，主電路晶閘管故障的發生率較高。更換晶閘管后故障排除。
〔故障實例3〕TYPE TMA-4B力矩電機控制器，輸出電壓*高達不到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。放大器本身應應該是正常的，3只0.22uF電容，容量產生偏差的可能性*大。拆下3只電容檢測，發現其容量偏差較大，引起三路積分輸出波形的斜率不一致，使3路觸發脈沖的寬度產生差異，三只晶閘管導通角不一致，產生輸出電壓偏相。
挑選3只容量一致的新電容，一并更換。測量三相輸出電壓，達到平衡要求，故障排除。