交流力矩电机控制器的电路原理与检修

一、交流力矩电动机性能简述
力矩电动机，又分为交流力矩电动机和直流力矩电动机，在电路结构上与一般的交、直流电动机相类似，但在性能上有所不同。本文以交流力矩电机控制器的原理和检修内容为重点。交流力矩电动机转子的电阻比变通交流电动机的转子电阻大，其机械特性比较软。对力矩电机的使用所注重的技术参数主要是额定堵转电压、额定堵转电流和额定堵转电流下的堵转时间等。
力矩电动机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机，允许较大的转差率，电机轴不是像变通电机一样以恒功率输出动力而是近似以恒定力矩输出动力。当负载增加时，电机转速能随之降低，而输出力矩增加；力矩电动机的堵转电流小，能承受一定时间的堵转运行。配以晶闸管控制装置，可进行调压调速，调整范围达1：4；力矩电动机适用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶塑料以及印刷机械等工业领域，其机械特性特别适用于卷绕、开卷、堵转和调速等工艺流程。
早期对力矩电动机的调速和出力控制，是采用大功率三相自耦变压器，来调节力矩电机的电源电压，电力电子技术相对成熟后，逐步过渡到采用晶闸管调速（调压）电路和变频器调速（调频），实施对力矩电动机的调速控制。
交流力矩电动机的晶闸管调速控制器，与一般的三相晶闸管调压电路（主电路结构和控制电路）是相同的，只不过驱动负载有所不同而已。有的设备在控制环节引入电流或电压负反馈闭环控制，改善了起动和运行性能，也提高了机械特性硬度。
2 、一款最简单的力矩电动机控制器

图1 HDY-2型力矩电机控制器
这是一款适用于额定堵转电流12A以下小功率三相力矩电动机的控制器电路，整机电路安装于一个小型机壳内，机器留有6个接线端子，三个为电源进线端子，三个为电机接线端子。主电路采用双向晶闸管BT139（三端塑封元件），工作电流16A，耐压600V，触发电流≤50mA。两只双向晶闸管串接于L1、L2电源支路，L3直通，省去了一只双向晶闸管。因为三相电源经负载互成回路，只对两相电源进行移相调压控制，即改变了三相输出电压。
移相触发电路和调光台灯的控制思路相同，用R、C积分电路与双向触发二极管相配合，提供双向晶闸管每个电网周期内正、负半波的两个触发电流，实现交流调压。470k电位器为双联电位器，调节时使两只双向晶闸管的控制角同步变化，使输出三相电压平衡。

〔故障实例1〕HDY-2型力矩电机控制器，工作不正常，检测为输出电压不平衡。U、W之间输出电压为380V。检查发现L1电源所接双向晶闸管BT139击穿损坏，失去调压功能，导致三相输出电压不平衡。
晶闸管调压电路中，发现1000V以下截止电压的器件，较易发生击穿损坏故障。BT139为截止电压600V的管子，处于交流电压峰值500V的边缘，虽然实际上有200V的截止电压余量（标定击穿电压值尚有100V富裕量），若用于优质电网（未被污染，电压呈较好的正弦波），一般没有问题。但问题是现在的电网，因非线性整流设备的大量安装和应用，好多地区电网波形畸变已相当严重，这使得晶闸管调压设备的运行（电气）环境变得恶劣，设备本身的应用，又反过来加剧了电网的劣变。用户和供应厂商，往往又出于成本的考虑，省掉了安装该类设备必须追加的输入电抗器！所以导致晶闸管调压设备的高故障率，表现为耐电压稍低的晶闸管模块屡被击穿！
遇有此类故障，须尽量更换反向耐压值高的管子。对于屡损晶闸管的场所，应追加输入电抗器，以改善电网供电质量。
更换损坏晶闸管器件，在三相供电回路中串入了3只由XD1-25扼流圈代作的三相电抗器，交付用户使用后，晶闸管击穿的故障率大为降低。

二、TYPE TMA-4B力矩电机控制器
TYPE TMA-4B系列力矩电机控制器，额定电压3相380V±10%；输出电压70V~365V，输出电压不平衡度＜±2%；输出最大电流6~80A；转矩调节比：10：1。
1、TYPE TMA-4B力矩电机控制器的电路分析：
〔交流调压主电路〕采用BTA40三只40A600V双向塑封三端晶闸管器件，担任三相交流调压输出的任务，晶闸管器件的两端并联有压敏电阻，以吸收有害尖峰电压。U、W接有450V量程的电压表，便于监控输出电压的高低。U、W输出端还接输出电压反馈变压器（见图3），将输出电压信号反馈回控制电路，实现电压闭环控制，达到稳定输出电压的目的。
〔末级触发电路〕末级触发电路为三路脉冲变压器TB1~TB3，由前级电路的功率放大管驱动（见图3），D3、D6、D9用于吸收放大管截止期间脉冲变压器产生的反峰电压，D1/D2、D4/D5、D7/D8，用于限制触发电流的方向，使晶闸管只承受正向触发电路。末级触发电路的供电，由非稳压电源+15V供给。
〔同步信号电路〕三相交流电源经R1、R4、R7降压和限流，加至由D10~D21的三路桥式整流电路，各自取得对应电网正、负半波的同步信号。因为任一相桥式整流电路均与另两相回构成桥式整流通路，触发电路又完全依据同步脉冲进行移相控制，所以不必选择输入相序。所采集的L1+、L3-信号作为A相正半波同步信号，采集的L1-、L2+信号作为A相负半波同步信号，采集L3+、L1-信号和L2+、L1负同步信号作为补脉冲信号，也从A相移相电路输出。这种采样方式，省掉了后级补脉冲生成电路，使电路结构得以优化。整流电路所得到的正向同步信号，经PC1~PC3光耦合器隔离，在负载电阻R3、R6、R9上得到三相正向宽脉冲信号，输送到后级移相电路。

图2同步信号/末级触发电路/电源电路
〔电源电路〕电源变压器的12V交流绕组电压，经整流滤波，成为+15V非稳压电源，供末级触发电路，提供晶闸管的触发电流。
双15V绕组的交流电压，经整流、滤波，由LM7812、LM7912稳压IC得到+12V、-12V稳压电源，供前级调压信号给定电路和移相脉冲形成电路。

图3 调压控制信号电路、移相信号形成电路
〔调压控制信号电路〕见图3。调压给定信号与反馈电压信号，相减形成控制信号1，再经积分放大器输出，形成控制信号2。这是一个电压闭环PI控制电路。电位器RP1为输出电压调整信号，Q1、C1、D2、R5等元件构成恒流源电路，在R8左端形成线性上升电压，形成起动缓冲（软起）控制电路。即上电后，无论RP1在任意调整位置（D1、D2起到电位隔离作用），R8左端的给定信号，总有一个缓慢上升的过程，避免上电后给出全速信号，易发生设备故障。当调整RP1使给给定电压上升，至D1正偏导通时， R8左端电压将跟随D2的负端电压上升而上升，给定信号电压值取决于电位器RP1调整位置。RP1调整信号经1N1电压跟随器放大，与输出电压反馈信号相减后，输入1N2积分放大器的同相输入端。
输出电压由U、W输出端引入反馈变压器T1的一次绕组，经二次绕组降压后，由桥式整流电路变为直流电压信号，再由R、C网络分压和滤波，形成在一定幅度内变化的直流电压反馈信号，与给定信号相混合。积分放大器输出4V~-10V的控制信号，至移相触发电路。
〔偏置/基准电压电路〕2N3等元件对电源+12V分压并经电压跟随放大器后，输出+4.83V的第一路基准电压，作为3N3、4N3、5N3放大器反相输入端的静态偏置电压。
〔调制脉冲形成电路〕2N1、2N2电路构成自激多谐振荡器电路，振荡频率为10kHz以下。R13、R12对2N1的7脚电压分压，在2N1的同相输入端5脚形成振荡转折点，R4对C4的正、反向充电电压，在2N1的反相端6脚形成锯齿波电压，当其电压值与5脚电压值产生“交点”时，输出端7脚产生电路“跳转”，由此形成振荡输出。输出电压波形为矩形波，占空比为1：1。
2N1输出的振荡脉冲信号，经2N2电压跟随器放大后，经二极管D3、D4、D5引入到移相脉冲功率放大器的信号输入回路中，在2N2输出负向脉冲时，D3、D4、D5导通，对低频的高电平宽脉冲进行“开槽”，完成高频调制；在2N2输出正向脉冲时，移相脉冲为低电平期间，D3、D4、D5反偏截止，调制信号不起作用。高频调制的工作过程见下图4。对触发脉冲进行高频调制，可降低后级电路脉冲变压器的直流磁化效应和减小触发功耗，提高触发电路的工作可靠性。
〔移相信号电路〕以U相移相信号电路为例。2N1电压比较器同相输入端的信号，为来自前级同步信号电路的同步脉冲信号，3N1具有信号整形作用，输出矩形正向宽脉冲（低电平对应电网过零点）。3N2输入端正反向并联二极管对2N1输出信号进行正、反向限幅后输入反相端，3N1、C4等元件组成积分放大器电路，在输入、输出端连接二极管D6，是对输入负向脉冲信号产生深度负反馈，将输出（倒相）正电压嵌位于0.7V地电平上，只对输入正向脉冲产生积分放大。输入正向矩形脉冲经积分放大器积分后，输入信号上升沿及前半部分变为斜线段，3N2输出电压为“近似负向锯齿波”。


图4 移相电路的工作过程示意波形图
3N3的基极输入信号是3N2输出负向锯齿波、2N3输出的+4.83V偏置电压和PI电路输出的信号的三者合成信号，其中控制信号经过D9输入至3N3的反上输入端，起到“拉低或抬高”3N3反相输入端电压的作用，换言之，PI控制信号起到对+4.83V偏置电压分流（分压）作用，决定着直流控制电压的高低，当给定转速信号上升或电压反馈信号变小时，PI输出电压上升，控制电压相应上升，与负向锯齿波相互作用，使m点波形占空比加大，输出脉冲上升沿左移，向电网过零点靠近，三相输出电压相应升高。反之，3N3输出脉冲占空比减小，脉冲左上升沿右移，晶闸管导通角变小，输出三相电压变低。
2、TYPE TMA-4B力矩电机控制器故障检修：
本机电路的控制电路部分，采用了5片集成运算放大器担任同步信号采样，形成高频调制脉冲和组成积分放大器、可调脉宽放大器、电压比较器电路等，已经出离“比例放大器”的范畴，其工作方式更接近或等同于开关电路，所处理的信号，也为脉冲（开关）信号。各个工作点都有相应的工作波形，如用示波器检测，是很方便的，尤其运行双踪示波器，如将同步脉冲和移相触冲相比较，还能看出移相角度。如配合给定调压信号的调节，可看到电路的移相动作（如移相触冲逐渐右移）。电路传输的脉冲电压，往往其最大值为正、负供电电源电压，但因脉冲宽度不一，所测直流电压值会有较大差异，因根据电路点的信号性质，进行测量判断。
图3电路中，除1N1工作于模拟放大状态，其余电路均近乎工作于开关状态，对正常工作时的各点工作电压都作了标注，便于检测和判断。另外，三路移相触发电路结构是相同的，可以对比测量各工作点电压值，得出检测结果。

〔故障实例2〕TYPE TMA-4B力矩电机控制器，输出严重偏相，检查主电路双向晶闸管，有一只已经击穿损坏。该类设备，主电路晶闸管故障的发生率较高。更换晶闸管后故障排除。
〔故障实例3〕TYPE TMA-4B力矩电机控制器，输出电压最高达不到300V，三相输出平衡，判断故障在Q1、1N1、1N2等PI控制电路。上电，调速RP1，检测1N1的1脚输出电压，正常时有0~5.6V的变化范围。现在测量在4V左右，比正常值偏低。判断故障可能为Q1等元件不良，导致Q1的集电极电压偏低。更换Q1，故障排除。检测Q1，基本上已无放大能力。
〔故障实例4〕YPE TMA-4B力矩电机控制器，输出偏相约50V左右。判断PI控制电路和移相控制电路，工作基本正常，产生移相角度不一致，故障可能在3N2、4N2、5N2三级移相放大器电路。放大器本身应应该是正常的，3只0.22uF电容，容量产生偏差的可能性最大。拆下3只电容检测，发现其容量偏差较大，引起三路积分输出波形的斜率不一致，使3路触发脉冲的宽度产生差异，三只晶闸管导通角不一致，产生输出电压偏相。
挑选3只容量一致的新电容，一并更换。测量三相输出电压，达到平衡要求，故障排除。