陳志華 姚廣芹（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，山東青島 266106）

新型晶閘管—電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及排故實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)

陳志華 姚廣芹
（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，山東青島 266106）

直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能。本文針對晶閘管——直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電路中的觸發(fā)環(huán)節(jié)和主電路發(fā)生的各種故障現(xiàn)象排查提出，設(shè)計(jì)簡單經(jīng)濟(jì)，控制部分電路和故障點(diǎn)分開，可以共設(shè)置50個(gè)故障點(diǎn)，設(shè)置簡單、效果明顯。便于理解和分析直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，也可用于高級維修電工證培訓(xùn)及考試，學(xué)生操作簡單，學(xué)習(xí)效率高。

晶閘管 排故 調(diào)速系統(tǒng) 萬用表

1 引言

直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，它的特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。

廣泛應(yīng)用于造紙、紡織、食品加工等行業(yè)。此設(shè)計(jì)是小容量直流電機(jī)的電壓負(fù)反饋及電流正反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)速線路，主要用于4千瓦以下直流電機(jī)的無級調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)及培訓(xùn)技能。

技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

電源：單相交流220V

直流輸出電壓：直流180V

輸出最大電流：直流25A

調(diào)速范圍：D=10

靜差率：S≤10%

2 系統(tǒng)的最主要電路組成及分析

2.1 給定電路工作原理

圖1中最上部分為直流調(diào)速系統(tǒng)的給定電路，隔離變壓器將220V市電降壓為30V，經(jīng)整流橋VC1整流后由穩(wěn)壓二極管W11進(jìn)行穩(wěn)壓，得到18V梯形波，經(jīng)C1電解電容濾波后得到穩(wěn)定的18V直流電壓。R3為給定電壓調(diào)節(jié)電位器，R2為給定電壓最高值限定電位器，R4為給定電壓最低值限定電位器。調(diào)節(jié)R3電位器可使給定電壓在最高值與最低值之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。C2、C4（三極管Vc的基極電容）與R5組成串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，用來保證給定電路的靜特性精度，起到高頻衰減的作用，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。

由于給定電路中存在電壓負(fù)反饋電路，此負(fù)反饋電路會將晶閘管全波半控整流電路整流電壓反饋到輸入端，同時(shí)整流電壓中的高次諧波也將反饋到輸入端，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。電路的C4和C5可濾除此高次諧波，使系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.2 脈沖產(chǎn)生電路分析

電路圖中間部分為直流調(diào)速系統(tǒng)脈沖產(chǎn)生電路，包含：單節(jié)晶體管自震蕩電路和單節(jié)晶體管的同步震蕩觸發(fā)電路。

2.2.1 單節(jié)晶體管自震蕩電路

設(shè)未通電時(shí)電容C電壓為0，通電后電容經(jīng)電阻Rp和R進(jìn)行充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到某一電位時(shí)，單節(jié)晶體管導(dǎo)通，電容經(jīng)單節(jié)晶體管的E、B1和R1形成的回路進(jìn)行放電，使電阻R1上形成一個(gè)脈沖電壓。隨著電容的放電，電容電壓不斷下降，當(dāng)下降到某一值時(shí)單節(jié)晶體管截止，R1上得脈沖電壓消失，之后電容又開始充電，并進(jìn)行放電，此過程循環(huán)進(jìn)行則R1上得到一系列脈沖電壓。由于電容的放電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于其充電時(shí)間常數(shù)，故單節(jié)晶體管Ue為鋸齒波。

2.2.2 單節(jié)晶體管的同步震蕩觸發(fā)電路

如圖2為單節(jié)晶體管的同步震蕩觸發(fā)電路。為了使兩個(gè)晶閘管在每次導(dǎo)通時(shí)的控制角α都相同并固定下來，則要求兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖必須在電源電壓每次過零后滯后α角出現(xiàn)，即要求觸發(fā)脈沖與電源電壓的相位配合要同步。該電路采用變壓器一次側(cè)接主電路電源，二次側(cè)經(jīng)整流、穩(wěn)壓消波得到梯形波，作為觸發(fā)電路電源，也作為同步信號。當(dāng)主電路電壓過零時(shí)，觸發(fā)電路的電源（梯形波電源）也過零，使得單節(jié)晶體管B1與B2兩極上的正向電壓偏執(zhí)消失，單節(jié)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，這樣可以保證觸發(fā)脈沖只能在過零點(diǎn)之后才能產(chǎn)生，并且能夠保證電容C放電完畢后，在下一個(gè)半波從零開始充電后起到同步作用。

當(dāng)圖2中的電位器Rp阻值減小時(shí)，電容C的充電電流變大，導(dǎo)致電容充電速度變快，使脈沖產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖左移，導(dǎo)致晶閘管的導(dǎo)通角左移，最終使得施加到電機(jī)電樞繞組的電壓變大，轉(zhuǎn)速升高。綜上所述，通過改變電容充電回路充電電流的大小，可以間接改變晶閘管的導(dǎo)通角，從而起到調(diào)速作用。當(dāng)把圖2中的電位器換成一個(gè)晶體管時(shí)，則可以通過控制三極管的基極電流大小來改變電容充電回路中電流大小，從而起到相同的調(diào)速效果，這也就是在本直流調(diào)速系統(tǒng)排故項(xiàng)目中所用到的脈沖產(chǎn)生電路的方案。

2.3 電壓負(fù)反饋、電流正反饋環(huán)節(jié)與電流截止負(fù)反饋

電壓負(fù)反饋和電流正反饋環(huán)節(jié)電路如圖3所示。

R14電位器串聯(lián)在電樞回路中，調(diào)節(jié)R14可調(diào)節(jié)電流正反饋信號量的大小。設(shè)置電流正反饋的目的是增強(qiáng)調(diào)速電路的電流輸出能力。R16電位器并聯(lián)在電樞兩端，因此調(diào)節(jié)R16可調(diào)節(jié)電壓負(fù)反饋信號量的大小。電壓負(fù)反饋信號與電流正反饋信號串聯(lián)后接入到給定電路，從整個(gè)電路來看，電壓負(fù)反饋信號、電流正反饋信號與電壓給定信號分別進(jìn)行了串聯(lián)，三個(gè)信號同時(shí)對電樞電壓進(jìn)行綜合控制。

電流截止負(fù)反饋電路如圖4所示，該電路中R23、V13、Vf、V6構(gòu)成電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。由于R23串聯(lián)在電樞回路中，因此可將電樞的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，調(diào)節(jié)R23可調(diào)節(jié)電流截止負(fù)反饋強(qiáng)度。當(dāng)電樞電流超過額定最大電流時(shí)，在R23上產(chǎn)生的電壓可以反向擊穿穩(wěn)壓二極管V13，為三極管Vf提供基極電流，使Vf集電極電流變大，此時(shí)電流由R9、Vd、V6、Vf、R22形成分流電路，使C5充電電流減小，充電速度變慢，導(dǎo)致觸發(fā)脈沖相位后移，晶閘管導(dǎo)通角變小，使得電樞上的電壓變小，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，同時(shí)限制電機(jī)電樞電流繼續(xù)增加。若電機(jī)上的負(fù)載繼續(xù)增加，電流繼續(xù)增大，則使得Vf基極電流變大，最終使Vf飽和導(dǎo)通，C5無法再進(jìn)行充電，使觸發(fā)脈沖消失，此時(shí)電機(jī)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)的PCB及調(diào)試

將設(shè)計(jì)好的電路布置在尺寸合適的PCB板上，滿足我們所需的工藝要求及裝配要求執(zhí)行以下步驟：定義元件封裝（利用卡尺每一元器件我們都建立自己封裝）、元器件布局、布線、美化PCB版面（放置文字LOGO）、PCB設(shè)計(jì)規(guī)則檢查等，完成主電路板與故障點(diǎn)設(shè)置板如圖5：

通過初步的分析設(shè)計(jì)，局部調(diào)試電路，這有利于問題的分析和解決，不會造成問題的積累，而且不會因?yàn)橐粋€(gè)小問題而進(jìn)行整體電路的檢查，從而可以節(jié)約大量的調(diào)試時(shí)間。檢查調(diào)試的一般步驟要?jiǎng)邮种傲私獗緦?shí)驗(yàn)箱的情況，接觸說明資料，熟悉器件的參數(shù)、特性及檢查方法，定點(diǎn)分析、直觀檢查、由易到難。

例如：在交流電源側(cè)沒有裝接進(jìn)線電抗是為了使整流輸出電壓不至于太低。其中如果VD1、VD2、SCR1、SCR2以及與之并聯(lián)的脈沖耦合電阻R6、R7中有一只管子斷路或某只引腳虛焊 都會使輸出電壓約為0-120V的半波輸出。要注意的是如果二極管中有一只管子接反或擊穿則電路會發(fā)生短路現(xiàn)象。

為方便測試，50個(gè)故障點(diǎn)電路單獨(dú)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)箱的側(cè)面，PCB如圖6所示。

4 使用方法及注意事項(xiàng)

本系統(tǒng)使用起來非常方便，下面就系統(tǒng)的使用方法做一個(gè)簡單的介紹；設(shè)置50點(diǎn)故障及排除故障點(diǎn)參考步驟：

（1）將電位器除R4逆時(shí)針擰到底外，其余所有電位器順時(shí)針擰到底。正常情況下，系統(tǒng)上電后電樞兩端電壓為直流80-100V。

（2）將系統(tǒng)斷電，用萬用表導(dǎo)通檔快速排查11及31-35共6個(gè)故障點(diǎn)，這6個(gè)故障點(diǎn)出現(xiàn)故障則脈沖變壓器產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖無法施加到可控整流電路中的可控硅。

（3）將系統(tǒng)上電，測量V3和V4兩個(gè)二極管之間的電壓是否為1.2V，若偏離1.2V則需要檢查電壓給定電路和電流正反饋以及電壓負(fù)反饋回路。

（4）將系統(tǒng)上電，測量電容C5兩端電壓，正常為3～6V，若實(shí)測電壓遠(yuǎn)高于6V，則判斷為電容C5放電回路故障；若實(shí)測電壓遠(yuǎn)小于3V或直接為0V，則判斷為電容C5充電回路故障。

（5）將系統(tǒng)上電，測三極管Ve基極電壓，正常為0.3～0.4V左右，若無電壓，檢查15；集電極電壓正常為16V左右，若無電壓則檢查脈沖變壓器初級線圈回路；發(fā)射極電壓正常為0V，若部為0則查34。

（6）最后檢查可控整流電路中的故障點(diǎn)，如：41、42、45～50R4逆時(shí)針擰到底的前提下，通過調(diào)節(jié) R3可以使電樞兩端輸出電壓最小調(diào)節(jié)到0V，若調(diào)不到0V則查37。

注意事項(xiàng)：

（1）使用萬用表測導(dǎo)通時(shí)，必須要保證系統(tǒng)斷電，否則會導(dǎo)致設(shè)備或萬用表損壞。

（2）使用萬用表測量電壓時(shí)，要檢查萬用表檔位是否正確，并為黑表筆正確選擇電壓基準(zhǔn)。

（3）設(shè)備內(nèi)置高達(dá)110V交流電，系統(tǒng)上電后，嚴(yán)禁用手觸摸系統(tǒng)面板上的測試點(diǎn)，否則會有點(diǎn)擊危險(xiǎn)。

5 結(jié)語

晶閘管——直流調(diào)速系統(tǒng)這一課題從電路以及各元件安裝來看仍然是比較簡單的一個(gè)電路，但是要在電路故障檢修中達(dá)到準(zhǔn)確、快速確定故障點(diǎn)還是需要掌握比較完整的基礎(chǔ)知識并綜合運(yùn)用故障檢查的多種方法才能提高工作效率。本設(shè)計(jì)通過對所設(shè)計(jì)的硬件反復(fù)地測試、調(diào)試，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度都比較好。 總之，本次設(shè)計(jì)可以滿足學(xué)生的實(shí)踐能力的提高，對所學(xué)的理論知識起到了鞏固作用，一并滿足了學(xué)生的技能考核需求。

［1］田良，王堯.綜合電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2002.

［2］孫衛(wèi)鋒.Protel應(yīng)用技術(shù).北京:人民郵電出版社，2009.

［3］康華光 主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京:高等教育出版社，1999.

［4］曹漢房 主編.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì).武漢:華中科技大學(xué)出版社，2004.