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）

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(duì)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(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，控制部分電路和故障點(diǎn)分開(kāi)，可以共設(shè)置50個(gè)故障點(diǎn)，設(shè)置簡(jiǎn)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(jí)維修電工證培訓(xùn)及考試，學(xué)生操作簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)效率高。

晶閘管 排故 調(diào)速系統(tǒng) 萬(wàn)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(xiàn)路，主要用于4千瓦以下直流電機(jī)的無(wú)級(jí)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：?jiǎn)蜗嘟涣?20V

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(lái)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(huì)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(huì)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：?jiǎn)喂?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(kāi)始充電，并進(jìn)行放電，此過(guò)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(lái)，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(guò)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(hào)。當(dāng)主電路電壓過(guò)零時(shí)，觸發(fā)電路的電源（梯形波電源）也過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)控制三極管的基極電流大小來(lái)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(hào)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(hào)量的大小。電壓負(fù)反饋信號(hào)與電流正反饋信號(hào)串聯(lián)后接入到給定電路，從整個(gè)電路來(lái)看，電壓負(fù)反饋信號(hào)、電流正反饋信號(hào)與電壓給定信號(hào)分別進(jìn)行了串聯(lián)，三個(gè)信號(hào)同時(shí)對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(guò)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(wú)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(mǎn)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(xiàn)、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(guò)初步的分析設(shè)計(jì)，局部調(diào)試電路，這有利于問(wèn)題的分析和解決，不會(huì)造成問(wèn)題的積累，而且不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)小問(wèn)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(shuō)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(méi)有裝接進(jìn)線(xiàn)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(huì)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(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象。

為方便測(cè)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(lái)非常方便，下面就系統(tǒng)的使用方法做一個(gè)簡(jiǎn)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(wàn)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(wú)法施加到可控整流電路中的可控硅。

（3）將系統(tǒng)上電，測(cè)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(cè)量電容C5兩端電壓，正常為3～6V，若實(shí)測(cè)電壓遠(yuǎn)高于6V，則判斷為電容C5放電回路故障；若實(shí)測(cè)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(cè)三極管Ve基極電壓，正常為0.3～0.4V左右，若無(wú)電壓，檢查15；集電極電壓正常為16V左右，若無(wú)電壓則檢查脈沖變壓器初級(jí)線(xiàn)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(guò)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(wàn)用表測(cè)導(dǎo)通時(shí)，必須要保證系統(tǒng)斷電，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備或萬(wàn)用表?yè)p壞。

（2）使用萬(wàn)用表測(cè)量電壓時(shí)，要檢查萬(wàn)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(cè)試點(diǎn)，否則會(huì)有點(diǎn)擊危險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

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(lái)看仍然是比較簡(jiǎn)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(shí)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(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件反復(fù)地測(cè)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(mǎn)足學(xué)生的實(shí)踐能力的提高，對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)起到了鞏固作用，一并滿(mǎn)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.