二说软起动器——节电器

2.1 晶闸管交流电动机节电控制器的工作原理和性能简述
交流电动机的节电控制，是个永恒的话题，用晶闸管自动调压进行的节能运行，只是其中一个方法。一般鼠笼式交流电动机，不管负载负载大小，总是在全压（3相380V）下运行的，这就形成了调压节能的空间。电机电流是励磁磁场所需的电流和驱动负载所需电流的矢量和，产生机械转矩和驱动负载的电流（也称有功分量）几乎与电压同相，而磁化电流消耗于绕组的电阻，该电流滞后于电压约90°（此为无功分量，造成无功和有功损耗），二者合成量与有功分量的比值或用功率因数来表征。
电机在轻载或空载运行时，效率与功率因数最低，相对于满载来说，自身损耗（主要为绕组电阻的铜损和磁路的铁损）加大，若能适度降低电压定子线圈的供电电压，同时能满足电机的带载能力，则能使电机功耗大为降低，起到降/调压节能的目的。
晶闸管交流电动机节能控制器的控制原理，即随机跟踪检测电机运行电流与电压的相位角（检测运行功率因数角），根据负载变化（导致功率因数角变化）随机调整电机的端电压值，在轻载和空载时提供一个较小磁场维持电流以克服摩擦力所需的小转矩，负载较大时，则提升电机端电压输出相应转矩，使电机端电压据负载变化而变化，随时保持在最佳节能工作状态，从而大大降低电动机轻、空载时的内部损耗，达到节约有功功率、无功功率和提高功率因数的目的。
当交流电动机的负载率从60%~20%变化时，电机的端电压变化范围约为380V~280V，电机的运行电流下降40%以上，无功功率降低40%~60%，功率因数上升至0.9左右,有功功率节电15%~40%。其综合节电效益还是相当不错的。
节电控制器的控制功能：
1）自动跟踪负荷变化，随机调整电机端电压，适应稳定和负载轻重变化频繁的设备；
2）具有较为优良的软起动功能，设置有电压斜坡起动控制模式，启动电压能从较低值（如160V）缓慢平滑上升到380V，重载下起动，能将起动电流限制在额定工作电流的4倍以下，可平稳地起动电动机，减缓了机械和电气冲击；
3）较为完善和可靠的过载、短路与断相保护功能，保护动作时间符合相关标准。
4）节电控制器的起、停控制及运行、故障状态显示功能。
节电控制器的电路构成（见图2-1）：
图2-1晶闸管交流电动机节电控制器的电路构成
1）主电路一般由三组正反向并联的单向晶闸管组成，对三相电源进行交流调压输出，控制电动机的端电压。采有三只双向晶闸管实施交流调压的，在大功率电路中，较为少见。
2）控制电路包括；a、三相运行电流和电压检测电路。b、三相电压检测信号，又形成电网同步信号，用作移相基准参考；c、三相运行电流和电压检测信号，又经相位比较形成功率因数角检测信号，确定触发脉冲的移相角度；d、三相运行电流和电压检测信号，又处理成故障报警和停机保护信号；e、移相脉冲形成电路和触发脉冲功放电路，用于驱动六只单向晶闸管；f、控制电路的稳压供电电路。
其中，功率因数角形成电路和移相信号形成电路，有的节电控制器完全是由硬件电路组成，有的则由单片机电路中的软件算法生成，其它电路则由硬件电路构成。
2.2 DJK3型电动机节电器整机电路原理分析
1、DJK3型电动机节电器主电路
从X11、X21、X31引入三相380V电源，三只串入快熔F1、F2、F3用于过载和短路保护。并联的晶闸管两端，并联有R、C尖峰电压吸收网络，抑制晶闸管两端的过电压能量。由X12、X22、X32引出三相输入电压信号，供控制电路用于电网同步信号检测和电压相位检测；三只电流互感器取出三相运行电流信号，经X14、X24、X34端子送入后级控制电路，与三相输入电压信号相比较，以得到功率因数角（鉴相信号）信号；从主电路输出端的X13、X23、X33引出三相输出电压信号，至控制电路用于电压闭环控制。因而整个电路构成功率因数调节和电压调节双闭环控制系统。
图2-2 DJK3型电动机节电器主电路
2、控制电路的供电电源电路：
图2-3 控制电路的供电电源电路
T3为电源变压器，二次35V绕组电压经整流滤波成45V直流电压，供触冲功率放大电路。在功率不变的情况下，提升触冲功放电路的供电电压，可以减小流过功率放大管和脉冲变压器的一次绕组的电流，降低功率放大器的负担。
T3电流变压器双20V绕组电路，整流滤波后，又由稳压IC处理成+15V、-15V稳压电源，供控制电路的用电。

3、功率因数信号形成（鉴相）电路和输出电压反馈信号电路
图2-4功率因数信号形成（鉴相）电路和输出电压反馈信号电路
   由X12、X22、X32引入的三相电压电压，经同步变压器T1隔离和降压后，输出三相同步电压信号，一路（a、b、c）输入后级移相触发电路，做为电网同步信号，一路经A1a、A1b、A1c三路同相（开环）放大器整形后，作为电网电压过零（脉冲）信号输入到三路异或门电路的输入端。电容C1、C2、C3为移相电容，把经同步变压器输入后的电网电压同步信号进行移相校正，以与电流过零信号相对应，输入端正反向并联的两只二极管，为输入信号正反向限幅电路。由三只电流互感器来的运行电流检测信号，再经T4~T6三只星形连接的隔离变压器，取出三相电流过零信号，经A2a、A2b、A2c三路同相放大器整形后，也输入到三路异或门电路的输入端，电压过零信号与电流过零信号经异或运算后输出，三路异或门电路也称为鉴相器电路，其输出值即电路的实际功率因数值，经后续RC滤波电路处理为平滑直流电压，再与给定功率因数值相比较，其结果（输出值）作为电压调节器的给定值。
鉴相器（功率因数检测）电路的工作原理：电路功率因数的大小表现为电路电流和电压的相位差的大小。电机为电感负载，满载运行下，运行电压和电流近于同相位，效率和功率因数最高，轻、空载运行下，电流滞后于电压，滞后角度的大小随负载轻重变化而变化，因而功率因数角的大小也在一定程度上反映了负载率的高低电机效率的高低。当电机负载较大和运行效率较高时，运行电压与电流接近于同相位，异或门电路两输入端信号脉冲出现时刻一致（两输入端信号大小相同），输出信号电压幅度最低或无输出；当电机负载不满运行效率偏低时，电流过零脉冲比电压过零脉冲出现的时刻滞后，异或门电路两输入端信号脉冲出现时刻错开（两输入信号大小有异），异或门电路据输入两信号相位差值的大小输出按比例变化的信号电压，称为鉴相电压或功率因数值电压信号。
另外，从X113、X23、X33引入的三相输出电压信号，也降压隔离变压器T2降压输出，又经三相桥式整流电路整流为直流电压信号，由RP11调整、RC滤波后，取得输出电压反馈信号至后级电压调节器电路，形成PI速度环控制信号。
4、功率因数和电压调节双闭环PI控制电路
图2-5功率因数和电压调节双闭环PI控制电路
    为了更好地理解功率因数和电压调节双闭环PI控制的原理，下图4-6以原理方框图的形式，将双闭环控制模式清晰地表现出来，请与图2-4、图2-5合并分析。
图2-6功率因数和电压调节双闭环原理方框图
DJK3电动机节电器的双闭环控制流程简述：
运放电路A4a接成积分放大器，为软起动控制电路，调整半可变电阻RP1的RP2，可使软起动时间和起动电压为所需数值（不同容量和不同负载的电动机起动时间有起动电压有所不同）。在（上电）起动期间，运放电路A4a的输出脚1脚（积分输出）产生15V ~0的电压变化，当此电压值大于0V时，运放电路A4d因同相端电压高于反相端负压，14脚输出为正的高电平，晶体管VT1反偏截止，VT2、VT3正偏导通。VT1反偏截止，A4a输出的软起信号经R19、R20输入至电压调节器A4b的同相输入端5脚；VT2正偏导通，将鉴相电路输入的功率因数调节信号短路到地，VT3导通，将输出电压反馈信号短路到地，此时输出电压调节器的控制信号只有软起信号。VT1、VT2、VT3三只晶体管起到三只联动开关的作用，对输入至电压调节器的信号进行了切换，VT1等效为图2-1中的S1-1，VT2等效为图2-1中的S1-2，VT3等效为图2-1中的S1-3。起动过程结束后，A4a的输出脚电压由0~-15V变化，使A4d同相端电压低于反相端负分压值，A4d输出脚电压变为负电平，此时VT1、VT2、VT3三只“联动开关”再次动作，VT1正偏导通，VT2、VT3反偏截止，软起动控制信号因VT1短接被“截断”，而鉴相器输出的功率因数信号和输出电压反馈信号，汇合后输入电压调节器A4b的同相输入端，整个系统便在给定值和两路反馈信号作用下，使电机端电路跟随负荷变化自动调整输出，电动机在较高的功率因数值和效率下运行。
半可变电阻RP3、RP4用于调整功率因数反馈比例和电压反馈比例（同时也形成了给定值调节），使输出电压跟随负荷变化而变化，并且在整定范围内变化，输出电压降低时输出电流能同步降低或维持原值不变，避免电压降幅过大引起电流上升产生过载、堵转等现象。
A4b、A4c两级运放电路组成了电压调节器，两级电路同时又为积分放大器（I调节电路），与前级电路配合，构成了功率因数、电压的双闭环PI电路。半可变电阻RP5、RP6为输出电压上、下限幅调整电位器，用于整定A4c输出控制信号的范围，以适应后级移相触发电路输入控制信号的电压范围要求。

5、移相触发电路
图4-7 移相触发电路（含功率放大电路）
   移相触发电路，采用三片专用移相触发芯片KJ04与六路双脉冲形成器KJ041组成三相全控桥触发电路。KJ04的8脚输入同步信号，15脚和1脚输出相应某相正半波和负半波的移相触发脉冲，三片KJ04生成A+、A-、B+B-、C+、C-六路脉冲，半可变电阻RP8、RP9、RP10为三相锯齿波斜率调整电位器，用于调整三相输出电压的平衡。三片KJ04输出的六路移相脉冲信号，输入至KJ041的六个输入端，经内部电路逻辑分配为六路双脉冲（带补脉冲）信号，由六个输出端输出，作为六路功率放大器的输入信号，经功率放大后，驱动六只脉冲变压器，对六只单向晶闸器件进行移相控制，使电机端电压跟随负荷变化而输出，达到节能运行的目的。功率放大电路接成NPN型复合放大器的电路形式，以使末级晶体管可靠工作于饱和导通和截止的两个状态，提升输出电流的能力。
KJ04为晶专用晶闸管移相触发器，适用于单相、三相全控桥整流调压电路，但用于三相全控桥时，需与KJ041相配合，以生成“补脉冲”输出。KJ04的电路原理与典型应用，将在别的章节专门介绍，对六路双脉冲形成器KJ041的电路原理和典型应用介绍如下：
KJ041六路双脉冲形成器，具有双脉冲形成和电子开关的功能，输出脉冲幅度≥1V，流出最大脉冲电能20mA，控制端7脚，7脚接逻辑电压“1”时，脉冲输出端禁止输出，7脚接逻辑“0”电平时输出有效，一般与电源地端（8脚）短接。KJ041内部为脉冲逻辑电路，当输入信号生效时，由输入二极管完成“或”的功能，形成补脉冲，再由内部的电流放大器放大，分为六路输出。补脉冲的顺序是：C-给+A补，B+给C-补，A-给B+补，C+给-A补，B-给C+补，A+给B-补。这样，经过KJ041的内部逻辑电路，将输入脉冲重新分配，便在每个输出端得出双脉冲输出，其中一个脉冲为本相上臂或下臂晶闸管的触发脉冲，另一个脉冲为相对应电路发来的补脉冲。KJ041的应用电路和各脚电压波形见下图4-8，补脉冲的标注文字为斜体字，以示区别。
图4-8 KJ041应用电路及各脚电压波形图
使用两块KJ041，将相应的输入端并联，输出信号接12路放大器，可组成12脉冲正反组控制可逆系统，负载电机可运行于四象限模式。

                                                旷野之雪          2010年10月6日

莫工早!我这里先谢过了.