KJK-1型晶闸管节电控制装置电路原理分析

1.主电路和控制电源电路（见图5-26）

图5-26 KJK-1型晶闸管节电控制装置的主电路和控制电源电路

主电路由空气断路器引入三相电源，负载发生严重短路时，空气断路器跳闸，能起到短路保护作用（见图5-27）。电流互感器LH0与150A指针式电流表构成回路，用作运行电流指示。LH1、LH2、LH3取出三相运行电流信号，送后级保护电路，以取得过载、短路、断相等故障保护信号送MCU（微控制器）。

控制电源输出的两路经LM7812稳压得到的12V电源，一路串接温度继电器J1的常开触点，供3只散热风机的用电，当装置内部温度上升至45℃以上时，J1触点闭合，散热风机得电，为晶闸管模块进行强制风冷，环境温度降到40℃以下时，风机停止运行。这一控制模式，使散热风机的使用寿命得以延长；一路12V稳压电源，作为后级保护电路IC元件的供电电源。

控制电源输出的一路10V非稳压电源，作为起/停、自动/手动控制电源，10V电压又经LM7805稳压IC稳压成+5V电压，作为MCU的供电电源（见图5-28）。

图5-27 KJK-1型晶闸管节电控制装置的保护电路

2.断相、过载、短路信号形成电路

电流互感器LH1～LH3为厂家自行制作的“非标”产品，感应电流信号经820Ω1W电阻转变为交流电压信号（如运行电流100A时得到30V电压信号），经整流滤波后，分为多路电流检测信号送入后级电路。

[断相故障检测与信号记忆电路]三路电流检测信号分别输入由两级异或门构成的断相检测电路，异或门的运算逻辑是：当两输入端信号相同时，输出为低电平，两输入端信号相异时，输出为高电平。处于停机状态时，三相电流信号都为零，两级异或门的输入信号皆为低电平。或起动及运行中三相电流信号都有，并且其不平衡度在一定范围内，两级异或门电路的输入信号皆为高电平时，A1a、A1b两电路的输入信号均相同，输出低电平（正常）信号；当某相发生故障（如电源断相、电动机某相绕组断路等）时，两级异或门电路总有其中一组的两输入端产生信号相异，输出高电平（断相故障）信号，两异或门电路输出端的二极管为隔离二极管，使两个输出回路互不影响。断相检测电路的输出的高电平故障信号，输入至后级由两级反相驱动器构成的“故障信号锁定电路”或“故障信号记忆电路”，其输出信号控制晶体管Q₁，进而点亮“断相”发光二极管指示灯，用作断相故障指示。异或门输入端，并联有3只12V稳压管，用于钳制起动期间电流互感器送入的高电压信号，保护异或门电路的安全。

CD4070内部两级反相驱动器接成正反馈放大电路，又可以称为“晶闸管效应”电路。正常运行时，第一级驱动器输入端信号为低电平，经两级反相输出，仍为低电平。断相故障发生时，由断相检测电路输入的高电平信号经两级反相输出高电平故障信号，同时输出的高电平信号又经正反馈回路，馈回输入端，将输入端“钳定”为高电平，进而使输出端维持高电平故障信号输出，并不因故障发生时，装置停机后电流检测信号的消失（断相故障信号也消失），而使断相故障信号也消失掉。两级反相驱动电路，一经高电平信号“触发”，即能保持高电平信号输出，因正反馈电路的“晶闸管效应”起到了故障记忆作用。这样工作人员现场巡检时，装置虽已处于停机状态下，但可以从故障指示灯的状态得知停机保护原因，利于检查和维修。要想对故障指示进行复位，将装置的电源断开，再重合，使A2a的14脚所接电容器上电荷放电完毕，电路失去“自保持效应”，就解除了“故障锁定”状态。

[短路故障检测与信号记忆电路]短路与过载保护，并不必区分故障是发生在哪一相电路，任一相发生短路故障都应该发生保护动作。故将三相电流检测信号由3只隔离二极管汇合成一路电流检测信号，经200kΩ半可调电阻整定后，送入短路故障检测电路。该控制线路通用性较好，适应22～95kW交流电动机，当电动机功率不同时，其短路电流保护值也不相同，故由200kΩ半可调电阻据所拖动电动机功率进行短路电流动作值的整定。整定的电流检测信号经9V稳压管输入后级故障信号记忆电路，在正常运行或轻过载状态（过载电流在电动机额定电流的6倍以下）时，检测信号的幅值低于9V，停机保护与否取决于过载保护电路的动作。当电动机电流大于额定电流的6倍以上时，电流检测信号高于9V，稳压管反向击穿，后级故障信号记忆电路被触发，“短路”发光二极管点亮，指示停机故障原因。过载保护有一个反时限特性，而短路保护处于危急状态下，不经延时处理，短路信号产生时，装置应该即时停机。本电路的短路保护动作时间，在0.01s以内。

[过载故障检测与信号记忆电路]也是为适应不同功率电动机的要求，电流检测信号经10kΩ半可调电位器“粗调”后，再由过载整定/挡位（一刀七掷）开关，据现场所接负载电动机的功率不同，调整适宜的挡位与之对应，如开关的“刀”与左一“掷”相连接时，则装置可连接22kW的负载电动机，与左二“掷”相连接时，则装置可连接30kW的负载电动机。所接电动机不同，电流检测信号的幅度不同，经过挡位开关切换（分压比切换），使不同功率级别电动机的电流检测信号，送入过载保护电路的信号幅度都是相同的。

经过过载整定/挡位开关切换后的电流信号，一路送入由A1d异或门电路，该级电路的两个输入端，其中之一接+12V高电平，正常电流检测信号幅度远远低于12V（在8V以下），两输入信号相异，使输出为高电平，“跟踪”发光二极管点亮。所谓跟踪是对设备运行状态的跟踪，设备处于正常运行状态下，有正常的运行电流产生，此指示灯点亮。

经过过载整定/档位开关切换后的电流信号，另一路送入A1c异或门电路，该异或门电路的另一输入端接地（电平），一般数字电路的输入信号幅度，≤1/3电源电压，认为是低电平，≥2/3电源电压认为是高电平，输出状态的翻转即是依此两个比较电平值进行的。12V供电电源下，当输入电流检测信号幅度大于8.4V时，A1c异或门电路判断两输入端信号相异，8脚为低电平，9脚变为高电平，输出端翻转为高电平信号。因而该电路可等效为一个基准电压为8.4V的电压比较器电路，当输入信号幅度（电流检测信号）高于基准电压时，输出状态翻转，输出过载保护信号。

A1c的输入电路，由200kΩ电阻和100μF电容组成过载延时（反时限）控制电路，当电流超过额定电流1.1倍时，装置应能正常运行而不停机，以后随过载系数增大，电容充电速度加快，保护动作时间变短。200kΩ电阻上并联的二极管在装置停电时提供100μF电容电荷的泄放通路，以保证装置上电或起动后反时限保护功能的生效。A1c过载保护电路输出的电流过载信号也经后级故障信号记忆电路，驱动“过载”发光二极管，给出过载故障指示。

断相、短路、过载等故障信号经二极管“或门电路”驱动晶体管Q4，将故障信号送入MCU的28脚（复位信号），用于中断六路移相触发信号的输出（将微控制器复位），起到故障发生时停机保护的作用。

3.MCU控制电路（见图5-28）(www.xing528.com)

[装置起、停与超温保护电路]KJK-1型晶闸管节电控制装置的运行与停止是通过控制MCU的+5V电源的通、断来实施的，其运行操作还设有自动、手动两种控制模式。当选择开关处于手动位置时，操作起动和停止按钮，可对稳压IC LM7808的输入电源进行通、断控制。按下起动按钮时，单向晶闸管2P4M形成触发电流回路而导通并维持导通，MCU芯片得到+5V电源。同时MCU的24、25、26引脚经K1接入“0”电平，MCU判断是手动控制状态；按下停止按钮时，晶闸管2P4M的电流通路被断开而自行关断，松开停止按钮后，2P4M仍在关断状态，MCU失去+5V电源，装置停止工作。K1开关打到“自动”位置时，MCU的供电电源为K1直接连通，MCU根据24、25、26引脚由K1和K3挡位位置所决定的逻辑电平值，判断为自动控制状态，并按K3所设置的延时起动时间进行延时起动。

图5-28电路中还包含了温度保护电路，通过对MCU的+5V电源的通、断控制，起到模块超温时的停机保护。J2为75℃的温度继电器，用于检测晶闸管模块的运行温度。正常工作时，晶体管Q5饱和导通，Q6的偏置电压因Q5的导通被短路到地，处于截止状态，“模块过热”故障指示灯不亮。当模块温度超过75℃，J2常闭触点断开，切断了MCU的+5V工作供电，同时晶体管Q5失去工作偏压而截止，Q6得到工作偏压而导通，“模块过热”故障指示灯点亮，装置处于停止状态。

[自动起动延时时间和起动速率调整电路]挡位开关K3、K4用于自动起动延时时间和起动速率调节。自动延时起动时间共分为0～50s六个挡位，K3为1刀6掷的三组联动开关，延时时间的长短，取决于K3开关的调整位置，形成了MCU的24、25、26引脚的3位数字输入信号，如当三引脚组合信号为“000”时，自动延时起动时间为0s；三引脚组合数字位信号为“111”时，自动延时起动时间为50s。起动速率是指对软起动电压斜坡曲线进行调节，挡位加大时，斜坡曲线变缓，由起动起始电压至全压的时间加长。K4的调节方式与K3相同，是改变MCU的16、17、18引脚的数字“位”信号，实施对起动速度的调整。在这里，MCU处理的输入信号不再是模拟电压，而是数字信号，这也是单片机电路的一个特点。

图5-28 KJK-1型晶闸管节电控制装置的MCU电路与同步/触发电路

[MCU的基本电路]单片机MC68705P3CS的1、3脚为供电脚，引入+5V工作电源。4、5脚为外接晶振引脚，与内部电路一起构成振荡电路，形成系统运行的基准时钟信号。28脚为复位控制端，低电平复位有效。4.7kΩ电阻和0.47μF电容组成上电复位电路，装置上电时由RC延时作用在28脚形成一个低电平复位信号，单片机进入待机状态。从前级故障保护电路来的控制信号也进入28脚，故障发生时，28脚电位被强制拉为“0”电平，单片机停止工作，系统处于故障保护状态。以上电路形成了MCU工作的基本（三要素）条件，任一条件不被满足，MCU即处于“罢工”状态。

[同步信号电路、电流信号电路和移相触冲电路]为便于原理分析，将A相同步电路重绘于下（见图5-29）。

同步信号电路：电网同步电压采样是在反向并联晶闸管的两端引入的，并非直接取自三相输入电源，当输出端空置不能形成负载回路时，同步电压信号也不能形成，电路的特点是，先接入三相负载，电压采样电路才能工作。晶闸管VT1同步信号是在其并联晶闸管VT4进入截止状态（电流为零）后才形成的，称为电流过零同步信号，与电压过零同步信号的采集点和采集方式有所不同。

当晶闸管VT4处于电流过零截止后，L11电源端为正、L31电源端为负时，经L11→R7→U1输入侧发光二极管→L12端，形成正半波Uac（VT4）电流过零点同步信号；当晶闸管VT1处于电流过零截止后，L11电源端为负，L12端经负载回路引入电压为正时，经L12→U2输入侧发光二极管→R7→L11端，形成负半波Uca（VT1）电流过零点同步信号。在一个周期当中，在U1、U2输出端形成正半波、负半波两个低电平电流过零点同步信号，送入MCU的8脚。另两路电流过零点信号，也由两只光耦合器取出，分别送入MCU的9、10脚。用于移相触发脉冲形成的过零点基准参考。

图5-29 同步信号、功率因数角检测电路

（试分析）电流采样电阻R1、R2、R3也并接于L11、L12端子上，从R2、R3之间取出电流相位信号，经D3、D4正反向钳位（负电压钳位于0电平，正电压钳位于+5V）后，输入MCU的11脚。另外，同R1、R2降压和C2、C1分压取出L11电源电压相位信号，送入MCU的2脚，2、11脚信号在MCU内部进行相位比较，得到功率因数角信号，用于对输出移相脉冲输出时刻的控制。同时，2、11脚两种信号相比较，能判断VT1、VT4的导通状态，异常时由MCU做出控制调整动作或实施停机保护。

触发电路：MCU参考输入同步信号，由软件手段生成移相脉冲，由MCU的12、13、14三个引脚输出，经功率放大电路进行功率放大后，驱动脉冲变压器，触发晶闸管，实施交流调压控制。这里脉冲输出脚用了3个，脉冲变压器也用了3只，脉冲信号处理有以下特点：

1）每个MCU脉冲输出引脚一个周期内输出4个（两个双脉冲）移相脉冲信号，如14脚输出A+、A-两个同一相正、负半波触发信号，和由另二相触发电路来的B-、C+两个补脉冲信号。

2）脉冲变压器采用1只，但含有两个同相位输出绕组，分别触发主电路中的VT1、VT2单向晶闸管，当A+触冲脉冲作用时，VT1承受正向电压而导通，VT2虽同时有触发脉冲加到栅-射极上，但因承受反向电压而关断，VT1、VT2两管的端电压相位差为180°，完全不必担心两只晶闸管会同时导通。

这样处理的好处，MCU省去了3个脉冲输出脚，外电路省掉了3只脉冲变压器。

3）移相触发脉冲为优化调制波，由软件生成，并不增加硬件电路的复杂程度。