1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Частотный регулятор частоты вращения двигателя схема

Регулятор частоты вращения двигателей

Регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

Предлагаю вниманию читателей схему и конструкцию устройства (в дальнейшем – РЧВ), позволяющего регулировать частоту вращения трехфазного асинхронного двигателя в диапазоне 300…8000 об/мин. Уверен, что оно будет полезно многим радиолюбителям, так как придает трехфазным асинхронным двигателям (в дальнейшем – АД) новые качественные показатели – питание от однофазной сети практически без потери мощности, возможность регулирования пускового момента, повышение значения КПД, независимость направления вращения от фазы поданного напряжения, регулирование в широких диапазонах частоты вращения как на холостом ходу, так и при нагрузке, и главное – возможность повышать максимальную частоту вращения с 3000 до 6000…10000 об/мин.

Основные характеристики РЧВ:

напряжение питания: 220 В;

потребляемая мощность: не более 15 Вт (без учета мощности двигателя);

тип двигателя: трехфазный асинхронный Fн = 3000 об/мин, Рн = 120 Вт.

Как известно, существует несколько способов регулирования частоты вращения АД – изменением питающего напряжения, нагрузки на валу, применением специальной обмотки ротора с регулируемым сопротивлением, а так же частотное регулирование – являющееся наиболее эффективным методом, так как позволяет сохранить энергетические характеристики АД и применить наиболее дешевые и надежные АД с короткозамкнутым ротором.

Прежде, чем рассмотреть работу РЧВ, необходимо напомнить читателю основные характеристики АД.

1. Коэффициент полезного действия: КПД = (Рв/Рп),

где Рв – механическая мощность на валу двигателя, Рп – электрическая мощность, потребляемая из сети. На холостом ходу КПД = 0, так как Рв = 0. При номинальной мощности на валу Рн КПД имеет максимальное значение (0,75 … 0,95) для разных двигателей.

2. Токи фаз АД показаны на рис.2.

3. Частота вращения магнитного поля статора: n1 = (60 х Fп)/p (об/мин),

где Fп – частота питающего тока (Гц), р – число пар полюсов статора. Таким образом, при стандартной частоте Fп = 50 Гц, магнитное поле в зависимости от числа пар полюсов вращается с частотой (см. таблицу).

4. Скольжение: S = (Fп-Fp)/Fп (%).

Частота вращения ротора Fp всегда меньше частоты Fп на величину скольжения S (2…6%), например Fp = 960; 1420; 2840 об/мин.

Принцип действия АД основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с токами, которые наводятся этим полем в проводниках обмотки ротора.

5. Вращающий момент: М = Рв/w,

где w – угловая скорость вращения ротора (w = 2 х 3,14 х (Fв/60)).

6. Перегрузочная способность: Кп = Мкр/Мн = 1,5…2,5,

где Мкр – критический момент, Мн – номинальный момент.

7. Cos(j): cos(j) = Ica/Icp = 0,1…0,2 при номинальной частоте вращения,

где Ica – ток статора активный, Iсp – ток статора реактивный.

Увеличение нагрузки двигателя сопровождается увеличением только активной составляющей статора и, следовательно, увеличением cos(j) до 0,8…0,9. Отсюда ясна роль загрузки двигателя с целью улучшения cos(j) питающей сети.

8. Пусковой ток In – ток статора при пуске АД, Iп/Iн = 5…7.

Пусковой момент АД не велик. При пуске в ход АД должен развивать момент, превышающий тормозной момент механизма, иначе ротор не станет вращаться. Мпуск/Мн = 0,8…1,5.

Функциональная схема РЧВ представлена на рис.3. Задающий генератор предназначен для изменения частоты питающего АД тока. Им осуществляется изменение частоты вращения ротора. Формирователь импульсов трехфазной последовательности (ФИТ) преобразует постоянное напряжение в три напряжения прямоугольной формы, сдвинутые по фазе на 120°. Предварительный усилитель согласует маломощные выходы ФИТ с мощным оконечным каскадом, задачей которого служит питание фаз АД необходимым по форме и частоте током. Блок питания вырабатывает напряжения +5, +9 и +300 В для питания РЧВ. На рис.4 представлены все необходимые осциллограммы.

На элементах DD1.1…DD1.3 собран задающий генератор – мультивибратор с изменяемой частотой генерации в пределах 30…800 Гц. Изменяют частоту переменным резистором R2. ФИТ состоит из счетчика DD2, элемента “И-НЕ” DD1.4 и четырех элементов “исключающее ИЛИ” DD3.1…DD3.4. На транзисторах VT2…VT13 собраны три идентичных предварительных усилителя (по одному на каждую фазу АД).

Рассмотрим принцип действия одного из них (верхнего по схеме). Когда на выходе элемента DD3.2 появляется высокий уровень, открывается составной транзистор VT2, VT5. С выхода элемента DD3.2 высокий уровень поступает на вход оптопары DD4, в результате чего на ее выходе устанавливается низкий уровень, который закрывает составной транзистор VT8, VT11. Аналогично работают и остальные 2 усилителя, только лишь с разностью по фазе 120°. С целью развязки по напряжению транзисторы VT2, VT5 и VT8, VT11 питаются от отдельных источников +9 В, а транзисторы VT14…VT19 – от источника +300 В. Диоды VD10, VD13, VD16, VD17 служат для развязки по напряжению и для более надежного запирания транзисторов VT14 и VT15.

Одно из главных условий нормальной работы транзисторов VT14 и VT15 – они не должны быть одновременно открыты. Для этого на вход составного транзистора VT8, VT11 управляющее напряжение поступает с выхода оптопары DD4, что обеспечивает некоторую задержку его переключения. При появлении на входе оптопары DD4 высокого уровня через элементы R8, VD7 открывается составной транзистор VT2, VT5, а транзистор VT15 – закрывается. Одновременно начинается зарядка конденсатора С9. Через 40 мкс после появления высокого уровня на входе оптопары DD4, на ее выходе появляется низкий уровень, составной транзистор VT8, VT11 закрывается, транзистор VT14 – открывается. Появление на входе оптопары DD4 низкого уровня не может мгновенно закрыть составной транзистор VT2, VT5, так как разряд конденсатора С9 по цепи R9, переход база-эмиттер поддерживает этот транзистор в течение 140 мкс в открытом состоянии, а транзистор VT15 – в закрытом. Время задержки выключения оптопары DD4 составляет 100 мкс, поэтому транзистор VT14 закрывается раньше, чем транзистор VT15 открывается.

Диоды VD22…VD23 защищают транзисторы VT14, VT15 от повышения напряжения при коммутации индуктивной нагрузки – обмоток АД, а так же для замыкания токов обмоток в отрезки времени, когда напряжение изменяет свою полярность (при переключении транзисторов VT14, VT15). Например, после закрытия транзисторов VT14 и VT17, ток некоторое время проходит в прежнем направлении – от фазы А к фазе В, замыкаясь через диод VD24, источник питания, VD23, пока не уменьшится до нуля.

Рассмотрим принцип действия оконечного каскада на примере фаз А и В. При открытии транзисторов VT14 и VT17, к началу фазы А подается положительный потенциал, а к ее концу – отрицательный. После их закрытия открываются транзисторы VT15 и VT16, и теперь наоборот, к концу фазы А подается положительный потенциал, а к началу – отрицательный. Таким образом, на фазы А, В и С подаются переменные напряжения прямоугольной формы со сдвигом по фазе 120° (см. рис.4). Частота питающего АД напряжения определяется частотой переключения этих транзисторов. Благодаря поочередному открытию транзисторов, ток последовательно проходит по контурам обмоток статора АВ-АС-ВС-ВА-СА-СВ-АВ, что создает вращающееся магнитное поле. Формы фазных токов представлены на рис.5. Описанная выше схема построения оконечного каскада – трехфазная мостовая. Ее достоинством является то, что в кривых фазных токов отсутствуют третьи гармонические составляющие.

Для питания низковольтных каскадов используется стабилизатор VD1, VT1, VD6, позволяющий получить +5 В для питания микросхем DD1…DD3, а также +9 В для питания предварительных усилителей (VT2…VT7). Каждая верхняя пара предварительных усилителей питается от своего выпрямителя: VT8, VT11 – от VD3, VT9, VT12 – от VD4, VT10, VT13 – от VD5. Оконечные каскады питаются от двухполупериодного выпрямителя и LC-фильтра (VD2, L1, С3, С7) +300 В. Емкости конденсаторов С3 и С7 выбираются исходя из мощности АД, чем больше емкость, тем лучше, но не менее 20 мкФ при индуктивности дросселя L1 0,1 Гн.

В РЧВ могут быть применены постоянные резисторы МЛТ, ОМЛТ, ВС. Конденсатор С1 – любой керамический или металлобумажный, С2…С8 – любые оксидные. Дроссель L1 можно исключить, но при этом придется увеличить емкости каждого из конденсаторов С3 и С7 до 50 мкФ. Микросхема DD1 – К155ЛА3, DD2 – К155ИЕ4, DD3 – К155ЛП5. Оптопары DD4…DD6 – АОТ165А1. Можно использовать и другие, у которых время задержки включения не более 100 мкс, а напряжение изоляции не менее 400 В. Основное требование к транзисторам – высокий и примерно одинаковый у всех коэффициент усиления (не менее 50). Транзисторы VT2…VT4, VT8…VT10 – КТ315А и могут быть заменены на КТ315, КТ312, КТ3102 с любыми буквенными индексами. Транзисторы VT1, VT5…VT7, VT11…VT13 – КТ817 или КТ815 с любым буквенным индексом. Транзисторы VT14…VT19 – КТ834А или КТ834Б. Для их замены можно использовать мощные высоковольтные транзисторы с коэффициентом усиления не менее 50. Так как выходные транзисторы работают в переключательном режиме, то необходимо установить их на радиаторы площадью 10 см2 каждый. Однако, при использовании двигателей мощностью более 200 Вт потребуются радиаторы с большей площадью. Мостовые выпрямители VD1, VD3…VD5 – КЦ405А. Выпрямитель VD2 – КЦ409А. При мощности АД более 300 Вт вместо мостового выпрямителя КЦ409А необходимо использовать мост из одиночных диодов, рассчитанных на обратное напряжение более 400 В и соответствующий ток. Стабилитрон VD6 – КС156А. Диоды VD7…VD21 – КД209А. Диоды VD22…VD27 – любые, рассчитанные на ток не менее 5 А и обратное напряжение не менее 400 В, например КД226В или КД226Г. Трансформатор – любой мощностью не менее 15 Вт, имеющий четыре раздельные вторичные обмотки по 8 В каждая.

Читать еще:  Установка автономного подогревателя двигателя своими руками

При налаживании устройства сначала отключают +300 В и проверяют наличие всех осциллограмм в указанных точках (см.рис.4). При необходимости, подборкой конденсатора С1 или резистора R2 добиваются изменения частоты на коллекторе транзистора VT5 в пределах 5…130 Гц. Затем при отключенном АД вместо +300 В подают от внешнего источника напряжение +100…150 В, замыкают коллектор и эмиттер транзистора VT11, коллектор и эмиттер транзистора VT5 (чтобы закрыть на длительное время транзисторы VT14 и VT15) и измеряют ток в цепи коллектора транзистора VT14. который должен быть не более нескольких мкА – ток утечки транзисторов VT14 и VT15. Далее размыкают коллекторы и эмиттеры вышеуказанных транзисторов и устанавливают резистором R2 максимальную частоту генерации. Подборкой конденсатора С9 в сторону увеличения емкости добиваются минимального значения тока в цепи коллектора транзистора VT14. которое, в идеальном случае, равно току утечки транзисторов VT14 и VT15. Таким способом налаживают и остальные два оконечных усилителя. Далее подключают к выходу РЧВ (к гнезду Х7) АД, обмотки которого соединены звездой. Вместо +300 В подают от внешнего источника напряжение в пределах + 100…150 В. АД должен начать вращаться. При необходимости изменить направление вращения меняют местами любые фазы АД. Если оконечные транзисторы работают в правильном режиме, то они остаются длительное время чуть теплыми, в противном случае подбирают сопротивления резисторов R18, R20, R22, R23…R25.

Источник: А.Дубровский, журнал “Радиолюбитель”.

Частотник или как регулировать скорость вращения электродвигателя.

При управлении различными процессами довольно часто возникает ситуация, когда необходимо управлять скоростью вращения электродвигателя. Например, необходимо уменьшить расход воды в системе водоснабжения за счёт снижения оборотов насоса, или отрегулировать уровень воздухообмена в системе вентиляции, меняя скорость вращения приточного вентилятора.

Регулировка скорости вращения электродвигателя может производиться за счёт изменения частоты и (или) величины управляющего напряжения, а также за счёт управления сдвигом фаз (для трёхфазных двигателей). Это может быть реализовано с использованием различных устройств, наиболее универсальным и многофункциональным из которых является частотный преобразователь. О нём и пойдёт речь в этой статье.

Частотный преобразователь (он же «частотник», он же «инвертор»)

В обиходе частотный преобразователь чаще называют частотником или инвертором.

Как уже было сказано, частотник предназначен для управления скоростью вращения электродвигателя. Это происходит за счёт изменения характеристик питающего напряжения.

Существуют модификации частотников для управления трёхфазными и однофазными двигателями.

Типовая структурная схема управления электродвигателем выглядит так:

На схеме трёхфазное питание подаётся на вход инвертора через автоматический выключатель, выполняющий защитную функцию, и магнитный пускатель (расцепитель), с помощью которого можно разорвать цепь по внешнему сигналу, когда это необходимо.

Частотник преобразует характеристики входного напряжения в соответствии с заданной схемой управления и требуемой частотой электродвигателя, и «выдаёт» на выход три фазы с изменёнными параметрами (частотой, величиной напряжения, сдвигом фаз).

Задание частоты может производится непосредственно с пользовательской панели преобразователя частоты или дистанционно с ПК или пульта оператора.

Для однофазного двигателя структурная схема управления аналогична.

Схема частотного преобразователя

Рассмотрим основные структурно-функциональные узлы преобразователя частоты:

  1. Силовая часть — выполняет изменение характеристик входного напряжения для достижения требуемой скорости вращения двигателя.
  2. Управляющий процессор — «мозг» частотника, координирует работу всех остальных узлов. Управляет силовой частью, задавая алгоритм преобразования входного напряжения в выходное.
  3. Интерфейс пользователя — может состоять из кнопок, ручек, цифровых и текстовых табло. Необходим для настройки преобразователя, задания требуемой частоты вращения двигателя и других параметров. На графическом табло отображается текущее состояние частотника (заданная скорость вращения, ток двигателя и др.).
  4. Цифровой интерфейс — аналог интерфейса пользователя. Позволяет подключиться к преобразователю дистанционно, используя один из поддерживаемых протоколов, и управлять, настраивать, анализировать состояние частотника с удалённого ПК (пульта оператора).
  5. Дискретные входы — могут быть задействованы для управления частотником с помощью внешних дискретных сигналов. Например, можно назначить на каждый дискретный вход определённую частоту, с которой должен крутиться двигатель. Допустим частотник имеет пять входов. Настраиваем на 1 вход 10 Гц, 2 — 20 Гц, …, 5 — 50 Гц, и подключаем к каждому входу кнопку — тогда при нажатии на соответствующую кнопку преобразователь будет принимать соответствующую частоту в качестве заданной.
  6. Аналоговые входы — могут применяться для управления частотой с помощью внешнего аналогового унифицированного сигнала (4-20 мА или 0-10 В). Допустим, в системе вентиляции необходимо менять частоту вентилятора в зависимости от температуры воздуха. Для этого можно применить датчик температуры с аналоговым сигналом на выходе, подключив его к соответствующему входу частотника, и настроить преобразователь на управление от аналогового входа. Тогда при увеличении температуры, будет происходить увеличение скорости вращения вентилятора.
  7. Дискретные выходы — могут использоваться для регистрации различных событий (информационных или аварийных). Например можно настроить, чтобы выход срабатывал, когда преобразователь достиг заданной частоты, произошёл перегрев двигателя и т.д.
  8. Аналоговые выходы — используются для передачи другим устройствам текущих непрерывных параметров частотника (частоты вращения, тока, теплового состояния и др.).

Настройка частотного преобразователя

Для того, чтобы начать использование частотного преобразователя, его необходимо настроить, — то есть задать минимально-необходимый набор параметров:

  1. Параметры двигателя — номинальные значение тока, напряжения, мощности, максимальная и минимальная частоты вращения и т.д. Обычно эти параметры указаны на шильдике двигателя или в руководстве по эксплуатации.
  2. Канал задания — способ задания необходимой частоты вращения. Как уже говорилось выше, частоту можно задать различными способами: с помощью интерфейса пользователя, цифрового интерфейса, дискретных или аналоговых входов. Эта настройка даёт частотнику понятие о том, откуда конкретно брать задание. Канал задания может меняться в процессе работы преобразователя, например можно настроить один из дискретных входов на изменение канала задания, и с помощью внешнего переключателя, подключенного к указанному входу, менять канал задания.
  3. Канал управления — определяет откуда осуществляется запуск/остановка (и некоторые другие управляющие функции) преобразователя. В качестве канала управления может быть задан интерфейс пользователя, цифровой интерфейс или дискретные входы. Канал управления, так же как и канал задания, может быть изменён в процессе работы преобразователя.
  4. Схема преобразования — алгоритм управления питающим напряжением электродвигателя. Эту настройку не рекомендуется менять неопытным пользователям, лучше оставить её по-умолчанию.

Частотный регулятор частоты вращения двигателя схема

Используя предлагаемое устройство, можно не только питать трехфазный асинхронный электродвигатель от однофазной сети, но и плавно регулировать частоту его вращения.

Регулятор частоты вращения существенно улучшает характеристики трехфазного асинхронного двигателя (ТАД). Описываемое устройство позволяет питать ТАД от однофазной сети практически без потери мощности, регулировать пусковой момент, регулировать в широких пределах частоту вращения как на холостом ходу, так и при нагрузке, а также главное — увеличивать максимальную частоту вращения больше номинальной.

Предлагаемое устройство эксплуатируется с ТАД мощностью 120 Вт и номинальной частотой вращения 3000 об/мин.

Как известно, существует несколько способов регулирования частоты вращения ТАД — изменением питающего напряжения, нагрузки на валу, применением специальной обмотки ротора с регулируемым сопротивлением. Однако наиболее эффективным является частотное регулирование, поскольку оно позволяет сохранить энергетические характеристики и применить наиболее дешевые и надежные электродвигатели с короткозамкнутой обмоткой ротора — «беличьей клеткой». Схема регулятора приведена на рис. 1. На элементах DD1.1—DD1.3 собран задающий генератор с изменяемой в пределах 30. 800 Гц частотой. Регулируют частоту переменным резистором R3. Счетчик DD2, элемент И-НЕ DD1.4 и четыре элемента Исключающее ИЛИ DD3.1—DD3.4 входят в состав формирователя импульсов трехфазной последовательности (ФИТ), который преобразует постоянное напряжение в сигналы прямоугольной формы, сдвинутые по фазе на 120 град. На рис. 2 приведены эпюры напряжения в характерных точках.

На транзисторах 1VT1—1VT6, 2VT1—2VT6, 3VT1— 3VT6 собраны три одинаковых усилителя, по одному на каждую фазу ТАД. На рис. 1 приведена схема только одного усилителя. Схемы остальных точно такие же. Рассмотрим работу одного из них (верхнего по схеме). Когда на выходе элемента DD3.2 появляется высокий уровень, открывается составной транзистор 1VT4, 1VT5, а выходной транзистор 1VT6 закрывается. Кроме того, высокий уровень поступает на вход транзисторной оптопары 1U1, в результате чего на ее выходе устанавливается низкий уровень, который закрывает составной транзистор 1VT1, 1VT2. Выходной транзистор 1VT3 открыт. Для развязки по напряжению транзисторы 1VT1, 1VT2 и 1VT4, 1VT5 питают от разных источников напряжением + 10 В, а транзисторы 1VT3, 1VT6 — от источника напряжением +300 В. Диоды 1VD3, 1VD4, 1VD6, 1VD7 служат для более надежного закрывания выходных транзисторов.

Читать еще:  V16 двигатель что это такое

Одно из главных условий нормальной работы транзисторов 1VT3 и 1VT6 — они не должны быть одновременно открыты. Для этого на вход составного транзистора 1VT1, 1VT2 управляющее напряжение поступает с выхода оптопары 1U1, что обеспечивает некоторую задержку его переключения (приблизительно 40 мкс). При появлении на входе оптопары высокого уровня начинает заряжаться конденсатор 1С2. Сигнал низкого уровня на входе оптопары не может мгновенно закрыть составной транзистор 1VT4, 1VT5, поскольку конденсатор 1С2, разряжаясь по цепи 1R3, эмиттерные переходы транзисторов, поддерживает его в течение около 140 мкс в открытом состоянии, а транзистор 1VT6 — в закрытом. Время выключения оптопары составляет примерно 100 мкс, поэтому транзистор 1VT3 закрывается раньше, чем транзистор 1VT6 открывается.

Диоды 1VD5, 1VD8 защищают выходные транзисторы от повышения напряжения при коммутации индуктивной нагрузки — обмоток ТАД, а также замыкают ток обмоток, когда напряжение на них изменяет свою полярность (при переключении транзисторов 1VT3, 1VT6). Например, после закрывания транзисторов 1VT3 и 2VT6 ток некоторое время проходит в прежнем направлении — от фазы А к фазе В, замыкаясь через диод 2VD5, источник питания, диод 1VD8, пока не уменьшится до нуля.

Рассмотрим последовательность переключения выходных транзисторов на примере фаз А и В. Когда транзисторы 1VT3 и 2VT6 открыты, ток протекает по цепи: источник +300 В, участок коллектор—эмиттер транзистора 1VT3, обмотки фазы А и фазы В, участок коллектор—эмиттер транзистора 2VT6. Когда эти транзисторы закрываются, a 1VT6 и 2VT3 открываются, ток протекает в противоположном направлении. Таким образом, на фазы А, В и С подаются импульсы напряжения прямоугольной формы со сдвигом по фазе 120 град. (рис. 2). Частота питающего ТАД напряжения определяется частотой переключения этих транзисторов. Благодаря поочередному открыванию транзисторов ток последовательно проходит по обмоткам статора АВ-АС-ВС-ВА-СА-СВ-АВ, что и создает вращающееся магнитное поле. Описанная выше схема построения выходных ступеней — трехфазная мостовая. Ее достоинство заключается в том, что в фазном токе отсутствуют третьи гармонические составляющие.

Блок питания регулятора вырабатывает напряжения +5, +10 и +300 В. Напряжение +5 В, вырабатываемое стабилизатором на стабилитроне VD3 и транзисторе VT1, используется для питания микросхем DD1—DD3. Верхний по схеме составной транзистор каждого усилителя питается от отдельной обмотки сетевого трансформатора Т1 и отдельного мостового выпрямителя (1VD1, 2VD1, 3VD1). Нижний составной транзистор всех усилителей — от обмотки II и диодного моста VD2. Для питания выходных транзисторов применен мост VD1 и LC-фильтр C2L1C3. Емкость конденсаторов С2 и СЗ выбирают исходя из мощности ТАД. Она должна быть не менее 20 мкФ при индуктивности дросселя 0,1 Гн.

В регуляторе можно применить постоянные резисторы МЛТ, ОМЛТ, ВС. Конденсатор С1 — любой, например, керамический КЮ-17-26, С2—С5, 1С1, 2С1, ЗС1 — любые оксидные. Дроссель L1 — самодельный. Его наматывают на Ш-образном магнито-проводе площадью поперечного сечения 4 см2. Обмотка содержит 120 витков провода ПЭВ 0,35. Дроссель можно исключить, но при этом придется увеличить емкость конденсаторов С2 и СЗ до 50 мкФ. Оптопары 1U1, 2U1, 3U1 можно использовать и другие, у которых время задержки включения не более 100 мкс, а напряжение изоляции не менее 400 В.

Основное требование к транзисторам — высокий и примерно одинаковый у всех коэффициент передачи тока (не менее 50). Транзисторы КТ315А могут быть заменимы на транзисторы серий КТ315, КТ312, КТ3102 с любыми буквенными индексами, а транзисторы КТ817А (VT1, 1VT2, 1VT5, 2VT2, 2VT5, 3VT2, 3VT5) — на КТ817 или КТ815 с любыми буквенными индексами. Вместо транзисторов КТ858А можно применить любые мощные с допустимым напряжением коллектор—эмиттер не менее 350 В и коэффициентом передачи тока не менее 50. Их следует установить на теплоот-воды площадью не менее 10 см2 каждый.

Однако при использовании электродвигателей мощностью более 200 Вт потребуются теплоотводы с большей площадью. Если мощность ТАД превышает 300 Вт, вместо выпрямителя КЦ409А необходимо собрать мост из отдельных диодов, рассчитанных на обратное напряжение более 400 В и соответствующий ток. Диоды 1VD5, 1VD8 подойдут любые с допустимым прямым импульсным током не менее 5 А и обратным напряжением не менее 400 В, например, КД226В или КД226Г. Трансформатор — любой мощностью не менее 15 Вт, имеющий четыре раздельные вторичные обмотки по 8. 9 В каждая.

При налаживании устройства сначала отключают напряжение +300 В и проверяют наличие всех сигналов в соответствии с рис. 2. Если необходимо, подборкой конденсатора С1 или резистора R2 добиваются изменения частоты на коллекторе транзистора 1VT2 (1VT5) в пределах 5. 130 Гц. Затем при отключенном ТАД вместо +300 В подают от внешнего источника напряжение + 100. 150 В, замыкают коллектор и эмиттер транзистора 1VT2, коллектор и эмиттер транзистора 1VT5 (чтобы закрыть транзисторы 1VT3 и 1VT6) и измеряют ток в цепи коллектора транзистора 1VT3, который должен быть не более нескольких миллиампер — ток утечки выходных транзисторов.

Далее размыкают коллекторы и эмиттеры вышеуказанных транзисторов и устанавливают резистором R2 максимальную частоту. Подбором конденсатора 1С2 (в сторону увеличения емкости) добиваются минимального значения тока в цепи коллектора транзистора 1VT3. Аналогично налаживают и остальные усилители. После этого подключают к выходу регулятора электродвигатель, обмотки которого соединены звездой. Вместо +300 В подают от внешнего источника напряжение в пределах +100. 150 В. Ротор электродвигателя должен начать вращаться. Когда необходимо изменить направление вращения, меняют местами любые две фазы ТАД. Если выходные транзисторы работают в правильном режиме, они остаются длительное время чуть теплыми, в противном случае подбирают сопротивление резисторов 1R6, 1R8, 2R6, 2R8, 3R6, 3R8.

А. ДУБРОВСКИЙ, г. Новополоцк Витебской обл., Белоруссия

Частотно-регулируемый электропривод, в общих чертах состоит из трехфазного электродвигателя переменного тока и инвертера, который обеспечивает, как минимум, плавный пуск электродвигателя, его остановку, изменение скорости и направления вращения. Возможность подобного регулирования улучшает динамику работы электродвигателя и, тем самым, повышает надежность и долговечность работы технологического оборудования. Более того, инвертер позволяет внедрить автоматизацию практически любого технологического процесса. При этом создается система с обратной связью, где инвертер автоматически изменяет скорость вращения электродвигателя таким образом, чтобы поддерживать на заданном уровне различные параметры системы, например, давление, расход, температура, уровень жидкости и т.п. За счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки, потребление электроэнергии в насосных, вентиляторных, компрессорных и др. агрегатах снижается на 40-50%, а пусковые токи, составляющие 600-700% от номинального тока и являющиеся бичом для пуско-регулирующей аппаратуры, исчезают совсем. Таким образом, применение регулируемых электроприводов на основе частотных преобразователей позволяет создать новую технологию энергосбережения, в которой не только экономится электрическая энергия, но и увеличивается срок службы электродвигателей и технологического оборудования в целом.

Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе

Частотник в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.

Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.

Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток). Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.

Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

Читать еще:  Что у дискавери 3 с двигателем

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс . При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах

Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.

Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка 1

Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.

Структура частотного преобразователя

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока. Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.

Принцип работы преобразователя частоты

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора , системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рис.2). Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодули-рована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.

Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.

Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения. Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых GTO – тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.

Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.

За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока.

И – трехфазный мостовой инвертор;
В – трехфазный мостовой выпрямитель;
Сф – конденсатор фильтра;

Простая схема управления двигателем постоянного тока

Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.

Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала.
При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет «воспринимать» среднее значение подводимой к нему энергии.

Схема для генерации ШИМ сигнала

Существует много схем для генерации ШИМ сигнала. Одна из самых простых — это схема на основе 555-го таймера. Она требует минимум компонентов, не нуждается в настройке и собирается за один час.

Напряжение питания схемы VCC может быть в диапазоне 5 — 16 Вольт. В качестве диодов VD1 — VD3 можно взять практически любые диоды.

Если интересно разобраться, как работает эта схема, нужно обратиться к блок схеме 555-го таймера. Таймер состоит из делителя напряжения, двух компараторов, триггера, ключа с открытым коллектором и выходного буфера.

Вывод питания (VCC) и сброса (Reset) у нас заведены на плюс питания, допустим, +5 В, а земляной (GND) на минус. Открытый коллектор транзистора (вывод DISCH) подтянут к плюсу питания через резистор и с него снимается ШИМ сигнал. Вывод CONT не используется, к нему подключен конденсатор. Выводы компараторов THRES и TRIG объединены и подключены к RC цепочке, состоящей из переменного резистора, двух диодов и конденсатора. Средний вывод переменного резистора подключен к выводу OUT. Крайние выводы резистора подключены через диоды к конденсатору, который вторым выводом подключен к земле. Благодаря такому включению диодов, конденсатор заряжается через одну часть переменного резистора, а разряжается через другую.

В момент включения питания на выводе OUT низкий логический уровень, тогда на выводах THRES и TRIG, благодаря диоду VD2, тоже будет низкий уровень. Верхний компаратор переключит выход в ноль, а нижний в единицу. На выходе триггера установится нулевой уровень (потому что у него инвертор на выходе), транзисторный ключ закроется, а на выводе OUT установиться высокий уровень (потому что у него на инвертор на входе). Далее конденсатор С3 начнет заряжаться через диод VD1. Когда она зарядится до определенного уровня, нижний компаратор переключится в ноль, а затем верхний компаратор переключит выход в единицу. На выходе триггера установится единичный уровень, транзисторный ключ откроется, а на выводе OUT установится низкий уровень. Конденсатор C3 начнет разряжаться через диод VD2, до тех пор, пока полностью не разрядится и компараторы не переключат триггер в другое состояние. Далее цикл будет повторяться.

Приблизительную частоту ШИМ сигнала, формируемого этой схемой, можно рассчитать по следующей формуле:

где R1 в омах, C1 в фарадах.

При номиналах указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:

F = 1.44/(50000*0.0000001) = 288 Гц.

ШИМ регулятор оборотов двигателя постоянного тока

Объединим две представленные выше схемы, и мы получим простую схему регулятора оборотов двигателя постоянного тока, которую можно применить для управления оборотами двигателя игрушки, робота, микродрели и т.д.

VT1 — полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2 больше или равно VCC1.

Вместо полевого транзистора можно использовать биполярный n-p-n транзистор, транзистор дарлингтона, оптореле соответствующей мощности.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector