Регулятор частоты вращения двигателей

March 11, 2011 by admin Комментировать »

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.

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”.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты