Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электронная схема управления асинхронным двигателем

Тиристорное управление асинхронным двигателем короткозамкнутым ротором

Все современные технические решения образованы в начале второй половины XX века. Глупо считать учебники того времени устаревшими. Нельзя обойти благодарностью Шубенко В.А., Браславского И.Я. и остальной коллектив авторов, приготовивших для читателей столь замечательный материал.

Тиристоры так часто используются в регуляторах, что давно уже вытеснили транзисторы. Это объясняется высокими эксплуатационными и энергетическими характеристиками в роли управляемых вентилей. Основным преимуществом считается плавность настройки параметров. Хотя в ранних моделях и современных это реализуется принципиально иными путями. В результате привод характеризуется рядом положительных качеств:

  1. Повышенный КПД;
  2. Быстродействие;
  3. Резко очерченная форма управляющего сигнала;
  4. Дешевизна;
  5. Простота;
  6. Небольшие размеры.

Тиристорные регуляторы сегодня найдутся везде. В стиральных машинах изменяют плавно скорость вращения вала путём отсечки тока, в кухонных комбайнах по величине искрения подстраивают потребляемую мощность для стабилизации оборотов. Ранее тиристорные регуляторы применялись исключительно для асинхронных двигателей, преимущественно в паре с короткозамкнутым ротором. Сегодня принципиально новые технические решения намного раздвинули границы указанной отрасли. Уже в 60-е годы схемы применялись по двум направлениям:

  • Настройка амплитуды питающего напряжения.
  • Преобразование частоты питающего напряжения.

Первая методика считается универсальной и годится для абсолютного большинства двигателей. Вторая демонстрирует ограничения, на современном этапе в бытовых приборах встречается крайне редко, отвоевав сегмент среди промышленных применений. В домашнем оборудовании нынче применяется иная методика – отсечка тока (фазовый метод). Часть периода ключ пропускает переменное напряжение, в остальное время закрывается. Такой режим характеризуется минимальными затратами энергии при приемлемых характеристиках.

Принцип работы

Нас в первую очередь интересует принцип работы частотного преобразователя. Но начать надо с его устройства (со схемы). По сути, преобразователь – это инвертор с двухэтапным преобразованием напряжения. Вот его схема:

  • Первый этап – это выпрямление и сглаживание напряжения сети или 220 В, или 380 В. Сначала ток проходит через диодный мост, где выпрямляется. Затем проходит через конденсаторы, где фильтруется и сглаживается. То есть, на выходе получается напряжение постоянного тока.
  • Второй этап – это необходимость перевести постоянное напряжение в переменное. Для этого в прибор установлены специальные микросхемы управления или инвертор на транзисторах.

Принцип работы на схеме

А вот теперь принцип работы. С получением постоянного напряжения все понятно. Как же образуется переменный ток с разной частотой и амплитудой? Система управления выдает сигналы, которые поступают на обмотки электродвигателя. Соединение обмоток и преобразователя частоты производится через силовые транзисторы инвертора, у которого есть положительный и отрицательный полюс. Длительность подключения каждой обмотки формируется по синусоидальной кривой, где учитывается период следования импульсов.

В середине полупериода ширина импульсов самая большая, в начале и конце – самая маленькая. Именно на этом и основывается система управления, которая обеспечивает широтно-импульсную модуляцию напряжения (ШИМ). При этом амплитуда и частота напряжения зависят от параметров и характеристик синусоидальной кривой.

Необходимо отметить, что существуют частотные преобразователи, в которых настройка производится вручную и автоматически.

Сетевой источник питания трехфазного асинхронного электродвигателя 36 В / 200 Гц на микроконтроллере

В статье рассмотрена простая конструкция преобразователя для питания трехфазного асинхронного электродвигателя 36 В / 200 Гц / 90 Вт от сети

Читать еще:  Шипение при работе двигателя 2112

220В с использованием программируемого микроконтроллера

Однажды мне поставили задачу разработать «бюджетный» сетевой источник питания машинки для стрижки овец, в которой установлен трехфазный асинхронный двигатель с номинальными параметрами 36 В / 200 Гц / 90 Вт. Так как регулирования скорости не требовалось, то принцип управления был выбран самый простой – трехфазный инвертор без ШИМ. В результате изысканий было разработано две работоспособных схемы преобразователя с аналогичными параметрами – одна с генератором на дискретных элементах и с использованием специализированного трехфазного драйвера, а вторая — с использованием программируемого микроконтроллера (ПМК) с прямым управлением ключевыми транзисторами, конструкция которой и будет рассмотрена ниже.

Основные технические характеристики источника питания:

    напряжение питания сети

220 В / 50 Гц;

  • потребляемая мощность – до 150 Вт;
  • выходное напряжение – трехфазное

    36В / 200 Гц;

  • номинальная выходная мощность – 90 Вт;
  • токовая защита от короткого замыкания в нагрузке с возможностью индикации срабатывания защиты;
  • включение/отключение нагрузки маломощным выключателем.
  • Описание схемы преобразователя

    Функционально источник питания состоит из двух блоков – блока питания и преобразователя. Вначале рассмотрим конструкцию преобразователя. Принципиальная электрическая схема преобразователя с использованием ПМК представлена на рисунке:

    Принцип работы устройства состоит в коммутации напряжения постоянного тока величиной 50 В на линии А, В и С с частотой 200 Гц и сдвигом фаз 120 градусов.

    В схеме использован дешевый программируемый микроконтроллер типа PIC16F628A, имеющий достаточное количество выводов для управления выходными ключами, вывод сброса, а также вход прерывания от изменения уровня входного сигнала. С помощью ПМК программно формируются управляющие сигналы A_HI, A_LO, B_HI, B_LO, C_HI, C_LO, которые подаются на блоки коммутации фаз.

    Блоки коммутации фаз идентичны, поэтому на схеме показан лишь один из блоков – блок коммутации фазы А. В качестве ключевых транзисторов использованы N-канальные МОП транзисторы с изолированным затвором с малым напряжением открывания типа IRL. Благодаря использованию таких транзисторов конструкция схемы управления транзистором нижнего плеча значительно упрощается – затвор транзистора чрез токоограничивающий резистор R11 подключается непосредственно к выводу ПМК. Высокий уровень сигнала A_LO открывает транзистор VT3, а низкий – закрывает. Здесь резистор R12 служит для подтягивания затвора к истоку в тех случаях, когда выводы ПМК переведены в высокоимпендансное состояние (например, во время сброса).

    Самой сложной задачей оказалась разработка схемы управления транзистором верхнего плеча. Трудность состоит в том, что для открывания транзистора VT2 на его затвор необходимо подать напряжение на 5 В выше напряжения стока. Было испробовано несколько схем, и не один ключевой транзистор был сожжен во время экспериментов. В конце концов, найдя описание конструкции В. Я. Володина «Электронный регулятор сварочного тока», удалось собрать простую и надежную схему управления транзистором верхнего плеча. Рассмотрим работу блока коммутации фазы А.

    Для переключения линии А с плюса на минус сигнал A_HI устанавливается высоким. Транзистор VT1 открывается, шунтируя затвор транзистора VT2 через токоограничивающий резистор R10 на «землю» и транзистор верхнего плеча VT2 закрывается. С задержкой 50 микросекунд, которая формируется для исключения протекания сквозного тока через транзисторы VT2 и VT3, сигнал A_LO также устанавливается высоким, открывая транзистор нижнего плеча VT3. Линия А теперь подключена к минусу питающего напряжения. Таким образом минус конденсатора С4 через транзистор VT1 и шунт R7 оказывается соединенным с общим проводом и получает возможность через диод VD1 зарядиться до напряжения чуть меньше 5 В.

    Читать еще:  Что такое двухтопливный двигатель

    По прошествии 2,5 миллисекунд (полпериода выходного напряжения) сигнал A_LO переключается на низкий уровень и транзистор VT3 закрывается. С задержкой 50 микросекунд сигнал A_HI также переключается на низкий уровень. Транзистор VT1 закрывается и напряжение конденсатора С4 через цепочку резисторов R9, R10 оказывается приложенным к затвору транзистора VT2, благодаря чему он открывается, подключая линию А к плюсу питающего напряжения.

    Диод VD2 служит для защиты от пробоя затвора и канала транзистора VT2 высоким напряжением, возникающим во время переключения плеч блока коммутации из-за активно-индуктивного характера нагрузки.

    Схема токовой защиты от короткого замыкания в нагрузке работает следующим образом. В цепь протекания тока от источника питания = 50В включен токоизмерительный шунт R7, напряжение с которого через делитель R4, R6 и резистор R5 подается на вход прерывания ПМК (линия SENS). При достижении на линии SENS уровня около 4 В, вырабатывается сигнал прерывания и программа ПМК закрывает все выходные ключи, отключая таким образом нагрузку. Время срабатывания защиты не превышает 30 мксек. Для индикации срабатывания защиты ПМК выдает высокий уровень на линию LED, зажигая светодиод HL2.

    Для выхода из режима защиты и восстановления работы схемы необходимо замкнуть и разомкнуть выключатель SA1, с помощью которого осуществляется сброс ПМК. Когда SA1 замкнут, на линии HALT, подключенной к выводу сброса (MCLR) ПМК, устанавливается низкий уровень и работа ПМК останавливается. Выключатель SA1 служит также для включения/выключения нагрузки без отключения устройства от питающей сети.

    Схема питания ПМК собрана на интегральном стабилизаторе DA1 и особенностей не имеет. Светодиод HL1 служит для индикации подключения устройства к питающей сети.

    Конструкция и детали преобразователя

    Все постоянные резисторы схемы преобразователя имеют мощность 0,25 Вт. В качестве датчика тока R7 использован шунт от старого аналогового ампервольтметра, изготовленный из латунного провода диаметром 1 мм. Диоды VD1 рекомендуется использовать быстрые, но так как частота преобразователя достаточно низкая, установка обычных выпрямительных диодов с параметрами не хуже 100 В / 300 мА вполне допустима. Диоды VD2 – любые импульсные с допустимым прямым током не менее 100 мА. В качестве транзисторов VT1 можно использовать любые низкочастотные n-p-n транзисторы средней мощности с параметрами не хуже 80 В / 200 мА. Конденсаторы С4 – керамические. Их емкость имеет очень важное значение и должна находиться в пределах 0,05…0,15 мкФ. Ключевые транзисторы VT2, VT3 – N-канальные с низким напряжением открывания и параметрами не хуже 100 В / 7 А.

    Читать еще:  Что такое завоздушивание двигателя

    Элементы преобразователя спаяны на небольшой печатной плате, чертеж которой не приводится, так как в процессе наладки она претерпела множество изменений и в конце концов часть деталей оказались собраны навесным монтажом.

    Конструкция блока питания для преобразователя

    Принципиальная электрическая схема блока питания показана на рисунке ниже:

    В блоке питания использован трансформатор типа ТС-180 от старого телевизора. Так как штатные обмотки трансформатора не позволяли получить необходимое питающее напряжение достаточной мощности, он был перемотан с использованием штатного провода следующим образом. Все обмотки, кроме 1-2 и 1’-2’ были аккуратно смотаны. Экранирующая обмотка снята для сматывания обмоток 2-3 (2’-3’), а затем восстановлена и посажена на корпус трансформатора. После этого на катушки намотаны следующие обмотки (в тексте указан измеренный диаметр провода, который не соответствует справочным данным трансформатора):

    • 1) 5-9, 5′-9′ – по 36 витков в 2 провода – один (ПЭЛ-0,64), смотанный с обмоток 2-3, 2′-3′, второй (ПЭЛ-0,47) – с обмоток 5-6, 5′-6′;
    • 2) 6-10, 10′-6′ – по 39 витков в 5 проводов – четыре (ПЭЛ-0,47) смотанных с обмоток 5-6, 5′-6′ плюс один (ПЭЛ-0,38) – с обмоток 7-8, 7′-8′;
    • 3) 12-7 – 10 витков в 5 проводов аналогично намотке обмотки 6-10;
    • 3) 8-11 – 50 витков провода ПЭЛ-0,41, смотанного с обмоток 11-12, 11′-12′.

    Для получения мощного выходного напряжения = 50В обмотки 5-9 и 5′-9′ включены параллельно, а затем последовательно с обмотками 6-10 и 10′-6′. Обмотка 12-7 осталась не использованной. С ее помощью можно увеличить или уменьшить выходное напряжение на несколько вольт.

    Выпрямительным мостом на диодах VD2-VD5 выходное напряжение выпрямляется, а затем фильтруется конденсаторами C1, C2.

    Предохранитель FU1 служит для защиты от возгорания трансформатора в случае межвиткового замыкания в его обмотках. Предохранитель FU2 также необходим, так как схема токовой защиты от короткого замыкания в нагрузке не способна защитить устройство в случае пробоя сразу двух ключевых транзисторов одной фазы.

    Обмотка 8-11 и выпрямительный мост VD1 используются для формирования питающего напряжения схемы преобразователя на ПМК.

    Компоновка блоков устройства

    В авторской конструкции ключевые транзисторы преобразователя установлены на радиатор, изготовленный из алюминиевой пластины толщиной 3 мм и размером 60 х 60 мм. Выпрямительный мост VD1, диоды VD2-VD5 и конденсаторы С1, С2 блока питания закреплены на пластине из гетинакса, прикрепленной к трансформатору. К нему же прикреплена и плата преобразователя:

    Для удобства конструкции выключатель SA1, светодиоды, разъемы питания и предохранители выведены на переднюю панель. Вся конструкция размещена в подходящем корпусе (см. фото в начале статьи).

    Сборка и наладка

    Собранная из исправных деталей схема преобразователя работает сразу и наладки не требует.

    При установке шунтов указанного номинала и при нулевом сопротивлении резистора делителя, обозначенного звездочкой, ток срабатывания защиты будет минимальным и составит около 15 А в цепи = 50 В. Увеличением сопротивления резистора делителя, обозначенного звездочкой, можно этот ток увеличивать.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector