Эффективный источник питания асинхронного двигателя

Эффективный источник питания асинхронного двигателя

Бесплатная техническая библиотека:
▪ Все статьи А-Я
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
▪ Новости науки и техники
▪ Журналы, книги, сборники
▪ Архив статей и поиск
▪ Схемы, сервис-мануалы
▪ Электронные справочники
▪ Инструкции по эксплуатации
▪ Голосования
▪ Ваши истории из жизни
▪ На досуге
▪ Случайные статьи
▪ Отзывы о сайте

Справочник:
▪ Большая энциклопедия для детей и взрослых
▪ Биографии великих ученых
▪ Важнейшие научные открытия
▪ Детская научная лаборатория
▪ Должностные инструкции
▪ Домашняя мастерская
▪ Жизнь замечательных физиков
▪ Заводские технологии на дому
▪ Загадки, ребусы, вопросы с подвохом
▪ Инструменты и механизмы для сельского хозяйства
▪ Искусство аудио
▪ Искусство видео
▪ История техники, технологии, предметов вокруг нас
▪ И тут появился изобретатель (ТРИЗ)
▪ Конспекты лекций, шпаргалки
▪ Крылатые слова, фразеологизмы
▪ Личный транспорт: наземный, водный, воздушный
▪ Любителям путешествовать – советы туристу
▪ Моделирование
▪ Нормативная документация по охране труда
▪ Опыты по физике
▪ Опыты по химии
▪ Основы безопасной жизнедеятельности (ОБЖД)
▪ Основы первой медицинской помощи (ОПМП)
▪ Охрана труда
▪ Радиоэлектроника и электротехника
▪ Строителю, домашнему мастеру
▪ Типовые инструкции по охране труда (ТОИ)
▪ Чудеса природы
▪ Шпионские штучки
▪ Электрик в доме
▪ Эффектные фокусы и их разгадки

Техническая документация:
▪ Схемы и сервис-мануалы
▪ Книги, журналы, сборники
▪ Справочники
▪ Параметры радиодеталей
▪ Прошивки
▪ Инструкции по эксплуатации
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатный архив статей
(150000 статей в Архиве)

Алфавитный указатель статей в книгах и журналах

Бонусы:
▪ Ваши истории
▪ Загадки для взрослых и детей
▪ Знаете ли Вы, что.
▪ Зрительные иллюзии
▪ Веселые задачки
▪ Каталог Вивасан
▪ Палиндромы
▪ Сборка кубика Рубика
▪ Форумы
▪ Карта сайта

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на http://www.diagram.com.ua


сделано в Украине

Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения

Асинхронные электродвигатели (в том числе трехфазные) находят широкое применение в быту и на производстве для привода машин и механизмов, скорость работы которых постоянна или изменяется с помощью редукторов с переменным передаточным числом и других механических приспособлений. Там, где необходимо плавно регулировать частоту вращения вала, предпочтение отдают, как правило, более дорогим и менее надежным коллекторным электродвигателям, у которых эту операцию выполнить просто – достаточно изменять напряжение питания или ток в обмотке возбуждения. Чтобы управлять частотой вращения вала асинхронного двигателя, приходится изменять не только напряжение, но и частоту переменного тока в его обмотках. Автор предлагаемой статьи рассказывает о своем решении этой задачи. Разработанное им устройство позволяет питать от однофазной сети асинхронный трехфазный двигатель мощностью до 3,5 кВт и изменять частоту его вращения более чем в 10 раз.

Нередко возникает необходимость плавно изменять скорость работы машин и механизмов, снабженных электроприводом. Обычно применяемые в таких случаях коллекторные электродвигатели дороги, требуют периодического обслуживания и уступают асинхронным в надежности, сроке службы и массогабаритных показателях.

Промышленность выпускает устройства частотного регулирования скорости вращения асинхронных двигателей.

Эти приборы сложны и дороги, поэтому применяют их лишь в ответственных случаях, например, в приводах станков с ЧПУ. Схемы подобных регуляторов для самостоятельного изготовления были опубликованы и в журнале “Радио” [1, 2]. К сожалению, рассчитаны они на двигатели очень небольшой мощности

Основная проблема, возникающая при разработке частотного регулятора, состоит в необходимости изменять вместе с частотой и эффективное значение подаваемого на обмотки двигателя напряжения. Дело в том, что со снижением частоты переменного тока уменьшается индуктивное сопротивление обмотки, что приводит к недопустимому возрастанию протекающего по ней тока. Чтобы избежать перегрева обмотки и насыщения магнитопровода статора, необходимо снижать напряжение питания двигателя.

Один из способов сделать это, рекомендованный в [3], состоит в подключении двигателя через регулируемый автотрансформатор, подвижный контакт которого механически связан с регулятором частоты. Способ, нужно сказать, весьма неудобный, так как масса и размеры автотрансформатора сравнимы с аналогичными показателями самого двигателя, а надежность подвижного контакта при передаче большой мощности вызывает сомнения. Гораздо удобнее изменять эффективное значение напряжения с помощью широтноимпульсной модуляции (ШИМ) [4]. В основе предлагаемого регулируемого источника питания асинхронного трехфазного электродвигателя лежит именно такой метод.

Источник построен по схеме, изображенной на рис. 1.

Мощный выпрямитель, входящий в состав блока питания и защиты БПЗ, преобразует однофазное переменное напряжение 220 В 50 Гц в постоянное 300 В. С помощью трех сдвоенных силовых ключей СК1 – СКЗ коммутируют обмотки трехфазного электродвигателя М1, подключая их в нужных очередности и полярности к выходу выпрямителя. Цепи VD1L1 и VD2L2 защищают ключи от бросков тока нагрузки.

Импульсы, управляющие ключами, генерируют блок ФИУ – формирователь управляющих импульсов. В БПЗ имеются еще несколько маломощных выпрямителей для питания ФИУ и СК, а также узел токовой защиты, отключающий устройство от сети при превышении допустимого значения потребляемого тока.

Схема ФИУ показана на рис. 2.


(нажмите для увеличения)

На микросхеме DD1 выполнен генератор тактовых импульсов. Их частоту регулируют переменным резистором R4.1 от 30 до 400 Гц. Частота импульсов на выходах микросхем DD4 и DD5 в шесть раз ниже – от 5 до 66,7 Гц. Ток именно такой частоты потечет в обмотках двигателя М1 (см. рис. 1), задавая частоту вращения его вала. Уменьшать частоту ниже указанного предела не стоит, станет заметной неравномерность вращения вала. А при частоте выше номинальной (50 Гц) резко падает момент на валу двигателя.

Цепи R5VD3C3-R10VD8C8 задерживают фронты управляющих импульсов, оставляя их спады незадержанными. Это необходимо, чтобы выходные транзисторы ключей, составляющих пару (например, СК1.1 и СК1.2), даже на очень короткое время не оказались открытыми одновременно, что было бы равносильно короткому замыканию источника постоянного напряжения 300 В и привело бы в лучшем случае к перегреву, а в худшем – к выходу из строя этих транзисторов, а с ними и других элементов СК.

На входы логических элементов DD6.1-DD6.4, DD2.3, DD2.4, кроме импульсов частотой 5. 66,7 Гц, поступают более высокочастотные импульсы регулируемой скважности от генератора на элементах DD2.1, DD2.2. Переменные резисторы R4.1 и R4.2 спарены, поэтому на выходах перечисленных выше элементов одновременно с изменением частоты повторения пачек изменяется скважность заполняющих эти пачки импульсов.

Резисторы R2 и R3 подобраны таким образом, что при номинальных или повышенных оборотах на двигатель поступает практически полное напряжение, а с их уменьшением оно снижается приблизительно в два раза. В результате при пониженной в десять раз частоте ток, потребляемый электродвигателем, лишь незначительно превышает номинальный.

Инверторы DD7.1-DD7.6 с повышенной нагрузочной способностью служат буферными элементами. В их выходные цепи включены светодиоды оптронов, установленных в ключах СК1-СКЗ и обеспечивающих гальваническую развязку между цепями управления и силовыми узлами источника.

Схема СК представлена на рис. 3. Всего таких ключей шесть (по два на каждую фазу). В интервалы времени, когда через светодиод оптрона U1 ток не течет, вследствие чего его фотодиод имеет высокое сопротивление, транзисторы VT1 и VT2 открыты, VT3 и VT4 закрыты – ключ разомкнут. При протекании тока через светодиод ключ замкнут. Элементы VD3-VD6, R3 и С1 обеспечивают форсированное закрывание транзистора VT4, что снижает потери энергии и облегчает тепловой режим ключа.

Диод VD7 защищает транзистор VT4 от выбросов напряжения на индуктивной нагрузке. Подробнее узнать об устройстве силовых ключей и способах их защиты можно в книге [4]. До знакомства с ней автор сжег немало дорогих транзисторов большой мощности.

Схема БПЗ показана на рис. 4.

Ко вторичным обмоткам трансформатора Т1 подключены четыре выпрямителя. Первый из них, на диодном мосте VD1, служит для питания узлов управления ключей СК1.2-СКЗ.2. От него же через стабилизатор на транзисторе VT1 питают микросхемы ФИУ. Для питания узлов управления ключей СК1.1 – СК3.1, находящихся под высоким потенциалом, служат три изолированных выпрямителя на диодных мостах VD2- VD4.

Силовой выпрямитель собран на диодах VD7-VD10 и снабжен сглаживающим фильтром C7L1C8. Нажатием на кнопку SB2 замыкают цепь обмотки контактора КМ1. Сработавший контактор остается в таком состоянии благодаря замкнувшимся контактам КМ1.2. Напряжение 220 В, 50 Гц поступает на диодный мост VD7-VD10 через замкнувшиеся контакты КМ 1.1 и первичную обмотку трансформатора тока Т2 Вы ключают контактор и электродвигатель М1 (см. рис. 1) нажатием на кнопку SB1.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т2, выпрямленное диодным мостом VD6, пропорционально потребляемому от сети току. Как только часть этого напряжения, снимаемая с движка переменного резистора R2, превысит порог открывания тринистора VS1, реле К1 сработает и своими контактами К1.1 разомкнет цепь обмотки контактора КМ1, отключая силовой выпрямитель от сети.

Трансформатор Т1 габаритной мощностью не менее 60 Вт должен иметь четыре хорошо изолированных вторичных обмотки на напряжение 12 В Обмотка II – на ток 2 А. обмотки III-V – на 0,7 А. Вместо многообмоточного можно использовать несколько трансформаторов с меньшим числом обмоток.

Магнитопровод трансформатора Т2 – кольцо К28х6х9 из феррита 2000НМ. Его вторичная обмотка содержит 300 витков провода ПЭЛ 0,22, а роль первичной выполняет пропущенный в отверстие кольца провод, идущий к диодному мосту VD7-VD10.

Реле К1 – РЭС22 (РФ4.500.121) можно заменить любым с напряжением срабатывания 12 В и, по крайней мере, одной группой нормально замкнутых контактов. Контактор КМ1 с обмоткой на 220 В выбирают исходя из мощности электродвигателя. Катушки L1 и L2 (рис. 1) – бескаркасные, содержат по 25 витков провода ПЭЛ 1,5, намотанных внавал на оправке диаметром 30 мм.

К деталям и конструкции узлов СК (см. рис. 3) следует отнестись с особым вниманием. Именно эти узлы приносят больше всего неприятностей и материального ущерба в случае выхода из строя. Все детали перед монтажом обязательно должны быть тщательно проверены, а “подозрительные” беспощадно отбракованы. Транзистор VT4 устанавливают на теплоотвод достаточной площади (в авторском варианте – 400 см2). Рядом с ним на том же теплоотводе размещают транзистор VT3, а выводы диода VD7 припаивают непосредственно к выводам транзистора VT4.

Пару транзисторов КТ8110А, КТ8155А можно заменить одним составным МТКД-40-5-3. Он снабжен внутренним защитным диодом, поэтому диод VD7 в случае такой замены не нужен. Близкие по параметрам составные транзисторы МТКД-40-5-2 в данном случае не годятся, так как не имеют внешнего вывода базы второго (мощного) транзистора. Теплоотводящая поверхность транзисторов МТКД-40 5 3 электрически изолирована от полупроводниковой структуры, поэтому транзисторы всех ключей можно установить на общем теплоотводе.

Все силовые цепи должны быть выполнены жесткими, по возможности короткими и прямыми проводами и удалены от цепей ФИУ. Сечение каждого провода должно соответствовать протекающему току. Причем опасно не только занижать, но и завышать диаметр проводов. Цепи VD1L1 и VD2L2 (см. рис. 1) монтируют в непосредственной близости от ключей, припаивая их к выводам соответствующих транзисторов. Если блок силовых ключей не получился компактным, аналогичными защитными цепями желательно снабдить каждую пару СК.

При налаживании источника, прежде всего, с помощью осциллографа проверяют наличие и форму импульсов на выводах микросхем ФИУ Затем, не подавая напряжение на диодный мост VD7-VD10 (см. рис. 4) и не подключая двигатель М1, проверяют, поступают ли импульсы на базы транзисторов VT3 во всех СК.

После этого отключают ФИУ, а на диодный мост подают сетевое напряжение через регулируемый автотрансформатор, постепенно увеличивая его от 0 до 220 В. Двигатель остается не подключенным. Потребляемый С К ток не должен превышать нескольких десятков микроампер. Убедившись в этом, понижают напряжение на выходе автотрансформатора до нуля и, временно заблокировав ШИМ (для этого достаточно разорвать в ФИУ провод, соединяющий выход элемента DD2.2 со входами элементов DD2.3, DD2.4, DD5.1- DD5.4), включают ФИУ. Вновь постепенно увеличивая напряжение, подаваемое на СК, проверяют потребляемый ток. Он станет больше, но даже на максимальной частоте не должен превышать 100 мкА„ Операцию повторяют, разблокировав ШИМ и контролируя осциллографом форму напряжения в точках, предназначенных для подключения обмоток двигателя.

Если все проверки прошли успешно, можно подключить к источнику трехфазный электродвигатель сравнительно небольшой мощности (до 1 кВт) и проверить его работу при уменьшенном напряжении на холостом ходу, а затем – и при номинальных сетевом напряжении и механической нагрузке. Следует постоянно контролировать температуру силовых транзисторов и общий ток, потребляемый от сети. Убедившись в полной работоспособности источника, можно питать от него электродвигатели мощностью до 3,5 кВт.

  1. Дубровский А. Регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. – Радио, 2001, № 4, с. 42, 43.
  2. Пышкин В. Трехфазный инвертор. – Радио, 2000, № 2. с. 35.
  3. Калугин С. Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. – Радио, 2002, № 3, с. 31.
  4. Воронин П. Силовые полупроводниковые ключи. – М.: Додэка, 2001.

Смотрите другие статьи раздела Электродвигатели.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

Правда о пяти мифах частотно-регулируемого привода

Независимо от того, насколько давно и каким образом, уже обыденные частотные преобразователи пришли в Вашу жизнь, где-то есть тот, кто впервые стукнулся с ЧРП или только рассматривает возможность их применения. Вспомните, когда вы впервые задумались о применении одного из современных частотных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией для двигателя переменного тока. Скорее всего, у вас, на тот момент, было не совсем верное представление об их возможностях и назначении. В этой статье мы рассмотрим и постараемся развеять пять распространенных мифов о частотно регулируемом приводе.

Рис. 1. Частотный преобразователь

Миф № 1: Выходной сигнал частотного преобразователя является синусоидальным

Людям, так или иначе связанные с эксплуатацией электродвигателей в, как правило, знакома работа асинхронных двигателей переменного тока с использованием пускателей. При пуске электродвигателя, пускатель замыкает контакты обмоток электродвигателя с фазами 3-х фазной питающей сети. Напряжение каждой фаза представляет собой синусоидальную волну. Приложенное напряжение создает на клеммах электродвигателя тоже синусоидальной формы с той же частотой (можно убедится проверкой напряжения на клеммах электродвигателя). Пока вроде всё просто и понятно.

А вот что происходит на выходе преобразователя частоты, это совсем другая история. Частотный преобразователь обычно выпрямляет входное трехфазное переменное в постоянное напряжение, которое фильтруется и аккумулируется при помощи больших конденсаторов звена постоянного тока. Напряжение звена постоянного тока затем инвертируется, для получения переменного напряжения, переменной частоты на выходе. Процесс инверсии осуществляется посредством трех изолированных биполярных транзисторов (IGBT) с двумя изолированными затворами — по одной паре на выходную фазу (см. Рис 2). Поскольку выпрямленное напряжение инвертируется в переменное, выходное звено называют «инвертором». Включение, выключение, а также длительность нахождения IGBT-транзисторов в положении ВКЛ или ВЫКЛ может управляться, что и определяет значение частоты выходного напряжения. Отношение выходного среднеквадратического напряжения к выходной частоте определяет магнитный поток, развиваемый в электродвигателе переменного тока. Когда выходная частота увеличивается, выходное напряжение также должно увеличиваться с той же скоростью, чтобы поддерживать постоянство отношения и, следовательно, постоянную скорость вращения двигателя. Обычно соотношение между напряжением и частотой поддерживается по линейному закону, что обеспечивает возможность поддержания постоянного крутящего момента.

Читайте также:  Самодельный солнечный коллектор из старого холодильника

Рис. 2. Схема инвертора с IGBT транзисторами

Результирующий сигнал напряжения, прикладываемый к обмотке двигателя, не является синусоидальным (см. Рис. 3). Обратите внимание, что иногда отношение напряжения по частоте (V / f) может быть отличным от линейного, что характерно для вентиляторов, насосов или центробежных нагрузок, которые не требуют постоянного крутящего момента, но обеспечивают тем самым возможность экономии электроэнергии.

Рис. 3. Форма сигнала ШИМ напряжения на выходе частотного преобразователя

Как же отразится пилообразная форма питающего напряжения на работе электродвигателя. Асинхронный двигатель является по своей сути большой катушкой индуктивности. А характерной особенностью индукции является ее устойчивость к изменениям тока. Увеличивается или уменьшается сита ток, индукция будет выступать против этого изменения. Какое же это имеет отношение к форме сигнала напряжения ШИМ на рисунке 3? Вместо того, чтобы позволить импульсу тока увеличиваться в том же порядке, что и приложенный импульс напряжения, ток начнет медленно возрастать. Когда импульс напряжения закончился, ток плавно уменьшается, а не исчезает мгновенно. В общих чертах это происходит следующим образом: до момента, когда ток снизился до нуля, поступает следующий импульс напряжения, и ток начинает плавно увеличиваться. Если последующий импульс становятся шире, ток плавно достигает большего значения, чем раньше. В конце концов, текущий сигнал становится синусоидальным, хотя и с некоторыми зубчатыми переходами (см. Рис. 4).

Рис. 4. Форма сигнала тока на выходе частотного преобразователя

Однако не думайте, что вы можете подключить свой соленоид к фазам выходного напряжения ЧРП. Это всё же не совсем переменное напряжение.

Миф № 2: все частотные преобразователи одинаковы

В общем виде частотно-регулируемый привод сегодня является довольно зрелым продуктом. Большинство коммерчески доступных приводов содержат одни и те же базовые компоненты: мостовой выпрямитель, блок питания, конденсаторный блок постоянного тока и плата выходного инвертора. Разумеется, существуют различия в алгоритмах управления переключением транзисторов IGBT инвертора, надежности компонентов и эффективности схемы теплового рассеивания. Но основные компоненты остаются прежними.

Есть также исключения. Например, в некоторых ЧРП инвертер имеет три вывода. Такая схема позволяет выходным импульсам варьироваться от половинного до полного импульса сигнала напряжения (см. Рис. 5).

Рис. 5. Трехуровневый выходной сигнал напряжения

Для достижения трехуровневого выходного сигнала звено инвертора должно иметь в два раза больше выходных переключателей, а также запирающих диодов (см. Рис. 6). Преимущества трехуровневой схемы заключается в уменьшении перенапряжения на двигателе из-за гармонических волн, снижении синфазных помех, а также снижении паразитных токов на валах и подшипниках.

Рис. 6. Схема трехуровневого инвертора

Матричный инвертор является еще более нетипичным типом ЧРП. Частотные преобразователи с матричными инверторами не имеют шины постоянного тока или мостового выпрямителя. Вместо этого они используют двунаправленные переключатели, которые могут подключать любое из входящих фазных напряжений к любой из трех выходных фаз (см. Рис. 7). Преимущество этой схемы заключается в том, что мощность может свободно протекать от сети к двигателю или от двигателя к сети для рекуперативного привода постоянного тока. Недостатком является то, что на входе необходима установка фильтра, для обеспечения дополнительной индуктивности и фильтрации формы ШИМ, чтобы исключить негативное влияние на питающую сеть.

Рис. 7. Схема матричного ЧРП

Кроме частотных преобразователей с трехуровневыми выходами и инверторами матричного типа существуют также и другие типы частотно-регулируемых приводов. Таким образом миф о том, что все частотные преобразователи одинаковые развеян.

Миф № 3: Частотный преобразователь компенсирует коэффициентом мощности.

Нередко можно увидеть, что производители частотных преобразователей заявляют значение коэффициента мощности, например, равным 0,98 или почти 1. Действительно коэффициент мощности несколько улучшается после установки ЧРП перед асинхронным двигателем. ЧРП компенсирует реактивную мощность за счет конденсаторного звена. Однако полностью компенсировать фазовый сдвиг преобразователь частоты не может.

Полный коэффициент мощности должен включать реактивную мощность, вызываемую гармониками, создаваемыми в звене постоянного тока. Причиной является работа диодного моста. Важно помнить, что диод работает только тогда, когда напряжение на стороне анода выше, чем напряжение на стороне катода (прямое смещение). Это означает, что диоды открыты только на пике каждой временной фазы как положительной, так и отрицательной частей синусоидальной волны. Это приводит к волнообразной форме волны. Это также приводит к искажению входного тока и прерыванию (см. Рис. 8).

Рис. 8. Форма сигналов после выпрямителя

Чтобы вычислить истинный полный коэффициент мощности (PF), необходимо учесть эффекты гармоник. Следующее уравнение показывает, как гармоники влияют на полный коэффициент мощности:

где THD = суммарное гармоническое искажение

Для прерывистого сигнала входного тока в уравнении THD будет находиться в районе 100% или более. Подставляя это в уравнение, получаем истинный коэффициент мощности PF ближе к 0,71, по сравнению с заявленным 0,98, который не учитывает гармоники.

Но не всё так плохо. В настоящее время существует множество способов гармонические искажения, создаваемые в звене постоянного тока. Они используют как пассивные, так и активные методы подавления искажений входного сигнала. Так, например, вышеупомянутый матричный преобразователь частоты является примером активного метода подавления гармонических искажений.

Миф № 4: С частотным преобразователем Вы можете эксплуатировать двигатель на любой скорости.

Особенность применения частотных преобразователей заключается, что они могут изменять как напряжение, так и частоту выходного сигнала. Благодаря возможности обеспечения требуемой скорости вращения электродвигателя ЧРП нашли широкое применение во всех сферах экономики и всех отраслях промышленности ЧРП может легко выдавать сигнал любой частоту в пределах предусмотренного изготовителем диапазона регулирования. Однако необходимо учитывать, что частотный преобразователь работает в составе электродвигателя в реальных условиях. Технологические требования, такие как необходимый крутящий момент, охлаждение, требуемая мощность так или иначе ограничивают фактический диапазон регулирования преобразователя частоты.

Ограничение № 1. С точки зрения охлаждения электродвигателя, низкая скорость вращения — это не очень хорошая идея. В частности, полностью закрытые вентиляторные (TEFC) двигатели имеют охлаждаются только за счет внутреннего вентилятора, который вращается вместе с валом двигателя. Чем медленнее скорость вращения двигатель, тем меньше поток воздуха и тем хуже охлаждение. Закрытые двигатели обычно не рекомендуются эксплуатировать с частотой ниже 15 Гц (диапазон скоростей 4:1).

Ограничение № 2: Электродвигатели имеют определенные ограничения диапазона скоростей, связанные с механическими и динамическими ограничениями нагрузок вращающихся частей. Обычно эта скорость называется максимальной безопасной частотой вращения. Данная характеристика не всегда указывается на шильдике мотора.

Ограничение № 3: При достижении максимальной частоты вращения крутящий момент двигателя может снижаться. Это ограничение скорости связано с ограничением мощности, которое включает в себя скорость вращения и крутящий момент. Если быть еще точнее, что будет снижаться напряжения ЧРП. Обратите внимание, что вращение двигателя также генерирует собственное напряжение, называемое обратной электродвижущей силой (ЭДС), которое увеличивается со скоростью. Обратная ЭДС создается двигателем, чтобы противостоять приложенному напряжению от ПЧ. На более высоких скоростях ПЧ должен подавать еще большее напряжения, чтобы преодолеть обратную ЭДС, и ток мог протекать по обмоткам двигателя, создавая крутящий момент. После определенного максимального значения преобразователь частоты не может преодолеть обратную ЭДС электродвигателя, и, следовательно, крутящий момент двигателя уменьшается, что, в свою очередь, снижает скорость. Снижение скорости опять приводит к более низкой обратной ЭДС, которая, в свою очередь, позволяет протекать току в двигатель снова. Существует точка равновесия, в которой двигатель достигает максимальной скорости при максимальном крутящем моменте.

Как упоминалось выше ЧРП может создавать крутящий момент на двигателе, сохраняя постоянство отношения V/f (см. Рис. 9).

Рис. 9. График зависимости напряжения от частоты

Когда частота выходного сигнала увеличивается, напряжение увеличивается линейно. Проблема возникает, когда частота превышает номинальную частоту двигателя. Помимо номинальной частоты, не может увеличиваться выходное напряжение, что соответственно приводит к уменьшению отношения V / f. Отношение V / f является мерой напряженности магнитного поля в двигателе и влияет на его крутящий момент. Следовательно, способность мотора создавать номинальный крутящий момент при частоте выше номинальной должна уменьшаться со скоростью 1 / частота, при этом произведение крутящего момента и частоты, равное мощности, является постоянным. Область работы над номинальной частотой называется постоянным диапазоном мощности, а работа на скоростях ниже номинальной — диапазоном постоянного крутящего момента (см. Рис. 10).

Рис. 10. Графики зависимости мощности и крутящего момента электродвигателя от частоты

Миф № 5: Входной ток преобразователя частоты выше выходного тока

Возможно, это не миф, а недоразумение. Некоторые пользователи ПЧ измеряют значение выходного и входного тока с помощью измерительного инструмента или с помощью мониторов ПЧ и обнаруживают, что входной ток намного ниже выходного. Это похоже не согласуется с идеей о том, что частотный преобразователь должен иметь некоторые потери и поэтому вход всегда должен быть немного выше, чем выход. Концепция правильная, но она учитывает мощность, а не ток, который следует учитывать:

Входное напряжение всегда находится под напряжением переменного тока. Выходное напряжение изменяется со скоростью по образцу V / f. На самом деле компоненты уравнения немного сложнее. Но ключом к пониманию данного процесса является знание того, что асинхронный двигатель имеет два токовых компонента: один отвечает за создание магнитного поля в двигателе, которое необходимо для вращения двигателя; а второй — ток, создающий крутящий момент, который, как следует из названия, отвечает за создание крутящего момента.

Привод потребляет входной ток, пропорциональный активному крутящему моменту двигателя. Ток, необходимый для создания магнитного поля, обычно не изменяется со скоростью и обеспечивается основными конденсаторами звена постоянного тока, которые заряжаются при включении питания ПЧ. При малых значения крутящего момента выходной ток может быть намного выше, чем входной, поскольку входной ток отражает только составляющую, создающую крутящий момент плюс некоторые гармоники, но не включает ток намагничивания. Ток намагничивания циркулирует между конденсаторами шины постоянного тока и двигателем. Даже при полной нагрузке входной ток обычно будет ниже, чем ток двигателя, поскольку на входе по-прежнему нет составляющей тока намагничивания.

Помните, что в уравнении мы сравниваем входную и выходную мощности. Например, рассмотрим полностью нагруженный двигатель, вращающийся на низких оборотах. Входное напряжение номинальное, а выходное напряжение будет низким из-за низкой скорости вращения. Выходной ток в данном случае будет высокий из-за полной нагрузки на двигатель. А чтобы сбалансировать уравнение мощности, входной ток должен быть ниже выходного тока.

Узнать подробную информацию о частотных преобразователях, ознакомиться с производственной линейкой YASKAWA Вы можете у ООО «КоСПа».

Или в соответствующем разделе преобразователя YASKAWA.

Управление трехфазным электродвигателем с питанием от аккумуляторных батарей

Современный частотно-регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электродвигателя и частотного регулятора. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию и приводит в движение какой-либо механизм (транспортер, вентилятор, насос и т.п.).

Частотный регулятор управляет электродвигателем, и на его выходе формируется электрическое напряжение с пере­менными амплитудой и частотой.

Основная проблема, возникающая при разработке частот­ного регулятора, состоит в необходимости изменять вместе с частотой и эффективное значение подаваемого на обмот­ки двигателя напряжения. Дело в том, что со снижением ча­стоты переменного тока уменьшается индуктивное сопротив­ление обмотки, что приводит к недопустимому возрастанию протекающего по ней тока. Чтобы избежать перегрева об­мотки и насыщения магнитопровода статора, необходимо сни­жать напряжение питания двигателя при снижении частоты.

В классической схеме частотного регулятора изменение напряжения (в зависимости от частоты) производится с по­мощью широтно-импульсного способа (ШИМ). При этом на вход инвертора частотного регулятора подается полное на­пряжение аккумуляторной батареи. При малых значениях си­нусоиды генерируются узкие импульсы, содержащие неболь­шое количество энергии. Ближе к максимуму синусоиды ши­рина импульсов увеличивается. После прохождения макси­мума ширина импульсов снова уменьшается до нуля.

Аналогичный процесс наблюдается и при отрицательных значениях синусоиды, меняется только полярность напряже­ния. Весь этот процесс происходит при больших частотах, до­стигающих десятков килогерц, что, по мнению специалистов, приводит к преждевременному выходу из строя аккумулятор­ной батареи.

В предлагаемой схеме (рис.1) регулирование происхо­дит таким образом, что напряжение на входе инвертора ре­гулируется ступенчато, а частота задающего генератора бло­ка формирователя трехфазной последовательности и оборо­ты двигателя изменяются плавно. Схема устройства состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть устройст­ва выполнена на трех биполярных транзисторных полумостовых модулях Т1-Т2, ТЗ-Т4, Т5-Т6, соединенных в трехфаз­ный мост-инвертор. Вход инвертора через автоматический выключатель QF подключается к источнику постоянного на­пряжения, который состоит из 12-ти батарей Bat1-Bat12. Для получения необходимого напряжения батареи Bat1-Bat2, Bat3-Bat4, Bat5-Bat6, Bat7-Bat8, Bat9-bat10, Bat11-Bat12 соединены последовательно.

К каждой паре указанных батарей подключено устройст­во типа «КОЛДУН», которое выравнивает напряжение на каж­дой батарее во время зарядки аккумуляторов.

С помощью контакторов К1-К6 и командоаппарата КА про­изводится ступенчатое регулирование напряжения на входе ин­вертора. Потенциометр RP1, ось которого связана с осью КА, регулирует плавно частоту напряжения на выходе инвертора.

При замыкании контакта выключателя SA1 (если командоаппарат установлен в положении 0) включается реле КО1 и замыкает свои контакты в цепях управления. После замы­кания контакта 1 командоаппарата КА включаются контак­торы К1-К5 и замыкают свои контакты в цепях аккумулято­ров Bat1-Bat10. При этом 5 пар аккумуляторов Bat1-Bat2, Bat3-Bat4, Bat5-Bat6, Bat7-Bat8, Bat9-Bat10 подключаются параллельно на вход инвертора. Напряжение на входе ин­вертора равно 24 В. Трехфазное напряжение на выходе ин­вертора появляется с небольшой задержкой (0,5 с) благода­ря наличию контактов реле К02, КОЗ, которые включены в цепь управления силовыми транзисторами Т1-Т6 инверто­ра. Это необходимо для исключения коммутационных токов на контактах контакторов К1-К6. Двигатель М начинает вра­щаться с минимальными оборотами.

При переходе командоаппарата из положения 1 в поло­жение 2 вначале отключаются реле КОЗ и контакторы К1-К5, а затем включаются реле КО2 и контакторы К2, К4, К6. В этом случае образуется последовательно-параллельное со­единение аккумуляторов, и напряжение на входе инвертора возрастает до 48 В. Контакты реле КО2 с выдержкой вре­мени подают напряжение в цепь управления силовыми тран­зисторами Т1-Т6. Обороты двигателя М возрастут благода­ря изменению сопротивления регулятора RP1.

При переходе командоаппарата из положения 2 в поло­жение 3 вначале отключаются реле КО2 и контакторы К2, К4, К6, а затем включаются реле КО3 и контакторы К3, К6. В этом случае образуется последовательно-параллельное соединение аккумуляторов, и на­пряжение на входе инвертора возрастает до 72 В. Контакты ре­ле КО3 с выдержкой времени по­дают напряжение в цепь управ­ления силовыми транзисторами Т1-Т6. Обороты двигателя М воз­растут благодаря изменению со­противления регулятора RP1.

Читайте также:  Карманный трансформатор Тесла своими руками

При переходе командоаппа­рата КА из положения 3 в поло­жение 4 вначале отключаются реле КО3 и контакторы К3, К6, а затем включаются репе КО2 и контактор К4. В этом случае ак­кумуляторы Bat1-Bat8 включают­ся последовательно, и напряже­ние на входе инвертора возрас­тает до 96 В. Контакты реле КО2 с выдержкой времени подают на­пряжение в цепь управления си­ловыми транзисторами Т1-Т6 ин­вертора. Обороты двигателя М возрастут благодаря изменению сопротивления регулятора RP1.

При переходе командоаппа­рата КА из положения 4 в поло­жение 5 вначале отключаются реле КО2 и контактор К4, а за­тем включаются реле КО3 и кон­тактор К5. В этом случае акку­муляторы Bat1-Bat10 включают­ся последовательно, и напряже­ние на входе инвертора стано­вится равным 120 В. Контакты реле КО3 с выдержкой времени подают напряжение в цепь уп­равления силовыми транзистора­ми Т1-Т6 инвертора. Обороты двигателя М возрастут благода­ря изменению сопротивления ре­гулятора RP1.

При переходе командоаппа­рата КА из положения 5 в поло­жение 6 вначале отключаются реле КО3 и контактор К5, а за­тем включаются реле КО2 и кон­тактор К6. В этом случае акку­муляторы Bat1-Bat12 включают­ся последовательно, и напряже­ние на входе инвертора стано­вится равным 144 В. Контакты репе КО2 с выдержкой времени подают напряжение в цепь уп­равления силовыми транзистора­ми Т1-Т6 инвертора. Обороты двигателя М возрастут до макси­мальных.

Автор: Юрий Пети, г. Краматорск

Эффективный источник питания асинхронного двигателя

Простой преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя.

Автор: Сергей М.
Опубликовано 11.12.2012
Создано при помощи КотоРед.

Первым был ресторан – зимой холодный воздух должен строго дозировано дуть на разгорячённых посетителей, а летом наоборот –замерзших от холодного мороженого плавно согревать жарким воздухом с улицы. Без инвертора никак не обойтись.
Второй хочет стричь лохматых овец , но вот беда машинка трехфазная. А в поле только одна да и та не 220в. Опять нужен инвертор.
Третий вообще наждачный камень , сверлильный станок и намоточный –захотел прицепить к двигателю.
В конце концов оглядевшись по сторонам я увидел – все…все делают инверторы японцы, французы, немцы …. , только я ещё не имею своего точила для отверток. И мало того все приличные фирмы уже написали , как это делать.

Итак коль уж асинхронный двигатель так распространён и трехфазная система напряжения созданная М. О. Доливо-Добровольским так удобна. А современная элементная база так хороша. То сделать преобразователь частоты –это лишь вопрос личного желания и некоторых финансовых возможностей. Возможно кто то скажет « Ну, зачем мне инвертор , я поставлю фазосдвигающий конденсатор и все решено» . Но при этом обороты не покрутишь и в мощности потеряешь и потом это не интересно.

Возьмём за основу – в быту есть однофазная сеть 220в, народный размер двигателя до 1 кВт. Значить соединяем обмотки двигателя треугольником. Дальше –проще, понадобится драйвер трехфазного моста IR2135(IR2133) выбираем такой потому, что он применяется в промышленной технике имеет вывод SD и удобное расположение выводов. Подойдёт и IR2132 , но у неё dead time больше и выхода SD нет. В качестве генератора PWM выберем микроконтроллер AT90SPWM3B – доступен, всем понятен, имеет массу возможностей и недорого стоит, есть простой программатор -https://real.kiev.ua/avreal/. Силовые транзисторы 6 штук IRG4BC30W выберем с некоторым запасом по току – пусковые токи АД могут превышать номинальные в 5-6 раз. И пока не ставим “тормозной” ключ и резистор, будем тормозить и намагничивать перед пуском ротор постоянным током, но об этом позже . Весь процесс работы отображается на 2-х строчном ЖКИ индикаторе. Для управления достаточно 6 кнопок (частота +, частота -, пуск, стоп, реверс, меню).
Получилась вот такая схема.

Я вовсе не претендую на законченность конструкции и предлагаю брать данную конструкцию за некую основу для энтузиастов домашнего электропривода. Приведённые здесь платы были сделаны под имеющиеся в моём распоряжении детали.

Конструктивно инвертор выполнен на двух платах – силовая часть ( блок питания , драйвер и транзисторы моста , силовые клеммы) и цифровая часть (микроконтроллер + индикатор ). Электрически платы соединены гибким шлейфом. Такая конструкция выбрана для перехода в будущем на контроллер TMS320 или STM32 или STM8.
Блок питания собран по классической схеме и в комментариях не нуждается. Микросхема IL300 линейная опто развязка для управления током 4-20Ма. Оптроны ОС2-4 просто дублируют кнопки «старт, стоп, реверс» для гальванически развязанного управления. Выход оптрона ОС-1 «функция пользователя» (сигнализация и пр.)
Силовые транзисторы и диодный мост закреплены на общий радиатор. Шунт 4 витка манганинового провода диаметром 0.5мм на оправке 3 мм.
Сразу замечу некоторые узлы и элементы вовсе не обязательны. Для того что бы просто крутить двигатель , не нужно внешнее управление током 4-20 Ма. Нет необходимости в трансформаторе тока, для оценочного измерения подойдёт и токовый шунт. Не нужна внешняя сигнализация. При мощности двигателя 400 Вт и площади радиатора 100см 2 нет нужды в термодатчике.

ВАЖНО! – имеющиеся на плате кнопки управления изолированы от сети питания только пластмассовыми толкателями. Для безопасного управления необходимо использовать опторазвязку.

Возможные изменения в схеме в зависимости от микропрограммы.
Усилитель DA-1 можно подключать к трансформатору тока или к шунту. Усилитель DA-1-2 может быть использован для измерения напряжения сети или для измерения сопротивления терморезистора если не используется термодатчик PD-1.
В случае длинных соединительных проводов необходимо на каждый провод хотя бы надеть помехоподавляющие кольцо. Имеют место помехи. Так например –пока я этого не сделал у меня «мышь» зависала.
Так же считаю важным отметить проверку надёжности изоляции АД –т.к. при коммутации силовых транзисторов выбросы напряжение на обмотках могут достигать значений 1,3 Uпит.

Общий вид.

Немного про управление.

Начитавшись книжек с длинными формулами в основном описывающих как делать синусоиду при помощи PWM. И как стабилизировать скорость вращения вала двигателя посредством таходатчика и ПИД регулятора. Я пришёл к выводу –АД имеет достаточно жёсткую характеристику во всём диапазоне допустимых нагрузок на валу.
Поэтому для личных нужд вполне подойдет управление описанное законом Костенко М.П. или как его ещё называют скаляроное. Достаточное для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40. Т.е. грубо говоря мы в самом простом случае делаем обычную 3-х фазную розетку с переменной частотой и напряжением меняющимися в прямой зависимости. С небольшими «но» на начальных участках характеристики необходимо выполнять IR компенсацию т.е. на малых частотах нужно фиксированное напряжение . Втрое «но» в питающие двигатель напряжение замешать 3 гармонику. Всё остальное сделают за нас физические принципы АД. Более подробно про это можно прочесть в документе AVR494.PDF
Основываясь на моих личных наблюдениях и скромном опыте именно эти методы без особых изысков чаще всего применяются в приводах мощностью до 15 кВт.
Далее не буду углубляться в теорию и описание мат моделей АД. Это и без меня достаточно хорошо изложили профессора ещё в 60-х.

Но ни в коем случае не стоит недооценивать сложности управления АД. Все мои упрощения оправданны только некоммерческим применением инвертора.

Плата силовых элементов.

В программе V-1.0 для AT90SPWM3B реализовано
1- Частотное управление АД .Форма напряжения синусоида с 3 гармоникой.
2- Частота задания 5 Гц -50 Гц с шагом 1 Гц. Частота ШИМ 4 кГц.
3- Фиксированное время разгона –торможения
4- Реверс (только через кнопку СТОП)
5- Разгон до заданной частоты с шагом 1 Гц
6 – Индикация показаний канала АЦП 6 (разрядность 8 бит., оконный фильтр апертура 4 бита)
я использую этот канал для замера тока шунта.
7 – Индикация режима работы START,STOP,RUN,RAMP, и Частота в Гц.
8- Обработка сигнала авария от мс IR2135

Торможение двигателя принудительное – без выбега. При этом нужно помнить – если на валу будет висеть огромный вентилятор или маховик то напряжение на звене постоянного тока может достичь опасных значений. Но я думаю вертолёты с приводом от АД строить никто не будет

Функции микропрограммы в будущих версиях

1 -намагничивание ротора перед пуском
2- торможение постоянным током
3 –прямой реверс
4 – частота задания 1 -400 Гц.
5 – ограничение, контроль тока двигателя.
6 – переключаемые зависимости U/F
7 – контроль звена постоянного тока.
8 – некоторые макросы управления –это вообще в далёких планах.

Испытания.
Данная конструкции была проверена с двигателем 0.18кВт и 0.4 кВт и 0.8 кВт. Все двигатели остались довольны.
Только при малых оборотах и долговременной работе необходимо принудительное охлаждение АД.

Строка для программатора
av_28r4.exe -aft2232 -az +90pwm3b -e -w -v -fckdiv=1,psc2rb=0,psc1rb=0,psc0rb=0,pscrv=0,bodlevel=5 -c01.hex

Асинхронный электродвигатель в качестве генератора

В статье рассказано о том, как построить трёхфазный (однофазный) генератор 220/380 В на базе асинхронного электродвигателя переменного тока. Трехфазный асинхронный электродвигатель, изобретённый в конце 19-го века русским учёным-электротехником М.О. Доливо-Добровольским, получил в настоящее время преимущественное распространение и в промышленности, и в сельском хозяйстве, а также в быту.

Асинхронные электродвигатели – самые простые и надёжные в эксплуатации. Поэтому во всех случаях, когда это допустимо по условиям электропривода и нет необходимости в компенсации реактивной мощности, следует применять асинхронные электродвигатели переменного тока.

Различают два основных вида асинхронных двигателей: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель состоит из неподвижной части – статора и подвижной части – ротора, вращающегося в подшипниках, укреплённых в двух щитах двигателя. Сердечники статора и ротора набраны из отдельных изолированных один от другого листов электротехнической стали. В пазы сердечника статора уложена обмотка, выполненная из изолированного провода. В пазы сердечника ротора укладывают стержневую обмотку или заливают расплавленный алюминий. Кольца-перемычки накоротко замыкают обмотку ротора по концам (отсюда и название – короткозамкнутый). В отличие от короткозамкнутого ротора, в пазах фазного ротора размещают обмотку, выполненную по типу обмотки статора. Концы обмотки подводят к контактным кольцам, укреплённым на валу. По кольцам скользят щетки, соединяя обмотку с пусковым или регулировочным реостатом.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором являются более дорогостоящими устройствами, требуют квалифицированного обслуживания, менее надёжны, а потому применяются только в тех отраслях производства, в которых без них обойтись нельзя. По этой причине они мало распространены, и мы их в дальнейшем рассматривать не будем.

По обмотке статора, включенной в трехфазную цепь, протекает ток, создающий вращающее магнитное поле. Магнитные силовые линии вращающегося поля статора пересекают стержни обмотки ротора и индуктируют в них электродвижущую силу (ЭДС). Под действием этой ЭДС в замкнутых накоротко стержнях ротора протекает ток. Вокруг стержней возникают магнитные потоки, создающие общее магнитное поле ротора, которое, взаимодействуя с вращающим магнитным полем статора, создает усилие, заставляющее ротор вращаться в направлении вращения магнитного поля статора.

Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Этот показатель характеризуется скольжением S и находиться для большинства двигателей в пределах от 2 до 10%.

В промышленных установках наиболее часто используются трёхфазные асинхронные электродвигатели, которые выпускают в виде унифицированных серий. К ним относится единая серия 4А с диапазоном номинальной мощности от 0,06 до 400 кВт, машины которой отличаются большой надёжностью, хорошими эксплуатационными качествами и соответствуют уровню мировых стандартов.

Автономные асинхронные генераторы – трёхфазные машины, преобразующие механическую энергию первичного двигателя в электрическую энергию переменного тока. Их несомненным достоинством перед другими видами генераторов являются отсутствие коллекторно-щеточного механизма и, как следствие этого, большая долговечность и надежность.

Работа асинхронного электродвигателя в генераторном режиме

Если отключенный от сети асинхронный двигатель привести во вращение от какого-либо первичного двигателя, то в соответствии с принципом обратимости электрических машин при достижении синхронной частоты вращения, на зажимах статорной обмотки под действием остаточного магнитного поля образуется некоторая ЭДС. Если теперь к зажимам статорной обмотки подключить батарею конденсаторов С, то в обмотках статора потечёт опережающий ёмкостный ток, являющийся в данном случае намагничивающим.

Ёмкость батареи С должна превышать некоторое критическое значение С0, зависящее от параметров автономного асинхронного генератора: только в этом случае происходит самовозбуждение генератора и на обмотках статора устанавливается трёхфазная симметричная система напряжений. Значение напряжения зависит, в конечном счёте, от характеристики машины и ёмкости конденсаторов. Таким образом, асинхронный короткозамкнутый электродвигатель может быть превращен в асинхронный генератор.

Стандартная схема включения асинхронного электродвигателя в качестве генератора.

Можно подобрать емкость так, чтобы номинальное напряжение и мощность асинхронного генератора равнялись соответственно напряжению и мощности при работе его в качестве электродвигателя.

В таблице 1 приведены емкости конденсаторов для возбуждения асинхронных генераторов (U=380 В, 750….1500 об/мин). Здесь реактивная мощность Q определена по формуле:

Q = 0,314·U 2 ·C·10 -6 ,

где С – ёмкость конденсаторов, мкФ.

Мощность генератора,кВ·АХолостой ходПолная нагрузка
ёмкость, мкФреактивная мощность, кварcos = 1cos = 0,8
ёмкость, мкФреактивная мощность, кварёмкость, мкФреактивная мощность, квар
2,0
3,5
5,0
7,0
10,0
15,0
28
45
60
74
92
120
1,27
2,04
2,72
3,36
4,18
5,44
36
56
75
98
130
172
1,63
2,54
3,40
4,44
5,90
7,80
60
100
138
182
245
342
2,72
4,53
6,25
8,25
11,1
15,5

Как видно из приведённых данных, индуктивная нагрузка на асинхронный генератор, понижающая коэффициент мощности, вызывает резкое увеличение потребной ёмкости. Для поддержания напряжения постоянным с увеличением нагрузки необходимо увеличивать и ёмкость конденсаторов, то есть подключать дополнительные конденсаторы. Это обстоятельство необходимо рассматривать как недостаток асинхронного генератора.

Частота вращения асинхронного генератора в нормальном режиме должна превышать асинхронную на величину скольжения S = 2…10%, и соответствовать синхронной частоте. Не выполнение данного условия приведёт к тому, что частота генерируемого напряжения может отличаться от промышленной частоты 50 Гц, что приведёт к неустойчивой работе частото-зависимых потребителей электроэнергии: электронасосов, стиральных машин, устройств с трансформаторным входом.

Особенно опасно снижение генерируемой частоты, так как в этом случае понижается индуктивное сопротивление обмоток электродвигателей, трансформаторов, что может стать причиной их повышенного нагрева и преждевременного выхода из строя.

В качестве асинхронного генератора может быть использован обычный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель соответствующей мощности без каких-либо переделок. Мощность электродвигателя-генератора определяется мощностью подключаемых устройств. Наиболее энергоёмкими из них являются:

  • бытовые сварочные трансформаторы;
  • электропилы, электрофуганки, зернодробилки (мощность 0,3…3 кВт);
  • электропечи типа “Россиянка”, “Мечта” мощностью до 2 кВт;
  • электроутюги (мощность 850…1000 Вт).

Особо хочу остановиться на эксплуатации бытовых сварочных трансформаторов. Их подключение к автономному источнику электроэнергии наиболее желательно, т.к. при работе от промышленной сети они создают целый ряд неудобств для других потребителей электроэнергии.

Читайте также:  Ремонт энергосберегающих ламп своими руками

Если бытовой сварочный трансформатор рассчитан на работу с электродами диаметром 2…3 мм, то его полная мощность составляет примерно 4…6 кВт, мощность асинхронного генератора для его питания должна быть в пределах 5…7 кВт. Если бытовой сварочный трансформатор допускает работу с электродами диаметром 4 мм, то в самом тяжелом режиме – “резки” металла, потребляемая им полная мощность может достигать 10…12 кВт, соответственно мощность асинхронного генератора должна находиться в пределах 11…13 кВт.

В качестве трёхфазной батареи конденсаторов хорошо использовать так называемые ком-пенсаторы реактивной мощности, предназначенные для улучшения соsφ в промышленных осветительных сетях. Их типовое обозначение: КМ1-0,22-4,5-3У3 или КМ2-0,22-9-3У3, которое расшифровывается следующим образом. КМ – косинусные конденсаторы с пропиткой минеральным маслом, первая цифра-габарит (1 или 2), затем напряжение (0,22 кВ), мощность (4,5 или 9 квар), затем цифра 3 или 2 означает трёхфазное или однофазное исполнение, У3 (умеренный климат третьей категории).

В случае самостоятельного изготовления батареи, следует использовать конденсаторы типа МБГО, МБГП, МБГТ, К-42-4 и др. на рабочее напряжение не менее 600 В. Электролитические конденсаторы применять нельзя.

Рассмотренный выше вариант подключения трёхфазного электродвигателя в качестве генератора можно считать классическим, но не единственным. Существуют и другие способы, которые так же хорошо зарекомендовали себя на практике. Например, когда батарея конденсаторов подключается к одной или двум обмоткам электродвигателя-генератора.

Двухфазный режим асинхронного генератора.

Рис.2 Двухфазный режим асинхронного генератора.

Такую схему следует использовать тогда, когда нет необходимости в получении трёхфазного напряжения. Этот вариант включения уменьшает рабочую ёмкость конденсаторов, снижает нагрузку на первичный механический двигатель в режиме холостого хода и т.о. экономит “драгоценное” топливо.

В качестве маломощных генераторов, вырабатывающих переменное однофазное напряжение 220 В, можно использовать однофазные асинхронные короткозамкнутые электродвигатели бытового назначения: от стиральных машин типа “Ока”, “Волга”, поливальных насосов “Агидель”, “БЦН” и пр. У них конденсаторная батарея может подключаться параллельно рабочей обмотке, либо использовать уже имеющийся фазосдвигающий конденсатор, подключенный к пусковой обмотке. Емкость этого конденсатора, возможно, следует несколько увеличить. Его величина будет определяться характером нагрузки, подключаемой к генератору: для активной нагрузки (электропечи, лампочки освещения, электропаяльники) требуется небольшая емкость, индуктивной (электродвигатели, телевизоры, холодильники) – больше.

Рис.3 Маломощный генератор из однофазного асинхронного двигателя.

Теперь несколько слов о первичном механическом двигателе, который будет приводить во вращение генератор. Как известно, любое преобразование энергии связано с её неизбежными потерями. Их величина определяется КПД устройства. Поэтому мощность механического двигателя должна превышать мощность асинхронного генератора на 50…100%. Например, при мощности асинхронного генератора 5 кВт, мощность механического двигателя должна быть 7,5…10 кВт. С помощью передаточного механизма добиваются согласования оборотов механического двигателя и генератора так, чтобы рабочий режим генератора устанавливался на средних оборотах механического двигателя. При необходимости, можно кратковременно увеличить мощность генератора, повышая обороты механического двигателя.

Каждая автономная электростанция должна содержать необходимый минимум навесного оборудования: вольтметр переменного тока (со шкалой до 500 В), частотомер (желательно) и три выключателя. Один выключатель подключает нагрузку к генератору, два других – коммутируют цепь возбуждения. Наличие выключателей в цепи возбуждения облегчает запуск механического двигателя, а также позволяет быстро снизить температуру обмоток генератора, после окончания работы – ротор невозбужденного генератора еще некоторое время вращают от механического двигателя. Эта процедура продлевает активный срок службы обмоток генератора.

Если с помощью генератора предполагается запитывать оборудование, которое в обычном режиме подключается к сети переменного тока (например, освещение жилого дома, бытовые электроприборы), то необходимо предусмотреть двухфазный рубильник, который в период работы генератора будет отключать данное оборудование от промышленной сети. Отключать надо оба провода: “фазу” и “ноль”.

В заключение несколько общих советов.

1. Генератор переменного тока является устройством повышенной опасности. Применяйте напряжение 380 В только в случае крайней необходимости, во всех остальных случаях пользуйтесь напряжением 220 В.

2. По требованиям техники безопасности электрогенератор необходимо оборудовать заземлением.

3. Обратите внимание на тепловой режим генератора. Он “не любит” холостого хода. Снизить тепловую нагрузку можно более тщательным подбором емкости возбуждающих конденсаторов.

4. Не ошибитесь с мощностью электрического тока, вырабатываемого генератором. Если при работе трёхфазного генератора используется одна фаза, то её мощность будет составлять 1/3 общей мощности генератора, если две фазы – 2/3 общей мощности генератора.

5. Частоту переменного тока, вырабатываемого генератором, можно косвенно контролировать по выходному напряжению, которое в режиме “холостого хода” должно на 4…6 % превышать промышленное значение 220/380 В.

Упрощение схемы подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику питания с батарейным питанием или от сети постоянного тока.

Схема подключения многофазного аcинхронного двигателя к иcточнику поcтоянного тока

Автор: Попов Андрей Викторович

Изобретение отноcитcя к облаcти электротехники и может быть иcпользовано в уcтройcтвах c батарейным питанием или питанием от cети поcтоянного тока. Техничеcким результатом являетcя упрощение схемы подключения асинхронного двигателя к источнику питания. Указанный технический результат достигают тем, что схема подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока содержит параллельные резонансные LC-контуры по числу обмоток двигателя. Каждый контур образован конденсатором и первичной обмоткой двухобмоточного дросселя, ко вторичной обмотке которого, индуктивно связанной с первой, подключена соответствующая обмотка, двигателя. Первичные обмотки дросселей контуров последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ, размыкающий цепь с заданной периодичностью. Каждый резонансный контур с включенной в него обмоткой двигателя настроен на собственную резонансную частоту. Значение резонансной частоты от контура к контуру вдоль цепи изменяется последовательно. 2 ил.

Асинхронный двигатель (АД) относится к электрическим машинам переменного тока. Принцип работы такого двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре после подключения его обмоток к трехфазной сети переменного тока (основная схема включения АД). Вращающееся магнитное поле статора, пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в них электродвижущую силу (ЭДС), создающую в обмотке ротора ток. Взаимодействие этого тока с вращающимся магнитным полем статора вызывает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Для создания вращающегося магнитного поля статора необходимо выполнение двух условий, а именно: статорные обмотки должны быть смещены в пространстве друг относительно друга, что обычно обеспечивается конструкцией двигателя, и второе – токи в обмотках должны быть сдвинуты по фазе.

Известны решения, когда двух- или трехфазную обмотку статора включают в однофазную сеть переменного тока. В этом случае для создания начального (пускового) момента и приведения ротора во вращение используют фазосдвигающий элемент, преимущественно конденсатор, подключаемый к одной из обмоток статора, т.н. пусковой обмотке (например, см. кн. И.И.Алиев. Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах. Изд-во: РадиоСофт, Москва, 2004 г., стр.83-87).

Для работы от сетей и источников постоянного тока обычно используют электродвигатели постоянного тока. Однако асинхронные двигатели более просты в обслуживании и надежны в эксплуатации, что объясняется отсутствием коллекторно-щеточного механизма, имеющего место в электродвигателях постоянного тока. Упомянутые качества делают привлекательным использование асинхронных двигателей в электроприводах с питанием от сетей постоянного тока.

Известен электропривод транспортного средства, содержащий асинхронный двигатель, подключенный к источнику постоянного напряжения через преобразователь постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой, частотой и изменяемым порядком чередования фаз (см. патент на полезную модель 57990, МПК Н02К 17/34, опубл. 2006.10.27).

Известна схема подключения трехфазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока через трехфазный мостовой инвертор (см. патент SU 1830178, МПК Н02Р 7/42, опубл. 23.07.93 г.).

Во всех известных заявителю решениях, в том числе вышеупомянутых, между асинхронным двигателем и источником постоянного тока непременно включается инвертор – преобразователь постоянного тока в m-фазный переменный либо коммутирующее вентильное устройство, поочередно подключающее фазы двигателя к источнику постоянной ЭДС. Однако все упомянутые схемы отличаются сложностью, наличием большого количества коммутирующих элементов, что отрицательно сказывается на надежности его работы.

В качестве ближайшего аналога для заявляемого решения принята схема включения асинхронного двигателя, примененная в приводе электроподвижного состава с питанием от тяговой сети (см. патент на полезную модель 39763, МПК Н02Р 1/26, опубл. 2004.08.10). Схема содержит источник постоянного тока и соединенный с ним асинхронный двигатель с трехфазной обмоткой статора. Соединение АД с источником питания в упомянутом решении осуществлено через входные фильтры, однофазные инверторы, понижающие трансформаторы, мостовой выпрямитель с LC-фильтром и трехфазный коммутатор напряжения, к которому подключены статорные обмотки асинхронного двигателя. Трехфазный коммутатор напряжения выполнен на базе 6-ти электронных ключей. Недостатком известного решения является сложность схемы подключения, наличие большого числа коммутирующих элементов.

Задачей заявляемого изобретения является разработка более простой схемы подключения асинхронного двигателя к источнику постоянного тока, использующей минимальное количество коммутирующих элементов.

Поставленная задача решена тем, что в схеме подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока согласно заявляемому изобретению для каждой обмотки статора асинхронного двигателя сформирован параллельный резонансный LC-контур, образованный конденсатором и первичной обмоткой двухобмоточного дросселя, ко вторичной обмотке которого, индуктивно связанной с первой, подключена соответствующая обмотка двигателя, первичные обмотки дросселей контуров последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ, размыкающий цепь с заданной периодичностью, при этом каждый резонансный контур с включенной в него обмоткой двигателя настроен на собственную резонансную частоту с соблюдением условия последовательного изменения (возрастания или убывания) значения резонансной частоты от контура к контуру.

В отличие от прототипа и других известных решений, в заявляемом решении предложена принципиально новая схема питания асинхронного двигателя от источника постоянного тока, предполагающая последовательное подключение статорных обмоток двигателя к источнику постоянного тока с использованием одного ключа, размыкающего и замыкающего цепь с заданной периодичностью.

Для включения каждой обмотки двигателя использован обычный параллельный LC-контур, настроенный на собственную резонансную частоту. Собственная резонансная частота контуров и «разбег частот» между контурами во многом определяются конструктивным исполнением двигателя. Настройка контура на заданную частоту обеспечивается подбором номиналов индуктивности и емкости контура.

В качестве резонансных индуктивностей в заявляемой схеме использованы первичные обмотки двухобмоточных дросселей, которые обеспечивают накопление энергии с последующей отдачей ее в цепь без каких-либо преобразований. Ко вторичным обмоткам упомянутых дросселей в качестве нагрузки подключены соответствующие обмотки двигателя.

В замкнутом положении ключа в последовательной цепи через первичные обмотки дросселей протекает постоянный ток, происходит процесс насыщения резонансных индуктивностей и накопление энергии в магнитопроводах дросселей. В момент размыкания цепи на каждой резонансной индуктивности возникает импульс самоиндукции, и они начинают отдавать накопленную энергию через конденсатор. В каждом резонансном контуре возникает колебательный процесс, и в цепи контура начинает протекать переменный ток. Благодаря тому, что каждый контур настроен на индивидуальную резонансную частоту, возникшие в контурах токи изменяются с разной частотой, в результате чего между контурами образуется сдвиг фаз.

Переменный ток в первичных обмотках дросселей наводит переменный магнитный поток и переменную ЭДС во вторичных обмотках, в результате чего во вторичной цепи каждого контура возникает переменный ток, аналогичный протекающему в первичной обмотке. Через статорные обмотки, подключенные ко вторичным обмоткам дросселей в качестве нагрузки, также начинает протекать сдвинутый по фазе переменный ток. Таким образом, обеспечивается выполнение 2-го условия возникновения вращающегося магнитного поля: пропускание через обмотки асинхронного двигателя переменного тока, сдвинутого по фазе. Первое условие, как упоминалось выше, обеспечивается конструкцией двигателя, т.е. расположением статорных обмоток со смещением в пространстве. Выполнение обоих условий приводит к созданию в статоре асинхронного двигателя вращающегося магнитного поля, возникает вращающий момент, приводящий ротор двигателя во вращение.

Сдвиг фаз между контурами определяется значениями резонансных частот контуров и разбегом частот между ними. Следует отметить, что сдвиг фаз между токами контуров не имеет постоянной величины и увеличивается с течением времени, что объясняется затухающим характером колебательного процесса в контуре.

После затухания колебаний ключ замыкает цепь, и в контурах снова происходит накопление энергии. Процесс размыкания цепи и возникновение колебательных процессов повторяется периодически. По сути, в обмотках двигателя создается пульсирующее вращающееся магнитное поле, обеспечивающее раскрутку и вращение ротора.

Изменением периода времени, когда цепь разомкнута, можно влиять на скорость вращения двигателя.

Благодаря подключению статорных обмоток ко вторичным обмоткам дросселей практически полностью исключается прохождение через обмотки двигателя постоянной составляющей тока, вызывающей торможение ротора.

Таким образом, упомянутая выше совокупность существенных признаков заявляемого решения позволяет получить новый положительный технический результат, заключающийся в создании в обмотках асинхронного двигателя пульсирующих, т.е. периодически возникающих после размыкания цепи, переменных токов, сдвинутых по фазе друг относительно друга. Пока цепь замкнута, в последовательной цепи контуров течет постоянный ток, после размыкания цепи накопленная в контурах энергия преобразуется в переменный m-фазный (по числу фаз двигателя) ток.

Такое решение позволило исключить из схемы питания двигателя инвертор как самостоятельное устройство. В схеме использован всего один ключ на все фазы двигателя, что значительно упрощает схему питания, повышает надежность ее работы.

В известных решениях с автономными инверторами преобразованный из постоянного переменный m-фазный ток, имеющий фиксированный (неизменный) сдвиг между фазами, постоянно подается на обмотки двигателя. В заявляемом решении переменный ток проходит через обмотки двигателя периодически (импульсами) в период времени, когда цепь разомкнута, причем сдвиг между фазами – величина непостоянная.

В отличие от вентильного подключения, основанного на поочередном подключении обмоток асинхронного двигателя к питающей сети, в заявляемом решении подключение и отключение всех обмоток двигателя от сети питания осуществляется одновременно.

Предлагаемая схема подключения асинхронного двигателя к источнику постоянного тока может быть применена к любому многофазному двигателю: двух-, трех-, четырехфазному и т.д. Причем схема обеспечивает преобразование постоянного тока в переменный m-фазный, т.е. разделение тока происходит на столько фаз, сколько фаз имеет конкретный двигатель.

Краткое описание чертежей

Заявляемое решение поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображена схема устройства, общий вид;

на фиг.2 показаны временные графические зависимости тока на фазах двигателя.

Схема была реализована для подключения стандартного асинхронного двигателя, заводского изготовления, с 3-фазной статорной обмоткой LA LB LC.

Схема подключения АД, представленная на фиг.1, содержит последовательную цепь из m (по числу обмоток двигателя, в конкретном примере – трех) резонансных параллельных контуров, каждый из которых образован конденсатором С и первичной обмоткой дросселя D, ко вторичной обмотке которого подключена соответствующая обмотка двигателя. Первичные обмотки (L1, L2, L3) дросселей последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ К. Ключ может быть реализован на базе транзистора, коммутируемого блоком управления. В простейшем случае в качестве такого блока можно использовать независимый генератор частоты.

Каждый резонансный LC-контур настроен на свою частоту, определяемую параметрами емкости и индуктивности контура по формуле: =1/ LC.

Значения резонансных частот последовательно изменяются от контура к контуру вдоль цепи: A> B> C либо в обратном порядке: A

Ссылка на основную публикацию