Регулятор частоти обертання трифазних асинхронних двигунів.

Пропоную увазі читачів схему і конструкцію пристрою (надалі – РЧВ), що дозволяє регулювати частоту обертання трифазного асинхронного двигуна у діапазоні 300 … 8000 об / хв. Упевнений, що воно буде корисно багатьом радіоаматорам, тому що надає трифазним асинхронним двигунам (надалі – АТ) нові якісні показники – живлення від однофазної мережі практично без втрати потужності, можливість регулювання пускового моменту, підвищення значення ККД, незалежність напрямку обертання від фази поданого напруги, регулювання у широких діапазонах частоти обертання як на холостому ходу, так і при навантаженні, і головне – можливість підвищувати максимальну частоту обертання з 3000 до 6000 … 10000 об / хв.

Основні характеристики РЧВ:

напруга живлення: 220 В;

споживана потужність: не більше 15 Вт (без обліку потужності двигуна);

тип двигуна: трифазний асинхронний Fн = 3000 об / хв, Рн = 120 Вт.

Як відомо, існує кілька способів регулювання частоти обертання АД – зміною напруги живлення, навантаження на валу, застосуванням спеціальної обмотки ротора з регульованим опором, а так само частотне регулювання – є найбільш ефективним методом, так як дозволяє зберегти енергетичні характеристики АД і застосувати найбільш дешеві та надійні АД з короткозамкненим ротором.

Перш, ніж розглянути роботу РЧВ, необхідно нагадати читачеві основні характеристики АД.

1. Коефіцієнт корисної дії: ККД = (Рв / Рп),

де Рв – механічна потужність на валу двигуна, Рп – електрична потужність, споживана з мережі. На холостому ходу ККД = 0, так як Рв = 0. При номінальній потужності на валу Рн ККД має максимальне значення (0,75 … 0,95) для різних двигунів.

2. Струми фаз АТ показані на рис.2.

3. Частота обертання магнітного поля статора: n1 = (60 х Fп) / p (об / хв),

де Fп – частота струму живлення (Гц), р – число пар полюсів статора. Таким чином, при стандартній частоті Fп = 50 Гц, магнітне поле в залежності від кількості пар полюсів обертається з частотою (див. таблицю).

4. Ковзання: S = (Fп-Fp) / Fп (%).

Частота обертання ротора Fp завжди менше частоти Fп на величину ковзання S (2 … 6%), наприклад Fp = 960; 1420; 2840 об / хв.

Принцип дії АТ заснований на взаємодії магнітного поля статора з струмами, що наводяться цим полем у провідниках обмотки ротора.

5. Обертаючий момент: М = Рв / w,

де w – кутова швидкість обертання ротора (w = 2 х 3,14 х (Fв/60)).

6. Перевантажувальна здатність: Кп = Мкр / Мн = 1,5 … 2,5,

де Мкр – критичний момент, Мн – номінальний момент.

7. Cos (j): cos (j) = Ica / Icp = 0,1 … 0,2 при номінальній частоті обертання,

де Ica – струм статора активний, Iсp – струм статора реактивний.

Збільшення навантаження двигуна супроводжується збільшенням лише активною складовою статора і, отже, збільшенням cos (j) до 0,8 … 0,9. Звідси зрозуміла роль завантаження двигуна з метою поліпшення cos (j) живильної мережі.

8. Пусковий струм In – струм статора при пуску АД, Iп / Iн = 5 … 7.

Пусковий момент АТ не великий. При пуску в хід АТ повинен розвивати момент, що перевищує гальмівний момент механізму, інакше ротор не стане обертатися. Мпуск / Мн = 0,8 … 1,5.

Функціональна схема РЧВ представлена ??на рис.3. Генератор, що задає призначений для зміни частоти живлячої АТ струму. Ним здійснюється зміна частоти обертання ротора. Формувач імпульсів трифазної послідовності (ФІТ) перетворює постійну напругу в три напруги прямокутної форми, зсунуті по фазі на 120 °. Попередній підсилювач узгодить малопотужні виходи ФІТ з потужним крайовим каскадом, завданням якого є харчування фаз АТ необхідним за формою і частоті струмом. Блок живлення виробляє напруги +5, +9 і +300 В для живлення РЧВ. На рис.4 представлені всі необхідні осцилограми.

На елементах DD1.1 … DD1.3 зібраний генератор, що задає – мультивібратор із змінною частотою генерації в межах 30 … 800 Гц. Змінюють частоту змінним резистором R2. ФІТ складається з лічильника DD2, елемента "І-НІ" DD1.4 і чотирьох елементів "виключає АБО" DD3.1 … DD3.4. На транзисторах VT2 … VT13 зібрані три ідентичних попередніх підсилювача (по одному на кожну фазу АТ).

Розглянемо принцип дії одного з них (верхнього за схемою). Коли на виході елемента DD3.2 з'являється високий рівень, відкривається складовою транзистор VT2, VT5. З виходу елемента DD3.2 високий рівень надходить на вхід оптопари DD4, в результаті чого на її виході встановлюється низький рівень, який закриває складовою транзистор VT8, VT11. Аналогічно працюють і інші 2 підсилювача, тільки лише з різницею по фазі 120 °. З метою розв'язки по напрузі транзистори VT2, VT5 і VT8, VT11 живляться від окремих джерел +9 В, а транзистори VT14 … VT19 – від джерела +300 В. Діоди VD10, VD13, VD16, VD17 служать для розв'язки по напрузі і для більш надійного замикання транзисторів VT14 і VT15.

Одна з головних умов нормальної роботи транзисторів VT14 і VT15 – вони не повинні бути одночасно відкриті. Для цього на вхід складеного транзистора VT8, VT11 керуюча напруга надходить з виходу оптопари DD4, що забезпечує деяку затримку його перемикання. При появі на вході оптопари DD4 високого рівня через елементи R8, VD7 відкривається складовою транзистор VT2, VT5, а транзистор VT15 – Закривається. Одночасно починається зарядка конденсатора С9. Через 40 мкс після появи високого рівня на вході оптопари DD4, на її виході з'являється низький рівень, складений транзистор VT8, VT11 закривається, транзистор VT14 – відчиняються. Поява на вході оптопари DD4 низького рівня не може миттєво закрити складовою транзистор VT2, VT5, так як розряд конденсатора С9 по ланцюгу R9, перехід база-емітер підтримує цей транзистор протягом 140 мкс у відкритому стані, а транзистор VT15 – в закритому. Час затримки вимкнення оптопари DD4 становить 100 мкс, тому транзистор VT14 закривається раніше, ніж транзистор VT15 відкривається.

Діоди VD22 … VD23 захищають транзистори VT14, VT15 від підвищення напруги при комутації індуктивного навантаження – обмоток АТ, а так само для замикання струмів обмоток у відрізки часу, коли напруга змінює свою полярність (при перемиканні транзисторів VT14, VT15). Наприклад, після закриття транзисторів VT14 і VT17, струм деякий час проходить у колишньому напрямку – від фази А до фази В, замикаючись через діод VD24, джерело живлення, VD23, поки не зменшиться до нуля.

Розглянемо принцип дії кінцевого каскаду на прикладі фаз А і В. При відкритті транзисторів VT14 і VT17, до початку фази А подається позитивний потенціал, а до її кінця – негативний. Після їх закриття відкриваються транзистори VT15 і VT16, і тепер навпаки, до кінця фази А подається позитивний потенціал, а до початку – негативний. Таким чином, на фази А, В і С подаються змінні напруги прямокутної форми зі зрушенням за фазою 120 ° (див. рис.4). Частота живлячої АТ напруги визначається частотою перемикання цих транзисторів. Завдяки почергового відкриття транзисторів, струм послідовно проходить по контурах обмоток статора АВ-АС-ВС-ВА-СА-СВ-АВ, що створює обертове магнітне поле. Форми фазних струмів представлені на рис.5. Описана вище схема побудови кінцевого каскаду – трифазна мостова. Її перевагою є те, що в кривих фазних струмів відсутні третій гармонійні складові.

Для живлення низьковольтних каскадів використовується стабілізатор VD1, VT1, VD6, що дозволяє отримати +5 В для живлення мікросхем DD1 … DD3, а також +9 В для живлення попередніх підсилювачів (VT2. .. VT7). Кожна верхня пара попередніх підсилювачів живиться від свого випрямляча: VT8, VT11 – від VD3, VT9, VT12 – від VD4, VT10, VT13 – від VD5. Кінцеві каскади харчуються від двухполупериодного випрямляча і LC-фільтру (VD2, L1, С3, С7) +300 В. Ємності конденсаторів С3 і С7 вибираються виходячи з потужності АТ, чим більше місткість, тим краще, але не менше 20 мкФ при індуктивності дроселя L1 0,1 Гн.

У РЧВ можуть бути застосовані постійні резистори МЛТ, ОМЛТ, нд Конденсатор С1 – будь-який керамічний або металопаперові, С2 … С8 – будь-які оксидні. Дросель L1 можна виключити, але при цьому доведеться збільшити ємності кожного з конденсаторів С3 і С7 до 50 мкФ. Мікросхема DD1 – К155ЛА3, DD2 – К155ІЕ4, DD3 – К155ЛП5. Оптопари DD4 … DD6 – АОТ165А1. Можна використовувати й інші, у яких час затримки включення не більше 100 мкс, а напруга ізоляції не менше 400 В. Основна вимога до транзисторам – високий і приблизно однаковий у всіх коефіцієнт посилення (не менше 50). Транзистори VT2 … VT4, VT8 … VT10 – КТ315А і можуть бути замінені на КТ315, КТ312, КТ3102 з будь-якими літерними індексами. Транзистори VT1, VT5 … VT7, VT11 … VT13 – КТ817 або КТ815 з будь-яким буквеним індексом. Транзистори VT14 … VT19 – КТ834А або КТ834Б. Для їх заміни можна використовувати потужні високовольтні транзистори з коефіцієнтом підсилення не менше 50. Так як вихідні транзистори працюють в перемикача режимі, то необхідно встановити їх на радіатори площею 10 см2 кожний. Однак, при використанні двигунів потужністю більше 200 Вт потрібні радіатори з більшою площею. Мостові випрямлячі VD1, VD3 … VD5 – КЦ405А. Випрямляч VD2 – КЦ409А. При потужності АТ більше 300 Вт замість мостового випрямляча КЦ409А необхідно використовувати міст з поодиноких діодів, розрахованих на зворотне напруга більше 400 В і відповідний струм. Стабілітрон VD6 – КС156А. Діоди VD7 … VD21 – КД209А. Діоди VD22 … VD27 – будь-які, розраховані на струм не менше 5 А і зворотна напруга не менше 400 В, наприклад КД226В або КД226Г. Трансформатор – будь-який потужністю не менше 15 Вт, що має чотири роздільні вторинні обмотки по 8 У кожна.

При налагодженні пристрою спочатку відключають +300 В і перевіряють наявність усіх осцилограм у вказаних точках (см.ріс.4). При необхідності, добіркою конденсатора С1 або резистора R2 домагаються зміни частоти на колекторі транзистора VT5 у межах 5 … 130 Гц. Потім при відключеному АТ замість +300 У подають від зовнішнього джерела напруга +100 … 150 В, замикають колектор і емітер транзистора VT11, колектор і емітер транзистора VT5 (щоб закрити на тривалий час транзистори VT14 і VT15) і вимірюють струм в ланцюзі колектора транзистора VT14. який повинен бути не більше декількох мкА – струм витоку транзисторів VT14 і VT15. Далі розмикають колектори і емітери вищевказаних транзисторів і встановлюють резистором R2 максимальну частоту генерації. Добіркою конденсатора С9 у бік збільшення ємності домагаються мінімального значення струму в ланцюзі колектора транзистора VT14. яке, в ідеальному випадку, дорівнює току витоку транзисторів VT14 і VT15. Таким способом налагоджують і інші два кінцевих підсилювача. Далі підключають до виходу РЧВ (до гнізда Х7) АТ, обмотки якого з'єднані зіркою. Замість +300 У подають від зовнішнього джерела напругу в межах + 100 … 150 В. АТ повинен почати обертатися. При необхідності змінити напрямок обертання міняють місцями будь-які фази АТ. Якщо кінцеві транзистори працюють в правильному режимі, то вони залишаються тривалий час ледве теплими, у противному випадку підбирають опору резисторів R18, R20, R22, R23 … R25.

Джерело: А. Дубровський, журнал "Радіоаматор".