Управление асинхронным двигателем

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Юдинцев А.Г. 1, 2 Рулевский В.М. 1 1 Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники 2 Томский политехнический университет В предложенной статье рассмотрены теоретические аспекты и вопросы практической реализации метода векторной широтно-импульсной модуляции для управления трехфазным автономным инвертором напряжения. Метод векторной широтно-импульсной модуляции получил широкое практическое применение с развитием микропроцессорной техники, ввиду того что позволяет получить увеличенный коэффициент использования выпрямленного сетевого напряжения а также снизить динамические потери, возникающие при переключении в транзисторах моста. Предложена структура цифрового формирователя импульсов управления и метод её проектирования. Суть метода составляет использование цифро-аналоговой системы управления, в которой вычисление сигнала ошибки осуществляется с помощью ПИД-регулятора, выполненного на операционном усилителе, а расчёт ширины импульсов управления выполняет цифровая часть системы. Представлены осциллограммы работы инвертора по результатам испытаний на физической модели, которые подтверждают корректное применение метода и показывают необходимое быстродействие. 729 KB трёхфазный автономный инвертор напряжения векторная широтно-импульсная модуляция система управления 1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учеб. пособие – 2-е изд., испр. и доп. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. – 664 с. 2. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. – М.: Техносфера, 2006. – 632 с. 3. Мелешин В.И. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии / В.И. Мелешин, Д.А. Овчинников – М.: Техносфера, 2011. – 576 с. 4. Патент РФ № 2011152344/07, 21.12.2011. Мишин В.Н., Пчельников В.А., Рулевский В.М., Юдинцев А.Г., Иванов В.Л. Устройство для управления трёхфазным автономным инвертором с помощью векторной ШИМ // Патент России № 117747. 2012. Бюл. № 18. 5. Чаплыгин Е. Е. Спектральное моделирование преобразователей с широтно-импульсной модуляцией: учебное пособие по курсу «Моделирование электронных устройств и сиситем» – М.: Изд-во МЭИ, 2009. – 56 с. 6. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. – Екатеринбург: УрОРАН, 2000. – 654 с.

В настоящее время, несмотря на развитый рынок трёхфазных автономных инверторов напряжения (АИН) и преобразователей частоты, изготавливаемых для электропривода переменного тока, а также для систем электропитания различных ответственных потребителей, существует область технических задач, решить которые с помощью предлагаемого рядом зарубежных фирм готового оборудования невозможно по техническому несоответствию с требованиями заказчика. Также следует отметить, что существует необходимость обеспечения оборонной промышленности страны отечественными разработками. В связи с этим, крайне актуальными являются исследование и разработка трехфазных АИН, применяемых в авиакосмической технике и оборудовании морского базирования. Одним из основных этапов разработки АИН является проектирование системы управления. Любое управление силовым преобразователем в конечном итоге сводится к регулированию времени открытого состояния силового транзистора по отношению к периоду его работы. Известно, что такой метод управления получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ) . Если для сравнения рассмотреть область однофазных преобразователей, в которых преобладающее применение получили полумостовые и мостовые топологии (мощностью 0,5–3 кВт), то построение систем управления данными силовыми схемами не вызывает особых трудностей и перекрывается широким классом производимых промышленностью интегральных ШИМ-контроллеров. При этом, учитывая последнюю тенденцию к построению цифровых (цифро-аналоговых) систем управления силовыми преобразователями , для класса трёхфазных инверторов разработано большое количество методов управления . Но при их реализации для решения практических задач, требующих формирования выходного напряжения с повышенными частотами (1–2 кГц), систему управления необходимо разрабатывать собственными силами ввиду отсутствия готовых интегральных решений в виде трёхфазных ШИМ-контроллеров.

Известно, что АИН представляет собой статический преобразователь постоянного напряжения Ed в переменное с помощью полупроводниковых ключей (S1-S6), в качестве которых могут использоваться полевые MOSFET-транзисторы, либо IGBT . Управление транзисторами моста осуществляет система управления (СУ) в соответствии с одним из существующих алгоритмов, с целью обеспечения стабилизированным переменным трехфазным напряжением нагрузки (Zн).

В настоящее время существуют три основных класса СУ: аналоговые, цифровые, смешанные (цифро-аналоговые). Аналоговые СУ уступают сегодня место смешанным, и вектор развития направлен на применение в силовых преобразователях чисто цифровых СУ . Однако скорости работы современных микроконтроллеров и АЦП не столь высоки, чтобы обеспечить необходимое быстродействие цифровой СУ силового преобразователя, функционирующего на частотах 50–100 кГц и более.

Рассмотрим смешанную систему управления (рис. 1), в которой пропорционально-интегро-дифференцирующий (ПИД) регулятор выполнен традиционно с помощью операционных усилителей. Линейное напряжение с выхода инвертора измеряется датчиком напряжения (ДН) и в качестве сигнала отрицательной обратной связи суммируется с сигналом уставки Uуст. Сигнал с выхода ПИД регулятора масштабируется и переводится в цифровой ряд с помощью аналого-цифрового преобразователя, затем подаётся в цифровой формирователь импульсов (ЦФИ), который в соответствии с алгоритмом обеспечивает импульсами управления трёхфазный АИН, используя блок драйверов (БД) для согласования маломощных сигналов управления с низким входным сопротивлением силовых транзисторов. Особый интерес для исследований и разработки в представленной структурной схеме представляет ЦФИ, являющийся прототипом аналогового ШИМ-контроллера, формирующего импульсы управления в функции от суммы сигналов уставки и обратной связи.

Рис. 1. Структурная схема АИН с цифро-аналоговой системой управления

Известно, что с развитием микропроцессорной техники широкое применение получили алгоритмы векторной ШИМ . При реализации этой разновидности ШИМ дважды за период выходной частоты каждая фаза инвертора становится неуправляемой и коммутации силовых ключей в ней не происходит. Для каждой фазы выходного напряжения, дважды за период выходной частоты, наступает интервал, равный π/6, когда значение напряжения этой фазы максимально по модулю (рис. 2). Согласно алгоритму векторной ШИМ на время этого интервала соответствующий ключ (S1–S6), должен оставаться открытым, вне зависимости от коэффициента модуляции Км, который есть не что иное, как сигнал уставки Uуст в относительных единицах, изменяющийся в диапазоне 0–1 (рис. 3). Согласно методу векторной ШИМ период работы (2π) каждой фазы транзисторного моста разделен на 6 равных интервалов по 60 эл. град. (π/3). Развивая далее этот метод, разобьём каждый π/3-интервал на 8 ШИМ-интервалов по 7,5 эл. град. (π/24).

Рис. 2. An, Bn, Cn – сигналы фазных управляющих напряжений; Mn – сигнал предмодуляции 3-й гармоникой

а

б

Рис. 3. Управляющие сигналы, предмодулированные 3-й гармоникой при коэффициенте модуляции km = 1 (а) и km = 0,7 (б)

Таким образом, модуляционное число ШИМ-преобразования М = 48. Рассмотрим случай, когда частота выходного напряжения АИН fвых выбрана равной 1 кГц, тогда частота коммутаций силовых ключей fк = М·fвых = 48 кГц. В этом случае длительность периода ШИМ ТШИМ = 1/48·103 = 20,833 мкс. Практический опыт работы с современными полупроводниковыми приборами показывает, что в режиме жёсткой коммутации ключей работа на данной частоте является близкой к максимальной с точки зрения потерь на переключение в транзисторах. То есть для увеличения частоты выходного напряжения АИН необходимо использовать транзисторы с минимальными динамическими потерями.

Известно, что сигнал ШИМ формируется сравнением напряжения пилообразной развёртки с сигналом управления, при помощи устройства сравнения, например в аналоговых системах – это обычный аналоговый компаратор . Так как в данном случае система формирования импульсов проектируется полностью цифровой, то сравнение производится на цифровых компараторах, а в качестве развертки двухсторонней ШИМ на интервале π/24 используется треугольная цифровая развертка, обеспечиваемая реверсивным счетчиком (рис. 4). Примем заполнение счётчика развёртки или цифрового генератора пилообразной развёртки (ЦГПР) равным N = 500, тогда на интервале 0…π/48 счёт идет от 0 до 500, а на интервале π/48…π/24 – от 500 до 0.

Исходя из максимального значения заполнения N = 500 длительность периода генератора тактовых импульсов счётчика будет равной ТШИМ/2N = 20,833 нс, частота соответственно равна 48 МГц. То есть частота микросхемы ПЛИС, на которой реализуется цифровой схема, должна быть не менее указанной частоты.

При реализации данного вида векторной ШИМ дважды за период выходной частоты со сдвигом π в течение интервалов π/3 управление каждой фазы инвертора делают пассивным, т.е. коммутации силовых ключей с частотой ШИМ в ней не происходит. При этом открыт либо верхний, либо нижний фазный ключ в соответствии с алгоритмом управления. Другие две фазы с помощью ШИМ управляются разворотом длительности 48 кГц импульсов по синусоидальному закону. Таким образом средняя частота коммутации каждого силового ключа в 1,5 раза ниже по сравнению с классической ШИМ, что соответственно снижает потери на переключение.

Рассмотрим один из шести π/3 интервалов, когда один ключ полностью открыт, а два других переключаются с частотой 48 кГц, ширина импульсов при этом меняется во времени по гармоническому закону с предмодулированной 3-й гармоникой. Примем середину развертки цифровой пилы N/2 за уровень условной нулевой линии фазных развёрток (рис. 4), тогда синусоидальное напряжение развертки фазы примет вид

где – коэффициент увеличения амплитуды основной гармоники с учётом добавления 3-й; θ – начальная фаза, а напряжение предмодуляции для данного интервала

Рис. 4. Эталонные синусоидальные функции, предмодулированные 3-й гармоникой, и сигнал развертки треугольной цифровой пилы

Для второй и третьй фаз полученные выражения будут иметь такой же вид, но начальная фаза θ будет сдвинута на 2π/3. После несложных преобразований получим формулы для подсчёта коэффициентов, представляющих собой ширину импульсов изменяемых во времени:

Расчёт полученных коэффициентов для каждого π/3 интервала одинаков, и их значение изменяется в функции от коэффициента модуляции КМ, значение которого определяется сигналом обратной связи, полученным с датчика напряжения и оцифрованным АЦП. Возможны два способа обработки полученной информации. Первый – расчёт интервальных коэффициентов А1, А2 «на лету», во время работы системы, второй – заполнение ячеек матрицы коэффициентов, с последующей выборкой строки с номером, соответствующим значению КМ в диапазоне 0–1, разбитым на приемлемый (по точности стабилизируемого напряжения) ряд значений. Наиболее надежным представляется второй вариант, когда ЦФИ будет состоять из микроконтроллера и ПЛИС. При этом на микроконтроллер возлагается функция начального подсчета коэффициентов и заполнения матрицы значений с последующей передачей в ПЛИС, где полученная матрица используется для дальнейшей выборки значений с целью передачи их на входы цифровых компараторов.

Основной алгоритм работы ЦФИ реализуется на ПЛИС, функциональная схема ЦФИ представлена на рис. 5. Значения коэффициентов А1, А2, расcчитаны по вышеуказанным формулам и записаны в блоки матриц. Каждый блок содержит по 256 строк, что соответствует 8 бит в двоичной системе (при 8-разрядном АЦП), значение коэффициента КМ = 1 соответствует максимальному значению выхода АЦП, т.е. заполнению выходного байта единицами. Таким образом, необходимо создать 16 матриц по 256 строк в каждой, по 8 матриц для каждого коэффициента, в соответствии с делением π/3 сектора на 8 интервалов.

Рис. 5. Функциональная схема цифрового формирователя импульсов

а б

Рис. 6. Осциллограммы напряжения с выхода инвертора, при изменяющемся сигнале задания: а – частота задания 50 Гц; б – частота задания 100 Гц

На цифровые компараторы Z-К подаются выбранные значения из соответствующей матрицы и цифровой сигнал пилообразной развертки, тогда на выходе каждого компаратора одновременно сформируется прямоугольный импульс необходимой ширины. С помощью регистра сдвига РС и логических устройств ЛУ, построенных на элементах логического И, формируются временные последовательности длительностью π/3, состоящие из 8-ми импульсов. Полученные таким образом временные последовательности подаются на устройство распределения импульсов РИ, которое в соответствии с организацией логики работы ключей моста подает на соответствующий транзистор необходимый сигнал управления.

Практическая реализация разработанного метода осуществлена с помощью устройства, содержащего 32-битный контроллер со встроенным АЦП и микросхемы ПЛИС, на которой спроектирован непосредственно ЦФИ. С целью проверки быстродействия работы системы на вход АЦП был подан синусоидальный сигнал с различной частотой (рис. 6), при этом осциллограммы снимались с выхода инвертора. Из представленных осциллограмм видно, что СУ обладает устойчивостью и хорошими динамическими свойствами.

Таким образом, разработанная с помощью метода векторной ШИМ цифро-аналоговая система управления 3-фазным АИН обладает необходимым быстродействием для формирования и стабилизации выходного напряжения повышенной частоты (1–2 кГц), имеет улучшенные массогабаритные показатели и может использоваться для любого 3-фазного АИН с симметричной нагрузкой.

Рецензенты:

Лукутин Б.В., д.т.н., профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Энергетический институт, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск;

Михальченко С.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой промышленной электроники, факультета электронной техники, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск.

Библиографическая ссылка

Юдинцев А.Г., Юдинцев А.Г., Рулевский В.М. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТРЁХФАЗНЫМ АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ С ВЕКТОРНОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 5-1. – С. 168-173;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38027 (дата обращения: 31.07.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания» (Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления) «Современные проблемы науки и образования» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.829 «Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252 «Современные наукоемкие технологии» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.641 «Успехи современного естествознания» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.741 «Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований» ИФ РИНЦ = 0.731 «Международный журнал экспериментального образования» ИФ РИНЦ = 0.460 «European journal of natural history» ИФ РИНЦ = 1.369 Издание научной и учебно-методической литературы ISBN РИНЦ DOI

Цифровые формирователи трехфазного напряжения с ШИМ-управлением

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.

• Мне кажется, что эти схемы не дают полноценного трехфазного сигнала, так как фазы не накладываются друг на друга. Для трехфазных двигателей такие управляющие сигналы не подойдут. Это похоже на схему управления «бегущим огнём» с регулировкой яркости с помощью ШИМ. Каково назначение этих схем?
• убожество выдернули не функциональные схемы дабы «пометить место» (как это делают собаки) А для чего? Да что бы иметь публикации….. и бахвалиться во всяческих анкетах и резюме.
• Парни, Вы слишком категоричны в оценке данной схемы. А от Вас, lllll, неожиданно слышать отсылку к животному миру. Меня тоже насторожило, что на простом счётчике CD4017 (К561ИЕ8) автор сумел получить правильную последовательность трёхфазных импульсов со сдвигом фаз на 120 градусов. И ответ вроде очевидный – схема не верна. Но давайте устроим детективный квест «по следам изобретателя», ответив на вопрос: почему так получилось и в какой степени схема ошибочна. Михаил Шустов – это, скорее всего, тот самый Шустов М.А., окончивший Томский политех, к.т.н., д.т.н, профессор, автор следующих книг: — Шустов М.А. Цифровая схемотехника. Практика применения. — М.: Наука и техника, 2018; — Шустов М.А. Практическая схемотехника. — М.: Altex. — 2001 — 2007. — Кн. 1-5; — Шустов М.А. Основы силовой электроники. — СПб.: Наука и Техника, 2017; — Шустов М.А. Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника. — 2013; — Шустов М.А. Методические основы инженерно-технического творчества. — М.: НИЦИНФРА-М. — 2015; и наверняка многих других. И тут закрадываются сомнения в его некомпетентности. Поэтому обратимся к первоисточникам – списку литературы, приведённому в статье. Нарыжный В. Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения // Радио. – 2003. Здесь мы также видим счётчик, а именно 561ИЕ8, но он используется по-другому, к тому же после него стоит серия инверторов (трёхвходовые ИЛИ-НЕ). А значит, эта схема не могла стать прототипом. Она, кстати, тоже порождает несколько вопросов, но сейчас это не важно. Дальше Герасимов Е. Задающий генератор регулятора частоты для трехфазного асинхронного двигателя // Радио. – 2017. Тут мы видим нечто похожее. Задающий генератор немного сложнее, чем у Нарыжного, но также присутствует счетчик 561ИЕ8, выходы которого аналогично обвешаны трёхвходовыми ИЛИ-НЕ, разбавленными 74HCT14 (элементы НЕ с триггерами на входе). Эта схема тоже не вполне тянет на прототип. Поэтому смотрим Шустов М.А. Основы силовой электроники. – СПб.: Наука и Техника, 2017. При этом стараемся не нарушать авторские права. На странице 172 есть схема из Воронежа Калашник В., Черемысинова Я. Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное // Радио. — 2009. Тут узел формирователя управляющих импульсов более замудрён, но по-прежнему есть счетчик 561ИЕ8, 561ЛЕ10, добавились 561ТМ3 (счетверённый D-триггер) и множество 2И-НЕ неуказанных типов. Задающий генератор на 555-том таймере. Схема сложнее, но тоже не прототип. На странице 179 есть схема Михаила Мухина из города Клин (завоевал этот город Иван III – дедушка Ивана Грозного Мухин М. Трехфазный ток — это очень просто // Радио. — 1999.. Вот тут уже что-то похожее на схему Шустова. Видим счётчик К155ИЕ4, три выхода которого обвешаны исключающими ИЛИ микросхемы 155ЛП5. Счётчик 155ИЕ4 – это хитрый делитель на 2 и 3, и 6. Наверное, именно эта микросхема была использована потому, что была. Таблица состояний её выходов соответствует импортному аналогу 7492, вот PDFка NTE7492. По этому поводу внизу под статьёй Мухина разгорелся жаркий спор. От чего мнения разделились и уверенно сказать, рабочая ли схема Мухина нельзя. Настораживает больше всего силовая часть. Во всяком случае, её всё же можно считать прототипом с некоторым натягом. Дальше, на странице 180 есть схема Костицын В. Преобразователь однофазного сетевого напряжения в трехфазное частотой 50-400 Гц // Радио. — 2009 в которой повторяется узел формирования трёхфазной импульсной последовательности из статьи Мухина. И если статья Мухина выглядит неубедительно, но её доработка Костициным для управления полноценным мостом (с формирователем треугольного напряжения, верхним и нижним IGBT) смотрится профессионально. Теперь вроде всё ясно и можно предположить, что в обсуждаемой статье Михаила Шустова не хватает после счетчика-делителя цепочки исключающих ИЛИ микросхем 155ЛП5. Но скорее всего Шустов, не разобравшись до конца, заменил К155ИЕ4 (7492) на К561ИЕ8 (CD4017), ошибочно посчитав, что схема Мухина заработает с другим счётчиком, причем без ЛП5. Но это категорически не так, поскольку К155ИЕ4 счетчик особенный, содержащий несколько делителей, что позволяет снимать с его выходов тактовую частоту, деленную на 2 (выход Q0), и деленную на 3 (выходы Q1, Q2). Попробуем промоделировать в Proteus. Сначала симуляцию выполним для набора микросхем Мухина (счетчик 7492 + 74HC86), модель (1) в пристёжке. Генератор виртуальный, чтобы не тратить времени. Результат – формирователь работает, три последовательности сдвинутых на 120. Единственное – в симуляторе появляются иголки во время отрисовки, но думаю в железе такого быть не должно (в реальности есть паразитные ёмкости по входам, ограниченное быстродействие микросхем). Теперь заменим 7492 на CD4017. По идее заработать не должно. Так и есть, не работает. Чтобы со счётчика 561ИЕ8 получить в итоге три последовательности, сдвинутые на 120 градусов, нужно поменять обвеску, ведь это принципиально другая микросхема. И исключающие ИЛИ 74HC86 уже не прокатят (иначе нужно добавить ещё одну 561ИЕ8 в качестве делителя на 2). Используем вместо них любые триггеры. Например, JK-триггеры 4027 (561ТВ1) или D-триггеры 4013 (561ТМ2). Модель (2) в пристёжке. На картинках виртуальные осциллографы. Как видно, с такими изменениями схема Шустова рабочая. Но все зависит от того, кто, где и с какой фантазией будет использовать данный узел. Если Шустов не предполагал какой-то «довесок» на выходе счётчика 561ИЕ8 или после выходных каскадов на транзисторах, тогда его схема в таком виде действительно ошибочна. И скорее всего он необдуманно произвёл подмену счетчиков. Так он всего лишь получает три последовательности импульсов одинаковой частоты с коэффициентом заполнения 1/3, сдвинутых друг относительно друга на треть периода (не считая высокочастотного ШИМ заполнения). Но если на выходе довесок и не предполагался (исходя из проанализированных выше схем), попробуем исправить схему. На схеме Шустова бросаются в глаза диоды. Попробуем использовать диодную логику для завершения схемы, модель (3). Как видно, со счетчика 561ИЕ8 без триггеров и сохранив выходные каскады на транзисторах схемы Шустова (для ШИМ) так или иначе можно синтезировать три фазы. Смущает ещё то, что автор не привел в статье временные диаграммы, как это принято. А значит статью можно считать фрагментом чего-то большего, недоработанного или неудачно на мой взгляд урезанного для журнала РЛ. И куда только смотрит редакция 🙂 В общем, статью в таком виде стоило бы назвать «Генератор предварительной последовательности узла формирователя трехфазного напряжения с ШИМ-управлением». Как-то так. Поскольку неизвестно, что же стоит у Шустова после «выходных каскадов». Поэтому фундаментальных ошибок в таком виде в ней может и нет, ведь автор получил три последовательности импульсов, хоть и неправильно сфазированных 🙂 На самом же деле сформировать полноценный трёхфазный ШИМ такими схемами на жёсткой логике затруднительно. Простота, к которой стремятся авторы, всегда грозит ведром сгоревших транзисторов в лучшем случае, в худшем – сгоревшим двигателем. По моему мнению использовать такие схемы не стоит для двигателей мощностью больше 500Вт. Также хочу сказать, что аналогичные задачи я, к примеру, давно решаю с помощью STM32, их богатейшей периферией продвинутых таймеров. Словом, формирование трёхфазных ШИМ сигналов сегодня – это не проблема. Всё равно ни один современный частотник без микроконтроллера не обходится. Проблемы чаще возникают в неправильно сконструированной силовой части. Только не выгодно это сегодня. Стоимость комплектующих и время на разработку не окупаются при единичных поделках. Дешевле и надёжнее пойти и купить частотник на рынке.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки — рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

• изменения расхода воздуха в системе вентиляции
• регулирования производительности насосов
• изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

• изменение напряжения питания двигателя
• изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

S=(n1-n2)/n2

n1 — скорость вращения магнитного поля

n2 — скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

• неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
• хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

• большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
• все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

• устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
• добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
• ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
• используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

• низкая стоимость
• малая масса и размеры

Недостатки:

• можно использовать для двигателей небольшой мощности
• при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
• при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
• все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Плюсы электронного автотрансформатора:

• Небольшие габариты и масса прибора
• Невысокая стоимость
• Чистая, неискажённая форма выходного тока
• Отсутствует гул на низких оборотах
• Управление сигналом 0-10 Вольт

Слабые стороны:

• Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
• Все недостатки регулировки напряжением

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

• специализированными однофазными ПЧ
• трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

Xc=1/2πfC

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

• интеллектуальное управление двигателем
• стабильно устойчивая работа двигателя
• огромные возможности современных ПЧ:
• возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
• многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
• входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
• различные выходы
• коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
• предустановленные скорости
• ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

• ограниченное управление частотой
• высокая стоимость

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

• более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
• разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

• более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
• огромный выбор по мощности и производителям
• более широкий диапазон регулирования частоты
• все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

• необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
• пульсирующий и пониженный момент
• повышенный нагрев
• отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями