Источник питания трехфазного электродвигателя от однофазной сети с регулировкой частоты вращения. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Электродвигатели

 Комментарии к статье

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.

Литература

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.

Автор: В.Нарыжный, г.Батайск Ростовской обл.

Смотрите другие статьи раздела Электродвигатели.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Принцип неопределенности в квантовой механике 12.11.2014 Квантовая механика представляет собой основу современной физики микромира и при всей своей парадоксальности прекрасно работает во всех известных ее разделах. Более того, из нее можно вывести и классическую физику (как предел квантовой механики, устремляя к нулю постоянную Планка h, определяющую за квантовые явления). Так что можно говорить о всеобщности законов квантовой механики. Но, несмотря на огромный успех, у нее есть существенный недостаток. Один из краеугольных камней квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга (например, неопределенность в определении положения и импульса), не имеет никаких обоснований. Разумеется, практический успех - достаточное оправдание, чтобы принять это таинственное правило, но это не останавливает поисков физиками его объяснения. Исследователи из Университета Южной Калифорнии, известный специалист в области теории струн профессор Ицхак Барс и его аспирант из России Дмитрий Рычков (окончил МГУ в 2005 году), предприняли попытку объяснить происхождение принципа неопределенности Гейзенберга, выведя его из струнной теории поля. Этот результат опубликован в журнале Physics Letters. Как известно, теория струн была предложена в 1970-х годах для решения проблем квантовой гравитации и Стандартной модели. Успехи квантовой физики в описании трех негравитационных фундаментальных взаимодействий приводят физиков к мысли, что таким же образом может быть описано и гравитационное взаимодействие. Но, несмотря на активные исследования на протяжении многих десятилетий, квантовая теория гравитации до сих пор так и не создана. Теория струн предполагает, что основная единица материи - микроскопическая струна (порядка планковской длины 10?35 м), а не точка, а что возможные взаимодействия материи представляют собой слияния или расщепления этих струн. Вот уже четыре десятилетия физики работают в этом направлении. Теория пережила два взлета-революции и периоды упадка. Трудность заключается в том, что нет никаких экспериментальных данных по теории струн. Эксперименты на таких маленьких масштабах в настоящее время за пределами технических возможностей науки. Из-за этого целый ряд физиков даже полагает теорию струн лишь "математическими фокусами". Работу ученых поддерживают надежды создать "теорию всего", а также ответить на вопросы, недоступные Стандартной модели, например, почему кварки и лептоны имеют электрический заряд, цвет и аромат, которые отличают их друг от друга, как определить из теории постоянную тонкой структуры 1/137 и ряд других постоянных и т. д. Но до сих пор исследователи исходили из того, что теория струн создана в соответствии с квантовой механикой и работали только в направлении использования квантовой механики для попыток проверки струнной теории поля. Авторы данной работы решили поступить наоборот. Предположив, что струнная теория поля верна, они использовали ее, чтобы попытаться подтвердить саму квантовую механику. В работе, которая переформулирует струнную теорию поля на более ясном языке, Ицхак Барс и Дмитрий Рычков показали, что набор фундаментальных принципов квантовой механики, известных как "правила коммутации" (принципы неопределенности), могут быть получены из геометрии слияния и расщепления струн. Таким образом, вместо того, чтобы принять квантовые правила коммутации в качестве постулата, авторы получают их из физического процесса струнных взаимодействий. Этот результат может послужить аргументом в пользу "физичности" теории струн. Ведь если с ее помощью удастся объяснить происхождение законов квантовой механики, то, по словам Ицхака Барса, это не только "может разгадать тайну, откуда исходит квантовая механика", но и откроет дверь для признания струнной теории поля, или пока еще не разработанного более широкого ее варианта, под названием M-теория, основой всей физики.

Другие интересные новости:

▪ Наушники Studio Pro

▪ Газеты и Интернет: взгляд эколога

▪ Apple iPad

▪ Карманная электронная энциклопедия

▪ Искусственное растение очищает воздух и генерирует электроэнергию

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электрику. ПУЭ. Подборка статей

▪ статья Уча, учимся. Крылатое выражение

▪ статья Какое отношение к мамонтам имеет Мамонтова пещера? Подробный ответ

▪ статья Автожир-планер. Личный транспорт

▪ статья Антенный блок. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Горелка для пайки твердыми припоями. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026