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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Alimentazione per un motore elettrico trifase da rete monofase con controllo della velocità. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / motori elettrici I motori elettrici asincroni (compresi quelli trifase) sono ampiamente utilizzati nella vita di tutti i giorni e nella produzione per azionare macchine e meccanismi la cui velocità operativa è costante o varia utilizzando riduttori a rapporto variabile e altri dispositivi meccanici. Dove è necessario regolare dolcemente la velocità di rotazione dell'albero, di norma viene data preferenza ai motori elettrici a collettore più costosi e meno affidabili, per i quali questa operazione è semplice da eseguire: basta cambiare la tensione o la corrente di alimentazione nell'avvolgimento di eccitazione . Per controllare la velocità dell'albero di un motore asincrono, è necessario modificare non solo la tensione, ma anche la frequenza della corrente alternata nei suoi avvolgimenti. L'autore di questo articolo parla della sua soluzione a questo problema. Il dispositivo da lui sviluppato consente di alimentare un motore asincrono trifase con una potenza fino a 3,5 kW da una rete monofase e di modificarne la frequenza di rotazione di oltre 10 volte. Spesso è necessario modificare agevolmente la velocità di macchine e meccanismi dotati di azionamento elettrico. I motori elettrici a commutatore solitamente utilizzati in questi casi sono costosi, richiedono manutenzione periodica e sono inferiori a quelli asincroni in termini di affidabilità, durata e indicatori di peso e dimensioni. L'industria produce dispositivi di controllo della frequenza per la velocità di rotazione dei motori asincroni. Questi dispositivi sono complessi e costosi, quindi vengono utilizzati solo in casi critici, ad esempio negli azionamenti delle macchine CNC. Schemi di tali regolatori per l'autoproduzione sono stati pubblicati anche sulla rivista "Radio" [1, 2]. Sfortunatamente, sono progettati per motori di potenza molto bassa. Il problema principale che si pone quando si sviluppa un regolatore di frequenza è la necessità di modificare, insieme alla frequenza, il valore efficace della tensione fornita agli avvolgimenti del motore. Il fatto è che quando la frequenza della corrente alternata diminuisce, la resistenza induttiva dell'avvolgimento diminuisce, il che porta ad un aumento inaccettabile della corrente che lo attraversa. Per evitare il surriscaldamento dell'avvolgimento e la saturazione del circuito magnetico dello statore è necessario ridurre la tensione di alimentazione del motore. Un modo per farlo, consigliato in [3], è collegare il motore tramite un autotrasformatore regolabile, il cui contatto mobile è collegato meccanicamente al regolatore di frequenza. Il metodo, va detto, è molto scomodo, poiché la massa e le dimensioni dell'autotrasformatore sono paragonabili a quelle del motore stesso e l'affidabilità del contatto mobile durante la trasmissione di una potenza elevata è discutibile. È molto più conveniente modificare il valore effettivo della tensione utilizzando la modulazione di larghezza di impulso (PWM) [4]. La proposta di alimentazione regolata per un motore elettrico asincrono trifase si basa proprio su questo metodo. La sorgente è costruita secondo lo schema mostrato in Fig. uno.
Un potente raddrizzatore, che fa parte dell'unità di alimentazione e protezione BPZ, converte la tensione alternata monofase 220 V 50 Hz in diretta 300 V. Utilizzando tre interruttori a doppia alimentazione SK1 - SKZ, commutano gli avvolgimenti della rete elettrica trifase motore M1, collegandoli nell'ordine e nella polarità richiesta all'uscita del raddrizzatore. I circuiti VD1L1 e VD2L2 proteggono i tasti dai picchi di corrente di carico. Gli impulsi che controllano i tasti sono generati dal blocco FID, il generatore di impulsi di controllo. Il BPZ ha molti altri raddrizzatori a bassa potenza per l'alimentazione della FIU e dell'SC, nonché un'unità di protezione della corrente che disconnette il dispositivo dalla rete se viene superato il valore di consumo di corrente consentito. Lo schema FIU è mostrato in fig. 2.
Il chip DD1 contiene un generatore di clock. La loro frequenza è regolata dal resistore variabile R4.1 da 30 a 400 Hz. La frequenza degli impulsi alle uscite dei microcircuiti DD4 e DD5 è sei volte inferiore, da 5 a 66,7 Hz. Una corrente esattamente di questa frequenza scorrerà negli avvolgimenti del motore M1 (vedi Fig. 1), impostando la frequenza di rotazione del suo albero. Non vale la pena ridurre la frequenza al di sotto del limite specificato; la rotazione irregolare dell'albero diventerà evidente. E a una frequenza superiore a quella nominale (50 Hz), la coppia sull'albero motore diminuisce bruscamente. I circuiti R5VD3C3-R10VD8C8 ritardano i fronti di salita degli impulsi di controllo, lasciando i fronti di discesa non ritardati. Ciò è necessario affinché i transistor di uscita degli interruttori che compongono una coppia (ad esempio SK1.1 e SK1.2), anche per un tempo molto breve, non risultino aperti contemporaneamente, il che sarebbe sarebbe equivalente a un cortocircuito di una sorgente di tensione a 300 V CC e porterebbe, nella migliore delle ipotesi, al surriscaldamento e, nel peggiore dei casi, al guasto di questi transistor e con essi di altri elementi dell'SC. Gli ingressi degli elementi logici DD6.1-DD6.4, DD2.3, DD2.4, oltre agli impulsi con una frequenza di 5...66,7 Hz, ricevono impulsi a frequenza più elevata con ciclo di lavoro regolabile dal generatore sugli elementi DD2.1 .2.2, DD4.1. I resistori variabili R4.2 e RXNUMX sono accoppiati, quindi, alle uscite degli elementi sopra elencati, contemporaneamente alla variazione della frequenza di ripetizione delle raffiche, cambia il ciclo di lavoro degli impulsi che riempiono queste raffiche. I resistori R2 e R3 sono selezionati in modo tale che a velocità nominali o aumentate, al motore viene fornita quasi la piena tensione e, quando diminuiscono, diminuisce di circa la metà. Di conseguenza, a una frequenza ridotta di dieci volte, la corrente consumata dal motore elettrico è solo leggermente superiore a quella nominale. Gli inverter DD7.1-DD7.6 con maggiore capacità di carico fungono da elementi buffer. I loro circuiti di uscita includono LED provenienti da optoaccoppiatori installati negli interruttori SK1-SKZ e che forniscono isolamento galvanico tra i circuiti di controllo e le unità di alimentazione sorgente. Il diagramma SC è mostrato in Fig. 3. Esistono sei chiavi di questo tipo in totale (due per ciascuna fase). Negli intervalli di tempo in cui non scorre corrente attraverso il LED U1 dell'accoppiatore ottico, per cui il suo fotodiodo ha un'elevata resistenza, i transistor VT1 e VT2 sono aperti, VT3 e VT4 sono chiusi - la chiave è aperta. Quando la corrente scorre attraverso il LED, l'interruttore è chiuso. Gli elementi VD3-VD6, R3 e C1 forniscono la chiusura forzata del transistor VT4, che riduce le perdite di energia e facilita il regime termico dell'interruttore.
Il diodo VD7 protegge il transistor VT4 dai picchi di tensione su un carico induttivo. Puoi saperne di più sulla progettazione degli interruttori di alimentazione e sui metodi per proteggerli nel libro [4]. Prima di incontrarla, l'autore ha bruciato molti costosi transistor ad alta potenza. Lo schema BPZ è mostrato in fig. quattro.
Quattro raddrizzatori sono collegati agli avvolgimenti secondari del trasformatore T1. Il primo di essi, sul ponte a diodi VD1, serve per alimentare le centraline dei tasti SK1.2-SKZ.2. Da esso, attraverso uno stabilizzatore sul transistor VT1, vengono alimentati i microcircuiti PFI. Per alimentare i nodi di controllo dei tasti SK1.1 - SK3.1, che sono ad alto potenziale, vengono utilizzati tre raddrizzatori isolati sui ponti a diodi VD2-VD4. Il raddrizzatore di potenza è assemblato utilizzando diodi VD7-VD10 ed è dotato di un filtro livellatore C7L1C8. Premendo il pulsante SB2 si chiude il circuito di avvolgimento del contattore KM1. Il contattore attivato rimane in questo stato a causa dei contatti chiusi di KM1.2. Attraverso i contatti chiusi KM 220 e l'avvolgimento primario del trasformatore di corrente T50, al ponte di diodi VD7-VD10 viene fornita una tensione di 1.1 V, 2 Hz. Si spegne il contattore e il motore elettrico M1 (vedi Fig. 1) premendo il pulsante SB1. La tensione sull'avvolgimento secondario del trasformatore T2, raddrizzata dal ponte a diodi VD6, è proporzionale alla corrente consumata dalla rete. Non appena parte di questa tensione, rimossa dal resistore variabile R2 del motore, supera la soglia di apertura del tiristore VS1, il relè K1 funzionerà e con i suoi contatti K1.1 aprirà il circuito dell'avvolgimento del contattore KM1, scollegando il raddrizzatore di potenza dalla rete. Il trasformatore T1 con una potenza complessiva di almeno 60 W deve avere quattro avvolgimenti secondari ben isolati per una tensione di 12 V. Avvolgimento II - per una corrente di 2 A. Avvolgimenti III-V - per 0,7 A. Invece di un multi- avvolgendone uno, è possibile utilizzare più trasformatori con meno avvolgimenti. Il nucleo magnetico del trasformatore T2 è un anello K28x6x9 realizzato in ferrite da 2000NM. Il suo avvolgimento secondario contiene 300 giri di filo PEL 0,22 e il ruolo dell'avvolgimento primario è svolto da un filo che passa attraverso il foro nell'anello e va al ponte a diodi VD7-VD10. Il relè K1 - RES22 (RF4.500.121) può essere sostituito da uno qualsiasi con una tensione operativa di 12 V e almeno un gruppo di contatti normalmente chiusi. Il contattore KM1 con avvolgimento a 220 V viene selezionato in base alla potenza del motore elettrico. Le bobine L1 e L2 (Fig. 1) sono senza telaio, ciascuna contenente 25 spire di filo PEL 1,5, avvolte alla rinfusa su un mandrino con un diametro di 30 mm. I dettagli e il design dei componenti SC (vedi Fig. 3) dovrebbero essere trattati con particolare attenzione. Sono queste unità che causano maggiori problemi e danni materiali in caso di guasto. Tutte le parti devono essere controllate attentamente prima dell'installazione e quelle "sospette" devono essere respinte senza pietà. Il transistor VT4 è installato su un dissipatore di calore con un'area sufficiente (nella versione dell'autore - 400 cm2). Accanto ad esso, sullo stesso dissipatore di calore, è posizionato un transistor VT3 e i conduttori del diodo VD7 sono saldati direttamente ai conduttori del transistor VT4. Una coppia di transistor KT8110A, KT8155A può essere sostituita con un composito MTKD-40-5-3. È dotato di un diodo di protezione interno, quindi il diodo VD7 non è necessario in caso di sostituzione. I transistor compositi MTKD-40-5-2, che hanno parametri simili, non sono adatti in questo caso, poiché non hanno un terminale esterno per la base del secondo (potente) transistor. La superficie del dissipatore di calore dei transistor MTKD-40 5 3 è isolata elettricamente dalla struttura del semiconduttore, quindi i transistor di tutti gli interruttori possono essere installati su un dissipatore di calore comune. Tutti i circuiti di alimentazione devono essere realizzati, se possibile, con fili rigidi, corti e diritti e rimossi dai circuiti FIU. La sezione di ciascun filo deve corrispondere alla corrente che scorre. Inoltre, è pericoloso non solo sottovalutare, ma anche sopravvalutare il diametro dei fili. I circuiti VD1L1 e VD2L2 (vedi Fig. 1) sono montati in prossimità dei tasti, saldandoli ai terminali dei transistor corrispondenti. Se il blocco interruttori di potenza non risulta compatto, è consigliabile dotare ciascuna coppia di interruttori di circuiti di protezione simili. Quando si imposta la sorgente, prima di tutto, utilizzando un oscilloscopio, controllare la presenza e la forma degli impulsi ai terminali dei microcircuiti FIU, quindi senza applicare tensione al ponte a diodi VD7-VD10 (vedere Fig. 4) e senza collegare del motore M1, controllare se gli impulsi arrivano alle basi dei transistor VT3 in tutti gli SC. Successivamente, la FIU viene spenta e la tensione di rete viene fornita al ponte a diodi tramite un autotrasformatore regolabile, aumentandola gradualmente da 0 a 220 V. Il motore rimane disconnesso. La corrente consumata da CK non dovrebbe superare diverse decine di microampere. Convinti di ciò, abbassano a zero la tensione all'uscita dell'autotrasformatore e bloccano temporaneamente il PWM (per fare ciò è sufficiente rompere il filo nella FIU che collega l'uscita dell'elemento DD2.2 con gli ingressi degli elementi DD2.3, DD2.4, DD5.1-DD5.4), includono il nome completo. Anche in questo caso, aumentando gradualmente la tensione fornita all'SC, verificare il consumo di corrente. Diventerà più grande, ma anche alla massima frequenza non dovrebbe superare i 100 µA.L'operazione si ripete sbloccando il PWM e monitorando con un oscilloscopio l'andamento della tensione nei punti destinati al collegamento degli avvolgimenti del motore. Se tutti i controlli hanno avuto esito positivo, è possibile collegare alla sorgente un motore elettrico trifase di potenza relativamente bassa (fino a 1 kW) e verificarne il funzionamento a tensione a vuoto ridotta, quindi a tensione di rete nominale e carico meccanico. La temperatura dei transistor di potenza e la corrente totale consumata dalla rete dovrebbero essere costantemente monitorate. Dopo essersi assicurati che la sorgente sia pienamente operativa, è possibile alimentare da essa motori elettrici con una potenza fino a 3,5 kW. Letteratura
Autore: V.Naryzhny, Bataysk, regione di Rostov.
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