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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Azionamento elettrico con frequenza variabile. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / motori elettrici Lo schema funzionale della versione più semplice di un azionamento elettrico a frequenza variabile è mostrato in Fig. 1.
Utilizza impulsi rettangolari, sfasati tra loro, per alimentare un motore elettrico trifase, come mostrato in Fig. 3.
L'elemento principale del circuito in Fig. 1 è un generatore con un'ampia gamma di regolazioni della frequenza degli impulsi di clock. Questi impulsi vengono inviati ad un formatore di segnali a 6 fasi (tre segnali di fase diretti e tre inversi), che controlla il funzionamento del modulo di potenza collegato al motore elettrico. La tensione di alimentazione è generata da un raddrizzatore. Per i motori potenti, il raddrizzatore è alimentato da una rete trifase, per i motori a bassa potenza è sufficiente l'alimentazione da una rete monofase. La prima versione del circuito del generatore sintonizzabile è mostrata in Fig.3.
Il generatore è costruito sul timer KR1006VI1. Tali generatori sono descritti in [2]. La frequenza degli impulsi generati nel circuito di Fig. 3 è descritta dall'espressione: F=1,46/(R1+R2+2R3)C. La regolazione della frequenza (da 3 Hz a 3000 Hz) viene effettuata manualmente regolando il potenziometro R1 (due volte) e cambiando le posizioni dell'interruttore SA1 (500 volte). Poiché un convertitore a 6 fasi divide la frequenza per 6 volte, al motore possono essere fornite frequenze da 0,5 Hz a 500 Hz. Nei casi in cui è necessario accelerare il motore da basse velocità ad alte velocità, è possibile aumentare gradualmente la frequenza nel circuito di Fig. 3 utilizzando l'interruttore SA1. Lo svantaggio di questo schema è che la frequenza aumenta bruscamente. Per un aumento graduale della frequenza in modalità automatica, i convertitori tensione-frequenza sono adatti [3]. L'industria nazionale ha prodotto solo un tipo di convertitore di questo tipo: il microcircuito K1108PP1. Il microcircuito presenta una serie di svantaggi: la gamma di frequenza è solo fino a 10 kHz, l'alimentazione bipolare è ±15 V. Ma è abbastanza adatto per alimentare motori elettrici. La frequenza degli impulsi di uscita del microcircuito DA1 nel circuito di Fig. 4 è determinata dall'espressione: . =Uin/(kIoR5C2), dove i parametri costanti hanno i seguenti valori: Io=1 mA, k=75 kOhm.
Ai valori indicati nel diagramma la frequenza è F=34Uin, cioè con una tensione di ingresso massima di +15 V sarà di circa 500 Hz. Per ottenere una gamma di frequenze più ampia è necessario ridurre proporzionalmente la capacità C2. Lo schema funziona come segue. Quando l'alimentazione è accesa, il condensatore C1 inizia a caricarsi attraverso il resistore R2. La costante di tempo del circuito di carica a questi valori è di 20 s, cioè L'intero processo di overclock dura circa un minuto. Per abbinare il circuito ad alta impedenza con l'ingresso del convertitore, sul transistor ad effetto di campo VT1 è installato un inseguitore di sorgente. Poiché le caratteristiche di ingresso dei transistor ad effetto di campo hanno una variazione nella tensione di interruzione, è stata introdotta la regolazione sul potenziometro R3. È necessario cortocircuitare il condensatore C1 con una pinzetta e ottenere una tensione zero alla sorgente di VT1. Il potenziometro R1 viene utilizzato per impostare la frequenza di generazione massima. Scollegare il condensatore C1 e utilizzare il frequenzimetro per impostare la frequenza massima richiesta. La Figura 5 mostra il diagramma del condizionatore di segnale della Figura 2.
Il circuito è costituito da un contro-decodificatore DD1, in cui 6 posizioni del decodificatore vengono utilizzate per generare segnali e dalla settima posizione il segnale viene impostato per ripristinare il contatore. Il suo fattore di conversione è 6. Come si può vedere dalla Fig. 2, per generare un segnale di fase A è necessario combinare le prime tre posizioni del decodificatore, per la fase B - le posizioni dalla terza alla quinta, per la fase C - le quinto, sesto e primo. La figura 6 mostra un modulo di potenza per l'alimentazione di un motore trifase, composto da 6 driver VT1-VT6.
Per ciascuna fase vengono utilizzati due driver, ad esempio: per la fase A, il driver del braccio superiore è VT1 e il driver del braccio inferiore è VT2. Agli ingressi del driver vengono forniti segnali antifase: quello superiore è A diretto, quello inferiore è invertito. Ecco perché è necessario un segnale a 6 fasi. Come driver possono essere utilizzati sia transistor di potenza bipolari che ad effetto di campo. Numerose aziende producono moduli da 6 driver in un unico pacchetto. Ad esempio, International Rectifier produce il modulo CPV363M4. con parametri: tensione massima collettore-emettitore 600 V, corrente massima di impulso 50 A. I resistori R1-R3 sono sensori di corrente, le loro tensioni devono essere fornite alle unità di controllo della modalità. L'alimentazione dei motori con tensione trifase pulsata, come vediamo, nella pratica è abbastanza semplice. Ma questo è adatto solo per motori a bassa potenza. Ad esempio, nelle videocamere e nei videoregistratori vengono utilizzati motori elettrici trifase di piccole dimensioni per far avanzare il nastro e per ruotare il blocco di testine rotanti [4]. Sono alimentati da tensione trifase pulsata e per questo sono stati sviluppati microcircuiti speciali, ad esempio il driver del motore BVG XRA6459P1. Per i motori più potenti, è comunque necessario generare tensioni di forma prossima a quella sinusoidale, perché Le tensioni ad onda quadra possono causare grandi picchi di tensione parassiti, che possono portare alla rottura dell'isolamento. La Figura 7 mostra un'approssimazione a due livelli di un segnale sinusoidale.
In questo caso il segnale è formato sommando due sequenze rettangolari A1 e A2. Come si può vedere dalla Fig. 7, per generare questi segnali, l'intervallo di 360° deve essere diviso in 12 parti. Pertanto un solo chip, come in Fig. 5, non sarà più sufficiente. Il numero di elementi logici raddoppierà. Se il driver Fig. 5 può essere assemblato su 3 circuiti integrati, per un driver a due livelli ne occorrono 6. Una domanda a parte sui conducenti. Nella versione precedente i driver funzionavano in modalità switch: il transistor era bloccato o aperto fino alla saturazione. In questo caso il riscaldamento del transistor è molto ridotto e non necessita di dissipatore di calore. Diamo un'occhiata a un esempio. Tensione di alimentazione 60 V, corrente operativa in modalità saturazione 10 A. Quando il transistor è bloccato non si riscalda; nello stato aperto fino alla saturazione la caduta di tensione ai suoi capi è di circa 0,1 V, quindi viene rilasciata una potenza di 10x0,1 = 1 W, ma solo durante un semiciclo , il che significa che la potenza media è di 0,5 W. Se passiamo alla modalità operativa lineare del transistor, la potenza di dissipazione aumenterà notevolmente. Ad esempio, dove sono presenti metà del segnale in Fig. 7, la caduta di tensione sul transistor sarà di 30 V con una corrente di 5 A, ovvero potenza 150 W. Considerando che questa potenza viene allocata per 1/6 del periodo, otteniamo una potenza media di 25 W, ovvero 50 volte di più! Ora dobbiamo installare i radiatori. È possibile fare a meno dei radiatori se ciascun driver è costituito da due transistor collegati in parallelo, uno di essi viene fornito con il segnale A1 (Fig. 7) e l'altro con A2. I transistor continueranno a funzionare in modalità di commutazione, ma il loro numero raddoppierà. Per tre, quattro o più livelli di approssimazione di un segnale sinusoidale, la complessità dell'apparecchiatura aumenterà in proporzione al quadrato del numero di livelli. Pertanto, questo percorso non ha prospettive. Nelle apparecchiature professionali si ottiene un segnale sinusoidale nel modo mostrato in Fig. 8.
Il segnale di clock viene inviato a un contatore, il cui codice di uscita è l'indirizzo di una memoria di sola lettura (ROM) in cui è scritta la tabella dei seni. I codici digitali, proporzionali ai valori del seno corrente, vengono inviati a un convertitore digitale-analogico (DAC), dove vengono convertiti in segnali sinusoidali analogici. Per distribuirli tra i driver superiori e inferiori, vengono utilizzati un grilletto e due tasti. Nel primo semiciclo, il segnale sinusoidale va al driver superiore e nel secondo a quello inferiore. Circa 20 anni fa, abbiamo prodotto commercialmente il microcircuito K568PE1, in cui è stata registrata una tabella dei seni. Adesso non è più reperibile. Pertanto, lo sviluppatore dovrà compilare lui stesso la tabella del firmware ROM e programmare il chip ROM, che, vedi, non è accessibile a tutti. Esiste un modo più semplice per generare una tensione vicina a quella sinusoidale. Questo metodo è mostrato in Fig. 9. Se moltiplichi segnali linearmente crescenti e linearmente decrescenti, ottieni un segnale parabolico, molto vicino a quello sinusoidale.
Lo schema funzionale di un dispositivo che implementa questo principio è mostrato in Fig. 10.
Il generatore fornisce impulsi di clock in parallelo a due contatori. Uno conta per l'addizione, l'altro per la sottrazione. I codici dei contatori sono coerenti tra loro poiché il segnale di stato zero del contatore sottrattivo è un ripristino del contatore positivo. I codici contatore vengono inviati al moltiplicatore digitale e da questo al DAC. Il sistema di commutazione del driver è lo stesso della Fig. 8. Ma questo circuito è più facile da implementare rispetto al circuito di Fig. 8, perché sono disponibili microcircuiti moltiplicatori già pronti. Ad esempio, nella serie CMOS è presente il chip K561IP5. Puoi farlo diversamente: installa un DAC sulle uscite del contatore e collega le loro uscite a un moltiplicatore analogico, ad esempio K525PS2. Costruire un azionamento elettrico di alta qualità con frequenza variabile, come puoi vedere, non è così facile come potrebbe sembrare. letteratura:
Autore: ON Partala
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