дядя Вася

Эффективный источник питания трехфазного асинхронного двигателя

источник http://83.142.8.22/lite/load_async.html

Данное устройство предназначено для питания трехфазных асинхронных двигателей, серийно выпускаемых промышленностью от источника низкого напряжения 12V или от осветительной сети ~220V. В отличии от всех подобных устройств, схема исполузует рекурперацию энергии обратной ЭДС обмоток двигателя что позволяет в несколько раз снизить ток потребления двигателем, особенно на холостом ходу. Например, двигатель 0.6 кВт 1350 Об/мин на холостом ходу при номинальной частоте вращения потребляет всего 4.5А от источника 12V или около 300 мА от сети ~220V. Такого потребления невозможно добиться при всех существующих способах запитки подобных двигателей. Устройство формирует полноценные 3 фазы для обеспечения нормального вращения двигателя, что позволяет плавно регулировать частоту вращения двигателя в широких пределах. При питании устройства от сети с использованием умножителя напряжения (на каждую фазу двигателя подается в этом случае 400V) мощность двигателя становится близкой к номинальной. При дальнейшем увеличении напряжения питания мощность увеличится пропорционально (при этом, естественно, увеличится потребляемый ток). Фактически, предельная мощность двигателя зависит от параметров силовых элементов схемы (тиристоров и фазных конденсаторов), а таккже, от диэлектрической прочности изоляции обмоток двигателя, от способности обмотки выдерживать мощные импульсы тока, от механической прочности корпуса двигателя. При усовершенствовании схемы (замене деталей в силовой цепи на более высоковольтные) с двигателя можно снять мощности больше в несколько раз, чем позволяют его паспортные характеристики. Мощность можно увеличивать до тех пор, пока не расплавится обмотка в точках соединения или не разнесет корпус двигателя. Как уже отмечалось, при этом, естественно, вырастет ток потребления. Также замечу, что устройство не является "вечным двигателем" — при существущем дизайне асинхронного двигателя снять с него "лишнее" не получится. Однако, применение данной схемы позволяет легко повысить КПД двигателя от 0.6 до 0.9, что может быть важно для энергосберегающих проектов (примечаение: КПД маломощного до 3 Квт асинхронного двигателя не может быть больше 70%, более мощные двигатели с большим количеством полюсов имеют КПД около 90%).

Характерной особенностью схемы является полное отсутствие нагрева двигателя и элементов схемы. Обмотки двигателя запитыватся короткими и мощными высокоамперными импульсами, через обмотки не протекает постоянный ток. Это не позволяет обмоткам стать активной нагрузкой, что исключает их нагрев. Также, двигатель не грееется (соответственно, не перегорает) в случае заклинивания ротора. В некотром роде, двигатель их асинхронного превращается в синхронный. Если судить по потребляемому току, получается, что при нагрузке вала, начинает пропорционально расти ток, однако когда нагрузка стеновится критической, энергия МП не в состоянии преодолеть силы торможения ротора, обороты двигателя резко падают, вал останавливается. При этом, также, падает ток. Стоит отпустить ротор, он начинает раскручиваться и постепенно входит в режим синхронизации. После входа в этот режим можно снимать нагрузку с вала.

Главный недостаток схемы состоит в низком пусковом моменте двигателя. При напряжении питания 200V на каждую фазу и начальной частоте 25 Гц пуск и синхронизация наступает за 3 - 5 сек (при используемом двигателе), дальше, можно резко увеличить частоту до номинальной, при этом двигатель фактически мгновенно отрабатывает команду.

К преимуществам такой схемы запитки двигателя можно отнести низкий уровень шума при работающем двигателе, полное отсутствие характерного "гудения", вибрации и т.д. Ротор вращается очень мягко, что позволяет услышать механические деффекты двигателя. Например выяснилось, что в используемом двигателе оказался разбит передный подшипник — раньше, при нормальном включении за гулом и вибрацией этого не было слышно. Что касается современных т.н. "частотных преобразователей" используемых в металообрататывающих станках, последние, например, питают двигатель прямоугольными импульсами, что создает очень мощный шум — как будто работает не двигатель а сварочный трансформатор. При этом, двигатель, по прежнему остается асинхронным т.е. в нем присутствует эффект "проскальзывания" МП, что может приводить к плаванию оборотов под разной нагрузкой. Данная схема лишена подобного недостатка (см. выше), что делает ее привлекательной для подобных приложений.

Используемые в схеме детали доступны, практически, каждому радиолюбителю, что позволяет легко повторить или улучшить схему. Требуются дальнейшие иссследования данного способа включения двигателей, поэтому материал представляется в открытом виде. При повторении схемы, просьба сообщить об этом автору с целью обмена опытом.

Описание схемы

Для начала следует вспомнить, как надо правильно питать подобные двигатели. В учебниках пишут, что асинхронные двигатели следует запитывать только синусодальным трехфазным переменным током частотой 50Гц. Однако это не совсем так. Питание двигателя допускается любой формой сигналов в т.ч. прямоугольными импульсами. Существующие частотные преобразователи ШИМ позволяют не только регулировать частоту вращения ротора (она зависит только от частоты) но и мощность — она регулируется шириной импульса. Поскольку такие устройства существуют и серийно выпускаются промышленностью, можно сделать вывод, что форма сигнала не важна. Гораздо важнее правильное фазирование обмоток двигателя — при нарушении этого условия двигатель не будет крутиться вообще или не будет набирать обороты. Для понимания процесса фазирования двигателя вспомним как выглядит 3х фазный переменный ток.

Глядя на график, можно сделать следующий простой вывод. Для обеспечения вращения двигателя надо подать на его фазные обмотки 6 импульсов, соответсвующие пикам каждой синусоды трехфазного тока. Соответсвенно, если использовать генератор импульсов имеющий 6 выходов последовательно выдающий импульс на каждый выход можно обеспечить создание вращающего магнитого поля внутри двигателя, что заставит последний вращаться. Если предствить, что каждая обмотка двигателя имеет точки начала и конца, то приложение напряжения к обмотке «А» в прямой полярности (т.е. на начало обмотки подводится «+») обозначить как «А» и в обратной полярности (на начало обмотки в этом случае подводится «-») обозначить как «А'» то полная схема коммутации обмоток примет следующий вид:

1. «А»

2. «C'»

3. «B»

4. «А'»

5. «C»

6. «B'»

Подавая такую последовательность импульсов на обмотки двигатель придет в движение. Форма импульсов (сунус или меандр) при этом совершенно не важна. Перед подключением двигателя следует его сфазировать. Для этого, собираем цепь от низковольтного источника питания 12-24V в разрыв которой включаем лампу (чтобы не сжечь двигатель или блок питания) и последовательно касаемся щупами клемм колодки двигателя, согласно схеме преведенной выше. Двигатель в этом случае, начнет немного вращаться. После того, как фазы и начала обмоток точно определены их следует пометить. Это будет важно при подключении двигателя к собранному устройству.

Схема источника питания состоит из трех фукнциональных блоков. Общая или силовая часть. Генератор импульсов. Инвертор напряжения. В целях снижения трудоемкости при изготовлении, а также, снижения помех, силовую часть и генератор целесообразно выполнить на одной плате. Инвертор может быть отдельным устройством (при питании от батареи) или его может не быть вообще в случае питания от осветительной сети. Последний способ не рекомендуется по причине опасности — в этом случае, часть элементов схемы может оказаться под смертельно опысным относительно «земли» напряжением, поэтому для отладки устройства такой способ нежелателен.

Как отмечалось выше, генератор импульсов выдает последовательно 6 импульсов, необходимых для обеспечения создания вращающегося магнитного поля в двигателе. Между импульсами отсутствуют «мертвые» интервалы — в данной схеме смысл в них отсутствует. Частота импульсов задается частотой тактового генератора, для получения номинальной частоты 50 Гц необходима частота генератора 300 Гц. Генератор имеет воможность регулировки частоты с помощью переменного резистора. Каждый импульс на выходе генератора содержит пакет из серии импульсов частотой около 8 кГц, необходимый для управления тиристорами в силовой части схемы. Безусловно, тиристорами можно управлять постоянным током (токовым импульсом) однако такой способ нецелесообразен. Дело в том, что при таком способе управления потребуется применять другие способы «отвязки» генератора от силовой части — например использовать трансформаторы на «железе» или конденсаторы значительной емкости, что негативно скажется на надежности работы устройства. Также, управление тиристорами постоянным током энергозатратно — потребуются мощные ключи. Решение с развязывающими импульсными трансформаторами для данной схемы практически идеально т.к. такое управление решает сразу множетство проблем. Итак, каждый из выходов импульсного генератора связан с первичной обмоткой трансформатора. Когда транзистор в цепи выхода генератора открыт (при лог. 1 на соответсвующем выходе микросхемы счетчика) в первичную обмотку трансформатора поступает пачка импульсов частотой 8 кГц, которая возбуждает такие-же импульсы во вторичной обмотке, связанной с управляющим электродом тиристора т.е. образуется цепь: катод тиристора - обмотка трансформатора - управляющий электрод. Важно отметить, что в данном случае важно привильное фазирование обмотки трансформатора: на управляющий электрод должны приходить импульсы положительной полярности! Таким образом, схема коммутации обеспечивает создание вращающегося магнитного поля внутри двигателя. Ниже приводится сигналограмма на управляющем электроде любого из тиристоров.

несколько импульсов

Нет необходимости описывать коммутацию каждой обмотки, идея, надеюсь, понятна. Чтобы заработало нужно просто правильно собрать схему и сфазировать обмотки двигателя а также импульсные трансформаторы. Сейчас важно рассмотреть работу любой отдельной фазы для понимания механизма рекурперации энергии. Представим, что конденсатор, подключенный к обмотке фазы «А» полностью заряжен. В момент поступления на управляющий электрод тиристора сигнала, тиристор открывается. Ток начинает течь по цепи из конденсатора через обмотку и через открытый тиристор. В какой-то момент сила тока нарастает до такого состояния, что образованное вокруг катушки магнитное поле толкает ротор двигателя. Далее, энергия запасенная конденсатором начинает иссякать, его заряд постепенно истощается. В этот момент, энергия мигнитного поля внутри двигателя начинает наводить вокруг фазной обмотки ЭДС самоиндкукции, причем направление течения тока в цепи при этом не изменяется. Обмотка двигателя в этот момент сама становится источником энергии и начинается процесс заряда конденсатора напряжением с обратным знаком. Процесс продолжается до тех пор, пока энергия магнитного поля вокруг обмотки не иссякнет. В момент прекращения течения тока в цепи тиристор закрывается сам по себе. Поскольку открытый тиристор работает также как диод, в данной цепи не могут начаться гармонические затухающие колебания. Энергия, запасенная конденсатором (только с обратным знаком) в этот момент пригодна для последующего использования! Поскольку в схеме есть потери, требуется принятие специальных мер для постоянного пополнения запаса эненргии в фазных конденсаторах, рассмотрим этот важный процесс. В тот момент, когда конденсатор фазы «А» заряжен напряжением с обратным знаком, рано или поздно, потребуется пропустить этот заряд через обмотку двигателя. Когда этот момент наступает, просходит процесс, аналогичный тому, что описан выше. Разница состоит в том, что по завершению этого процесса, на конденсаторе теперь положительное напряжение, соответсвующее (по знаку) напряжению источника питания. Как отмечалось выше, в схеме всегда есть потери, поэтому напряжение на конденсаторе будет меньше исходного т.е. напряжения питания. Поскольку знак напряжения на конденсаторе совпадает со знаком напряжения источника питания, в этот благоприятный момент целесообразно выполнить регенерацию энергии, для чего по сигналу из соседней фазы, открывается соответсвующий тиристор и конденсатор пополняется энергией.

Требует поясненения цепь регенерации энергии. Известно, что имея заряженный конденсатор невозможно «напрямую» зарядить от него другой конденсатор так, чтобы напряжение на последнем было выше или равно исходному напряжению на первом конденсаторе. Поэтому, в цепи заряда применен дроссель. Однако, на самом деле, никакой это не дроссель, а часть контура, образованного с одной стороны конденсатром в инверторе большой емкости, катушкой дросселя, открытым тиристором и фазным конденсатором, заряд которого осуществляется в данный момент времени. Когда тиристор открывается, огромная энергия запасенная элекролитическим конденсатором большой емкости устремляется в обмотку дросселя, вокруг последней создается мощное магнитное поле. В какой-то момент, энергия магнитного поля начинает спадать и токи самоиндукции превращают дроссель в источник энергии. В итоге, фазный конденсатор заряжается несколько выше напряжения питания, а электролитический конденсатор немного разряжается, отчего создается разность потенциалов, которая не позволяет дальнейшее течение тока из источника питания в фазный конденсатор, тиристор в этот момент закрывается. Независимо от наличия или отсутствия на нем управляющих импульсов ток в этой цепи уже не потечет поскольку фазный конденсатор заряжен больше источника питания. Таким образом, полная таблица коммутации двигателя с учетом регенерации энергии принимает следующий вид:

1. «А»

2. «C'» - Rb

3. «B»

4. «А'» - Rc

5. «C»

6. «B'» - Ra

где Rx сигнал регенерации энергии в фазном конденсаторе соответсвующей фазы.

Именно поэтому 3 из 6 импульсных трансформаторов двухобмоточные: вторая обмотка управляет тиристором в цепи регенерации энергии. Сигнал на фазном конденсаторе при работающем двигателе представлен в следующей осцилограмме:

Более крупно:

Двойная линия внизу - это глюк фотоаппарата. Просто "синусоида" немного покачивается когда двигатель вращается.

Фотогалерея устройства. Опытный асихронный двигатель 0.6 кВт 1350 об/мин R обмоток 12 Ом. пр-во ГДР, 1970 г.в.

Блок управления и силовая часть. Между электроникой и тиристорами импульные трансформаторы. Толстые провода к двигателю.

Банк фазных конденсаторов 3x10 мкф 250 в.. К одному из них через резистор на 10 мОм подключен щуп осциллографа.

Дроссель, через который осуществляется регенерация энергии. Рядом конденсатор 470 мкф и предохранитель. Опасные штучки ;-)

Инвертор 12 -> 200

В завершение, несколько ведео работающего устройства:

Запуск асинхронного двигателя

Работа асинхронного двигателя

Налаживание устройства

А всего-то делов: причина была в дребезге контактов в переменном резисторе подстройки оборотов. В какой-то момент цепь обрывалась, частота тут-же возрастала в несколько раз, схема тут-же захлебавалась. Сквозные токи от источника питания (электролитического конденсатора) перли через тиристоры. Неравный бой между тиристорами и электролитическим конденсатором большой емкости всегда заканчивался победой последнего, результат — на картинке. В догонку, вынесло еще TL 494 в инверторе и мосфет IRF 1010. Печально, такой ущерб из-за коппечной детали. И хороший урок.

Теперь переходим к самому интересному. Подаем на силовую часть сначала низковольтное питание от источника 12-24V через лампу на 5 Вт. Включаем сначала блок управления, ставим минимальную частоту оборотов. Далее, плавно поднимаем напряжение питания силовой части до 15-20 V. Смотрим на лампу. Светиться она не должна. Еще лучше, в разрыв питания силовой цепи включить амперметр: в случае нормальной работы устройства (работают контуры всех трех фаз) ток составит несколько миллиампер при таком напряжении питания и минимальной частоте. Если ток значительно больше (горит или светится в пол накала лампа) прут сквозные токи через схему. Если тока нет вообще — тиристоры не открываются. В случае нормального тока смотрим что происходит на конденсаторах. Сигнал должен быть примерно такой:

Так нужно проверить все 3 фазы. Наличие такого сигнала свидетельствует от том, что схема работает. Теперь искуственно вводим схему в режим захлебывания чтобы определить примерную максимальную чатоту тактового генератора. Для этого плавно увеличиваем частоту и смотрим на лампу. Как только лампа загорится — схема захлебнулась. При низком напряжении питания это не страшно — токи при таком напряжении не смертельны для тиристоров. Измеряем частоту генератора в этом случае. У меня получилось около 500 Гц т.е. 500/6=83 Гц на каждую фазу. Характерно, но в работающем двигателе значение частоты при которой наступает захлебывание несколько меньше. Определив предельную частоту можно начать подачу высокого напряжения на силовую часть.

Включаем генератор, ставим минимальную частоту. Включаем инвертор и плавно увеличиваем напряжение на его выходе. Следим за током потребляемым устройством. Он должен начать расти по мере увеличения напряжения на выходе инвертора. Одновременно, смотрим напряжение на выходе инвертора. Если все идет хорошо, при 50 V двигатель начнет гудеть, при 150 V вал тронется, при 200 V начнет уверенный набор оборотов. Далее, наступит вход в режим синхронизации, гул и гудение снизится, а ток в цепи батареи составит около 3А. Если схема все еще жива, увеличиваем обороты двигателя до номинальных. Это легко т.к. двигатель уже синхронизирован, набор оборотов пройдет очень быстро. Ток при этом подскочит (в момент раскрутки) до 7-10А и тут-же упадет до 4.5 А после набора оборотов. Наслаждайтесь работой устройства. В этот момент следует проверить отсутствие нагрева деталей схемы (аккуратно!), измерить обороты вала, попробовать притормозить вал рукой, следя за потребляемым током.

Для контроля оборотов и формы сигнала на фазе следует поключить к одному из фазных конденсаторов через резистор на 10 мОм щуп осциллографа и через резистор на 500 кОм частотомер (китайский мультиметр поддерживающий измерение частоты). Далее, следя за формой сигнала можно увеличить частоту до 100 Гц или выше, пока схема не захлебнется. Это нужно делать с осторожностью (см. выше) т.к. в этом случае сквозными токами вынесет тиристоры. Как показала практика, двигатель легко раскрутить до двойной частоты на каждой фезе, но делать этого все-же не стоит.

Вопросы, пожелания?

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------