УДК
621.313.333.2
Голуб Є.Л., Долішній А.Ю.
Національний
технічний університет України «КПІ»
Ефективний запуск трифазного двигуна з
механізмом рекуперації енергії
Цей пристрій призначений для живлення
трифазних асинхронних двигунів, що серійно випускаються промисловістю від
джерела низької напруги 12V або від освітлювальної мережі ~ 220V. У відмінності
від усіх подібних пристроїв, схема використовує рекуперацію енергії зворотної
ЕРС обмоток двигуна що дозволяє в кілька разів знизити струм споживання двигуном,
особливо на холостому ходу. Наприклад, двигун 0.6 кВт 1350 Об / хв на холостому
ходу при номінальній частоті обертання споживає всього 4.5А від джерела 12V або
близько 300 мА від мережі ~ 220V. Такого споживання неможливо домогтися при
всіх існуючих способах живлення подібних двигунів.
Пристрій формує повноцінні 3 фази для
забезпечення нормального обертання двигуна, що дозволяє плавно регулювати
частоту обертання двигуна в широких межах. При живленні пристрою від мережі з
використанням помножувача напруги (на кожну фазу двигуна подається в цьому
випадку 400V) потужність двигуна стає близькою до номінальної. При подальшому
збільшенні напруги живлення потужність збільшиться пропорційно (при цьому,
природно, збільшиться споживаний струм). Фактично, гранична потужність двигуна
залежить від параметрів силових елементів схеми (тиристорів і фазних
конденсаторів), а також, від діелектричної міцності ізоляції обмоток двигуна,
від здатності обмотки витримувати потужні імпульси струму, від механічної
міцності корпусу двигуна.
При удосконаленні схеми (заміні деталей у силовому ланцюзі на
більш високовольтні) з двигуна можна зняти потужності більшу в кілька разів,
ніж дозволяють його паспортні характеристики. Потужність можна збільшувати до
тих пір, поки не розплавиться обмотка в точках зєднання. Як вже зазначалося,
при цьому, природно, виросте струм споживання. Також зауважу, що пристрій не є
«вічним двигуном» - при існуючому дизайні асинхронного двигуна зняти з нього
«зайве» не вийде. Однак, застосування даної схеми дозволяє легко підвищити ККД двигуна від 0.6 до 0.9, що може бути
важливо для енергозберігаючих проектів (примітка: ККД малопотужного до 3 кВт
асинхронного двигуна не може бути більше 70%, більш потужні двигуни з великою
кількістю полюсів мають ККД близько 90 %).
Характерною особливістю схеми є повна відсутність нагріву двигуна
і елементів схеми. Обмотки двигуна живляться короткими і потужними
високоамперними імпульсами, через обмотки не протікає постійний струм. Це не
дозволяє обмоткам стати активним навантаженням, що виключає їх нагрівання.
Також, двигун не гріється (відповідно, не перегорає) у разі заклинювання
ротора.
Якщо відштовхуватись від споживання
струму, виходить, що при навантаженні вала, починає пропорційно рости струм,
проте коли навантаження стає критичним, енергія Магнітного Поля не в змозі
подолати сили гальмування ротора, обороти двигуна різко падають, вал
зупиняється. При цьому, також, падає струм. Варто відпустити ротор, він починає
розкручуватися і поступово входить в режим “синхронізації”. Після входу в
цей режим можна знімати навантаження з валу.
Головний недолік схеми полягає в низькій
пусковому моменті двигуна. При напрузі живлення 200V на кожну фазу і початковій
частоті 25 Гц пуск і “синхронізація” настає за 3 - 5 сек. (на стендовому
двигуні), далі, можна різко збільшити частоту до номінальної, при цьому двигун
фактично миттєво відпрацьовує команду.
До переваг такої схеми живлення двигуна
можна віднести низький рівень шуму при працюючому двигуні, повна відсутність
характерного «гудіння», вібрації і т.д. Ротор обертається дуже м'яко, що
дозволяє почути механічні дефекти двигуна. Наприклад з'ясувалося, що у
використовуваному двигуні виявився розбитий передній підшипник - раніше, при
нормальному включенні за гулом і вібрацією цього не було чути.
Що стосується сучасних «Частотних
перетворювачів», що використовуються в металообробних верстатах, останні,
наприклад, живлять двигун прямокутними імпульсами, що створює дуже потужний шум
- наче працює не двигун а зварювальний трансформатор. При цьому, двигун, як
раніше залишається асинхронним тобто в ньому присутній ефект «проковзування»
МП, що може призводити до плавання обертів під різним навантаженням. Дана схема
позбавлена подібного, що робить її привабливою для деяких цілей.
Опис
схеми
Для початку слід згадати, як треба
правильно живити подібні двигуни. У підручниках пишуть, що асинхронні двигуни
слід живити тільки синусоїдальним трифазним змінним струмом частотою 50Гц.
Однак це не зовсім так. Живлення двигуна допускається будь-якою формою сигналів
в т.ч. прямокутними імпульсами. Існуючі частотні перетворювачі ШІМ дозволяють
не тільки регулювати частоту обертання ротора (вона залежить тільки від
частоти) але і потужність - вона регулюється шириною імпульсу. Оскільки такі
пристрої існують і серійно випускаються промисловістю, можна зробити висновок,
що форма сигналу не важлива. Набагато важливіше правильне фазування обмоток
двигуна - при порушенні цієї умови двигун не буде крутитися взагалі або не
набиратиме обертів. Для розуміння процесу фазування двигуна згадаємо як
виглядає 3х фазний змінний струм.
Дивлячись на графік, можна зробити
наступний простий висновок. Для забезпечення обертання двигуна треба подати на
його фазні обмотки 6 імпульсів, відповідні пікам кожної синусоїди трифазного
струму. Відповідно, якщо використовувати генератор імпульсів, що має 6 виходів
і послідовно видає імпульс на кожен вихід можна забезпечити створення
обертаючого магнітного поля всередині двигуна, що змусить останній обертатися.
Якщо уявити, що
кожна обмотка двигуна має точки початку і кінця, то додаток напруги до обмотки
«А» в прямій полярності (тобто на початок обмотки підводиться «+») позначити як
«А» і в зворотній полярності (на початок обмотки в цьому випадку підводиться
«-») позначити як «А '» то повна схема комутації обмоток прийме наступний
вигляд: 1. «А» 2. «C'» 3. «B» 4. «А'» 5. «C» 6. «B'» Подаючи таку послідовність
імпульсів на обмотки двигун прийде в рух. Форма імпульсів (синус або меандр)
при цьому абсолютно не важлива.
Схема джерела живлення складається з
трьох функціональних блоків. Загальна або силова частина. Генератор імпульсів.
Інвертор напруги. Інвертор може бути окремим пристроєм (при живленні від
батареї) або його може не бути взагалі у випадку живлення від освітлювальної
мережі. Останній спосіб не рекомендується через небезпеку - в цьому випадку,
частина елементів схеми може опинитися під смертельно небезпечним щодо «землі»
напругою, тому для налагодження пристрою такий спосіб небажаний. Як зазначалося
вище, генератор імпульсів видає послідовно 6 імпульсів, необхідних для
забезпечення створення обертового магнітного поля в двигуні. Між імпульсами
відсутні «мертві» інтервали - в даній схемі сенс у них відсутній.
Частота імпульсів задається частотою
тактового генератора, для отримання номінальної частоти 50 Гц необхідна частота
генератора 300 Гц. Генератор має можливість регулювання частоти за допомогою
змінного резистора. Кожен імпульс на виході генератора містить пакет з серії
імпульсів частотою близько 8 кГц, необхідний для управління тиристорами в
силовій частині схеми. Безумовно, тиристорами можна керувати постійним струмом
(струмовим імпульсом) проте такий спосіб недоцільний. Справа в тому, що при
такому способі управління буде потрібно застосовувати інші способи
«відв'язування» генератора від силової частини - наприклад використовувати
трансформатори на «залізі» або конденсатори значної ємності, що негативно
позначиться на надійності роботи пристрою. Також, управління тиристорами
постійним струмом енергозатратно - будуть потрібні потужні ключі.
Рішення з імпульсними трансформаторами
для даної схеми практично ідеальне тому таке управління вирішує відразу безліч
проблем. Отже, кожен з виходів імпульсного генератора пов'язаний з первинною
обмоткою трансформатора. Коли транзистор в ланцюзі виходу генератора відкритий
(при лог. 1 на відповідному виході мікросхеми лічильника) в первинну обмотку
трансформатора надходить пачка імпульсів частотою 8 кГц, яка збуджує такі ж
імпульси у вторинній обмотці, пов'язаної з керуючим електродом тиристора тобто
утворюється ланцюг: катод тиристора - обмотка трансформатора - керуючий
електрод. Важливо відзначити, що в даному випадку важливо правильне фазування
обмотки трансформатора: на керуючий електрод повинні приходити імпульси
позитивної полярності! Таким чином, схема комутації забезпечує створення
обертового магнітного поля всередині двигуна.
Немає необхідності описувати комутацію
кожної обмотки, ідея зрозуміла. Важливо розглянути роботу будь-якої окремої
фази для розуміння механізму рекуперації
енергії. Уявімо, що конденсатор, під'єднаний до обмотки фази «А» повністю
заряджений. У момент надходження на керуючий електрод тиристора сигналу,
тиристор відкривається. Струм починає текти по ланцюгу з конденсатора через
обмотку і через відкритий тиристор. У якийсь момент сила струму наростає до
такого стану, що утворене навколо катушки магнітне поле штовхає ротор двигуна.
Далі, енергія запасена конденсатором починає вичерпуватися, його заряд
поступово виснажується. У цей момент, енергія магнітного поля всередині двигуна
починає наводити навколо фазної обмотки ЕРС самоіндукцію, причому напрямок
струму в колі при цьому не змінюється. Обмотка двигуна в цей момент сама стає
джерелом енергії і починається процес заряду конденсатора напругою з
протилежним знаком. Процес продовжується до тих пір, поки енергія магнітного
поля навколо обмотки не вичерпається. У момент припинення протікання струму в ланцюзі тиристор
закривається сам по собі.
Оскільки відкритий тиристор працює також як діод, в даному ланцюзі
не можуть розпочатися гармонійні затухаючі коливання. Енергія, запасена
конденсатором (тільки з протилежним знаком) у цей момент придатна для
подальшого використання! Оскільки у схемі є втрати, потрібно прийняття
спеціальних заходів для постійного поповнення запасу енергії в фазних
конденсаторах, розглянемо цей важливий процес. У той момент, коли конденсатор
фази «А» заряджений напругою з протилежним знаком, рано чи пізно, буде потрібно
пропустити цей заряд через обмотку двигуна. Коли цей момент настає,
відбувається процес, аналогічний тому, що описаний вище. Різниця полягає в
тому, що по завершенню цього процесу, на конденсаторі тепер позитивна напруга,
відповідне (за знаком) напрузі джерела живлення. Як зазначалося вище, у схемі
завжди є втрати, тому напруга на конденсаторі буде менше вихідного тобто
напруги живлення. Оскільки знак напруги на конденсаторі збігається зі знаком
напруги джерела живлення, в цей сприятливий момент доцільно виконати
регенерацію енергії, для чого по сигналу з сусідньої фази, відкривається відповідний
тиристор і конденсатор поповнюється енергією.
Вимагає пояснення ланцюг регенерації енергії. Відомо, що маючи
заряджений конденсатор неможливо «напряму» зарядити від нього інший конденсатор
так, щоб напруга на останньому було вище чи однакова ніж на вихідному конденсаторі.
Тому, в ланцюзі заряду застосований дросель. Однак, насправді, ніякий це не
дросель, а частина контуру, утвореного з одного боку конденсатором в інверторі
великої ємності, котушкою дроселя, відкритим тиристором і фазним конденсатором,
заряд якого здійснюється в даний момент часу. Коли тиристор відкривається,
величезна енергія запасена електролітичним конденсатором великої ємності
спрямовується в обмотку дроселя, навколо останньої створюється потужене
магнітне поле. У якийсь момент, енергія магнітного поля починає спадати і
струми самоіндукції перетворюють дросель на джерело енергії. У підсумку, фазний
конденсатор заряджається трохи вище напруги живлення, а електролітичний
конденсатор трохи розрядиться, від чого створюється різниця потенціалів, яка не
дозволяє подальшому перебіг струму з джерела живлення в фазний конденсатор,
тиристор в цей момент закривається. Незалежно від наявності або відсутності на
ньому керуючих імпульсів струм у цьому ланцюзі вже не потече оскільки фазний
конденсатор заряджений більше джерела живлення. Таким чином, повна таблиця
комутації двигуна з урахуванням регенерації енергії приймає наступний вигляд:
