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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Stromversorgung eines dreiphasigen Elektromotors aus einem einphasigen Netz mit Drehzahlregelung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Die Elektromotoren Asynchrone Elektromotoren (einschließlich Drehstrommotoren) werden im Alltag und in der Produktion häufig zum Antrieb von Maschinen und Mechanismen eingesetzt, deren Betriebsgeschwindigkeit konstant ist oder mithilfe von Getrieben mit variablem Übersetzungsverhältnis und anderen mechanischen Vorrichtungen variiert. Wenn eine stufenlose Regelung der Wellendrehzahl erforderlich ist, werden in der Regel teurere und weniger zuverlässige Kommutator-Elektromotoren bevorzugt, bei denen dieser Vorgang einfach durchzuführen ist: Ändern Sie einfach die Versorgungsspannung oder den Strom in der Erregerwicklung . Um die Wellendrehzahl eines Asynchronmotors zu steuern, muss nicht nur die Spannung, sondern auch die Frequenz des Wechselstroms in seinen Wicklungen geändert werden. Der Autor dieses Artikels spricht über seine Lösung für dieses Problem. Das von ihm entwickelte Gerät ermöglicht es, einen asynchronen Drehstrommotor mit einer Leistung von bis zu 3,5 kW aus einem einphasigen Netz anzutreiben und seine Rotationsfrequenz um mehr als das Zehnfache zu ändern. Oft besteht die Notwendigkeit, die Geschwindigkeit von Maschinen und Mechanismen, die mit einem Elektroantrieb ausgestattet sind, stufenlos zu ändern. Die in solchen Fällen üblicherweise verwendeten Kommutator-Elektromotoren sind teuer, erfordern regelmäßige Wartung und sind den Asynchronmotoren in Bezug auf Zuverlässigkeit, Lebensdauer sowie Gewichts- und Größenindikatoren unterlegen. Die Industrie stellt Frequenzregelgeräte für die Drehzahl von Asynchronmotoren her. Diese Geräte sind komplex und teuer und werden daher nur in kritischen Fällen eingesetzt, beispielsweise in Antrieben von CNC-Maschinen. Pläne solcher Regler zur Eigenproduktion wurden auch in der Zeitschrift „Radio“ veröffentlicht [1, 2]. Leider sind sie für Motoren mit sehr geringer Leistung ausgelegt. Das Hauptproblem bei der Entwicklung eines Frequenzreglers besteht darin, dass neben der Frequenz auch der Effektivwert der an die Motorwicklungen angelegten Spannung geändert werden muss. Tatsache ist, dass mit abnehmender Frequenz des Wechselstroms der induktive Widerstand der Wicklung abnimmt, was zu einem unzulässigen Anstieg des durch sie fließenden Stroms führt. Um eine Überhitzung der Wicklung und eine Sättigung des Statormagnetkreises zu vermeiden, muss die Motorversorgungsspannung reduziert werden. Eine in [3] empfohlene Möglichkeit hierfür besteht darin, den Motor über einen einstellbaren Spartransformator anzuschließen, dessen beweglicher Kontakt mechanisch mit dem Frequenzregler verbunden ist. Die Methode ist allerdings sehr umständlich, da Masse und Abmessungen des Spartransformators mit denen des Motors selbst vergleichbar sind und die Zuverlässigkeit des beweglichen Kontakts bei der Übertragung hoher Leistungen fraglich ist. Wesentlich komfortabler ist es, den effektiven Spannungswert mittels Pulsweitenmodulation (PWM) zu verändern [4]. Die vorgeschlagene geregelte Stromversorgung für einen asynchronen Drehstrom-Elektromotor basiert genau auf dieser Methode. Die Quelle ist nach dem in Abb. eines.
Ein leistungsstarker Gleichrichter, der Teil der Stromversorgungs- und Schutzeinheit BPZ ist, wandelt die einphasige Wechselspannung 220 V 50 Hz in Gleichspannung 300 V um. Mit drei Doppelleistungsschaltern SK1 – SKZ schalten sie die Wicklungen des Drehstroms Motor M1 anschließen und diese in der erforderlichen Reihenfolge und Polarität an den Ausgang des Gleichrichters anschließen. Die Schaltkreise VD1L1 und VD2L2 schützen die Tasten vor Laststromstößen. Die Impulse, die die Tasten steuern, werden vom FID-Block – dem Steuerimpulsgenerator – erzeugt. Das BPZ verfügt über mehrere weitere Gleichrichter mit geringem Stromverbrauch zur Stromversorgung von FIU und SC sowie über eine Stromschutzeinheit, die das Gerät vom Netzwerk trennt, wenn der zulässige Stromverbrauchswert überschritten wird. Das FIU-Schema ist in Abb. 2 dargestellt. XNUMX.
Der DD1-Chip enthält einen Taktgenerator. Ihre Frequenz wird durch den variablen Widerstand R4.1 von 30 bis 400 Hz geregelt. Die Impulsfrequenz an den Ausgängen der Mikroschaltungen DD4 und DD5 ist sechsmal niedriger – von 5 auf 66,7 Hz. In den Wicklungen des Motors M1 (siehe Abb. 1) fließt ein Strom mit genau dieser Frequenz und bestimmt die Rotationsfrequenz seiner Welle. Es lohnt sich nicht, die Frequenz unter den angegebenen Grenzwert zu senken, da sich eine ungleichmäßige Drehung der Welle bemerkbar macht. Und bei einer Frequenz über dem Nennwert (50 Hz) sinkt das Drehmoment an der Motorwelle stark. Die Schaltkreise R5VD3C3–R10VD8C8 verzögern die Anstiegsflanken der Steuerimpulse und lassen deren Abfallflanken unverzögert. Dies ist notwendig, damit die Ausgangstransistoren der ein Paar bildenden Schalter (z. B. SK1.1 und SK1.2) auch für sehr kurze Zeit nicht gleichzeitig geöffnet sind, was sonst der Fall wäre käme einem Kurzschluss einer 300-V-Gleichspannungsquelle gleich und würde im besten Fall zu einer Überhitzung und im schlimmsten Fall zum Ausfall dieser Transistoren und damit anderer Elemente des SC führen. Die Eingänge der Logikelemente DD6.1-DD6.4, DD2.3, DD2.4 empfangen zusätzlich zu Impulsen mit einer Frequenz von 5...66,7 Hz höherfrequente Impulse mit einstellbarem Tastverhältnis vom Generator an den Elementen DD2.1 .2.2, DD4.1. Die variablen Widerstände R4.2 und RXNUMX sind gepaart, daher ändert sich an den Ausgängen der oben aufgeführten Elemente gleichzeitig mit der Änderung der Wiederholungsrate der Bursts das Tastverhältnis der diese Bursts füllenden Impulse. Die Widerstände R2 und R3 sind so gewählt, dass dem Motor bei Nenn- oder erhöhter Drehzahl nahezu die volle Spannung zugeführt wird und bei abnehmender Spannung etwa die Hälfte abnimmt. Dadurch liegt der vom Elektromotor aufgenommene Strom bei einer um das Zehnfache reduzierten Frequenz nur geringfügig über dem Nennstrom. Als Pufferelemente dienen Wechselrichter DD7.1-DD7.6 mit erhöhter Belastbarkeit. Ihre Ausgangskreise umfassen LEDs von Optokopplern, die in den SK1-SKZ-Schaltern installiert sind und für eine galvanische Trennung zwischen den Steuerkreisen und den Quellstromversorgungseinheiten sorgen. Das SC-Diagramm ist in Abb. dargestellt. 3. Insgesamt gibt es sechs solcher Schlüssel (zwei für jede Phase). In Zeitintervallen, in denen kein Strom durch die Optokoppler-LED U1 fließt und deren Fotodiode daher einen hohen Widerstand aufweist, sind die Transistoren VT1 und VT2 geöffnet, VT3 und VT4 geschlossen – der Schlüssel ist geöffnet. Wenn Strom durch die LED fließt, ist der Schalter geschlossen. Die Elemente VD3-VD6, R3 und C1 sorgen für ein erzwungenes Schließen des Transistors VT4, was Energieverluste reduziert und das thermische Regime des Schalters erleichtert.
Die Diode VD7 schützt den Transistor VT4 vor Spannungsspitzen an einer induktiven Last. Mehr über den Aufbau von Leistungsschaltern und Methoden zu deren Schutz erfahren Sie im Buch [4]. Bevor die Autorin sie traf, verbrannte sie viele teure Hochleistungstransistoren. Das BPZ-Schema ist in Abb. 4 dargestellt. vier.
An die Sekundärwicklungen des Transformators T1 sind vier Gleichrichter angeschlossen. Die erste davon, auf der Diodenbrücke VD1, dient der Stromversorgung der Steuereinheiten der SK1.2-SKZ.2-Tasten. Von dort werden die PFI-Mikroschaltungen über einen Stabilisator am Transistor VT1 mit Strom versorgt. Zur Stromversorgung der auf hohem Potenzial liegenden Steuerknoten der Tasten SK1.1 - SK3.1 werden drei isolierte Gleichrichter auf Diodenbrücken VD2-VD4 verwendet. Der Leistungsgleichrichter besteht aus VD7-VD10-Dioden und ist mit einem Glättungsfilter C7L1C8 ausgestattet. Durch Drücken der Taste SB2 wird der Wicklungskreis des Schützes KM1 geschlossen. Das aktivierte Schütz bleibt aufgrund der geschlossenen Kontakte von KM1.2 in diesem Zustand. Über die geschlossenen Kontakte KM 220 und die Primärwicklung des Stromwandlers T50 wird der Diodenbrücke VD7-VD10 eine Spannung von 1.1 V, 2 Hz zugeführt. Durch Drücken schalten Sie das Schütz und den Elektromotor M1 (siehe Abb. 1) aus die SB1-Taste. Die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators T2, gleichgerichtet durch die Diodenbrücke VD6, ist proportional zum vom Netzwerk aufgenommenen Strom. Sobald ein Teil dieser Spannung, die vom Motor mit variablem Widerstand R2 abgenommen wird, die Öffnungsschwelle des Thyristors VS1 überschreitet, wird das Relais K1 aktiviert und öffnet mit seinen Kontakten K1.1 den Stromkreis der Wicklung des Schützes KM1, wodurch die Verbindung unterbrochen wird Netzgleichrichter aus dem Netz. Transformator T1 mit einer Gesamtleistung von mindestens 60 W muss über vier gut isolierte Sekundärwicklungen für eine Spannung von 12 V verfügen. Wicklung II – für einen Strom von 2 A. Wicklungen III-V – für 0,7 A. Anstelle einer Multi- Wenn Sie eine Wicklung benötigen, können Sie mehrere Transformatoren mit weniger Wicklungen verwenden. Der Magnetkern des Transformators T2 ist ein K28x6x9-Ring aus 2000NM Ferrit. Seine Sekundärwicklung enthält 300 Windungen PEL 0,22-Draht, und die Rolle der Primärwicklung übernimmt ein Draht, der durch das Loch im Ring geführt wird und zur Diodenbrücke VD7-VD10 führt. Das Relais K1 - RES22 (RF4.500.121) kann durch ein beliebiges mit einer Betriebsspannung von 12 V und mindestens einer Gruppe von Öffnerkontakten ersetzt werden. Das Schütz KM1 mit 220-V-Wicklung wird anhand der Leistung des Elektromotors ausgewählt. Die Spulen L1 und L2 (Abb. 1) sind rahmenlos und enthalten jeweils 25 Windungen PEL 1,5-Draht, die lose auf einen Dorn mit einem Durchmesser von 30 mm gewickelt sind. Den Details und dem Design der SC-Komponenten (siehe Abb. 3) sollte besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Es sind diese Einheiten, die bei Ausfall den größten Ärger und Sachschaden verursachen. Alle Teile müssen vor dem Einbau gründlich überprüft und „verdächtige“ Teile gnadenlos aussortiert werden. Der Transistor VT4 ist auf einem Kühlkörper mit ausreichender Fläche (in der Version des Autors - 400 cm2) installiert. Daneben ist auf demselben Kühlkörper ein Transistor VT3 platziert und die Anschlüsse der Diode VD7 sind direkt mit den Anschlüssen des Transistors VT4 verlötet. Ein Paar Transistoren KT8110A, KT8155A kann durch einen zusammengesetzten MTKD-40-5-3 ersetzt werden. Es ist mit einer internen Schutzdiode ausgestattet, sodass die VD7-Diode bei einem solchen Austausch nicht benötigt wird. In den Parametern ähnliche Verbundtransistoren MTKD-40-5-2 sind in diesem Fall nicht geeignet, da sie keinen externen Anschluss für die Basis des zweiten (leistungsstarken) Transistors haben. Die Kühlkörperoberfläche der MTKD-40 5 3 Transistoren ist elektrisch von der Halbleiterstruktur isoliert, sodass die Transistoren aller Schalter auf einem gemeinsamen Kühlkörper installiert werden können. Alle Stromkreise müssen nach Möglichkeit aus starren, kurzen und geraden Drähten bestehen und von den FIU-Stromkreisen entfernt sein. Der Querschnitt jedes Drahtes muss dem fließenden Strom entsprechen. Darüber hinaus ist es gefährlich, den Durchmesser der Drähte nicht nur zu unterschätzen, sondern auch zu überschätzen. Die Schaltkreise VD1L1 und VD2L2 (siehe Abb. 1) werden in unmittelbarer Nähe der Tasten montiert und mit den Anschlüssen der entsprechenden Transistoren verlötet. Sollte der Leistungsschalterblock nicht kompakt ausfallen, empfiehlt es sich, jedes Schalterpaar mit gleichartigen Schutzbeschaltungen auszustatten. Überprüfen Sie beim Einrichten der Quelle zunächst mit einem Oszilloskop das Vorhandensein und die Form von Impulsen an den Anschlüssen der FIU-Mikroschaltungen. Dann, ohne Spannung an die Diodenbrücke VD7-VD10 anzulegen (siehe Abb. 4) und ohne Anschluss Überprüfen Sie beim M1-Motor, ob die Impulse an den Basistransistoren VT3 in allen SCs ankommen. Danach wird die FIU abgeschaltet und die Netzspannung über einen einstellbaren Spartransformator an die Diodenbrücke angelegt und schrittweise von 0 auf 220 V erhöht. Der Motor bleibt ausgeschaltet. Der von CK verbrauchte Strom sollte mehrere zehn Mikroampere nicht überschreiten. Nachdem sie sich davon überzeugt haben, senken sie die Spannung am Ausgang des Spartransformators auf Null und blockieren vorübergehend die PWM (dazu reicht es aus, den Draht in der FIU zu unterbrechen, der den Ausgang des Elements DD2.2 mit den Eingängen der Elemente verbindet DD2.3, DD2.4, DD5.1-DD5.4), einschließlich FIA. Überprüfen Sie erneut den Stromverbrauch, indem Sie die dem SC zugeführte Spannung schrittweise erhöhen. Sie wird größer, sollte aber auch bei maximaler Frequenz 100 µA nicht überschreiten. Der Vorgang wird wiederholt, indem die PWM entriegelt und die Spannungsform mit einem Oszilloskop an den für den Anschluss der Motorwicklungen vorgesehenen Punkten überwacht wird. Wenn alle Prüfungen erfolgreich waren, können Sie einen dreiphasigen Elektromotor mit relativ geringer Leistung (bis zu 1 kW) an die Quelle anschließen und seinen Betrieb bei reduzierter Leerlaufspannung und anschließend bei Nennnetzspannung und mechanischer Belastung überprüfen. Die Temperatur der Leistungstransistoren und der vom Netzwerk aufgenommene Gesamtstrom sollten ständig überwacht werden. Nachdem Sie sichergestellt haben, dass die Quelle voll funktionsfähig ist, können Sie damit Elektromotoren mit einer Leistung von bis zu 3,5 kW antreiben. Literatur
Autor: V.Naryzhny, Bataysk, Gebiet Rostow.
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