Тиристорное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Для управления асинхронным двигателем могут использоваться тиристоры в сочетании с релейно-контакторными аппаратами. Тиристоры применяются в качестве силовых элементов и включаются в статорную цепь, релейно-контакторные аппараты включаются в цепь управления.

Используя тиристоры в качестве силовых коммутаторов, можно на статор при пуске подавать напряжение от нуля до номинального значения, ограничивать токи и моменты двигателя, осуществлять эффективное торможение либо шаговый режим работы. Такая схема приведена на рис. 1.

Силовая часть схемы состоит из группы тиристоров VS1. VS4, включенных встречно-параллельно в фазы А и С. Между фазами А и В включен короткозамыкающий тиристор VS5. Схема состоит из силовой цепи (рис. 1, а), цепи управления (рис. 1, б) и блока управления тиристорами — БУ (рис. 1, в).

Для пуска двигателя включается автоматический выключатель QF, нажимается кнопка SB1 «Пуск», в результате чего включаются контакторы КМ1 и КМ2. На управляющие электроды тиристоров VS1. VS4 подаются импульсы, сдвинутые на 60° относительно питающего напряжения. К статору двигателя прикладывается пониженное напряжение, что приводит к снижению пускового тока и пускового момента.

Рис. 1. Тиристорное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Размыкающий контакт КМ1 отключает реле KV1 с выдержкой времени, которая определяется резистором R7 и конденсатором С4. Размыкающими контактами реле KV1 шунтируются соответствующие резисторы в блоке управления, и на статор подается полное напряжение сети.

Для торможения нажимается кнопка SB2 «Стоп». Схема управления теряет питание, отключаются тиристоры VS1. VS4. Это приводит к тому, что на период торможения включается реле KV2 за счет энергии, запасенной конденсатором С5, и своими контактами включает тиристоры VS2 и VS5. Через фазы А и В статора проходит постоянный ток, который регулируется резисторами R1 и R3. Обеспечивается эффективное динамическое торможение.

Тиристорный регулятор двигателя

Тиристорный регулятор двигателя чтобы можно было изменять частоту вращения вала электродвигателя переменного тока, его подключают к тиристорному регулятору мощности. При этом электродвигатель включают либо в разрыв сетевого провода, либо после выпрямительного моста, питающего анодную цепь тринистора. Если в цепи нагрузки контакт не нарушается, тиристорный регулятор двигателя работает надежно. При подключении же коллекторного электродвигателя характер нагрузки изменяется — ток через нее течет как бы импульсами, в результате чего на коллекторных щетках наблюдается искрение. Тиристорный регулятор с такой нагрузкой работает неустойчиво.

Предлагаемый тиристорный регулятор мощности, специально предназначенный для управления коллекторным электродвигателем (электродрель, вентилятор и т. д.), имеет некоторые особенности. Во-первых, электродвигатель с силовым тиристором включены в одну из диагоналей выпрямительного моста, а на другую подано сетевое напряжение. Кроме того, этот тринистор управляется не короткими импульсами, как в традиционных устройствах, а более широкими, благодаря чему кратковременные отключения нагрузки, характерные для работающего коллекторного электродвигателя, не сказываются на стабильности работы регулятора.

На однопереходном транзисторе VT1 собран генератор коротких (доли миллисекунд) положительных импульсов, используемых для управления вспомогательным тиристором VS1. Питается генератор трапецеидальным напряжением, получаемым благодаря ограничению стабилитроном VD1 положительных полуволн синусоидального напряжения, следующих с частотой 100 Гц. С появлением каждой полуволны такого напряжения конденсатор С1 начинает заряжаться через цепь из резисторов R1—R3. Скорость зарядки конденсатора можно регулировать в некоторых пределах переменным резистором R1.

Как только напряжение на конденсаторе достигает порога открывания транзистора (он зависит от напряжения на базах транзистора и может регулироваться резисторами R4 и R5), на резисторе R5 появляется положительный импульс, поступающий затем на управляющий электрод тринистора VS1. Этот тринистор открывается и появляющийся на резисторе R6 более длительный (по сравнению с управляющим) импульс включает силовой тринистор VS2. Через него напряжение питания поступает на электродвигатель M1.

Момент открывания управляющего и силового тиристоров, а значит, мощность на нагрузке (иначе говоря, частоту вращения вала электродвигателя) регулируют переменным резистором R1. Поскольку в анодную цепь тринистора VS2 включена индуктивная нагрузка, может наблюдаться самопроизвольное открывание тринистора даже без сигнала на управляющем электроде. Чтобы избежать этого, параллельно обмотке возбуждения LB электродвигателя включен диод VD2.

Кроме указанного на схеме тиристорный регулятор двигателя, вспомогательный тиристор VS1 может быть другой маломощный, с допустимым прямым напряжением не менее 100 В; тринистор VS2 — КУ202М, КУ201К, КУ201Л; стабилитрон — с напряжением стабилизации 27…36 В; диод VD2 — любой выпрямительный с током не менее 0,3 А и обратным напряжением более 400 В; диоды VD3—VD6 — рассчитанные на выпрямленный ток более пускового тока электродвигателя и обратное напряжение не менее 400 В. Переменный резистор — СП-1, постоянные — МЛТ-0,25 (R2—R6) и МЛТ-2 (R7), конденсатор — КМ-6.

Детали тиристорный регулятор двигателя, кроме переменного резистора и диода VD2 (его устанавливают на электродвигателе), монтируют на плате (рис. 2) из фольгированного стеклотекстолита. В местах точек 1—3 на плате устанавливают пустотелые заклепки (они видны на рис. 3), к которым в дальнейшем припаивают проводники от переменного резистора и электродвигателя. Плату с переменным резистором размещают в подходящем по габаритам корпусе, на стенке которого можно установить розетку для подключения электродвигателя.

При налаживании тиристорный регулятор двигателя пользуются стробоскопом, измеряющим частоту вращения патрона электродрели либо крыльчатки вентилятора, или вольтметром переменного тока (желательно электромагнитной или электродинамической системы), подключенным параллельно нагрузке. Сначала резистор R2 ставят сопротивлением 30 кОм, а вместо R3 включают переменный резистор сопротивлением 220 ком. Перемещая движок резистора R1 из одного крайнего положения в другое, отмечают изменение напряжения на нагрузке. С помощью резистора R3 устанавливают диапазон регулировки этого напряжения 90…220 В, после чего измеряют получившееся сопротивление резистора R3 и впаивают в регулятор постоянный резистор такого же или возможно близкого номинала. Если при минимальном питающем напряжении электродвигатель работает неустойчиво, устанавливают резистор R2 с меньшим сопротивлением.

Тиристорные схемы управления асинхронными двигателями

Александр Ситников (Кировская обл.)

Рассматриваемая в статье схема позволяет осуществить безударный пуск и торможение электродвигателя, увеличить срок службы оборудования и снизить нагрузку на электросеть. Плавный пуск достигается путём регулирования напряжения на обмотках двигателя силовыми тиристорами.

Устройства плавного пуска (УПП) широко применяются в различных электроприводах. Структурная схема разработанного УПП приведена на рисунке 1, а диаграмма работы УПП – на рисунке 2. Основой УПП являются три пары встречно-параллельных тиристоров VS1 – VS6, включенных в разрыв каждой из фаз. Плавный пуск осуществляется за счёт постепенного

увеличения прикладываемого к обмоткам электродвигателя сетевого напряжения от некоторого начального значения Uначдо номинального Uном. Это достигается путём постепенного увеличения угла проводимости тиристоров VS1 – VS6 от минимального значения до максимального в течение времени Тпуск, называемого временем пуска.

Обычно значение Uначсоставляет 30…60% от Uном, поэтому пусковой момент электродвигателя существенно меньше, чем в случае подключения электродвигателя на полное напряжение сети. При этом происходит постепенное натяжение приводных ремней и плавное зацепление зубчатых колес редуктора. Это благоприятно сказывается на снижении динамических нагрузок электропривода и, как следствие, способствует продлению срока службы механизмов и увеличению интервала между ремонтами.

Применение УПП также позволяет снизить нагрузку на электросеть, поскольку в этом случае пусковой ток электродвигателя составляет 2 – 4 номинала тока двигателя, а не 5 – 7 номиналов, как при непосредственном пуске. Это важно при питании электроустановок от источников энергии ограниченной мощности, например, дизель-генераторных установок, источников бесперебойного питания и трансформаторных подстанций малой мощности

(особенно в сельской местности). После завершения пуска тиристоры шунтируются байпасом (обходным контактором) К, благодаря чему в течение времени Траб на тиристорах не рассеивается мощность, а значит, экономится электроэнергия.

При торможении двигателя процессы происходят в обратном порядке: после отключения контактора К угол проводимости тиристоров максимален, напряжение на обмотках электродвигателя равно сетевому за вычетом падения напряжения на тиристорах. Затем угол проводимости тиристоров в течение времени Тторм уменьшается до минимального значения, которому соответствует напряжение отсечки Uотс, после чего угол проводимости тиристоров становится равным нулю и напряжение на обмотки не подается. На рисунке 3 приведены диаграммы тока одной из фаз двигателя при постепенном увеличении угла проводимости тиристоров.

На рисунке 4 приведены фрагменты принципиальной электрической схемы УПП. Полностью схема приведена на сайте журнала. Для её работы требуется напряжение трех фаз А, В, С стандартной сети 380 В частотой 50 Гц. Обмотки электродвигателя при этом могут быть соединены как «звездой», так и „треугольником“.

В качестве силовых тиристоров VS1 – VS6 применены недорогие приборы типа 40TPS12 в корпусе ТО-247 с прямым током Iпр= 35 А. Допустимый ток через фазу составляет Iдоп= 2Iпр= 70 А. Будем считать, что максимальный пусковой ток составляет 4Iном, откуда следует, что Iном

Тиристорный регулятор

Тиристорный регулятор – устройство для подстройки мощности передаваемой электрической энергии, использующее в конструкции тиристорный силовой ключ. Применяется для изменения скорости вращения двигателей, силы светимости приборов иллюминации и прочих целей.

Общие сведения

Все современные технические решения образованы в начале второй половины XX века. Глупо считать учебники того времени устаревшими. Нельзя обойти благодарностью Шубенко В.А., Браславского И.Я. и остальной коллектив авторов, приготовивших для читателей столь замечательный материал.

Тиристоры так часто используются в регуляторах, что давно уже вытеснили транзисторы. Это объясняется высокими эксплуатационными и энергетическими характеристиками в роли управляемых вентилей. Основным преимуществом считается плавность настройки параметров. Хотя в ранних моделях и современных это реализуется принципиально иными путями. В результате привод характеризуется рядом положительных качеств:

1. Повышенный КПД;
2. Быстродействие;
3. Резко очерченная форма управляющего сигнала;
4. Дешевизна;
5. Простота;
6. Небольшие размеры.

Тиристорные регуляторы сегодня найдутся везде. В стиральных машинах изменяют плавно скорость вращения вала путём отсечки тока, в кухонных комбайнах по величине искрения подстраивают потребляемую мощность для стабилизации оборотов. Ранее тиристорные регуляторы применялись исключительно для асинхронных двигателей, преимущественно в паре с короткозамкнутым ротором. Сегодня принципиально новые технические решения намного раздвинули границы указанной отрасли. Уже в 60-е годы схемы применялись по двум направлениям:

• Настройка амплитуды питающего напряжения.
• Преобразование частоты питающего напряжения.

Первая методика считается универсальной и годится для абсолютного большинства двигателей. Вторая демонстрирует ограничения, на современном этапе в бытовых приборах встречается крайне редко, отвоевав сегмент среди промышленных применений. В домашнем оборудовании нынче применяется иная методика – отсечка тока (фазовый метод). Часть периода ключ пропускает переменное напряжение, в остальное время закрывается. Такой режим характеризуется минимальными затратами энергии при приемлемых характеристиках.

Типичная схема использования

В большинстве случаев схема применения тиристорного регулятора остаётся прежней, мало меняющейся с годами:

1. Программные установки (ПУ) в виде кода закладываются в память арифметического устройства (АУ) электронного блока. В стиральной машине это самая дорогая часть. Настолько, что замена часто нецелесообразна.
2. Тиристорный регулятор служит вводным устройством (ВУ), куда поступает управляющий сигнал.
3. Изменённое напряжение воздействует на сервисный привод (СП), обмотки двигателя, коллектор и пр. Линия обратной связи показывает, что малая нестабильность компенсируется непосредственно без участия центрального процессора. Выше уже говорилось про величину искрения.
4. Механизм (М) отрабатывает команды. На валу стоит централизованный датчик положения (ЦДП), по которому процессор понимает, что происходит в результате подачи команд. При необходимости алгоритм корректируется.

До тиристорных регуляторов использовались генераторы с непосредственным управлением либо ртутные выпрямители, с легко изменяемыми характеристиками. Но указанные устройства работали лишь в паре с коллекторными двигателями. Следовательно, простота, дешевизна, неприхотливость асинхронных оказывались не востребованы до появления тиристорных регуляторов.

Схема фазного управления двигателем

На рисунке представлена простейшая тиристорная схема для управления движением вала. Через ветки проходят импульсы обеих полярностей. При необходимости тиристор возможно запереть. В зависимости от совокупности управляющих сигналов изменяется порядок чередования фаз, что обеспечивает возможность реверсирования вала. Первая схема решает указанную задачу, вторая одновременно задаёт угол отсечки.

Безусловным плюсом такого технического решения считается возможность безболезненного отключения двигателя от сети на период торможения. Этим блокируется возврат энергии в сеть. Становится возможным режим противовключения. При открытых тиристорах 1 и 7 на одну обмотку приложены все напряжения. Как результат, образуется ощутимая постоянная составляющая. Продуцируемое ею магнитное поле служит интенсивному динамическому торможению вала, обусловленному потокосцеплением. Эта схема по-другому называется в литературе двухпульсным питанием в сети с изолированной нейтралью.

Интенсивность тормозящего магнитного поля регулируется введением в фазу А дополнительного резистора, не участвующего в работе, но только в останове. Одновременно тиристоры 9 и 10 полностью закрыты, току не остаётся другого пути. Это нужно, чтобы избежать перегрева и отдачи большого пика реактивной мощности в цепь. Управляющие цепи для упрощения на рисунке не показаны.

Тиристоры характеризуются конечным временем переключения, остаётся возможность создания ситуации, когда один ключ ещё работает, а второй уже включился. Что приведёт немедленно к межфазному короткому замыканию. В результате оба тиристора выйдут из строя из-за перегрева, ведь полупроводниковый p-n-переход теряет свойства необратимо в последнем случае. Кремниевые приборы предпочтительнее, выдерживают нагрев почти до 150 градусов Цельсия. Разумеется, силовые ключи снабжаются мощными радиаторами.

В этом плане режим отсечки тока, применяемый в современных схемах, смотрится намного более привлекательным, значительную часть периода ключ отдыхает. Если брать в рассмотрение компьютерные импульсные блоки питания, охлаждением занимается небольшой вентилятор. Без него размеры радиатора тиристорного ключа пришлось бы увеличить. В современных схемах повсеместно применяется широтно-импульсная модуляция, одним из методов реализации становится отсечка тока.

Чтобы тиристоры не срабатывали одновременно, полагается управляющие сигналы подавать с задержкой. Корректировка скорости на представленной схеме выполняется чередованием режимов питания и динамического торможения. Для коллекторных двигателей это излишне. Гораздо эффективнее менять угол отсечки для корректировки подаваемой мощности. Это одновременно сберегает потребляемую энергию, увеличивая КПД установки.

Непрерывный режим питания двигателя обеспечивается выработкой управляющих импульсов согласованно с переходом напряжения через нуль. Одна из возможных схем реализации упомянутой концепции представлена на рисунке. Её вариант показан для управления встречно включёнными тиристорами, чтобы избежать одновременного открытия ключей.

Фазовое управление тиристорами

Регуляция скорости вращения при помощи тиристоров с внедрением цепи обратной связи обнаруживает ряд преимуществ. До введения подобных технических решений указанные задачи решали дроссели с работой в режиме насыщения, отличаясь рядом недостатков:

• Повышенный нижний порог срабатывания.
• Большие потери.
• Низкое быстродействие.

Схема управления напоминает показанную выше для обеспечения динамического торможения. Единственная разница в отсутствии резистора. Впрочем, выше уже делался намёк, что представленное техническое решение годится для создания нужных углов отсечки, что аналогично по смыслу. Исходя из опытных данных, определены требования к управляющим импульсам:

1. Крутой фронт.
2. Ширина не менее 60-ти градусов.
3. Начальный момент включения в районе 20 градусов по фазе.

В схемах с глухозаземлённой нейтралью допустимо рассматривать каждую фазу по отдельности, словно работает обычный двигатель стиральной машины в сети 220 В. В цепях с изолированной нейтралью для правильной коммутации приходится учитывать фазовый угол каждой питающей линии и включать тиристоры попарно. С изменением задержки относительно времени прохождения напряжения через нуль варьируется передаваемая мощность. При угле сдвига фаз в 135 градусов вал переходит на минимальный режим, соответствующий холостому ходу (без нагрузки). Это верхний предел для систем фазной регулировки посредством тиристоров.

На схожем принципе действуют современные системы управления: пылесос, стиральная машина, кухонный комбайн и т.д. Минимальным углом отсечки для асинхронных двигателей считается 20 градусов. Согласно очевидным соображениям, сдвиг фаз схемы управления не должен зависеть от колебаний входного напряжения, реализуется за счёт вертикального принципа. Примеры конструкций на рисунке.

Конденсатор С1 служит для создания пилообразного напряжения. Начало импульсов синхронизировано с точкой перехода потенциала питания через нуль. Длина зуба достигает 160 градусов (почти половина периода), что и требуется, поскольку верхний порог регулирования составляет 135. Измерение текущего состояния системы производится по мостовой схеме. В нужный момент открывается ключ, формируя импульс, запускающий блокинг-генератор.

Трансформатор Тр1 питается от линии трёхфазной сети. Когда на обмотке минус, отпирается диод Д1, и питание идёт мимо конденсатора. Пилообразный импульс спадает. Заряд происходит при запертом диоде Д1. Момент открывания и, как следствие, форма зубца, регулируются подтягиванием напряжения Uy до нужного значения. Этим занимается схема управления, оценивающая одновременно скорость вращения вала. Блокинг-генератор формирует импульс заданной длины в требуемый момент времени, реализуя управление тиристорной схемой регулирования оборотов.

Оптимальное быстродействие

В системах регулирования скорости промышленного назначения не отмечается трудностей с разгоном, который легко реализуется при помощи системы реле и многоступенчатых реостатов. Когда начинается торможение, требуется вычислить момент начала подачи управляющих сигналов для снижения негативных эффектов.

Указанную задачу решает специальный блок, занимающийся оценкой текущего состояния системы. Опытным путём рассчитывается схема торможения, в управляющее устройство закладывается готовый алгоритм. При помощи датчиков определяется рассогласование между текущим состоянием и моментом начала торможения. Среди данных появляются величины – угловой путь вала до останова и прочие.

Обратная связь по скорости нелинейна и, как правило, не может быть рассчитана, данные об этой зависимости вводятся в память вычислителя. Как результат, согласно имеющейся нагрузке и динамическим показателям системы вырабатывается команда останова в нужный момент времени. Учитываются факторы:

1. Отсутствие перегрева обмоток импульсом тока останова.
2. Минимизация отдачи в сеть реактивной мощности.
3. Продление срока эксплуатации установки.
4. Отсутствие условий для создания аварий и механических перегрузок.

В ходе разработки системы управления тиристорным регулятором учитывается факт невосприимчивости асинхронного двигателя к воздействующим факторам на низких оборотах. В этом случае требуется минимальное рассогласование по скорости между полями ротора и статора, обеспечивающими возникновение токов Фуко и, как следствие, наличие потокосцепления. Это существенное ограничение асинхронных двигателей, из-за которого их применение в быту сводится к минимуму.