Fonte de alimentação para um motor elétrico trifásico de uma rede monofásica com controle de velocidade. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Os motores elétricos assíncronos (inclusive trifásicos) são amplamente utilizados na vida cotidiana e na produção para acionar máquinas e mecanismos cuja velocidade de operação é constante ou variada por meio de caixas de engrenagens de relação variável e outros dispositivos mecânicos. Onde for necessário regular suavemente a velocidade de rotação do eixo, dá-se preferência, via de regra, a motores elétricos comutadores mais caros e menos confiáveis, para os quais esta operação é simples de realizar - basta alterar a tensão ou corrente de alimentação no enrolamento de excitação . Para controlar a velocidade do eixo de um motor assíncrono, é necessário alterar não só a tensão, mas também a frequência da corrente alternada em seus enrolamentos. O autor deste artigo fala sobre sua solução para esse problema. O dispositivo que ele desenvolveu permite alimentar um motor trifásico assíncrono com potência de até 3,5 kW a partir de uma rede monofásica e alterar sua frequência de rotação em mais de 10 vezes.

Freqüentemente, é necessário alterar suavemente a velocidade de máquinas e mecanismos equipados com acionamento elétrico. Os motores elétricos comutadores normalmente utilizados nesses casos são caros, requerem manutenção periódica e são inferiores aos assíncronos em confiabilidade, vida útil e indicadores de peso e tamanho.

A indústria produz dispositivos de controle de frequência para velocidade de rotação de motores assíncronos.

Esses dispositivos são complexos e caros, por isso são utilizados apenas em casos críticos, por exemplo, em acionamentos de máquinas CNC. Esquemas de tais reguladores para autoprodução também foram publicados na revista "Radio" [1, 2]. Infelizmente, eles são projetados para motores de potência muito baixa.

O principal problema que surge no desenvolvimento de um regulador de frequência é a necessidade de alterar, junto com a frequência, o valor efetivo da tensão fornecida aos enrolamentos do motor. O fato é que à medida que a frequência da corrente alternada diminui, a resistência indutiva do enrolamento diminui, o que leva a um aumento inaceitável da corrente que flui por ele. Para evitar o superaquecimento do enrolamento e a saturação do circuito magnético do estator, é necessário reduzir a tensão de alimentação do motor.

Uma forma de fazer isso, recomendada em [3], é conectar o motor através de um autotransformador ajustável, cujo contato móvel é conectado mecanicamente ao regulador de frequência. O método, é preciso dizer, é muito inconveniente, pois a massa e as dimensões do autotransformador são comparáveis ​​às do próprio motor, e a confiabilidade do contato móvel na transmissão de alta potência é questionável. É muito mais conveniente alterar o valor da tensão efetiva usando modulação por largura de pulso (PWM) [4]. A fonte de alimentação regulada proposta para um motor elétrico trifásico assíncrono é baseada precisamente neste método.

A fonte é construída de acordo com o esquema mostrado na Fig. 1.

Um potente retificador, que faz parte da unidade de alimentação e proteção BPZ, converte a tensão alternada monofásica 220 V 50 Hz em 300 V direto. Usando três interruptores duplos SK1 - SKZ, eles comutam os enrolamentos do circuito elétrico trifásico motor M1, conectando-os na ordem e polaridade exigidas à saída do retificador. Os circuitos VD1L1 e VD2L2 protegem as chaves contra surtos de corrente de carga.

Os pulsos que controlam as chaves são gerados pelo bloco FID - gerador de pulsos de controle. O BPZ possui vários outros retificadores de baixa potência para alimentação da FIU e SC, além de uma unidade de proteção de corrente que desconecta o dispositivo da rede caso o valor permitido de consumo de corrente seja ultrapassado.

O esquema FIU é mostrado na fig. 2.

(clique para ampliar)

O chip DD1 contém um gerador de clock. Sua frequência é regulada pelo resistor variável R4.1 de 30 a 400 Hz. A frequência de pulso nas saídas dos microcircuitos DD4 e DD5 é seis vezes menor - de 5 a 66,7 Hz. Uma corrente exatamente desta frequência fluirá nos enrolamentos do motor M1 (ver Fig. 1), definindo a frequência de rotação de seu eixo. Não vale a pena reduzir a frequência abaixo do limite especificado, pois a rotação irregular do eixo será perceptível. E em uma frequência acima da nominal (50 Hz), o torque no eixo do motor cai drasticamente.

Os circuitos R5VD3C3-R10VD8C8 atrasam as bordas iniciais dos pulsos de controle, deixando suas bordas descendentes sem atraso. Isso é necessário para que os transistores de saída das chaves que compõem um par (por exemplo, SK1.1 e SK1.2), mesmo que por um tempo muito curto, não fiquem abertos ao mesmo tempo, o que seria seria equivalente a um curto-circuito de uma fonte de tensão de 300 V DC e levaria, na melhor das hipóteses, ao superaquecimento e, na pior das hipóteses, à falha desses transistores e, com eles, de outros elementos do SC.

As entradas dos elementos lógicos DD6.1-DD6.4, DD2.3, DD2.4, além de pulsos com frequência de 5...66,7 Hz, recebem pulsos de maior frequência de ciclo de trabalho ajustável do gerador nos elementos DD2.1 .2.2, DD4.1. Os resistores variáveis ​​​​R4.2 e RXNUMX estão emparelhados, portanto, nas saídas dos elementos listados acima, simultaneamente com a mudança na taxa de repetição das rajadas, o ciclo de trabalho dos pulsos que preenchem essas rajadas muda.

Os resistores R2 e R3 são selecionados de tal forma que em velocidades nominais ou aumentadas, quase toda a tensão é fornecida ao motor e, à medida que diminuem, diminui aproximadamente pela metade. Como resultado, a uma frequência reduzida em dez vezes, a corrente consumida pelo motor elétrico é apenas ligeiramente superior à nominal.

Os inversores DD7.1-DD7.6 com maior capacidade de carga servem como elementos tampão. Seus circuitos de saída incluem LEDs de optoacopladores instalados nos interruptores SK1-SKZ e fornecem isolamento galvânico entre os circuitos de controle e as unidades de fonte de alimentação.

O diagrama SC é mostrado na Fig. 3. Existem seis chaves no total (duas para cada fase). Durante os intervalos de tempo em que nenhuma corrente flui através do optoacoplador LED U1, como resultado do seu fotodiodo ter uma alta resistência, os transistores VT1 e VT2 estão abertos, VT3 e VT4 estão fechados - a chave está aberta. Quando a corrente flui através do LED, a chave é fechada. Os elementos VD3-VD6, R3 e C1 proporcionam fechamento forçado do transistor VT4, o que reduz as perdas de energia e facilita o regime térmico da chave.

O diodo VD7 protege o transistor VT4 contra picos de tensão em uma carga indutiva. Você pode aprender mais sobre o projeto de interruptores de energia e métodos para protegê-los no livro [4]. Antes de conhecê-la, o autor queimou muitos transistores caros de alta potência.

O esquema BPZ é mostrado na fig. quatro.

Quatro retificadores estão conectados aos enrolamentos secundários do transformador T1. O primeiro deles, na ponte de diodos VD1, serve para alimentar as unidades de controle das chaves SK1.2-SKZ.2. A partir dele, através de um estabilizador no transistor VT1, os microcircuitos PFI são alimentados. Para alimentar os nós de controle das chaves SK1.1 - SK3.1, que estão em alto potencial, são utilizados três retificadores isolados em pontes de diodo VD2-VD4.

O retificador de potência é montado com diodos VD7-VD10 e está equipado com um filtro de suavização C7L1C8. Ao pressionar o botão SB2, o circuito do enrolamento do contator KM1 é fechado. O contator ativado permanece neste estado devido aos contatos fechados do KM1.2. Uma tensão de 220 V, 50 Hz é fornecida à ponte de diodos VD7-VD10 através dos contatos fechados KM 1.1 e do enrolamento primário do transformador de corrente T2. Você desliga o contator e o motor elétrico M1 (ver Fig. 1) pressionando o botão SB1.

A tensão no enrolamento secundário do transformador T2, retificada pela ponte de diodos VD6, é proporcional à corrente consumida da rede. Assim que parte desta tensão, retirada do motor do resistor variável R2, ultrapassar o limite de abertura do tiristor VS1, o relé K1 entrará em operação e com seus contatos K1.1 abrirá o circuito do enrolamento do contator KM1, desconectando o retificador de potência da rede.

O transformador T1 com potência total de pelo menos 60 W deve ter quatro enrolamentos secundários bem isolados para uma tensão de 12 V. Enrolamento II - para uma corrente de 2 A. Enrolamentos III-V - para 0,7 A. Em vez de um multi- enrolamento um, você pode usar vários transformadores com menos enrolamentos.

O núcleo magnético do transformador T2 é um anel K28x6x9 feito de ferrite 2000NM. Seu enrolamento secundário contém 300 voltas de fio PEL 0,22, e o papel do enrolamento primário é desempenhado por um fio que passa pelo orifício do anel e vai até a ponte de diodos VD7-VD10.

O relé K1 - RES22 (RF4.500.121) pode ser substituído por qualquer um com tensão de operação de 12 V e pelo menos um grupo de contatos normalmente fechados. O contator KM1 com enrolamento de 220 V é selecionado com base na potência do motor elétrico. As bobinas L1 e L2 (Fig. 1) são sem moldura, cada uma contendo 25 voltas de fio PEL 1,5, enroladas a granel em um mandril com diâmetro de 30 mm.

Os detalhes e design dos componentes do SC (ver Fig. 3) devem ser tratados com atenção especial. São essas unidades que causam mais problemas e danos materiais se falharem. Todas as peças devem ser cuidadosamente verificadas antes da instalação, e as “suspeitas” devem ser rejeitadas impiedosamente. O transistor VT4 é instalado em um dissipador de calor com área suficiente (na versão do autor - 400 cm2). Ao lado dele, no mesmo dissipador de calor, é colocado um transistor VT3, e os terminais do diodo VD7 são soldados diretamente aos terminais do transistor VT4.

Um par de transistores KT8110A, KT8155A pode ser substituído por um composto MTKD-40-5-3. Está equipado com um diodo de proteção interno, portanto o diodo VD7 não é necessário no caso de tal substituição. Os transistores compostos MTKD-40-5-2, que são semelhantes em parâmetros, não são adequados neste caso, pois não possuem um terminal externo para a base do segundo transistor (potente). A superfície do dissipador de calor dos transistores MTKD-40 5 3 é eletricamente isolada da estrutura semicondutora, de modo que os transistores de todos os interruptores podem ser instalados em um dissipador de calor comum.

Todos os circuitos de energia devem ser feitos de fios rígidos, curtos e retos, se possível, e removidos dos circuitos da UIF. A seção transversal de cada fio deve corresponder à corrente que flui. Além disso, é perigoso não só subestimar, mas também superestimar o diâmetro dos fios. Os circuitos VD1L1 e VD2L2 (ver Fig. 1) são montados próximos às chaves, soldando-os aos terminais dos transistores correspondentes. Se o bloco de interruptores não for compacto, é aconselhável equipar cada par de interruptores com circuitos de proteção semelhantes.

Ao configurar a fonte, em primeiro lugar, usando um osciloscópio, verifique a presença e a forma dos pulsos nos terminais dos microcircuitos FIU, depois, sem aplicar tensão na ponte de diodos VD7-VD10 (ver Fig. 4) e sem conectar motor M1, verifique se os pulsos estão chegando nas bases dos transistores VT3 em todos os SCs.

Depois disso, a FIU é desligada e a tensão da rede é fornecida à ponte de diodos através de um autotransformador ajustável, aumentando gradativamente de 0 a 220 V. O motor permanece desconectado. A corrente consumida pelo CK não deve exceder várias dezenas de microamperes. Convencidos disso, baixam a tensão na saída do autotransformador para zero e bloqueiam temporariamente o PWM (para isso basta quebrar o fio na FIU que conecta a saída do elemento DD2.2 às entradas dos elementos DD2.3, DD2.4, DD5.1-DD5.4), inclua o nome completo. Novamente, aumentando gradativamente a tensão fornecida ao SC, verifique o consumo de corrente. Ele ficará maior, mas mesmo na frequência máxima não deve ultrapassar 100 µ A. A operação é repetida desbloqueando o PWM e monitorando o formato da tensão com um osciloscópio nos pontos destinados à conexão dos enrolamentos do motor.

Se todas as verificações foram bem-sucedidas, você pode conectar um motor elétrico trifásico de potência relativamente baixa (até 1 kW) à fonte e verificar sua operação com tensão sem carga reduzida e, em seguida, com tensão nominal de rede e carga mecânica. A temperatura dos transistores de potência e a corrente total consumida da rede devem ser monitoradas constantemente. Depois de certificar-se de que a fonte está totalmente operacional, você pode alimentar motores elétricos com potência de até 3,5 kW.

Literatura

1. Dubrovsky A. Controlador de velocidade de motores assíncronos trifásicos. - Rádio, 2001, nº 4, p. 42, 43.
2. Pyshkin V. Inversor trifásico. - Rádio, 2000, nº 2. p. 35.
3. Kalugin S. Refinamento do controlador de velocidade de motores assíncronos trifásicos. - Rádio, 2002, nº 3, p. 31.
4. Interruptores de semicondutores Voronin P. Power. - M.: Dodeka, 2001.

Autor: V.Naryzhny, Bataysk, região de Rostov.

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