CC BY
30
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2004 р. Вип. № 14
УДК 621.361.925.2.007
Дьяченко М.Д.1, Бурлака В.В.2, Якин А.И.3
ВКЛЮЧЕНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В ОДНОФАЗНУЮ СЕТЬ
Рассмотрены вопросы включения трехфазного двигателя в однофазную сеть.
Показано, что создание "виртуальной фазы " позволяет получить высокий КПД и
момент на валу двигателя.
В различных установках и механизмах, где используется привод малой мощности без регулировки скорости вращения, применяют универсальные коллекторные или асинхронные двигатели.
Как правило, трехфазным асинхронным двигателям в этом случае отдают предпочтение, так как они более надежны. Но работа трехфазного двигателя в однофазном режиме с фазосдвигающим конденсатором приводит к резкому снижению КПД, потери мощности и, как следствие, перегрев двигателя, несмотря на то, что мощность, развиваемая двигателем не превышает 60-70 % от номинальной.
Примерный вид линейных напряжений на двигателе при конденсаторном пуске приведен на рис. 1.
При работе трехфазного электродвигателя с фазосдвигающим конденсатором по одной из обмоток протекает ток на 30-40 % больше номинального, что приводит к повышенному нагреву двигателя.
А в линейном напряжении присутствует напряжение обратной ^ последовательности, что снижает
Рис. 1 - Векторная диаграмма напряжений на полезный механический момент на валу, двигателе при конденсаторном пуске Кроме этого, оптимальная емкость
фазосдвигающего конденсатора зависит от момента на валу двигателя, что затрудняет его подбор при резкопеременной нагрузке.
Цель данной статьи - анализ проблемы и создание дешевого нерегулируемого привода на базе трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Предложен вариант питания трехфазных двигателей малой мощности от однофазной сети с формированием дополнительного напряжения синусоидальной формы, имитирующего трехфазную сеть.
Как правило, при напряжении сети 220 В обмотки электродвигателя включают треугольником. Основная идея заключается в том, чтобы третью фазу сгенерировать посредством электроники. В результате может быть сформирована векторная диаграмма напряжений, приведенная на рис. 2.
Формирование "виртуальной фазы" осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции при коммутации силовых ключей УТ1 и УТ2. Питание силовых ключей осуществляется от выпрямителя с удвоением напряжения (схема Латура) на элементах УВ1С1УБ2С2.
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
2 ПГТУ, студент
3 ОАО "Азовмаш", инженер
ивых
Рис. 2 - Результирующая векторная диаграмма напряжений: О - потенциал нуля сети, Ф - потенциал фазы сети, Uc - вектор напряжения сети. Ubmx - потенциал, созданный вспомогательной электроникой, а,Ь,с - потенциалы выводов двигателя, Uab, Übe, Uca - линейные напряжения на обмотках двигателя.
Силовая часть преобразователя может быть выполнена по следующей схеме:
Рис. 3 - Выходной каскад формирователя "виртуальной фазы"
Транзисторы УТ1 и УТ2 должны быть выбраны с учетом того, что к закрытому транзистору прикладывается удвоенное амплитудное напряжение сети (620В при действующем 220В). Они могут быть как полевыми, так и биполярными, а также ЮВТ.
Формирование "виртуальной фазы" осуществляется, как было отмечено, с использованием широтно-импульсной модуляции (ТТТИМ) Это позволяет сформировать синусоидальное напряжение с малым коэффициентом гармоник при минимальных потерях мощности. Это позволяет достигнуть максимального КПД двигателя, из-за снижения потерь от высших гармоник, но резко усложняет схему управления силовыми ключами.
Более простое решение возможно при формировании прямоугольного напряжения вместо синусоидального.
Для обоснования возможности этого рассмотрим разложение последовательности прямоугольных импульсов в ряд Фурье:
1 ... 1 ... 1 Л
f(wt) :=
4- а С
т ит
ж
sin(wt) + — sin(3 wt) + - sin(5 wt) + — sin(7 wt) + .. 3 5 7
V ^ ' У
?
где ат - амплитуда прямоугольного напряжения, - его круговая частота.
Как видно, формирование прямоугольного напряжения влечет за собой следующие недостатки:
4
^ действующее напряжение первой гармоники в — = 1.273 раз превышает напряжение
ж
сети. Это приводит к несимметрии системы линейных напряжений и появлению
напряжения обратной последовательности. Коэффициент напряжения обратной
1Г4 ^
последовательности составит К2 = —--1 =0.091;
зи )
У появление в выходном напряжении преобразователя высших гармоник. Коэффициент
гармоник будет равен Кг = 1 -
(
= 0.435. Это довольно значительная
\7t42 )
величина, если учесть, что в данной схеме не будут исключены гармоники, кратные трем (они будут присутствовать в линейных напряжениях Uca и Übe). Но поскольку для токов высших гармоник индуктивность двигателя представляет повышенное сопротивление, негативное влияние высших гармоник снизится.
В то же время, при формировании прямоугольного напряжения с частотой сети снижаются требования к скорости переключения транзисторов, уменьшаются потери на переключение и отпадает необходимость в сложном ШИМ-контроллере.
Определенные трудности в управлении силовыми ключами вызывает то, что необходимо два гальванически изолированных источника питания. Эта проблема решается применением "зарядного насоса" (элементы VD3C3 рис. 4).
Vcc
Рис. 4 - Питание верхнего ключа с применением схемы "зарядного насоса"
В результате применения зарядного насоса для питания схемы управления ключами необходим уже только один гальванически развязанный от сети источник питания Усс.
Силовые ключи должны быть выбраны с учетом амплитуды пускового тока питаемого двигателя. Для повышения надежности устройства можно сделать ограничение выходного тока на уровне, безопасном для силовых транзисторов, а также контролировать перегрев силовых ключей и диодов выпрямителя VI) 1 и \Т)2.
Если все же решено использовать ТТТИМ то возрастают требования к скорости переключения силовых транзисторов. Здесь уже нельзя использовать оптопары общего применения для гальванической развязки. Для управления ключами лучше всего применить специализированный драйвер (например, 1Я2213 допускает напряжение питания до 1200В, имеет выходной ток 1.7А в импульсе и обеспечивает длительность переключения затворов 280нс). Входной сигнал для драйвера должен формироваться контроллером (например, АТ9082313 или Р1С16Р84). На выходе преобразователя необходим фильтр низких частот (ФНЧ), подавляющий несущую частоту ТТТИМ С учетом всего сказанного структурная схема преобразователя примет вид:
УР1
Здесь сигналы НО,ЬО и ЕЫ - управляющие входы 1Я2213. Сигнал БВ - это напряжение обратной связи, получаемое с делителя Я1Я2. ФНЧ Ь1СЗ подавляет в выходном напряжении высшие гармоники, т.е. тактовую частоту широтно-импульсного модулятора. Без него невозможна нормальная работа цепи обратной связи.
Несомненным преимуществом применения широтно-импульсной модуляции является то, что на двигателе формируется синусоидальная система напряжений с малым коэффициентом гармоник и малой несимметрией. Все это позволяет говорить о том, что трехфазный двигатель сможет развить 100 % номинальной мощности при высоком КПД, получая питание от однофазной сети.
В перспективе предполагается дальнейшая доработка программы управления и схемы устройства: ограничение выходного тока, защита от недо- и перенапряжения, тепловая защита двигателя и силовых элементов, повышение соэф. Также необходимо проанализировать возможность удешевления устройства.
Выводы
1. Показана возможность применения в маломощном электроприводе трехфазных электродвигателей с включением их в однофазную сеть и максимальным использованием их паспортной мощности.
2. Применение разработанного механизма формирования "виртуальной фазы" позволяет резко повысить надежность работы механизмов за счет введения двигателей в штатный температурный режим.
Перечень ссылок
1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник / Л.А. Бессонов. - М.: Гардарики, 2002. - 638с.
2. Притужалов В.Я. Электрические машины: Учеб. пособ. / В.Я. Притужалов. - Мариуполь: ПГТУ, 2002. - 250с.
3. http://martok.narod.ru/ip/dvigatel.htm
4. Бирюков С. Три фазы - без потери мощности / С. Бирюков II Радио. - 2000. - № 7. -С. 37-39.
5. Клейменов В. Трехфазное напряжение из однофазного / В. Клейменов II Радио. - 2002. -№1,- С.28.
6. Яковлев В. Ф. Трехфазный электродвигатель в однофазной сети / В. Ф. Яковлев II Электрик. -2001.-№12.-С. 12.
Статья поступила 25.02.2004
