Тиристорное управление двигателем переменного тока

Содержание

10.11. Тиристорные схемы управления двигателями переменного тока

  • Тиристорные схемы управления двигателями постоянного тока

    Схемы управления двигателями постоянного тока были одной из первых областей применения тиристорных преобразователей с фазовым регулированием. При использовании одиночного мостового преобразователя и системы изменения полярности магнитного поля может быть получена рекуперация энергии. Однако быстродействие…
    (Силовая электроника. Руководство разработчика)

  • Отечественные микросхемы управления коллекторными двигателями переменного тока

    В настоящее время разработаны и серийно выпускаются ИМС управления коллекторными двигателями переменного тока типа IЬА1185АО/1ЬА1185А1Ч, И_90100/11_9010М, 1Ь20ЮВО/1иЮ1(ЮМ. Все эти ИМС используют внешний си- мистордля работы . Микросхемы в основном предназначены для стабилизации скорости вращения…
    (Полупроводниковая силовая электроника)

  • Тиристорные регуляторы напряжения переменного тока с естественной коммутацией

    Общие сведения Тиристорные регуляторы переменного тока согласно определению МЭК относятся к устройствам, которые могут работать как прямой преобразователь напряжения переменного тока, выполняя функции регулятора тока, и как электронный коммутационный аппарат. Последний выполняет функции включения…
    (Силовая электроника)

  • ТИРИСТОРНЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

    Тиристорные коммутаторы Тиристорные коммутаторы позволяют устранить недостатки контактной аппаратуры, связанные с наличием механической контактной системы. Высокое быстродействие полупроводниковых приборов позволяет придать тиристорным пускозащитным, регулирующим и коммутирующим устройствам новые…
    (Силовые преобразователи в электроснабжении)

  • Параметры по переменному току и повторяемость результатов

    Параметры по переменному току, такие как отношение сигнал/шум (SNR), эффективная разрешающая способность (ER), отношение сигнал/(шум + искажения) (SINAD) или эффективное число битов (ENOB), дают информацию о повторяемости (стабильности) результата на выходе аналого-цифрового преобразователя. Определяя…
    (Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике)

  • Переменный ток «против» постоянного

    Внимание! Переменный ток опасен. Он пригоден только для электрического стула. Общего между переменным и постоянным токами лишь то. что они берут начало из одинаковых куч угля. Так Томас Эдисон (Thomas Edison) пытался бороться с быстрым ростом использования переменного тока, который конкурировал с его…
    (Силовая электроника. Руководство разработчика)

  • Применение тиристоров в качестве ключей на переменном токе

    На Рис. 10.5 показана схема однофазного ключа на двух тиристорах, включенных встречно-параллельно. В этой схеме каждый тиристор проводит свою половину периода напряжения питания, причем доля напряжения, поступающего на нагрузку, определяется моментом подачи сигнала управления. Угол от перехода напряжением…
    (Силовая электроника. Руководство разработчика)

  • ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

    Свойства двигателей постоянного тока, как и генераторов, определяют способы возбуждения. Схемы двигателей отличаются от схем генераторов только наличием пускового реостата в цепи якоря. В двигателях постоянного тока относительная величина падения напряжения на якоре IaHRa/UH = 0,02-0,1, где 1ан…
    (Электрические машины)

  • ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

    Общие положения Электроприводом переменного тока называется электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин и механизмов, управления их технологическим процессом, состоящая из двигателя переменного тока, преобразовательного устройства, устройства управления…
    (Электропривод переменного тока)

Простейший ключ

Простейший ключ на биполярном транзисторе проводимости n-p-n выглядит следующим образом.

Вход слева подключается к цифровой схеме. Если у нас цифровая схема построена на основе КМОП-логики с двухтактным («push-pull») выходом, то логическая «1» фактически означает подключение этого входа к питанию, а логический «0» — к земле.

Таким образом, при подаче «1» на вход нашей схемы ток от источника питания потечёт через резистор R1, базу и эмиттер на землю. При этом транзистор откроется (если, конечно, ток достаточно большой), и ток сможет идти через переход коллектор — эмиттер, а значит и через нагрузку.

Резистор R1 играет важную роль — он ограничивает ток через переход база — эмиттер. Если бы его не было, ток не был бы ничем ограничен и просто испортил бы управляющую микросхему (ведь именно она связывает линию питания с транзистором).

Максимальный ток через один выход микроконтроллера обычно ограничен значением около 25 мА (для STM32). В интернете можно встретить утверждения, что микроконтроллеры AVR выдерживают ток в 200 мА, но это относится ко всем выводам в сумме. Предельное допустимое значение тока на один вывод примерно такое же — 20-40 мА.

Это, кстати, означает, что подключать светодиоды напрямую к выводам нельзя. Без токоограничивающих резисторов, микросхема просто сгорит, а с ними светодиодам не будет хватать тока, чтобы светить ярко.

Обратите внимание, что нагрузка (LOAD) подключена к коллектору, то есть «сверху». Если подключить её «снизу», у нас возникнет несколько проблем.

Допустим, мы хотим при помощи 5 В (типичное значение для цифровых схем) управлять нагрузкой в 12 В. Это значит, что на базе мы можем получить максимум 5 В. А с учётом падения напряжения на переходе база — эмиттер, на эмиттере будет напряжение ещё меньше. Если падение напряжения на переходе равно 0,7 В,то получаем, что на нагрузку остаётся только 4,3 В, чего явно недостаточно. Если это, например, реле, оно просто не сработает. Напряжение не может быть выше, иначе тока через базу вообще не будет. Наличие падения напряжения на нагрузке также приведёт к уменьшению тока через базу.

Для расчёта сопротивления R1 нужно вспомнить соотношение для упрощённой модели транзистора:

Коэффициент $\beta$ — это коэффициент усиления по току. Его ещё обозначают $h_{21э}$ или $h_{FE}$. У разных транзисторов он разный.

Зная мощность нагрузки $P$ и напряжение питания $V$, можно найти ток коллектора, а из него и ток базы:

По закону Ома получаем:

Коэффициент $\beta$ не фиксированная величина, он может меняться даже для одного транзистора в зависимости от режима работы, поэтому лучше брать значение тока базы при расчёте чуть больше, чтобы был запас по току коллектора. Главное помнить, что ток базы не должен превышать предельно допустимое для микросхемы.

Также важно при выборе модели транзистора помнить о предельном токе коллектора и напряжении коллектор — эмиттер.

Ниже как пример приведены характеристики некоторых популярных транзисторов с проводимостью n-p-n.

Модель $\beta$ $\max\ I_{к}$ $\max\ V_{кэ}$
КТ315Г 50…350 100 мА 35 В
КТ3102Е 400…1000 100 мА 50 В
MJE13002 25…40 1,5 А 600 В
2SC4242 10 7 А 400 В

Модели выбраны случайно, просто это транзисторы, которые легко найти или откуда-то выпаять. Для ключа в рассматриваемой схеме, конечно, можно использовать любой n-p-n-транзистор, подходящий по параметрам и цене.

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель, который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять, например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Пример расчёта простой схемы

Пусть, например, требуется включать и выключать светодиод с помощью микроконтроллера. Тогда схема управления будет выглядеть следующим образом.

Пусть напряжение питания равно 5 В.

Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) типичных светодиодов диаметром 5 мм можно приблизительно оценить по таблице.

Цвет $I_{LED}$ $V_{LED}$
Красный 20 мА 1,9 В
Зеленый 20 мА 2,3 В
Желтый 20 мА 2,1 В
Синий (яркий) 75 мА 3,6 В
Белый (яркий) 75 мА 3,6 В

Пусть используется белый светодиод. В качестве транзисторного ключа используем КТ315Г — он подходит по максимальному току (100 мА) и напряжению (35 В). Будем считать, что его коэффициент передачи тока равен $\beta = 50$ (наименьшее значение).

Итак, если падение напряжения на диоде равно $V_{LED} = 3{,}6\,В$, а напряжение насыщения транзистора $V_{CE} = 0{,}4\,В$ то напряжение на резисторе R2 будет равно $V_{R2} = 5{,}0 — 3{,}6 — 0{,}4 = 1\,В$. Для рабочего тока светодиода $I_{LED} = 0{,}075\,А$ получаем

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд E12.

Для тока $I_{LED} = 0{,}075\,А$ управляющий ток должен быть в $\beta = 50$ раз меньше:

Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным $V_{EB} = 0{,}7\,В$.

Отсюда

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент $\beta$ может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты $\beta$ двух транзисторов умножаются, что позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры таких транзисторов приведены в таблице.

Модель $\beta$ $\max\ I_{к}$ $\max\ V_{кэ}$
КТ829В 750 8 А 60 В
BDX54C 750 8 А 100 В

В остальном работа ключа остаётся такой же.

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET, то есть полевые транзисторы с изолированным затвором (они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET (даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её «снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует, фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

где $V$ — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как постоянная времени $\tau = RC$ увеличится. Это важно, если транзистор часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе.

Основные параметры, на которые следует обращать внимание — это пороговое напряжение $V_{th}$, максимальный ток через сток $I_D$ и сопротивление сток — исток $R_{DS}$ у открытого транзистора.

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Модель $V_{th}$ $\max\ I_D$ $\max\ R_{DS}$
2N7000 3 В 200 мА 5 Ом
IRFZ44N 4 В 35 А 0,0175 Ом
IRF630 4 В 9 А 0,4 Ом
IRL2505 2 В 74 А 0,008 Ом

Для $V_{th}$ приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной мощности в виде тепла.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и сопротивление сток — исток мало. Однако, напряжение при включении не может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и обратно.

Относительная медленность переключения транзистора связана опять же с паразитной ёмкостью затвора. Чтобы паразитный конденсатор зарядился как можно быстрее, нужно направить в него как можно больший ток. А так как у микроконтроллера есть ограничение на максимальный ток выходов, то направить этот ток можно с помощью вспомогательного биполярного транзистора.

Кроме заряда, паразитный конденсатор нужно ещё и разряжать. Поэтому оптимальной представляется двухтактная схема на комплементарных биполярных транзисторах (можно взять, например, КТ3102 и КТ3107).

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального транзистора — она расположена «сверху». Если расположить её между транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение затвор — исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется не полностью и может перегреться и выйти из строя.

Тиристоры и симисторы

Тиристор — это полупроводниковый прибор, который может находится в двух состояниях:

  • открытом — пропускает ток, но только в одном направлении,
  • закрытом — не пропускает ток.

Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для включения и выключения нагрузки он подходит не очень хорошо. Половину времени на каждый период переменного тока прибор простаивает. Тем не менее, тиристор можно использовать в диммере. Там он может применяться для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек требуемой мощности.

Симистор — это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания нагрузки.

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

  • подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
  • подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.

Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет постоянной амплитуды.

После того, как симистор открылся, его можно закрыть поменяв полярность или снизив ток через него то величины, меньшей чем так называемый ток удержания. Но так как питание организовано переменным током, это автоматически произойдёт по окончании полупериода.

При выборе симистора важно учесть величину тока удержания ($I_H$). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не откроется.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например, MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА, поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до 1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они переключаются только в начале периода, что снижает помехи в электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое — симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для России, Украины и многих других стран) — это значение действующего напряжения. Пиковое напряжение равно $\sqrt2 \cdot 230 \approx 325\,В$.

Полезные источники

  1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
  2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
  3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
  4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
  5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
  6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
  7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
  8. Управление MOSFET-ами #1
  9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
  10. Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

ТИРИСТОРНЫЕ И СИМИСТОРНЫЕ СИЛОВЫЕ БЛОКИ

Традиционно, для включения мощных нагревательных элементов используются электромагнитные пускатели. Пускатель — это надежное устройство, но только если включается очень редко. Для точного регулирования температуры, напротив, требуется частое включение и выключение нагрузки. В таком режиме ресурс работы пускателя резко сокращается. Приходится выбирать между точностью регулирования и надежностью.
Другим недостатком работы с пускателем является тяжелый режим работы нагревателя. Включаясь на длительное время на полную мощность, он каждый раз нагревается «докрасна», что сокращает его ресурс работы. Учитывая вышесказанное, мы рекомендуем использовать тиристорные силовые блоки, лишенные этих недостатков. Силовые блоки СБ состоят из схемы управления и мощных тиристоров (или симистора). Схема управления построена на базе оптосимистора МОС3082, который имеет оптическую развязку цепи управления от силовой цепи, и детектор прохождения напряжения через ноль. Выходные тиристоры открываются в момент, когда напряжение на них близко к нулю, поэтому силовой блок создает минимальные помехи в сети. Управляющий сигнал напряжением 7…24 В постоянного тока, ток не более 20 мА.
Силовые блоки могут быть использованы с любыми регуляторами, при этом метод управления мощностью нагревателя определяется регулятором. В приборах «Термодат» реализован современный метод управления средней мощностью электронагревателей. Этот метод можно назвать методом равномерного по времени распределения рабочих сетевых периодов. На рисунке показан ток через нагрузку при работе в этом режиме. При 100% мощности нагреватель включен постоянно — все периоды рабочие. При 90% мощности нагрузка выключена каждый десятый период, при 50% мощности нагрузка выключена каждый второй период, при 25% мощности рабочим является каждый четвертый период.

Регуляторы «Термодат» могут быть переведены в более известный и привычный метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В методе широтно-импульсной модуляции нагрузка включается на долю периода ШИМ, который задается пользователем. Среднее значение выводимой мощности, в процентах от полной мощности нагревателя, определяется отношением времени включения к периоду ШИМ (см. рисунок). Для охлаждения тиристоров (симисторов) силовые блоки имеют радиаторы (охладители). Площадь радиаторов в блоках на токи до 160 А подобрана так, чтобы при максимальном токе и температуре воздуха 30°С, температура радиатора не превышала 100°С. Мощные силовые блоки (на токи 320А и выше) имеют вентиляторы для охлаждения тиристоров. Специальный контроллер измеряет температуры радиаторов и включает вентиляторы при нагреве выше 80°С. Когда температура понизится, вентилятор выключается. В случае аварийного перегрева (температура радиатора выше 110°С), тиристоры выключаются.

Управление трехфазной нагрузкой

Ниже в таблице приведены модели однофазных силовых блоков типа СБ. Для управления трехфазной нагрузкой необходимо использовать два или три однофазных блока. При использовании схемы подключения трехфазной нагрузкой типа «треугольник», достаточно установить два однофазных блока типа СБ. Две фазы подключаются к двум вершинам треугольника через силовые блоки, а третья фаза подключается к третьей вершине напрямую. Точно также достаточно двух однофазных силовых блоков, при использовании схемы подключения типа «звезда» без нулевого провода. При использовании «звезды» с нулевым проводом следует установить три однофазных блока. Для удобства монтажа заказчику могут быть поставлены готовые сборки из двух или трех однофазных блоков для управления трехфазной нагрузкой.

Характеристики модели

Модель Цена с НДС Макс.ток, А Коммутируемое напряжение, В Силовой элемент Вентилятор Габаритные размеры, мм
СБ08М1 390 8 ~30…~220 симистор ВТА208Х-600В(Ph) нет 150х35х25
СБ15М1 479 15 ~30…~380 симистор ВТА216Х-600В(Ph) нет 150х35х25
СБ25М1 798 25 ~30…~380 симистор ВТА24-600BW(ST) нет 150х35х25
СБ40К2 1773 40 ~30…~220 KSD240AC8(Cosmo) нет 122х60х100
СБ40К4 2056 40 ~30…~380 KSD440AC8 (Cosmo) нет 122х60х100
СБ45М2 1276 45 ~30…~380 тиристоры 40TPS12 нет 122х60х100
СБ60Н1 1914 60 ~30…~380 симистор ТС142-80 нет 122х67х100
СБ125Т1 3545 125 ~30…~380 тиристоры Т142-80 нет 146х170х100
СБ160Т2 4254 160 ~30…~380 тиристоры Т161-160 нет 146х185х200
СБ320ТВ2 5672 320 ~30…~380 тиристоры Т161-160 есть 300х260х250
СБ500ТВ1 12053 500 ~30…~380 тиристоры Т133-500 есть
СБ800ТВ1 14889 800 ~30…~380 тиристоры Т143-630 есть
СБ1500ТВ1 26588 1500 ~30…~380 тиристоры Т153-1000 есть

Блоки управления тиристорами и симисторами

Иногда бывает удобно приобрести только блоки для управления тиристорами или симисторами, а сами тиристоры и радиаторы приобрести отдельно или использовать имеющиеся. Специально для этих случаев мы поставляем блоки управления БУС:

Модель Цена с НДС Технические характеристики
БУС1 177 Однофазный блок управления симисторами, детектор «0», управление 7..24В, выходной ток 1А (до 8А в импульсе)
БУС3 461 Трехфазный блок управления симисторами, детектор «0», управление 7..24В, выходной ток 1А (до 8А в импульсе)
БУТ1 177 Однофазный блок управления тиристорами, детектор «0», управление 7..24В, выходной ток 1А (до 8А в импульсе)
БУТ3 461 Трехфазный блок управления тиристорами, детектор «0», управление 7..24В, выходной ток 1А (до 8А в импульсе)

Плавная работа двигателя, без рывков и скачков мощности – это залог его долговечности. Для контроля этих показателей используется регулятор оборотов электродвигателя на 220В, 12 В и 24 В, все эти частотники можно изготовить своими руками или купить уже готовый агрегат.

Зачем нужен регулятор оборотов

Регулятор оборотов двигателя, частотный преобразователь – это прибор на мощном транзисторе, который необходим для того, чтобы инвертировать напряжение, а также обеспечить плавную остановку и пуск асинхронного двигателя при помощи ШИМ. ШИМ – широко-импульсное управление электрическими приспособлениями. Его применяют для создания определенной синусоиды переменного и постоянного тока.

Фото – мощный регулятор для асинхронного двигателя

Самый простой пример преобразователя – это обычный стабилизатор напряжения. Но у обсуждаемого прибора гораздо больший спектр работы и мощность.

Частотные преобразователи используются в любом устройстве, которое питается от электрической энергии. Регуляторы обеспечивают чрезвычайно точный электрический моторный контроль, так что скорость двигателя можно изменять в меньшую или большую сторону, поддерживать обороты на нужном уровне и защищать приборы от резких оборотов. При этом электродвигателем используется только энергия, необходимая для работы, вместо того, чтобы запускать его на полной мощности.

Фото – регулятор оборотов двигателя постоянного тока

Зачем нужен регулятор оборотов асинхронного электродвигателя:

  1. Для экономии электроэнергии. Контролируя скорость мотора, плавность его пуска и остановки, силы и частоты оборотов, можно добиться значительной экономии личных средств. В качестве примера, снижение скорости на 20% может дать экономию энергии в размере 50%.
  2. Преобразователь частоты может использоваться для контроля температуры процесса, давления или без использования отдельного контроллера;
  3. Не требуется дополнительного контроллера для плавного пуска;
  4. Значительно снижаются расходы на техническое обслуживание.

Устройство часто используется для сварочного аппарата (в основном для полуавтоматов), электрической печки, ряда бытовых приборов (пылесоса, швейной машинки, радио, стиральной машины), домашнего отопителя, различных судомоделей и т.д.

Фото – шим контроллер оборотов

Принцип работы регулятора оборотов

Регулятор оборотов представляет собой устройство, состоящее из следующих трех основных подсистем:

  1. Двигателя переменного тока;
  2. Главного контроллера привода;
  3. Привода и дополнительных деталей.

Когда двигатель переменного тока запускается на полную мощность, происходит передача тока с полной мощностью нагрузки, такое повторяется 7-8 раз. Этот ток сгибает обмотки двигателя и вырабатывает тепло, которое будет выделяться продолжительное время. Это может значительно снизить долговечность двигателя. Иными словами, преобразователь – это своеобразный ступенчатый инвертор, который обеспечивает двойное преобразование энергии.

Фото – схема регулятора для коллекторного двигателя

В зависимости от входящего напряжения, частотный регулятор числа оборотов трехфазного или однофазного электродвигателя, происходит выпрямление тока 220 или 380 вольт. Это действие осуществляется при помощи выпрямляющего диода, который расположен на входе энергии. Далее ток проходит фильтрацию при помощи конденсаторов. Далее формируется ШИМ, за это отвечает электросхема. Теперь обмотки асинхронного электродвигателя готовы к передаче импульсного сигнала и их интеграции к нужной синусоиде. Даже у микроэлектродвигателя эти сигналы выдаются, в прямом смысле слова, пачками.

Фото – синусоида нормальной работы электродвигателя

Как выбрать регулятор

Существует несколько характеристик, по которым нужно выбирать регулятор оборотов для автомобиля, станочного электродвигателя, бытовых нужд:

  1. Тип управления. Для коллекторного электродвигателя бывают регуляторы с векторной или скалярной системой управления. Первые чаще применяются, но вторые считаются более надежными;
  2. Мощность. Это один из самых важных факторов для выбора электрического преобразователя частот. Нужно подбирать частотник с мощностью, которая соответствует максимально допустимой на предохраняемом приборе. Но для низковольтного двигатель лучше подобрать регулятор мощнее, чем допустимая величина Ватт;
  3. Напряжение. Естественно, здесь все индивидуально, но по возможности нужно купить регулятор оборотов для электродвигателя, у которого принципиальная схема имеет широкий диапазон допустимых напряжений;
  4. Диапазон частот. Преобразование частоты – это основная задача данного прибора, поэтому старайтесь выбрать модель, которая будет максимально соответствовать Вашим потребностям. Скажем, для ручного фрезера будет достаточно 1000 Герц;
  5. По прочим характеристикам. Это срок гарантии, количество входов, размер (для настольных станков и ручных инструментов есть специальная приставка).

Хорошо себя зарекомендовали приборы марки Sinus, E-Sky и Pic.

При этом также нужно понимать, что есть так называемый универсальный регулятор вращения. Это частотный преобразователь для бесколлекторных двигателей.

Фото – схема регулятора для бесколлекторных двигателей

В данной схеме есть две части – одна логическая, где на микросхеме расположен микроконтроллер, а вторая – силовая. В основном такая электрическая схема используется для мощного электрического двигателя.

Видео: регулятор оборотов электродвигателя с ШИро V2

Как сделать самодельный регулятор оборотов двигателя

Можно сделать простой симисторный регулятор оборотов электродвигателя, его схема представлена ниже, а цена состоит только из деталей, продающихся в любом магазине электротехники.

Для работы нам понадобится мощный симистор типа BT138-600, её советует журнал радиотехники.

Фото – схема регулятора оборотов своими руками

В описанной схеме, обороты будут регулироваться при помощи потенциометра P1. Параметром P1 определяется фаза входящего импульсного сигнала, который в свою очередь открывает симистор. Такая схема может применяться как в полевом хозяйстве, так и в домашнем. Можно использовать данный регулятор для швейных машинок, вентиляторов, настольных сверлильных станков.

Принцип работы прост: в момент, когда двигатель немного затормаживается, его индуктивность падает, и это увеличивает напряжение в R2-P1 и C3, то в свою очередь влечет более продолжительное открытие симистора.

Тиристорный регулятор с обратной связью работает немного по-другому. Он обеспечивает обратный ход энергии в энергетическую систему, что является очень экономным и выгодным. Данный электронный прибор подразумевает включение в электрическую схемы мощного тиристора. Его схема выглядит вот так:

Здесь для подачи постоянного тока и выпрямления требуется генератор управляющего сигнала, усилитель, тиристор, цепь стабилизации оборотов.

>Тиристорная станция управления: нереверсивная

ГЭСНп 01-08-011-01

ЛОКАЛЬНАЯ РЕСУРСНАЯ ВЕДОМОСТЬ ГЭСНп 01-08-011-01

Наименование Единица измерения
Тиристорная станция управления: нереверсивная 1 устройство
Примечание
Квалификационный состав в % от общих затрат труда:
Инженер по наладке и испытаниям II категории — 70%
Техник по наладке и испытаниям I категории — 30%

ЗНАЧЕНИЯ РАСЦЕНКИ

В расценке указаны прямые затраты работы на период марта 2014 года для города Москвы, которые рассчитаны на основе нормативов 2014 года с дополнениями 1 путём применения индексов к ценам используемых ресурсов. Индексы применялись к федеральным ценам 2000 года.
Использованы следующие индексы и часовые ставки от «союза инженеров-сметчиков»:
Индекс к стоимости материалов: 7,485
Индекс к стоимости машин: 11,643
Используемые часовые ставки:
В скобках указана оплата труда в месяц при данной часовой ставке.
Часовая ставка 1 разряда: 130,23 руб. в час (22 920) руб. в месяц.
Часовая ставка 2 разряда: 141,21 руб. в час (24 853) руб. в месяц.
Часовая ставка 3 разряда: 154,46 руб. в час (27 185) руб. в месяц.
Часовая ставка 4 разряда: 174,34 руб. в час (30 684) руб. в месяц.
Часовая ставка 5 разряда: 200,84 руб. в час (35 348) руб. в месяц.
Часовая ставка 6 разряда: 233,96 руб. в час (41 177) руб. в месяц.

, Вы можете посмотреть данный норматив рассчитаный в ценах 2000 года.
Основанием применения состава и расхода материалов, машин и трудозатрат являются ГЭСН-2001

ТРУДОЗАТРАТЫ

Наименование Ед. Изм. Трудозатраты
1 Затраты труда пусконаладочного персонала Разряд 6,4 чел.-ч 42,93
Итого по трудозатратам рабочих чел.-ч 42,93
Оплата труда рабочих = 42,93 x 242,17 Руб. 10 396,32

Отличие DefSmeta от других сметных программ

ВСЕГО ПО РАСЦЕНКЕ: 10 396,32 Руб.

Вы можете посмотреть данный норматив рассчитаный в ценах 2000 года.

Расценка составлена по нормативам ГЭСН-2001 редакции 2014 года с дополнениями 1 в ценах марта 2014 года.
Для определения промежуточных и итоговых значений расценки использовалась программа DefSmeta

Смета на строительство дома, на ремонт и отделку квартир — программа DefSmeta
В программе предусмотрен помощник, который превратит составление сметы в игру.

История

Проблема потерь энергии на пусковых реостатах в системах управления тяговыми электродвигателями стала актуальной уже в первые десятилетия XX века. Тогда же в радиотехнике стал применяться способ широтно-импульсного регулирования. Идея применить широтно-импульсное управление током тягового двигателя на подвижном составе рассматривалась инженерами еще до Второй мировой войны. Такие работы проводились в США (General Electric), Германии (Siemens) и в СССР. Были созданы импульсные регуляторы мегаваттной мощности на тиратронах. Однако рассматривать их даже как прототипы реальных систем управления тяговыми электродвигателями было нельзя. Устройства эти были сложными, дорогими (фактически были на пределе возможностей силовой электроники тех лет), но при этом — ненадежными и очень опасными в эксплуатации (особенно если применялись ртутные тиратроны). К идее импульсного управления вернулись уже после Второй мировой войны в конце 1940-х годов, когда были созданы новые типы более надежных тиратронов (таситроны), допускающих работу с большими токами, однако скорое изобретение тиристоров и их быстрое совершенствование дали возможность отказаться от газоразрядных приборов. Уже к концу 1950-х годов в США были созданы тиристоры, характеристики которых позволяли применять их на трамваях, поездах метро, а чуть позже и на электровозах. Поначалу тиристорно-импульсные регуляторы были очень дорогими и не особо востребованными железнодорожными компаниями, однако бурное развитие полупроводниковой электроники в 1960-х — 1970-х годах позволили существенно снизить цену новых устройств и оснастить их новыми функциями (защита от боксования, рекуперация во всем диапазоне скоростей). Поэтому с 1970-х годов на американском, европейском и японском подвижном составе ТИСУ начинает вытеснять РКСУ. В СССР создать свою надежную систему ТИСУ не удалось, однако на подвижном составе, поставляемом в СССР из ЧССР ТИСУ уже применялась. Лишь в конце 1980-х годов первая удовлетворительно работоспособная система стала устанавливаться на троллейбусы ЗиУ-10. Для метрополитенов удалось создать ТИСУ лишь к середине 1990-х годов и лишь с использованием иностранных компонентов. Для электровозов создать свою ТИСУ ни в СССР ни позже в России не удалось. Современные российские электровозы оснащаются уже следующим поколением регуляторов — транзисторно-испульсными.

Принцип действия

Рисунок 1 — Базовые схемы импульсного регулирования
а — напряжения на нагрузке (Н); б — тока источника (Е); в — тока нагрузки Н, включенной в цепь источника тока Рисунок 2 — ТИСУ без драйверов по схеме Ларионова.

Процесс импульсного регулирования цепи постоянного тока сводится к периодическому прерыванию тока в одной из ветвей цепи с помощью ключа. На практике применяется три схемы включения ключей (показаны на рисунке).

В первом из них (рисунок 1а) прерыватель ИП включен между нагрузкой Н и источником напряжения U, причем иногда он может быть шунтирован резистором Rш. Нагрузка Н в общем случае содержит активную R и индуктивную L составляющие, а также противоЭДС Е. При L>0 всегда применяют шунтирование её вентилем VD1. Во втором варианте (рисунок 1б) прерыватель ИП и диод VD1 меняют местами — такую схему используют для передачи энергии от источника ЭДС Е в источник U, то есть при рекуперативном торможении двигателей. Для реализации рекуперативно-реостатного или реостатного торможения и эту схему вводят резисторы. Если вместо источника U включить конденсатор С, то получим схему преобразователя с повышением напряжения при одновременном его сглаживании, которая применяется при питании высоковольтных нагрузок от низковольтных источников постоянного тока. Третий вариант (рисунок 1 в) предполагает регулирование тока в нагрузке Н, питающейся от источника тока I. При этом нагрузка с L>0 шунтируется резистором Rш, что позволяет регулировать её ток.

Функционально ТИСУ состоит из генератора импульсов; контроллера, управляющего параметрами генерируемой последовательности импульсов в зависимости от требований обслуживающего персонала, характеристик нагрузки и электромеханических предохранительных устройств (контакторы, реле защиты). Поскольку генератор импульсов вместе с контроллером выдают управляющие сигналы малой мощности, то для коммутации тока в силовых цепях применяются сильноточные тиристоры, отчего вся система и получила своё название.

Например, ТИСУ, предназначенная для регулирования оборотов и вращающего момента тягового двигателя, при необходимости увеличения оборотов или вращающего момента увеличивает частоту и длительными во времени импульсов тока через нагрузку, таким образом возрастает средний ток через двигатель. Если нужно понизить обороты или развиваемый момент, то ТИСУ формирует более редкие и короткие импульсы в их временной последовательности, обеспечивая уменьшение среднего тока, проходящего через обмотки двигателя.

Тиристорный преобразователь (инвертор), изображённый на рисунке 2, выполнен на шести тиристорах по схеме Ларионова. В зависимости от вида включения обмоток тягового двигателя (звездой или треугольником), преобразователь по схеме Ларионова имеет существенно разные характеристики. Некоторые характеристики («живучесть» при выходе из строя нескольких тиристоров) преобразователей на двенадцати тиристорах, выполненных по схеме «три параллельных моста» лучше, чем у преобразователей по схеме Ларионова.

В ранних моделях ТИСУ генератор импульсов и контроллер выполнялись на аналоговой базе (на дискретных элементах или с ограниченным использованием логических схем малой степени интеграции), впоследствии дальнейшее развитие электроники позволило применять в управляющем блоке ТИСУ более гибкие программируемые цифровые микросхемы.

Недостатки

Недостатком ТИСУ является её более высокая сложность по сравнению с электромеханическими аналогами, требующая более высокого уровня обслуживающего персонала для диагностики и ремонта. В отличие от непосредственной и в несколько меньшей степени косвенной реостатно-контакторной систем управления, ТИСУ практически не ремонтируется в условиях депо (требует радиомонтажной, а не обычной для транспортных предприятий механической и электрической мастерской), что заметно сдерживало её внедрение в СССР.

По сравнению с более поздними импульсными системами управления ТЭД — транзисторно-импульсными регуляторами двигателей постоянного тока или частотными преобразователями асинхронных двигателей, ТИСУ характеризуется большей схемотехнической сложностью, меньшим к.п.д., как правило, большими габаритами и массой. К недостатками тиристоров также относится невозможность их принудительного запирания, что практически исключает возможность построения систем схемотехнической защиты от коротких замыканий в цепи тяговых двигателей или в самом тиристорном регуляторе, а также низкая рабочая частота (сотни Гц), что вызывает вибрацию обмоток ТЭД и характерный гудящий звук при пуске и торможении.

По состоянию на вторую половину 2010-х годов ТИСУ считается устаревшей.

Применение

Среди моделей трамвайного подвижного состава ТИСУ отечественного производства использовалась на единичных опытных вагонах КТМ-5Т, 71-608 и 71-619Т, мелкосерийных РВЗ-7, ЛВС-86Т и ЛВС-86М, 71-605РМ. Довольно широкое распространение в СССР с 1987 года получили импортные чешские трамваи TATRA-Т6В5 с ТИСУ. На их основе днепропетровским предприятием «Южмаш» и свердловским УЗТМ были впоследствии созданы свои модели трамваев с ТИСУ, а в Беларуси ТИСУ используются на вагонах АКСМ-1М, АКСМ-60102 и АКСМ-743. С конца 1980-х гг. завод имени Урицкого в г. Энгельс Саратовской области наладил серийный выпуск сочленённых троллейбусов ЗиУ-683 (ЗиУ-10) (позднее — ЗиУ-6205) с ТИСУ на базе регулятора РТ-300/700Б2М. В Санкт-Петербурге в 1996 году одна машина ЗиУ-682В00 № 1639 при капитальном ремонте была оборудована ТИСУ МЭРА-2. В метрополитене большого распространения не получила. Испытания вагонов типа «И» закончились неудачно и проект был закрыт. В 1991 году попытка ввести ТИСУ в вагоны метрополитена была повторена на примере вагонов 81-718/719 с народным прозвищем «Тиса», а также 81-720/721 «Яуза». «Яуза» оказалась неперспективным проектом, однако вагоны данной серии попали в эксплуатацию. «Тиса» не была принята Московским метрополитеном из-за своей «сыроватости» и была впоследствии была принята на эксплуатацию в Харькове и Ташкенте.

Производители

1. ОАО «Запорожский электроаппаратный завод», г. Запорожье

Ориентировочно, в 1978 году разработал, а к 1986 году приступил к серийному выпуску тиристорного регулятора РТ-300/700, применённого впервые заводом «Динамо» в составе комплекта электрооборудования КИ-3001 («ДИНАС-211») для троллейбусов ЗиУ-683Б00. Также заводом были разработаны и изготовлены тиристорные регуляторы типа РТ-300/700 для комплектов электрооборудования троллейбусов ЗиУ-6205, ЗиУ-52642, ЗиУ-62052.02, РТ-300/300А для вагонов метрополитена серий 81-717/81-714, 81-540/81-541 и аналогичных.

2. ОАО «Завод „Радиоприбор“», г. Санкт-Петербург

  • 1991 г.: ТИСУ, применённая заводом «Динамо» в составе комплекта электрооборудования КИ-3103 для трамваев 71-86Т (ЛВС-86Т).
  • 1994 г.: ТИСУ МЭРА-1 для переоборудования трамваев Tatra T3.
  • 1994 г.: ТИСУ МЭРА-3 для трамвайных вагонов 71-86М.
  • 1997 г.: ТИСУ МЭРА-2 для переоборудования троллейбусов с ТЭД ДК-211Б.
  • 1998 г.: ТИСУ МЭРА-3.01 для модернизации трамваев Tatra T3 в Москве.
  • 1998 г.: ТИСУ МЭРА-4 в составе тягового оборудования МРК-1 (ЗАО «КРОСНА-ЭЛЕКТРА», Москва) для трамвайных вагонов модели 71-619.
  • 1997 г.: ТИСУ начали применять в троллейбусах производства Белкоммунмаш.

3. CKD, Прага, ЧССР

  • 1973 г.: TV-1 (модернизация трамвайных вагонов Т3 до модели Т3М)
  • 1976 г.: TV-2 (опытный вагон Т5В6)
  • 1982 г.: TV-3 (трамвайные вагоны семейства Т6, Т7, КТ4D)
  • 1990 г.: TV-8 (модернизация трамвайных вагонов Т3, К2 до T3G, K2G)

См. также

  • Тиристорный коммутатор
  • Устройство плавного пуска
  • Инвертор (электротехника)
  • Инверторная система
  • Тяговый преобразователь
  • Электропривод

Системы управления тяговыми электродвигателями железнодорожного транспорта, метро и ГЭТ

На переменном токе:

  • Коммутация трансформатора
  • Фазовая
  • Система Вард-Леонарда
  • Простой мостовой драйвер с памятью и управлением двумя кнопками для реверса двигателя постоянного тока может быть полезен для автоматизации некоторых процессов например для намоточного станка, покрасочной линии, электрического скейта, игрушки, робота и т.д. Рассмотрим схему:

    Рисунок 1 — Драйвер с памятью для реверса электродвигателя
    Эта схема отличается от приведённой ранее в статье реверс электродвигателя постоянного тока тем что транзисторы в данной полевые с изолированным затвором и индуцируемым каналом. Каждый полумост состоит из двух транзисторов один из которых с каналом n проводимости а второй с каналом p проводимости, в идеале эти транзисторы должны быть комплементарными но опыт показывает что это не обязательно для работы схемы (см. видео ниже). Внутри каждого полевого транзистора есть паразитный диод но помимо них дополнительно поставлены быстродействующие диоды Шоттки 11DQ10 постоянный прямой ток у них небольшой но пиковый д.б. во многих случаях достаточным к тому же паралелльно им стоят внутренние паразипные диоды полевых транзисторов. Прежде чем подключать двигатель к данному драйверу убедитесь что транзисторы и диоды подходят по току и мощности иначе драйвер просто сгорит. Транзисторы можно поставить более мощные например IRF9540 вместо IRF9530 и IRF540 вместо IRF640. А также диоды например MBRF2060CT. Если мощности полевых транзисторов не хватает то их можно соединять параллельно (затвор на затвор сток на сток исток на исток), в отличии от биполярных, которые просто так параллельно соединять нельзя. Управляющие транзисторы можно поставить кт315 или лучше как на схеме bc547. Для длительной работы полевые транзисторы обязательно надо ставить на радиаторы, желательно медные и большие и обязательно на каждый транзистор нужен свой радиатор т.к. корпуса внутри соединены с каким либо выводом. Испытание с двигателем от дрели на холостом ходу данная схема прошла см. видео:

    КАРТА БЛОГА (содержание)

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *