Содержание
Все электрические принципиальные схемы станков, установок и машин содержат определенный набор типовых блоков и узлов, которые комбинируются между собой определенным образом. В релейно-контакторных схемах главными элементами управления двигателями являются электромагнитные пускатели и реле.
Наиболее часто в качестве привода в станках и установках применяются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели просты в устройстве, обслуживании и ремонте. Они удовлетворяют большинству требований к электроприводу станков. Главными недостатками асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором являются большие пусковые токи (в 5-7 раз больше номинального) и невозможность простыми методами плавно изменять скорость вращения двигателей.
С появлением и активным внедрением в схемы электроустановок преобразователей частоты такие двигатели начали активно вытеснять другие типы двигателей (асинхронные с фазным ротором и двигатели постоянного тока) из электроприводов, где требовалось ограничивать пусковые токи и плавно регулировать скорость вращения в процессе работы.
Одной из преимуществ использования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является простота их включения в сеть. Достаточно подать на статор двигателя трехфазное напряжение и двигатель сразу запускается. В самом простом варианте для включения можно использовать трехфазный рубильник или пакетный выключатель. Но эти аппараты при своей простоте и надежности являются аппаратами ручного управления.
В схемах же станков и установок часто должна быть предусмотрена работа того или иного двигателя в автоматическом цикле, обеспечиваться очередность включения нескольких двигателей, автоматическое изменение направления вращения ротора двигателя (реверс) и т.д.
Обеспечить все эти функции с аппаратами ручного управления невозможно, хотя в ряде старых металлорежущих станков тот же реверс и переключение числа пар полюсов для изменения скорости вращения ротора двигателя очень часто выполняется с помощью пакетных переключателей. Рубильники и пакетные выключатели в схемах часто используются как вводные устройства, подающие напряжение на схему станка. Все же операции управления двигателями выполняются электромагнитными пускателями.
Включение двигателя через электромагнитный пускатель обеспечивает кроме всех удобств при управлении еще и нулевую защиту. Что это такое будет рассказано ниже.
Наиболее часто в станках, установках и машинах применяются три электрические схемы:
схема управления нереверсивным двигателем с использованием одного электромагнитного пускателя и двух кнопок "пуск" и "стоп",
схема управления реверсивным двигателем с использованием двух пускателей (или одного реверсивного пускателя) и трех кнопок.
схема управления реверсивным двигателем с использованием двух пускателей (или одного реверсивного пускателя) и трех кнопок, в двух из которых используются спаренные контакты.
Разберем принцип работы всех этих схем.
1. Схема управления двигателем с помощью магнитного пускателя
Схема показана на рисунке.
При нажатии на кнопку SB2 "Пуск" на катушка пускателя попадает под напряжение 220 В, т.к. она оказывается включенной между фазой С и нулем ( N) . Подвижная часть пускателя притягивается к неподвижной, замыкая при этом свои контакты. Силовые контакты пускателя подают напряжение на двигатель, а блокировочный замыкается параллельно кнопке "Пуск". Благодаря этому при отпускании кнопки катушка пускателя не теряет питание, т.к. ток в этом случае идет через блокировочный контакт.
Если бы блокировочный контакт не был бы подключен параллельно кнопки (по какой-либо причине отсутствовал), то при отпускании кнопки "Пуск" катушка теряет питание и силовые контакты пускателя размыкаются в цепи двигателя, после чего он отключается. Такой режим работы называют "толчковым". Применяется он в некоторых установках, например в схемах кран-балок.
Остановка работающего двигателя после запуска в схеме с блокировочным контактом выполняется с помощью кнопки SB1 "Стоп". При этом, кнопка создает разрыв в цепи, магнитный пускатель теряет питание и своими силовыми контактами отключает двигатель от питающей сети.
В случае исчезновения напряжения по какой-либо причине магнитный пускатель также отключается, т.к. это равносильно нажатию на кнопку "Стоп" и созданию разрыва цепи. Двигатель останавливается и повторный запуск его при наличии напряжения возможен только при нажатии на кнопку SB2 "Пуск". Таким образом, магнитный пускатель обеспечивает т.н. "нулевую защиту". Если бы он в цепи отсутствовал и двигатель управлялся рубильником или пакетным выключателем, то при возврате напряжения двигатель запускался бы автоматически, что несет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Подробнее смотрите здесь – защита минимального напряжения.
Анимация процессов, протекающих в схеме показана ниже.
2. Схема управления реверсивным двигателем с помощью двух магнитных пускателей
Схема работает аналогично предыдущей. Изменение направления вращения (реверс) ротор двигателя меняет при изменении порядка чередования фаз на его статоре. При включении пускателя КМ1 на двигатель приходят фазы – A , B , С, а при включении пускателя KM2 – порядок фаз меняется на С, B , A.
Схема показана на рис. 2.
Включение двигателя на вращение в одну сторону осуществляется кнопкой SB2 и электромагнитным пускателем KM1 . При необходимости смены направления вращения необходимо нажать на кнопку SB1 "Стоп", двигатель остановится и после этого при нажатии на кнопку SB 3 двигатель начинает вращаться в другую сторону. В этой схеме для смены направления вращения ротора необходимо промежуточное нажатие на кнопку "Стоп".
Кроме этого, в схеме обязательно использование в цепях каждого из пускателей нормально-закрытых (размыкающих) контактов для обеспечения защиты от одновременного нажатия двух кнопок "Пуск" SB2 – SB 3, что приведет к короткому замыканию в цепях питания двигателя. Дополнительные контакты в цепях пускателей не дают пускателям включится одновременно, т.к. какой-либо из пускателей при нажатии на обе кнопки "Пуск" включиться на секунду раньше и разомкнет свой контакт в цепи другого пускателя.
Необходимость в создании такой блокировки требует использования пускателей с большим количеством контактов или пускателей с контактными приставками, что удорожает и усложняет электрическую схему.
Анимация процессов, протекающих в схеме с двумя пускателями показана ниже.
3. Схема управления реверсивным двигателем с помощью двух магнитных пускателей и трех кнопок (две из которых имеют контакты с механической связью)
Схема показана на рисунке.
Отличие этой схемы от предыдущей в том, что в цепи каждого пускателя кроме общей кнопки SB1 "Стоп"включены по 2 контакта кнопок SB2 и SB 3, причем в цепи КМ1 кнопка SB2 имеет нормально-открытый контакт (замыкающий), а SB 3 – нормально-закрытый (размыкающий) контакт, в цепи КМ3 – кнопка SB2 имеет нормально-закрытый контакт (размыкающий), а SB 3 – нормально-открытый. При нажатии каждой из кнопок цепь одного из пускателей замыкается, а цепь другого одновременно при этом размыкается.
Такое использование кнопок позволяет отказаться от использования дополнительных контактов для защиты от одновременного включения двух пускателей (такой режим при этой схеме невозможен) и дает возможность выполнять реверс без промежуточного нажатия на кнопку "Стоп", что очень удобно. Кнопка "Стоп" нужна для окончательной остановки двигателя.
Приведенные в статье схемы являются упрощенными. В них отсутствуют аппараты защиты (автоматические выключатели, тепловые реле), элементы сигнализации. Такие схемы также часто дополняются различными контактами реле, выключателей, переключателей и датчиков. Также возможно питание катушки электромагнитного пускателя напряжение 380 В. В этом случае он подключается от двух любых фаз, например, от А и B . Возможно использование понижающего трансформатора для понижения напряжения в схеме управления. В этом случае используются электромагнитные пускатели с катушками на напряжение 110, 48, 36 или 24 В.
1. Применение трёхфазных двигателей в стиральных машинах
Асинхронный трёхфазный электродвигатель был изобретён в 1889 году русским электротехником Доливо-Добровольским. Трёхфазные двигатели получили широкое применение в различной промышленной технике, в том числе и в промышленных стиральных машинах. С развитием современных технологий и электронных систем управления, подобные двигатели стали распространены и в бытовой технике. В бытовых стиральных машинах трёхфазные двигатели стали применяться примерно с 2005 года. Сегодня можно встретить такие двигатели только в некоторых моделях стиральных машин торговых марок: AEG, Electrolux, Ariston, Indesit, Whirpoll, Candy, Bosch, Siemens, Miele, Haier. Трёхфазные двигатели из-за низкого уровня шума, очень часто применяются в так называемых бесшумных стиральных машинах.
2. Общие сведения о трёхфазном токе и трёхфазном двигателе
| Как известно из курса электротехники, в промышленности трёхфазный ток создаётся трёхфазным генератором, который имеет три обмотки сдвинутые относительно своей геометрической оси на угол 120°, поэтому на выходе каждой из обмоток генератора образуются переменные токи, фазы которых соответственно сдвинуты друг относительно друга также на 120°. График трёхфазного тока представлен на (Рис.2). Конструкция и принцип работы трёхфазного и однофазного асинхронных двигателей почти одинаковы. Разница лишь в обмотках статора. Трехфазные электродвигатели имеют на статоре трёхфазную обмотку, каждая секция обмоток которых сдвинута на 120°. Ротор (подвижная часть) трёхфазного двигателя имеет такую же конструкцию, что и однофазные асинхронные двигатели, т.е. состоит из короткозамкнутой обмотки в виде "беличьего колеса". Статор (неподвижная часть) состоит из сердечника в пазы которого уложены секции обмоток и подключены к контактной колодке двигателя. В отличие от однофазного асинхронного конденсаторного двигателя, трёхфазный двигатель подключённый к трёхфазной сети, не нуждается в пусковом конденсаторе, поскольку сдвиг фаз токов необходимый для образования пускового момента и вращающегося кругового магнитного поля обусловлен самой системой питания. Трёхфазные асинхронные двигатели могут работать так же от однофазной сети, но с потерей мощности примерно на 50% и естественно уже с применением пусковой схемы построенной на конденсаторах. |
| Существуют две классические схемы подключения трёхфазных двигателей – это соединение обмоток статора по схеме "звезда" и "треугольник" (Рис.3) В стиральных машинах применяются трёхфазные асинхронные двигатели обмотки статора которых соединены по схеме "треугольник", т.е.конец первой обмотки соединен с началом второй, конец второй с началом третьей, а конец третьей с началом первой, образуя замкнутый контур. При таком соединении в замкнутый контур нет никакой опасности, так как благодаря сдвигу по фазе между электродвижущими силами на 120° их геометрическая сумма равна нулю и, следовательно тока в контуре быть не может. Все обмотки в трёхфазном двигателе имеют одинаковое электрическое сопротивление, что обеспечивает равномерную нагрузку на каждую фазу. |
Если не вдаваться в подробности основ теории электротехники, отметим главное – электродвигатели с обмотками, соединёнными звездой работают намного мягче, чем электродвигатели с соединением обмоток в треугольник, но нельзя не отметить, что при соединении обмоток звездой двигатель не способен выдать максимальную мощность. Если соединить обмотки треугольником, двигатель выдаст полную паспортную мощность (приблизительно в 1,5 раза выше, чем при соединении звездой), но значения пусковых токов будут высокими.
3. Система управления трёхфазным двигателем (инвертор)
Выше, мы провели очень краткий обобщающий обзор по трёхфазному току и трёхфазному асинхронному двигателю. На самом деле, в электротехнике этот материал занимает очень большой раздел, с описанием всех физических процессов трёхфазной системы.
Как же работает асинхронный трёхфазный двигатель в бытовой стиральной машине, которая подключена к однофазной сети с переменным напряжением 220 вольт?
Для того, чтобы трёхфазный двигатель максимально эффективно работал в однофазной сети, применяют относительно сложный электронный преобразователь, который называют – инвертор. Структурная схема инвертора представлена ниже на (Рис.4).
Данный преобразователь имеет ярко выраженное звено постоянного тока. Переменное напряжение сети преобразуется при помощи диодного моста в постоянное, сглаживается индуктивностью (L) и ёмкостью (C), термистор (NTC) служит для защиты схемы от токовых перегрузок. Индуктивность и ёмкость в выпрямителе служат также фильтром, который защищает сеть от пульсаций при коммутации двигателя.
От переменной сети так же работает импульсный блок питания, который формирует пониженное постоянное напряжение различных значений для питания системы управления. С выхода выпрямителя постоянное напряжение поступает на силовую часть инвертора построенную на IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором ). На структурной схеме IGBT позиционированы как Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6. В корпус данных транзисторов интегрирован диод включённый между цепью эмиттера и коллектора, который защищает транзистор от излишних токовых перегрузок возникающих при коммутации обмоток электродвигателя.
В инверторе осуществляется преобрaзовaние постоянного нaпряжения в трехфaзное (или однофaзное) импульсное нaпряжение изменяемой aмплитуды и чaстоты. По сигнaлaм системы упрaвления, кaждaя обмоткa электрического двигaтеля подсоединяется через соответствующие силовые трaнзисторы инверторa к положительному и отрицaтельному полюсaм звенa постоянного токa. Сигналы управления поступают на затворы транзисторов с драйверов (микросхем управления) IR1, IR2, IR3.
Сигнал на драйверы приходит с цифрового сигнального процессора ( DSP-Digital signal processor ) системы управления. Такие процессоры специально разработаны для управления двигателями. Длительность подключения кaждой обмотки в пределaх периодa следовaния импульсов модулируется по синусоидaльному зaкону. Чем выше частота преключения транзисторов, тем выше скорость вращения ротора трёхфазного двигателя, поэтому этот метод управления двигателя называют частотным.
Реверсивное вращение двигателя осуществляется за счёт изменения порядка включения транзисторов инвертора.
Алгоритм системы управления двигателем заложен в цифровом сигнальном процессоре.
Тахогенератор (Т) (Рис.4) расположенный на валу двигателя является звеном обратной связи между двигателем и блоком управления, благодаря чему, поддерживается необходимая стабильная скорость вращения двигателя на различных этапах работы стиральной машины. По сигналу с тахогенератора определятся дисбаланс барабана на стадии отжима, а в некоторых моделях стиральных машин происходит даже примерное взвешивание белья, за счёт сравнения характера сигналов тахогенератора при пустом и заполненным бельём барабане.
Подобные критерии сигналов тахогенератора, записаны в программе процессора системы управления двигателем или в микросхеме памяти блока управления.
В качестве дополнения, ко всему описанному в этом пункте, представим внешний вид и расположение некоторых компонентов инверторных блоков управления для стиральных машин.
Существует три основных вида:
1.Единый блок управления (инвертор и управление остальными элементами стиральной машины совмещены в общий модуль) (Фото 1)
2.Отдельный блок для управления 3-х фазным двигателем (Фото 2)
3.Блок управления (инвертор) расположен на самом двигателе
Фото 1. Единый блок управления стиральной машины Ariston
Фото 2. Отдельный блок для управления 3-х фазным двигателем
4.Диагностика трёхфазных асинхронных двигателей.
 |
Большая часть неисправностей связанная с некорректной работой двигателей, заключается в неисправности самой системы управления. При неисправности системы управления, двигатель может вращаться рывками или наблюдается нестабильная частота вращения ротора, а иногда он вовсе не вращается.
Блок управления трёхфазным двигателем может быть выполнен в виде отдельного модуля или совмещён с общим модулем управления стиральной машины.
На (рис.4) приведена лишь структурная схема инверторного преобразователя, на самом деле принципиальная схема инвертора намного сложнее и содержит в себе микропроцессорную систему, операционные усилители, оптические развязки и т.п.
Невозможно полноценно проверить работоспособность или напрямую включить трёхфазной двигатель стиральной машины без подключения к электронной схеме.
При помощи мультиметра представляется возможным проверить лишь целостность цепи обмоток статора двигателя, пробой обмоток на корпус, электрическое сопротивление катушки тахогенератора и тепловое защитное устройство.
5. Преимущество и недостатки трёхфазных двигателей в стиральных машинах
К преимуществу трёхфазных двигателей перед коллекторными и однофазными асинхронными двигателями можно отнести низкий уровень шума и высокий КПД двигателя, а также простоту конструкции и большой эксплуатационный ресурс. Благодаря импульсно-частотной электронной схеме управления достигается широкий диапазон и точность регулирования частоты вращения ротора двигателя. При сравнительно небольших габаритах обладает большой мощностью.
К недостаткам стоит отнести лишь сложную электронную систему управления двигателем.
Цифровой регулятор мощности для 3 фазного мотора переменного тока выполнен с использованием специальной микросхемы MC3PHAC от фирмы NXP Semiconductor. Она генерирует 6 ШИМ-сигналов для 3 фазного двигателя переменного тока. Блок легко совмещается с мощным 3 фазным IGBT/MOSFET ключевым приводом. Плата обеспечивает 6 ШИМ сигналов для IPM или IGBT инвертора, а также сигнал торможения. Схема работает в автономном режиме и не требует программирования и кодирования.
Схема регулятора
Органы управления
- PR1: Потенциометр для установки ускорения
- PR2: Потенциометр для регулировки скорости
- SW1: Переключатель DIPX4 для установки частот 60Hz/50Hz и установки выхода активный низкий / активный высокий
- SW2: Переключатель сброса
- SW3: Старт / стоп мотор
- SW4: изменить направление двигателя
Основные параметры
- Питание драйвера 7-15 В постоянного тока
- Потенциометр для управления скоростью двигателя
- Частота ШИМ по умолчанию 10.582 кГц (5.291 кГц – 164 кГц)
М/с MC3PHAC – это монолитный интеллектуальный контроллер, разработанный специально для удовлетворения потребности в недорогих 3-фазных системах управления электродвигателем переменного тока с регулировкой скорости вращения. Устройство адаптируется и настраивается в зависимости от его параметров. Оно содержит все активные функции, необходимые для реализации части управления с открытым контуром. Всё это делает MC3PHAC идеально подходящей для устройств, требующих поддержки управления двигателем переменного тока.
В состав MC3PHAC входят защитные функции, состоящие из контроля напряжения шины постоянного тока и входа неисправности системы, которые немедленно отключат модуль ШИМ при обнаружении неисправности системы.
Все выходные сигналы TTL уровня. Вход для блока питания 5-15 В постоянного тока, постоянное напряжение на шине должно быть в пределах 1.75 – 4,75 вольта, DIP-переключатель предусмотрен на плате для установки под двигатели с частотой 60 или 50 Гц, перемычки помогают установить полярность выходного ШИМ-сигнала, то есть активный низкий или активный высокий уровень, что позволяет использовать эту плату в любом модуле, так как выход можно установить активный низкий или высокий. Потенциометр PR2 помогает регулировать скорость двигателя. Для изменения базовой частоты, времени отключения ШИМ, других возможных параметров – изучайте даташит. Файлы платы – в архиве
Управление скоростью. Синхронная частота электродвигателя может быть задана в режиме реального времени для любого значения от 1 Гц до 128 Гц регулировкой потенциометра PR2. Коэффициент масштабирования составляет 25,6 Гц на вольт. Обработка 24-битным цифровым фильтром для того чтобы увеличить стабильность скорости.
Управление ускорением. Ускорение двигателя может быть задано в режиме реального времени в диапазоне от 0,5 Гц/сек до 128 Гц/сек, путем регулировки потенциометра PR1. Коэффициент масштабирования составляет 25,6 Гц/секунду на вольт.
Защита. При возникновении неисправности MC3PHAC немедленно отключает ШИМ и ожидает, пока условие неисправности не будет устранено перед запуском таймера для повторного включения. В автономном режиме этот интервал времени ожидания задается на этапе инициализации путем подачи напряжения на вывод MUX_IN, в то время как вывод RETRY_TxD управляется на низком уровне. Таким образом, время повтора может быть указано от 1 до 60 секунд с коэффициентом масштабирования 12 секунд на вольт.
Контроль внешних неисправностей. Вывод FAULTIN принимает цифровой сигнал, указывающий на неисправность, обнаруженную с помощью внешних цепей мониторинга. Высокий уровень на этом входе приводит к немедленному отключению ШИМ. Как только этот вход возвращается к низкому уровню логики, таймер повтора сбоя начинает работать, и ШИМ повторно включается после достижения запрограммированного значения тайм-аута. Входной контакт 9 разъема CN3 FLTIN должен быть с высоким потенциалом.
Мониторинг целостности напряжения (входной сигнал pin 10 в cn3) в DC_BUS отслеживается на частоте 5.3 кГц (4.0 кГц, если частота ШИМ имеет значение до 15,9 кГц). В автономном режиме пороги фиксируются на 4.47 вольт (128% от номинальной), и 1,75 вольт (50% от номинальной), где номинальное значение определяется в 3,5 вольт. Как только уровень сигнала DC_BUS возвращается к значению в пределах допустимого – таймер повтора сбоя начинает работать, и ШИМ снова включается после достижения запрограммированного значения тайм-аута.
Регенерация. Процесс экономии, с помощью которого сохраненная механическая энергия в двигателе и нагрузке переносятся обратно в привод электроники, происходит это как правило, в результате принудительного замедления. В особых случаях, когда этот процесс происходит часто (например, системы управления двигателями лифтов), он включает специальные функции, чтобы позволить этой энергии перейти обратно в сеть переменного тока. Однако для большинства недорогих приводов переменного тока эта энергия сохраняется в конденсаторе шины постоянного тока за счет увеличения ее напряжения. Если этот процесс не установлен, напряжение шины постоянного тока может подниматься до опасного уровня, что может привести к порче конденсатора шины или транзисторов в инверторе питания. MC3PHAC позволяет автоматизировать и стабилизировать этот процесс.
Резистивное торможение. DC_BUS пин-код отслеживается на 5.3 кГц (4.0 кГц, если частота ШИМ имеет значение до 15,9 кГц), и когда напряжение достигает определенного порога, RBRAKE контакт примет высокий потенциал. Этот сигнал может использоваться для управления резистивным тормозом, размещенным через конденсатор шины постоянного тока, таким образом, механическая энергия от двигателя будет рассеиваться в виде тепла в резисторе. В автономном режиме порог DC_BUS, необходимый для подтверждения сигнала RBRAKE, зафиксирован на уровне 3,85 вольта (110 % номинала), где номинал определяется как 3,5 вольта.
Выбор частоты ШИМ. У MC3PHAC имеется четырех дискретных частоты ШИМ, которые могут быть динамически изменены во время вращения электродвигателя. Этот резистор может быть потенциометром или фиксированным резистором в диапазоне, показанном в таблице. Частота ШИМ определяется подачей напряжения на контакт MUX_IN в то время как контакт ШИМ FREQ_RxD управляется низким потенциалом.
Обсудить статью РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ ДЛЯ 3 ФАЗНОГО МОТОРА