X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Целью данной работы является модернизация рабочей схемы режима пуска-торможения асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором путем замены устаревшей электронной базы на современные широкодоступные и недорогие электронные компоненты, а также замены релейных компонентов на бесконтактные с возможностью программного управления.

Предполагается, что предлагаемое схемное решение позволит оптимизировать пуск-торможение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и исключить ударные нагрузки в режиме торможения.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, направление вращения, сопротивление обмоток, точность регулирования, нагрузки двигателя

The purpose of this work is the modernization of the working scheme of the start-up braking mode of an asynchronous three-phase motor with a squirrel-cage rotor by replacing the obsolete electronic base with modern widely available and inexpensive electronic components, and replacing the relay components with contactless ones with detailed development of the control program on the microcontroller.

It is assumed that the proposed circuit solution will optimize start-up of the induction motor with a squirrel-cage rotor and exclude impact loads in the braking mode.

Keywords: asynchronous motor, direction of rotation, winding resistance, accuracy of regulation, motor loads

Трехфазные асинхронные двигатели благодаря простоте и надежности конструкции и низкой стоимости активно используются в производстве[1]. До сих пор в промышленности широко распространены трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющие трехфазную обмотку на статоре и питающиеся от трехфазной сети. Существующая потребность в регулировании параметров двигателей, для оптимального управления технологическим процессом, позволяет считать модернизацию подобного рода систем актуальной и значимой для современного производства[2].

Описание исходной электрической структурной схемы

Рисунок 1- Исходная структурная схема

Рассмотрим принцип работы исходной структурной схемы.

При нажатии на кнопку «Пуск» срабатывает контактор и своими главными контактами включает двигатель в сеть. Один из вспомогательных контактов контактора шунтирует кнопку, а другой подключает обмотку реле времени к сети постоянного тока. Якорь реле притягивается и связанные с ним контакты в цепи катушки контактора, они замыкаются. Однако контактор не срабатывает, так как цепь его катушки разомкнута вспомогательными контактами контактора.

Для остановки двигателя нажимают на кнопку «Стоп». Контакты кнопки в цепи катушки контактора размыкаются, контактор срабатывает, его силовые контакты размыкаются и отключают двигатель от сети переменного тока. Другие контакты кнопки замыкают цепь катушки контактора, контактор срабатывает и своими силовыми контактами подключает обмотку статора двигателя к сети постоянного тока. Реле начинает отсчет времени. По прошествии определенного времени, на которое оно рассчитано, якорь реле отпадает и размыкает свои контакты в цепи катушки контактора. Контактор срабатывает — размыкает свои силовые контакты и отключает двигатель от сети постоянного тока. Схема возвращается в исходное положение — она снова готова к очередному пуску двигателя. Время выдержки реле времени KДТ должно быть несколько больше времени торможения, в противном случае динамическое торможение прекратится раньше, чем двигатель остановится.

Для того чтобы изменить направление вращения вала на противоположное, в обязательном порядке должно быть изменено расположение фаз напряжения, которое подается при питании асинхронного двигателя. Именно для этого и применяется схема реверсивного пуска двигателя, позволяющая полностью выполнить эту функцию. Кроме того, необходимо осуществлять постоянный контроль над значением напряжения, подводимого к двигателю, а также за напряжением, поступающим к катушкам контакторов. Именно контакторы непосредственно участвуют в организации реверсивного движения вала. При срабатывании первого контактора, фазы будут располагаться совершенно иначе, нежели при включении второго контактора.

При динамическом торможении с независимым возбуждением обмотки статора отключаются от сети трехфазного тока и подключаются к источнику постоянного тока. Этот ток создает неподвижный в пространстве магнитный поток, который при вращении ротора наведет в последнем ЭДС. Под действием ЭДС в обмотках ротора потечет ток, от взаимодействия которого с неподвижным потоком возникает тормозной момент. Двигатель превращается в синхронный генератор с неявновыраженными полюсами, работающий при переменной скорости.

В схеме применяется одновибратор, технический эффект от использования которого заключается в повышении надежности электропривода за счет улучшения работы задающего одновибратора, повышении устойчивости работы асинхронного электродвигателя, формирования пусковых характеристик фазоимпульсным модулированием подводимого к асинхронному электродвигателю (АД) напряжения. Кроме того, повышается точность регулирования электропотребления за счет учета изменения сопротивления обмоток АД при изменении температуры, в повышении надежности.

Цифровой коммутатор предназначен для использования в нерегулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети трехфазных асинхронных двигателей. Устройство снабжено двумя полупроводниковыми ключами, подключающими обмотки трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети переменного тока.

Коммутаторы на выходе цифровых компараторов осуществляют коммутацию ШИМ-сигнала между транзисторными ключами.

Силовые ключи выполняют роль электронного коллектора, осуществляя коммутацию секций обмотки якоря.

Разработка модернизированной структурной схемы пуска-торможения трехфазного АД с короткозамкнутым ротором

На рисунке 2 представлена предложенная модернизированная структурная схема пуска-торможения трехфазного АД с короткозамкнутым ротором.

Рисунок 2 - Структурная схема модернизированной схемы

Структура модернизированной системы состоит из следующих блоков:

- микроконтроллер- предназначен для управления электронными устройствами системы и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой;

- интерфейс связи- предназначен для подключения элементов передающих или принимающих данные с микроконтроллера;

- драйвер ключей и силовые ключи. Драйвер управления является промежуточным согласующим устройством между схемой управления и силовыми ключами. Драйвер предназначен для выполнения двух основных функций:

Формирование сигнала управления на затворе IGBT в соответствии с командами процессора.

Диагностика состояния (наличие или отсутствие тока перегрузки), своевременное выключение силового транзистора.

- датчик тока предназначен для формирования электрического сигнала, пропорционального силе тока;

- датчик скорости предназначен для информирования схемы управления о скорости вращения двигателя;

- устройство торможения предназначено для быстрого и надежного останова и фиксации асинхронного двигателя в отключенном состоянии, состоит из двух твердотельных реле;

- блоки питания предназначены для преобразования напряжения сети переменного тока в постоянный;

- асинхронный двигатель предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию.

Более подробно работу модуля управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием целесообразно рассмотреть с помощью схемы электрической принципиальной. Принцип ее работы состоит в следующем.

Микросхема DD1 предназначенная для управления асинхронным двигателем, в ходе работы микрконтроллер считывает команды из памяти и исполняет их. Система команд заложена в архитектуре микрконтроллера и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами микросхемы определенных микроопераций[3].

Силовые ключи IR2131 предназначены для согласования уровней из TTL-уровней и датчика обратной связи (ОС) (датчик тока ACS758), который включен между минусовым проводом и силовыми ключами (является ОС по току).

Также в схеме предусмотрена RBRAKE – цепь с электролитом в цепи питания и силовым транзистором (VT6), разряжающим эту емкость по сигналу микроконтроллера.

Также предусмотрена цепь датчика перенапряжения с гальванической развязкой (оптопара VТ8).

Принцип управления состоит в использовании инвертора на IGBT транзисторахIRGBC20F, к которому подключается АД мощностью 1.1 кВт.

В схеме также присутствуют твердотельные реле VT7 и VT9: управляющий сигнал подается на светодиод, который при этом передает сигнал далее – на фотодиодную матрицу, при этом обеспечивается гальваническая развязка коммутируемых и управляющих цепей. Напряжение, которое при этом создается, управляется силовым ключом.

Микросхема DD2 поочерёдно выдаёт в линию связи последовательность нулей и единиц, а устройство приёма отслеживает эти данные, запоминая их, происходит передача данных по последовательному двоичному коду.

Рисунок 3- Схема электрическая принципиальная

На основе разработанных структурной схемы и схемы электрической принципиальной были разработаны процессорная и силовая части печатной платы системы (рисунок 4). Габаритные размеры печатной платы процессорной части 145х100х1,5 мм.

Габаритные размеры печатной платы силовой части 130х85х1,5 мм.

а) процессорная часть

б) силовая часть

Рисунок 4- Внешний вид печатных плат процессорной и силовых частей

В данной статье показан вариант модернизации схемы режима пуска-торможения трехфазного АД с короткозамкнутым ротором. В ходе работы были разработаны схемы структурная и электрическая принципиальная, разработана печатная плата.

В устройстве используется современная, широкодоступная, дешевая элементная база. Применение микроконтроллера в качестве устройства управления и обработки информации значительно сокращает количество элементов. При внедрении данной системы в производство можно существенно сократить время работы, и самое главное, добиться более высокого качества работы объекта управления[4].

Список литературы

Асинхронные электромеханические преобразователи: учеб. по- собие / Сост. Ю.В. Зубков. – 2-е изд. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. – 146 с.: ил.

Гольдберг, О.Д. Электромеханика: учеб. / О.Д. Гольдберг, С.П. Хмелевская. – М.: Academia, 2007. – 504 с. 2.

Копылов, И.П. Электрические машины: учеб. / И.П.Копылов. – 5-е изд. – М.: Высшая школа, 2006. – 607 с. 3.

Беспалов, В.Я. Электрические машины: учеб. пособие / В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленц. – М.: Academia, 2006. – 313 с.

Код для цитирования: Скопировать