Двигатели постоянного тока с тиристорными схемами управления
Для преобразования нагрузки может использоваться тиристорный или транзисторный высоковольтный преобразователь на базе IGBT. Тиристорный частотный преобразователь (ТП, ТПР или ТПЧ) – это электрическое устройство для преобразования переменного тока в постоянный, регулирования его уровня и прочих характеристик. С его помощью можно уравнивать различные параметры электрических редукторов: скорость вращения в момент пуска, угол и прочие.
Фото — тиристорный уравнитель
Тиристорный преобразователь применяется для двигателя постоянного тока (ДПТ) вместе с системой автоматического регулирования (FR A700 в Mitsubishi Electric, Siemens Simoreg DC Master, Omron Yaskawa). Он имеет очень широкую область применения благодаря своим достоинствам:
- Высокий показатель КПД – до 95 % (к примеру, у модели ПН-500);
- Широкий спектр контроля. Его можно использовать для двигателя с мощностью от десятых киловатта до нескольких мегакиловатт;
- Способность выдерживать сильные импульсные нагрузки при включении электродвигателя в сеть;
- Высокие показатели надежности и долговечности;
- Точность в работе.
Но у такой системы есть определенные недостатки. В первую очередь – это низкий коэффициент мощности, который проявляется при глубоком регулировании производственных процессов. Компенсировать его можно при помощи дополнительных устройств. Кроме этого, мощный преобразователь вызывает помехи в электрической сети, что сказывается на работе чувствительного электро- и радиооборудования.
- Трансформатор или реактор;
- Выпрямительные блоки;
- Дополнительный реактор, сглаживающий преобразование;
- Система защиты оборудования от перенапряжений.
Большинство современных преобразователей подключаются к трансформатору через реактор. Трансформатор в этой схеме является согласующим звеном между входящим и выходным напряжением, он уравновешивает разницу между ними. Помимо него, электросхема также включает в себя специальный сглаживающий реактор. Этот прибор необходим для нейтрализации определенных пульсаций, возникающих при выпрямлении и изменении типа тока. Но система не всегда включает в себя реактор, т. к. при достаточной индуктивности асинхронного двигателя в нем нет необходимости.
Агрегат пропускает через автономный инвертор (расположенный во входящем звене) первичную нагрузку. Они попадают в выпрямляющие блоки, установленные в выходном звене. Для подключения других индукционных потребителей используются специальные шины, которые помогают выравнивать питание в целой группе устройств.
Такой преобразователь бывает низкочастотный и высокочастотный. В зависимости от потребных частот и имеющихся параметров электричества подбирается нужная модель. Нужно отметить, что в станках, где используется трехфазный ток, применяется другой тип подключения. Однофазный переносит воздействия и преобразования, в то время как на преобразовании трехфазного тока теряется КПД.
Фото — преобразовательный пункт
Система используется в плавке металлов, сварочных работах, контроле кранового механизма и многих других производственных и технологических процессах. Применение такого принципа работы позволяет реализовать систему генератор-двигатель без использования генератора. Благодаря этому производится широкая регулировка частот вращения шпинделя даже на самых малых скоростях, настраиваются механические и другие характеристики электропривода и прочие параметры.
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 ещё 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 экологически вредными в эксплуатации (особенно если применялись ртутные вентили).
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, троллейбусах, поездах метро, а чуть позже и на электровозах. Поначалу тиристорные регуляторы были очень дорогими и не очень широко применялись 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 (проворачивания колес по рельсу при потере сцепления) [ прояснить ] , рекуперация энергии 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 комплектующих. Для электровозов создать свою ТИСУ ни в СССР, ни позже в России не удалось. Современные российские электровозы оснащаются уже следующим поколением регуляторов — транзисторно-импульсными.
Разработка
Электрическая схема тиристорный преобразователь-двигатель (к примеру, КТЭ) для плавного переключения может быть двух видов:
- Однофазной;
- Многофазной.
В зависимости от типа исполнения варьируются соотношения расчетных единиц и принципы работы преобразователя.
Фото — нулевая схема трехфазного преобразования
На этом чертеже схематически показано изменение электрической энергии при работе тиристорного преобразователя в режиме выпрямителя и инвертора. В то же время, для мостовой схемы можно сделать такую же диаграмму, но только состоящую из двух нулевых. Именно она наиболее часто используется при проектировании преобразователя для станочного оборудования. Это происходит из-за того, что исходное фазовое напряжение в ней в два раза превышает фазовой напряжение (Udo) в нулевой схеме работы.
Фото — питание
Однофазная схема используется для контроля питания и работы привода машин с высоким индуктивным сопротивлением. Она работает в пределах мощности от 10 кВт до 20, намного реже – при больших мощностях. К примеру, подойдет для электрической печи, домашнего станка.
Фото — однолинейная схема
Трехфазная используется для оборудования, где требуется от 20 кВт для работы. К примеру, для синхронных приводов, двигателя крана и экскаватора. Еще одной популярной многофазной схемой контроля является шестифазная (Кемрон). Её проект предусматривает использование в конструкции уравнительного реактора, который направлен на контроль низкого напряжения и высокого тока. Этот силовой электрический прибор пропускает и преобразовывает электрическую энергию параллельным путем, а не последовательным (как большая часть аналогичных устройств). Его более сложно разработать своими руками, но степень надежности и эффективности значительно больше, нежели у однофазного тиристорного преобразователя. Но такой реверсивный контроллер имеет серьезный недостаток – его КПД менее 70 %.
Своими руками можно сделать собственный преобразователь, но многое зависит от используемой базы. Внизу дана схема, разработанная на основе Micro-Cap 9. Главной особенностью этой модели является необходимость в совместном моделировании различных узлов.
Фото — Схема тиристорного уравнителя
Видео: как работают тиристорные преобразователи
Типы ДПТ
Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.
Рассмотрим основные отличия.
По наличию щеточно-коллекторного узла
Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.
Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.
В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.
По виду конструкции магнитной системы статора
В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.
О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.
Управление шаговым двигателем
Шаговые двигатели, так же как и коллекторные, состоят в основном из катушек. То есть для вращения нужно пропустить ток через катушки. Таким образом, все из представленных схем управления двигателями могут быть использованы и для управления шаговым двигателем. (все, кроме H-моста)
Разница в схеме усилителя мощности для шаговых двигателей заключается в том, что здесь немного другие напряжения и токи, и также в основном требуется 4 переключателя на один двигатель (когда двигатель имеет пять контактов).
Номинальное рабочее напряжение, в основном, находится в диапазоне 9 — 24 В. При таких не малых напряжениях мы имеем дело также с большим током: 0,3 — 1A на одну фазу! Ниже приведен пример подключения шагового двигателя с 5 выводами:
В роли ключей мы можем также использовать MOSFET — транзисторы. Это даже более простое решение.
Так как нам нужно до 4-х транзисторов, которые занимают довольно много места на плате, хорошим решением будет использовать микросхему ULN2003A.
