Управление нерегулируемыми однофазными асинхронными приводами
Существует ряд приложений, где нет необходимости в регулировке частоте вращения, но есть необходимость более эффективно управлять процессом запуска и защищать электродвигатель от ненормальных режимов эксплуа-
тации, исключая тем самым возможность выхода его из строя. К таким приложениям относятся: компрессоры холодильных камер, воздуходувы, недорогие стиральные машины и др. На рисунке За представлена типичная схема управления однофазным АД в холодильнике.
В ней для управления температурой хладоагента используется биметаллический термостат, который включается последовательно с однофазным АД. Двигатель имеет две обмотки, рабочую и пусковую, а также позистор (или другое температурное реле), включенный последовательно с пусковой обмоткой. Иногда также встраивается токовое реле (S2) в разрыв
питания электродвигателя для защиты его от сгорания при опрокидывании. Для повышения уровня системной надежности компания Freescale разработала схему на основе микроконтроллера 908КХ8, которая выполняет все функции для управления бытовым холодильником, в т.ч. запуск электродвигателя, термостатическое управление, подключение датчика открытия двери и звуковая сигнализация. В силовом каскаде используется схема, показанная на рисунке 36. В ней процесс управления запуском взят под управление микроконтроллером, для чего предусмотрен управляемый ключ на симисторе. Другим направлением совершенствования рассмот-
ренных схем является реализация функции тепловой защиты двигателя без электромеханических компонентов. Это связано с тем, что в существующих тепловых расцепи-телях используется биметаллический контакт, который обладает ограниченным ресурсом. Компания Freescale разработала оригинальное решение, которое исключает из схемы тепловой расцепитель, а функцию защиты двигателя реализует путем контроля за вращением ротора без каких-либо механических компонентов. Схема управления однофазным АД с учетом указанных улучшений показана на рисунке 4. Во время работы вращение ротора и магнитного поля вызывают индуцирование напряжения в неиспользуемой после запуска пусковой обмотке. В процессе нормальной работы двигателя напряжения на пусковой и рабочей обмотках заметно различаются по фазе (см. рисунок 5а). Если же двигатель опрокидывается, то эти напряжения синфазны (рисунок 56). Для того, чтобы микроконтроллер смог воспринять фазовые различия, в схеме на рисунке 4 предусмотрены два идентичных узла на транзисторах VT2 и VT3 для преобразования синусоиды в прямоугольные импульсы. Выходные прямоугольные импульсы поступают к входам захвата (capture) микроконтроллера, внутренне связанные с таймерным модулем.
РЕГУЛИРОВКА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ОДНОФАЗНЫХ АД
Повышение технического уровня приложений, где используются однофазные АД, как правило, связаны с необходимостью регулировки частоты вращения (например, при реализации функции плавной регулировки производительности вентилятора). Применительно к однофазным АД могут применяться два способа: изменение частоты напряжения питающей сети при поддержании на соответствующем уровне его амплитудного значения (по принципу постоянства отношения напряжение-частота) и изменением напряжения питающей сети (регулировка скольжения). Последний способ широко исполь-
зуется в существующих приборах для ступенчатой регулировки частоты вращения и характеризуется зависимостью частоты вращения от нагрузки (момент сопротивления) (см. рисунок 6). Плавная регулировка при использовании данного способа реализуется с по-
мощью фазового управления си-мисторным коммутатором, однако в этом случае возникают проблемы с повышенным уровнем электромагнитных излучений. Регулировка частоты питающей сети по принципу постоянства отношения напряжение-частота снимает
практически все технические ограничения, но стоимость типично-используемой топологии преобразователя частоты со звеном постоянного тока является не конкурентоспособной.
Для разрешения данного противоречия инженерами Freescale разработана новая топология (см. рисунок 7), которая снимает вопросы по электромагнитной совместимости и в тоже время отличается невысокой стоимостью.
Новая схема позволяет напрямую модулировать сетевое напряжение с помощью двух двунаправленных ключей, которые схемотехнически выполняются на основе диодного моста и транзистора (МОП или IGBT). Частота преобразования фиксирована и равна 16 кГц. Действующее значение выходного напряжения пропорционально коэффициенту заполнения импульсов модуляционного сигнала (широтно-импульсная модуляция, ШИМ). Первая гармоника выходного сигнала остается неизменной и равна частоте сете-
вого напряжения. Таким образом, данная топология может использоваться только для регулировки скольжения за счет варьирования напряжением питания. На основе этой топологии Freescale разработала две схемы, которые различаются логикой управления ключами S1 и S2 (в первой схеме микроконтроллер управляет только одним ключом, а второй ключ управляется сигналом обратной связи, а во второй схеме микроконтроллер управляет обоими ключами). Обе схемы обладают следующими особенностями и характеристиками:
• Входное напряжение 230В (действующее значение)
• Максимальный выходной ток 4А (кратковременный ток 8А)
• Регулировка выходного напряжения в диапазоне 0-230В
• Частота преобразования 16 кГц
• Возможность работы совместно с активно-индуктивной нагрузкой
• Управление микроконтроллером
• Интерфейс управления: переключатель ПУСК/СТОП, вход задания скорости, индикация включения/отключения.
Таким образом, в данной статье рассмотрены решения компании Freescale для повышения технического уровня однофазных асинхронных приводов, которые широко используются в бытовом и промышленном электрооборудовании. Они заключаются в исключении из схемы нерегулируемого управления двигателем электромеханических компонентов, в т.ч. прерывателя пусковой обмотки и теплового расцепителя, а также в разработке новой топологии регулировки напряжения питания двигателя, которая позволяет регулировать вращение двигателя и характеризуется малой стоимостью и лучшей электромагнитной совместимостью (по сравнению с фазовым управлением). Данные решения Freescale позволят поднять уровень надежности и функциональные возможности однофазных асинхронных приводов холодильников, компрессоров, насосов и другого оборудования при минимальных затратах на проектирование и конкурентоспособной стоимости конечного продукта.
Дополнительная информация относительно рассмотренных и прочих решений для управления электродвигателями различного типа может быть найдена в разделе «Управление электродвигателями» на сайте компании Freescale по ссылке freescale.com/ motorcontrol.
Материалы для данного обзора предоставлены компанией Spoerle An Arrow Company.
|
