Эффективный источник питания асинхронного двигателя

Эффективный источник питания асинхронного двигателя

 

Данное устройство предназначено для питания трехфазных асинхронных двигателей, серийно выпускаемых промышленностью от источника низкого напряжения 12V или от осветительной сети ~220V. В отличии от всех подобных устройств, схема исполузует рекурперацию энергии обратной ЭДС обмоток двигателя что позволяет в несколько раз снизить ток потребления двигателем, особенно на холостом ходу. Например, двигатель 0.6 кВт 1350 Об/мин на холостом ходу при номинальной частоте вращения потребляет всего 4.5А от источника 12V или около 300 мА от сети ~220V. Такого потребления невозможно добиться при всех существующих способах запитки подобных двигателей. Устройство формирует полноценные 3 фазы для обеспечения нормального вращения двигателя, что позволяет плавно регулировать частоту вращения  двигателя в широких пределах. При питании устройства от сети с использованием умножителя напряжения (на каждую фазу двигателя подается в этом случае 400V) мощность двигателя становится близкой к номинальной. При дальнейшем увеличении напряжения питания мощность увеличится пропорционально (при этом, естественно, увеличится потребляемый ток). Фактически, предельная мощность двигателя зависит от параметров силовых элементов схемы (тиристоров и фазных конденсаторов), а таккже, от диэлектрической прочности изоляции обмоток двигателя, от способности обмотки выдерживать мощные импульсы тока, от механической прочности корпуса двигателя. При усовершенствовании схемы (замене деталей в силовой цепи на более высоковольтные) с двигателя можно снять мощности больше в несколько раз, чем позволяют его паспортные характеристики. Мощность можно увеличивать до тех пор, пока не расплавится обмотка в точках соединения или не разнесет корпус двигателя. Как уже отмечалось, при этом, естественно, вырастет ток потребления. Также замечу, что устройство не является «вечным двигателем» — при существущем дизайне асинхронного двигателя снять с него «лишнее» не получится. Однако, применение данной схемы позволяет легко повысить КПД двигателя от 0. 6 до 0.9, что может быть важно для энергосберегающих проектов (примечаение: КПД маломощного до 3 Квт асинхронного двигателя не может быть больше 70%, более мощные двигатели с большим количеством полюсов имеют КПД около 90%).

Характерной особенностью схемы является полное отсутствие нагрева двигателя и элементов схемы. Обмотки двигателя запитыватся короткими и мощными высокоамперными импульсами, через обмотки не протекает постоянный ток.  Это не позволяет обмоткам стать активной нагрузкой, что исключает их нагрев. Также, двигатель не грееется (соответственно, не перегорает) в случае заклинивания ротора. В некотром роде, двигатель их асинхронного превращается в синхронный. Если судить по потребляемому току, получается, что при нагрузке вала, начинает пропорционально расти ток, однако когда нагрузка стеновится критической, энергия МП не в состоянии преодолеть силы торможения ротора, обороты двигателя резко падают, вал останавливается. При этом, также, падает ток. Стоит отпустить ротор, он начинает раскручиваться и постепенно входит в режим синхронизации. После входа в этот режим можно снимать нагрузку с вала.

Главный недостаток схемы состоит в низком пусковом моменте двигателя. При напряжении питания 200V на каждую фазу и начальной частоте 25 Гц пуск и синхронизация наступает за 3 — 5 сек (при используемом двигателе), дальше, можно резко увеличить частоту до номинальной, при этом двигатель фактически мгновенно отрабатывает команду.

К преимуществам такой схемы запитки двигателя можно отнести низкий уровень шума при работающем двигателе, полное отсутствие характерного «гудения», вибрации и т.д. Ротор вращается очень мягко, что позволяет услышать механические деффекты двигателя. Например выяснилось, что в используемом двигателе оказался разбит передный подшипник — раньше, при нормальном включении за гулом и вибрацией этого не было слышно. Что касается современных т.н. «частотных преобразователей» используемых в металообрататывающих станках, последние, например, питают двигатель прямоугольными импульсами, что создает очень мощный шум — как будто работает не двигатель а сварочный трансформатор. При этом, двигатель, по прежнему остается асинхронным т.е. в нем присутствует эффект «проскальзывания» МП, что может приводить к плаванию оборотов под разной нагрузкой. Данная схема лишена подобного недостатка (см. выше), что делает ее привлекательной для подобных приложений.

Используемые в схеме детали доступны, практически, каждому радиолюбителю, что позволяет легко повторить или улучшить схему. Требуются дальнейшие иссследования данного способа включения двигателей, поэтому материал представляется в открытом виде. При повторении схемы, просьба сообщить об этом автору с целью обмена опытом.

 

Описание схемы

Для начала следует вспомнить, как надо правильно питать подобные двигатели. В учебниках пишут, что асинхронные двигатели следует запитывать только синусодальным трехфазным переменным током частотой 50Гц. Однако это не совсем так. Питание двигателя допускается любой формой сигналов в т.ч. прямоугольными импульсами. Существующие частотные преобразователи ШИМ позволяют не только регулировать частоту вращения ротора (она зависит только от частоты) но и мощность — она регулируется шириной импульса. Поскольку такие устройства существуют и серийно выпускаются промышленностью, можно сделать вывод, что форма сигнала не важна. Гораздо важнее правильное фазирование обмоток двигателя — при нарушении этого условия двигатель не будет крутиться вообще или не будет набирать обороты. Для понимания процесса фазирования двигателя вспомним как выглядит 3х фазный переменный ток.

Глядя на график, можно сделать следующий простой вывод. Для обеспечения вращения двигателя надо подать на его фазные обмотки 6 импульсов, соответсвующие пикам каждой синусоды трехфазного тока. Соответсвенно, если использовать генератор импульсов имеющий 6 выходов последовательно выдающий импульс на каждый выход можно обеспечить создание вращающего магнитого поля внутри двигателя, что заставит последний вращаться. Если предствить, что каждая обмотка двигателя имеет точки начала и конца, то приложение напряжения к обмотке «А» в прямой полярности (т.е. на начало обмотки подводится «+») обозначить как  «А» и в обратной полярности (на начало обмотки в этом случае подводится «-») обозначить как «А’» то полная схема коммутации обмоток примет следующий вид:

 

1. «А»
2. «C’»
3. «B»
4. «А’»
5. «C»
6. «B’»

Подавая такую последовательность импульсов на обмотки двигатель придет в движение. Форма импульсов (сунус или меандр) при этом совершенно не важна. Перед подключением двигателя следует его сфазировать. Для этого, собираем цепь от низковольтного источника питания 12-24V в разрыв которой включаем лампу (чтобы не сжечь двигатель или блок питания) и последовательно касаемся щупами клемм колодки двигателя, согласно схеме преведенной выше. Двигатель в этом случае, начнет немного вращаться. После того, как фазы и начала обмоток точно определены их следует пометить. Это будет важно при подключении двигателя к собранному устройству.

Схема источника питания состоит из трех фукнциональных блоков. Общая или силовая часть. Генератор импульсов. Инвертор напряжения. В целях снижения трудоемкости при изготовлении, а также, снижения помех, силовую часть и генератор целесообразно выполнить на одной плате. Инвертор может быть отдельным устройством (при питании от батареи) или его может не быть вообще в случае питания от осветительной сети. Последний способ не рекомендуется по причине опасности — в этом случае, часть элементов схемы может оказаться под смертельно опысным относительно «земли» напряжением, поэтому для отладки устройства такой способ нежелателен.

Как отмечалось выше, генератор импульсов выдает последовательно 6 импульсов, необходимых для обеспечения создания вращающегося магнитного поля в двигателе. Между импульсами отсутствуют «мертвые» интервалы — в данной схеме смысл в них отсутствует. Частота импульсов задается частотой тактового генератора, для получения номинальной частоты 50 Гц необходима частота генератора 300 Гц. Генератор имеет воможность регулировки частоты с помощью переменного резистора.  Каждый импульс на выходе генератора содержит пакет из серии импульсов частотой около 8 кГц, необходимый для управления тиристорами в силовой части схемы. Безусловно, тиристорами можно управлять постоянным током (токовым импульсом) однако такой способ нецелесообразен. Дело в том, что при таком способе управления потребуется применять другие способы «отвязки» генератора от силовой части — например использовать трансформаторы на «железе» или конденсаторы значительной емкости, что негативно скажется на надежности работы устройства. Также, управление тиристорами постоянным током энергозатратно — потребуются мощные ключи. Решение с развязывающими импульсными трансформаторами для данной схемы практически идеально т.к. такое управление решает сразу множетство проблем. Итак, каждый из выходов импульсного генератора связан с первичной обмоткой трансформатора. Когда транзистор в цепи выхода генератора открыт (при лог. 1 на соответсвующем выходе микросхемы счетчика) в первичную обмотку трансформатора поступает пачка импульсов частотой 8 кГц, которая возбуждает такие-же импульсы во вторичной обмотке, связанной с управляющим электродом тиристора т.е. образуется цепь: катод тиристора — обмотка трансформатора — управляющий электрод. Важно отметить, что в данном случае важно привильное фазирование обмотки трансформатора: на управляющий электрод должны приходить импульсы положительной полярности! Таким образом,  схема коммутации обеспечивает создание вращающегося магнитного поля внутри двигателя. Ниже приводится сигналограмма на управляющем электроде любого из тиристоров.

несколько импульсов

Нет необходимости описывать коммутацию каждой обмотки, идея, надеюсь, понятна. Чтобы заработало нужно просто правильно собрать схему и сфазировать обмотки двигателя а также импульсные трансформаторы. Сейчас важно рассмотреть работу любой отдельной фазы для понимания механизма рекурперации энергии. Представим, что конденсатор, подключенный к обмотке фазы «А» полностью заряжен. В момент поступления на управляющий электрод тиристора сигнала, тиристор открывается. Ток начинает течь по цепи из конденсатора через обмотку и через открытый тиристор. В какой-то момент сила тока нарастает до такого состояния, что образованное вокруг катушки магнитное поле толкает ротор двигателя. Далее, энергия запасенная конденсатором начинает иссякать, его заряд постепенно истощается. В этот момент, энергия мигнитного поля внутри двигателя начинает наводить вокруг фазной обмотки ЭДС самоиндкукции, причем направление течения тока в цепи при этом не изменяется. Обмотка двигателя в этот момент сама становится источником энергии и начинается процесс заряда конденсатора напряжением с обратным знаком. Процесс продолжается до тех пор, пока энергия магнитного поля вокруг обмотки не иссякнет. В момент прекращения течения тока в цепи тиристор закрывается сам по себе. Поскольку открытый тиристор работает также как диод, в данной цепи не могут начаться гармонические затухающие колебания. Энергия, запасенная конденсатором (только с обратным знаком) в этот момент пригодна для последующего использования!  Поскольку в схеме есть потери, требуется принятие специальных мер для постоянного пополнения запаса эненргии в фазных конденсаторах, рассмотрим  этот важный процесс. В тот момент, когда конденсатор фазы «А» заряжен напряжением с обратным знаком, рано или поздно, потребуется пропустить этот заряд через обмотку двигателя. Когда этот момент наступает, просходит процесс, аналогичный тому, что описан выше. Разница состоит в том, что по завершению этого процесса, на конденсаторе теперь положительное напряжение, соответсвующее (по знаку) напряжению источника питания. Как отмечалось выше, в схеме всегда есть потери, поэтому напряжение на конденсаторе будет меньше исходного т. е. напряжения питания. Поскольку знак напряжения на конденсаторе совпадает со знаком напряжения источника питания, в этот благоприятный момент целесообразно выполнить регенерацию энергии, для чего по сигналу из соседней фазы, открывается соответсвующий тиристор и конденсатор пополняется энергией.

Требует поясненения цепь регенерации энергии. Известно, что имея заряженный конденсатор невозможно «напрямую» зарядить от него другой конденсатор так, чтобы напряжение на последнем было выше или равно исходному напряжению на первом конденсаторе. Поэтому, в цепи заряда применен дроссель. Однако, на самом деле, никакой это не дроссель, а часть контура, образованного с одной стороны конденсатром в инверторе большой емкости, катушкой дросселя, открытым тиристором и фазным конденсатором, заряд которого осуществляется в данный момент времени. Когда тиристор открывается, огромная энергия запасенная элекролитическим конденсатором большой емкости устремляется в обмотку дросселя, вокруг последней создается мощное магнитное поле. В какой-то момент, энергия магнитного поля начинает спадать и токи самоиндукции превращают дроссель в источник энергии. В итоге, фазный конденсатор заряжается несколько выше напряжения питания, а электролитический конденсатор немного разряжается, отчего создается разность потенциалов, которая не позволяет дальнейшее течение тока из источника питания в фазный конденсатор, тиристор в этот момент закрывается. Независимо от наличия или отсутствия на нем управляющих импульсов ток в этой цепи уже не потечет поскольку фазный конденсатор заряжен больше источника питания. Таким образом, полная таблица коммутации двигателя с учетом регенерации энергии принимает следующий вид:

1. «А»
2. «C’» — Rb
3. «B»
4. «А’» — Rc
5. «C»
6. «B’» — Ra

где Rx сигнал регенерации энергии в фазном конденсаторе соответсвующей фазы.
Именно поэтому 3 из 6 импульсных трансформаторов двухобмоточные: вторая обмотка управляет тиристором в цепи регенерации энергии. Сигнал на фазном конденсаторе при работающем двигателе представлен в следующей осцилограмме:

Более крупно:

Двойная линия внизу — это глюк фотоаппарата. Просто «синусоида» немного покачивается когда двигатель вращается.

Фотогалерея устройства. Опытный асихронный двигатель 0.6 кВт 1350 об/мин R обмоток 12 Ом. пр-во ГДР,  1970 г.в.

Блок управления и силовая часть. Между электроникой и тиристорами импульные трансформаторы. Толстые провода к двигателю.

Банк фазных конденсаторов 3×10 мкф 250 в.. К одному из них через резистор на 10 мОм подключен щуп осциллографа.

Дроссель, через который осуществляется регенерация энергии. Рядом конденсатор 470 мкф и предохранитель. Опасные штучки 😉

Инвертор 12 -> 200

В завершение, несколько ведео работающего устройства:
Запуск асинхронного двигателя
Работа асинхронного двигателя

Налаживание устройства

 Перед включением устройства следует проверить правильность монтажа. Особенно тщательно нужно проверить отсутствие межобмоточных замыканий импульсных трансформаторов. В случае замыкания, разнесет не только тиристоры но и низковольтную электронику. После выполнения проверок следует подать низковольтное питание на схему. Внимание! На данном этипа ни в коем случае не подавать на силовую часть никакое напряжение! Это можно сделать после того, как будет проверена и отлажена слаботочная часть схемы. Включив питание управления +12 V сразу проверяем ток. Он не должен превышать 70-100 мА, если ток значительно больше — где-то в схеме КЗ или дохлая(е) микросхемы и т.д. Если ток меньше 50 мА где-то в цепях обрыв. Проверьте еще раз монтаж схемы. Если ток в норме, первым делом следует проверить напряжение на выходе внутреннего стабилизатора +9 V.

 Далее, проверяем работу генератора импульсов на микросхеме NE 555. К выходу микросхемы подключаем осциллограф и смотрим сигнал. Должны присутствовать короткие (около 20 мксек) импульсы с амплитудой близкой к напряжению источника питания. Частота импульсов должна быть около 8 кГц. Убедившись в работоспособности этого узла проверяем генератор на намкросхеме К561ЛА7. С выхода генератора должны поступать симетричные прямоугольные импульсы, чатота которых, в зависимости от положения движка переменного резистора «обороты» должна быть в пределах от 30 до 500 Гц.

 Теперь разбираемся в микросхемой К561ИЕ8 — с ее помощью осуществляется формирование фазных управляющих импульсов. Данная микросхема представляет из себя десятичный счетчик, формирующий последовательно на каждом выходе сигнал логической «1» по спаду тактового импульса. Для проверки правильности работы этой микросхемы и монтажа, в задающем генераторе вместо конденсатора номиналом 10n временно устанавливаем конденсатор 1 мкф. Включаем устройство и смотрим на светодиоды, подключенные к выходам микросхемы К561ИЕ8. При исправной микросхеме должны последовательно зажигаться светодиоды с 1 по 6 и так по кругу. В работающем устройстве, естественно, все диоды будут просто светиться т.к. глаз человека не в состоянии видеть сигнал частотой выше 25 Гц.  Все светодиоды должны светиться с одинаковой яркостью. В случае обрыва обмотки импульсного трансформатора, неисправности транзистора и т.д. диод светиться не будет или будет светиться в «пол накала». Именно поэтому в схеме вместо диодов используются светодиоды — для удобства отладки. Убедившись, что все в порядке, убираем конденсатор из генератора на 1 мкф. Включаем устройство и регулируем переменным резистором частоту тактового генератора. При наименьшей частоте светодиоды будут немного мерцать (особенно хорошо это видно боковым зрением) а при максимальной — светиться. При этом, работающая схема будет издавать характерный «писк», что свидетельсвует о том, что в первичные обмотки импульсных трансформаторов поступают управляющие импульсы.

Разбираемся с управляющими сигналами тиристоров. Еще раз проверяем разводку вторичных обмоток импульсных трансформаторов. Если все сделано правильно фазируем трансформаторы. Для этого «отвязываем» корпус осциллографа от земли и проверяем сигнал в цепи управляющего электрода каждого тиристора. Землю осциллографа «крокодилом» цепляем к катоду исследуемого тиристора, а щуп подключаем к управляющему электроду. На экране должны присутствовать пакеты импульсов ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ полярности (см. осцилограмму в начале файла) амплитудой не менее 5V. Так нужно последовательно проверить все теристоры с схеме. На всех должен присутствовать управляющий сигнал. Закончив с этим, можно начать подавать питание на силовую часть схемы.

Важное замечаение. Помните, что импульсная техника не прощает ошибок! Если что-то пойдет не так, огромная энергия запасенная электролитическим конденсатором большой емкости вынесет тиристоры — сразу несколько штук. Будет примерно следующее:

А всего-то делов: причина была в дребезге контактов в переменном резисторе подстройки оборотов. В какой-то момент цепь обрывалась, частота тут-же возрастала в несколько раз, схема тут-же захлебавалась. Сквозные токи от источника питания (электролитического конденсатора) перли через тиристоры. Неравный бой между тиристорами и электролитическим конденсатором большой емкости всегда заканчивался победой последнего, результат — на картинке.  В догонку, вынесло еще TL 494 в инверторе и мосфет IRF 1010. Печально, такой ущерб из-за коппечной детали. И хороший урок.

Теперь переходим к самому интересному. Подаем на силовую часть сначала низковольтное питание от источника 12-24V через лампу на 5 Вт. Включаем сначала блок управления, ставим минимальную частоту оборотов. Далее, плавно поднимаем напряжение питания силовой части до 15-20 V. Смотрим на лампу. Светиться она не должна. Еще лучше, в разрыв питания силовой цепи включить амперметр: в случае нормальной работы устройства (работают контуры всех трех фаз) ток составит несколько миллиампер при таком напряжении питания и минимальной частоте. Если ток значительно больше (горит или светится в пол накала лампа) прут сквозные токи через схему. Если тока нет вообще — тиристоры не открываются. В случае нормального тока смотрим что происходит на конденсаторах. Сигнал должен быть примерно такой:

Так нужно проверить все 3 фазы. Наличие такого сигнала свидетельствует от том, что схема работает. Теперь искуственно вводим схему в режим захлебывания чтобы определить примерную максимальную чатоту тактового генератора. Для этого плавно увеличиваем частоту и смотрим на лампу. Как только лампа загорится — схема захлебнулась. При низком напряжении питания это не страшно — токи при таком напряжении не смертельны для тиристоров. Измеряем частоту генератора в этом случае. У меня получилось около 500 Гц т.е. 500/6=83 Гц на каждую фазу. Характерно, но в работающем двигателе значение частоты при которой наступает захлебывание несколько меньше.  Определив предельную частоту можно начать подачу высокого напряжения на силовую часть.

Включаем генератор, ставим минимальную частоту. Включаем инвертор и плавно увеличиваем напряжение на его выходе. Следим за током потребляемым устройством. Он должен начать расти по мере увеличения напряжения на выходе инвертора. Одновременно, смотрим напряжение на выходе инвертора. Если все идет хорошо, при 50 V двигатель начнет гудеть, при 150 V вал тронется, при 200 V начнет уверенный набор оборотов. Далее, наступит вход в режим синхронизации, гул и гудение снизится, а ток в цепи батареи составит около 3А. Если схема все еще жива, увеличиваем обороты двигателя до номинальных.  Это легко т.к. двигатель уже синхронизирован, набор оборотов пройдет очень быстро. Ток при этом подскочит (в момент раскрутки) до 7-10А и тут-же упадет до 4.5 А после набора оборотов. Наслаждайтесь работой устройства. В этот момент следует проверить отсутствие нагрева деталей схемы (аккуратно!), измерить обороты вала, попробовать притормозить вал рукой, следя за потребляемым током.

Для контроля оборотов и формы сигнала на фазе следует поключить к одному из фазных конденсаторов через резистор на 10 мОм щуп осциллографа и через резистор на 500 кОм частотомер (китайский мультиметр поддерживающий измерение частоты). Далее, следя за формой сигнала можно увеличить частоту до 100 Гц или выше, пока схема не захлебнется. Это нужно делать с осторожностью (см. выше) т.к. в этом случае сквозными токами вынесет тиристоры. Как показала практика, двигатель легко раскрутить до двойной частоты на каждой фезе, но делать этого все-же не стоит.

Вопросы, пожелания?

Пишите [email protected]

Упрощение схемы подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику питания с батарейным питанием или от сети постоянного тока. :: ПВ.РФ Международный промышленный портал

Схема подключения многофазного аcинхронного двигателя к иcточнику поcтоянного тока

Автор: Попов Андрей Викторович

Изобретение отноcитcя к облаcти электротехники и может быть иcпользовано в уcтройcтвах c батарейным питанием или питанием от cети поcтоянного тока. Техничеcким результатом являетcя упрощение схемы подключения асинхронного двигателя к источнику питания. Указанный технический результат достигают тем, что схема подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока содержит параллельные резонансные LC-контуры по числу обмоток двигателя. Каждый контур образован конденсатором и первичной обмоткой двухобмоточного дросселя, ко вторичной обмотке которого, индуктивно связанной с первой, подключена соответствующая обмотка, двигателя. Первичные обмотки дросселей контуров последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ, размыкающий цепь с заданной периодичностью. Каждый резонансный контур с включенной в него обмоткой двигателя настроен на собственную резонансную частоту. Значение резонансной частоты от контура к контуру вдоль цепи изменяется последовательно. 2 ил.

Уровень техники

Асинхронный двигатель (АД) относится к электрическим машинам переменного тока. Принцип работы такого двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре после подключения его обмоток к трехфазной сети переменного тока (основная схема включения АД). Вращающееся магнитное поле статора, пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в них электродвижущую силу (ЭДС), создающую в обмотке ротора ток. Взаимодействие этого тока с вращающимся магнитным полем статора вызывает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Для создания вращающегося магнитного поля статора необходимо выполнение двух условий, а именно: статорные обмотки должны быть смещены в пространстве друг относительно друга, что обычно обеспечивается конструкцией двигателя, и второе — токи в обмотках должны быть сдвинуты по фазе.

Известны решения, когда двух- или трехфазную обмотку статора включают в однофазную сеть переменного тока. В этом случае для создания начального (пускового) момента и приведения ротора во вращение используют фазосдвигающий элемент, преимущественно конденсатор, подключаемый к одной из обмоток статора, т.н. пусковой обмотке (например, см. кн. И.И.Алиев. Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах. Изд-во: РадиоСофт, Москва, 2004 г., стр.83-87).

Для работы от сетей и источников постоянного тока обычно используют электродвигатели постоянного тока. Однако асинхронные двигатели более просты в обслуживании и надежны в эксплуатации, что объясняется отсутствием коллекторно-щеточного механизма, имеющего место в электродвигателях постоянного тока. Упомянутые качества делают привлекательным использование асинхронных двигателей в электроприводах с питанием от сетей постоянного тока.

Известен электропривод транспортного средства, содержащий асинхронный двигатель, подключенный к источнику постоянного напряжения через преобразователь постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой, частотой и изменяемым порядком чередования фаз (см. патент на полезную модель 57990, МПК Н02К 17/34, опубл. 2006.10.27).

Известна схема подключения трехфазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока через трехфазный мостовой инвертор (см. патент SU 1830178, МПК Н02Р 7/42, опубл. 23.07.93 г.).

Во всех известных заявителю решениях, в том числе вышеупомянутых, между асинхронным двигателем и источником постоянного тока непременно включается инвертор — преобразователь постоянного тока в m-фазный переменный либо коммутирующее вентильное устройство, поочередно подключающее фазы двигателя к источнику постоянной ЭДС. Однако все упомянутые схемы отличаются сложностью, наличием большого количества коммутирующих элементов, что отрицательно сказывается на надежности его работы.

В качестве ближайшего аналога для заявляемого решения принята схема включения асинхронного двигателя, примененная в приводе электроподвижного состава с питанием от тяговой сети (см. патент на полезную модель 39763, МПК Н02Р 1/26, опубл.

2004.08.10). Схема содержит источник постоянного тока и соединенный с ним асинхронный двигатель с трехфазной обмоткой статора. Соединение АД с источником питания в упомянутом решении осуществлено через входные фильтры, однофазные инверторы, понижающие трансформаторы, мостовой выпрямитель с LC-фильтром и трехфазный коммутатор напряжения, к которому подключены статорные обмотки асинхронного двигателя. Трехфазный коммутатор напряжения выполнен на базе 6-ти электронных ключей. Недостатком известного решения является сложность схемы подключения, наличие большого числа коммутирующих элементов.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является разработка более простой схемы подключения асинхронного двигателя к источнику постоянного тока, использующей минимальное количество коммутирующих элементов.

Поставленная задача решена тем, что в схеме подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока согласно заявляемому изобретению для каждой обмотки статора асинхронного двигателя сформирован параллельный резонансный LC-контур, образованный конденсатором и первичной обмоткой двухобмоточного дросселя, ко вторичной обмотке которого, индуктивно связанной с первой, подключена соответствующая обмотка двигателя, первичные обмотки дросселей контуров последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ, размыкающий цепь с заданной периодичностью, при этом каждый резонансный контур с включенной в него обмоткой двигателя настроен на собственную резонансную частоту с соблюдением условия последовательного изменения (возрастания или убывания) значения резонансной частоты от контура к контуру.

В отличие от прототипа и других известных решений, в заявляемом решении предложена принципиально новая схема питания асинхронного двигателя от источника постоянного тока, предполагающая последовательное подключение статорных обмоток двигателя к источнику постоянного тока с использованием одного ключа, размыкающего и замыкающего цепь с заданной периодичностью.

Для включения каждой обмотки двигателя использован обычный параллельный LC-контур, настроенный на собственную резонансную частоту. Собственная резонансная частота контуров и «разбег частот» между контурами во многом определяются конструктивным исполнением двигателя. Настройка контура на заданную частоту обеспечивается подбором номиналов индуктивности и емкости контура.

В качестве резонансных индуктивностей в заявляемой схеме использованы первичные обмотки двухобмоточных дросселей, которые обеспечивают накопление энергии с последующей отдачей ее в цепь без каких-либо преобразований. Ко вторичным обмоткам упомянутых дросселей в качестве нагрузки подключены соответствующие обмотки двигателя.

В замкнутом положении ключа в последовательной цепи через первичные обмотки дросселей протекает постоянный ток, происходит процесс насыщения резонансных индуктивностей и накопление энергии в магнитопроводах дросселей. В момент размыкания цепи на каждой резонансной индуктивности возникает импульс самоиндукции, и они начинают отдавать накопленную энергию через конденсатор. В каждом резонансном контуре возникает колебательный процесс, и в цепи контура начинает протекать переменный ток. Благодаря тому, что каждый контур настроен на индивидуальную резонансную частоту, возникшие в контурах токи изменяются с разной частотой, в результате чего между контурами образуется сдвиг фаз.

Переменный ток в первичных обмотках дросселей наводит переменный магнитный поток и переменную ЭДС во вторичных обмотках, в результате чего во вторичной цепи каждого контура возникает переменный ток, аналогичный протекающему в первичной обмотке. Через статорные обмотки, подключенные ко вторичным обмоткам дросселей в качестве нагрузки, также начинает протекать сдвинутый по фазе переменный ток.

Таким образом, обеспечивается выполнение 2-го условия возникновения вращающегося магнитного поля: пропускание через обмотки асинхронного двигателя переменного тока, сдвинутого по фазе. Первое условие, как упоминалось выше, обеспечивается конструкцией двигателя, т.е. расположением статорных обмоток со смещением в пространстве. Выполнение обоих условий приводит к созданию в статоре асинхронного двигателя вращающегося магнитного поля, возникает вращающий момент, приводящий ротор двигателя во вращение.

Сдвиг фаз между контурами определяется значениями резонансных частот контуров и разбегом частот между ними. Следует отметить, что сдвиг фаз между токами контуров не имеет постоянной величины и увеличивается с течением времени, что объясняется затухающим характером колебательного процесса в контуре.

После затухания колебаний ключ замыкает цепь, и в контурах снова происходит накопление энергии. Процесс размыкания цепи и возникновение колебательных процессов повторяется периодически. По сути, в обмотках двигателя создается пульсирующее вращающееся магнитное поле, обеспечивающее раскрутку и вращение ротора.

Изменением периода времени, когда цепь разомкнута, можно влиять на скорость вращения двигателя.

Благодаря подключению статорных обмоток ко вторичным обмоткам дросселей практически полностью исключается прохождение через обмотки двигателя постоянной составляющей тока, вызывающей торможение ротора.

Таким образом, упомянутая выше совокупность существенных признаков заявляемого решения позволяет получить новый положительный технический результат, заключающийся в создании в обмотках асинхронного двигателя пульсирующих, т.е. периодически возникающих после размыкания цепи, переменных токов, сдвинутых по фазе друг относительно друга. Пока цепь замкнута, в последовательной цепи контуров течет постоянный ток, после размыкания цепи накопленная в контурах энергия преобразуется в переменный m-фазный (по числу фаз двигателя) ток.

Такое решение позволило исключить из схемы питания двигателя инвертор как самостоятельное устройство. В схеме использован всего один ключ на все фазы двигателя, что значительно упрощает схему питания, повышает надежность ее работы.

В известных решениях с автономными инверторами преобразованный из постоянного переменный m-фазный ток, имеющий фиксированный (неизменный) сдвиг между фазами, постоянно подается на обмотки двигателя. В заявляемом решении переменный ток проходит через обмотки двигателя периодически (импульсами) в период времени, когда цепь разомкнута, причем сдвиг между фазами — величина непостоянная.

В отличие от вентильного подключения, основанного на поочередном подключении обмоток асинхронного двигателя к питающей сети, в заявляемом решении подключение и отключение всех обмоток двигателя от сети питания осуществляется одновременно.

Предлагаемая схема подключения асинхронного двигателя к источнику постоянного тока может быть применена к любому многофазному двигателю: двух-, трех-, четырехфазному и т.д. Причем схема обеспечивает преобразование постоянного тока в переменный m-фазный, т. е. разделение тока происходит на столько фаз, сколько фаз имеет конкретный двигатель.

Краткое описание чертежей

Заявляемое решение поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображена схема устройства, общий вид;

на фиг.2 показаны временные графические зависимости тока на фазах двигателя.

Осуществление изобретения

Схема была реализована для подключения стандартного асинхронного двигателя, заводского изготовления, с 3-фазной статорной обмоткой L_A L_B L_C.

Схема подключения АД, представленная на фиг.1, содержит последовательную цепь из m (по числу обмоток двигателя, в конкретном примере — трех) резонансных параллельных контуров, каждый из которых образован конденсатором С и первичной обмоткой дросселя D, ко вторичной обмотке которого подключена соответствующая обмотка двигателя. Первичные обмотки (L₁, L₂, L₃) дросселей последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ К. Ключ может быть реализован на базе транзистора, коммутируемого блоком управления. В простейшем случае в качестве такого блока можно использовать независимый генератор частоты.

Каждый резонансный LC-контур настроен на свою частоту, определяемую параметрами емкости и индуктивности контура по формуле: =1/LC.

Значения резонансных частот последовательно изменяются от контура к контуру вдоль цепи: _A>_B>_C либо в обратном порядке: _ABC. Направление изменения значений частот определяет направление вращения двигателя. Вращение двигателя осуществляется в направлении убывания частоты.

Схема работает следующим образом.

Ключ К замкнут. Под действием ЭДС источника в последовательно включенных индуктивностях контуров ток нарастает до определенного значения. Происходит процесс насыщения резонансных дросселей. До момента насыщения практически все питающее напряжение приложено к обмоткам. В момент насыщения происходит скачкообразный скачок (падение) напряжения, который может быть использован в качестве управляющего сигнала на размыкание цепи.

Ключ размыкают, при этом индуктивные выбросы тока резонансных дросселей L₁, L₂, и L₃ приводят к возникновению в резонансных LC-контурах колебательных процессов.

Благодаря настройке контуров на разные частоты колебательный процесс в каждом контуре имеет собственную частоту, в результате чего токи изменяются с разной скоростью, что ведет к образованию между ними сдвига фаз.

Во вторых обмотках дросселей, индуктивно связанных с первыми, также наводятся переменные токи, и через обмотки статора L_A, L_B, и L_C начинает протекать сдвинутый по фазе переменный ток.

Сдвиг фаз токов в обмотках статора, возникающий после размыкания цепи (момент T₁), иллюстрирован на временной зависимости фиг.2. Ток i₁ — соответствует току, протекающему через фазу А, токи i₂ и i₃ соответствуют фазам В и С соответственно.

В статорных обмотках АД возникает вращающееся магнитное поле, индуцирующее в обмотке ротора ЭДС и обеспечивающее возникновение электромагнитного момента, приводящего ротор во вращение.

После затухания в контурах колебательных процессов электронный ключ К замыкает цепь. На графике этому моменту соответствует время Т₂. Процесс накопления энергии повторяется.

Созданное в обмотках двигателя пульсирующее вращающееся магнитное поле обеспечивает вращение двигателя. Испытанный образец в течение нескольких секунд вышел на номинальную частоту вращения. Предлагаемое схемное решение отличается простотой реализации и экономичностью.

На базе предлагаемой схемы возможно изготовление электропривода вращательного и поступательного перемещения.

Возможны ли асинхронные двигатели постоянного тока?

спросил 8 лет, 3 месяца назад

Изменено 3 года, 4 месяца назад

Просмотрено 9к раз

\$\начало группы\$

Простите меня, если я спрашиваю что-то абсурдное, я действительно мало что понимаю в электродвигателях.

После прочтения ответов Почему в автомобиле Tesla используется двигатель переменного тока вместо двигателя постоянного тока? , мне стало любопытно:

Возможен ли асинхронный двигатель постоянного тока? Хотя бы теоретически?

• постоянного тока
• асинхронный двигатель

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Нет, асинхронный двигатель постоянного тока невозможен. Индукция подразумевает создание тока через магнитное поле. Это могут сделать только переменные магнитные поля. По той же причине трансформаторы не пропускают постоянный ток. С фиксированным магнитным полем не связана никакая постоянная энергия, а только некоторая фиксированная энергия, которая удерживает его там. Если бы это было не так, вы могли бы получать постоянную мощность от фиксированного постоянного магнита.

Однако возможны настоящие двигатели постоянного тока. Фактически, первым настоящим непрерывно работающим электродвигателем был двигатель постоянного тока. Вы также можете заставить диск вращаться, пропуская постоянный ток через диск в радиальном направлении с фиксированным магнитным полем, перпендикулярным диску. Причина, по которой это обычно не делается, заключается в сложности электрического подключения к внешнему краю вращающегося диска. Однако это можно сделать, и это было сделано.

Обратное тоже работает. Вращающийся диск с фиксированным магнитным полем, перпендикулярным ему, будет развивать радиальный потенциал (между осью и внешним краем). Были тахометры, основанные на этом принципе.

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Нет (ну… вроде как, но это пустая трата времени)

Все электрические машины нуждаются в потоке переменного тока для соединения магнитной энергии. Коллекторные машины постоянного тока производят это через коммутаторы. В основном это также AC, просто выставьте соединение, принимающее DC.

Так почему бы вам не иметь «асинхронную машину постоянного тока» Что ж, определяющими характеристиками асинхронной машины являются: статор переменного тока и ротор переменного тока и крутящий момент, генерируемый на любой другой скорости, кроме синхронной.

Если бы вы питали машину постоянным током, вам понадобился бы какой-нибудь коммутатор, чтобы взять этот постоянный ток и чередовать его для получения требуемого переменного тока. Может ли этого переменного тока быть достаточно, чтобы возбудить ротор переменным полем? … конечно, что-то будет соединено, но это будет неэффективно, поскольку поле воздушного зазора машины постоянного тока больше прямоугольной формы.

Представьте, что сетевой трансформатор возбуждается прямоугольной волной, некоторая энергия преобразуется, но не так сильно, как если бы это был переменный ток

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Да: но квалифицировано. Существует класс асинхронных двигателей, который называется «двигатель с электрической коммутацией» или сокращенно «ECM». Если вы введете в Google строку «двигатель ECM», вы сможете узнать, как это делается и в чем преимущества.

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Да, это возможно, но не так эффективно. Для создания такого двигателя необходимы два коммутатора. Первый коммутатор получает ток от источника и подает его на вращающуюся катушку, а второй коммутатор. А второй коммутатор подает ток на неподвижную катушку. Впечатление от такого мотора дано на этом изображении.

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания и подтверждаете, что прочитали и поняли нашу политику конфиденциальности и кодекс поведения.

Основные сведения о двигателях постоянного тока | EC&M

Первый тип двигателя все еще широко используется

В конце 1800-х годов несколько изобретателей построили первые работающие двигатели, в которых использовалась энергия постоянного тока (DC). После изобретения асинхронного двигателя машины переменного тока (AC) в большинстве приложений в значительной степени заменили машины постоянного тока. Тем не менее, двигатели постоянного тока все еще имеют множество применений.

Принцип работы двигателя постоянного тока. Двигатели постоянного тока состоят из обмоток ротора (якоря) и неподвижных обмоток (полюсов возбуждения). Во всех двигателях постоянного тока, за исключением двигателей с постоянными магнитами, ток должен подаваться к обмоткам якоря путем пропускания тока через угольные щетки, которые скользят по набору медных поверхностей, называемых коммутатором, который установлен на роторе. Стержни коллектора припаяны к обмоткам якоря. Комбинация щетка/коллектор образует ползунковый переключатель, который активирует определенные части якоря в зависимости от положения ротора. Этот процесс создает северный и южный магнитные полюса на роторе, которые притягиваются или отталкиваются северным и южным полюсами на статоре, которые образуются при пропускании постоянного тока через обмотки возбуждения. Именно это магнитное притяжение и отталкивание заставляет ротор вращаться.

Преимущества.

Самым большим преимуществом двигателей постоянного тока может быть регулирование скорости. Поскольку скорость прямо пропорциональна напряжению якоря и обратно пропорциональна магнитному потоку, создаваемому полюсами, регулировка напряжения якоря и/или тока возбуждения изменит скорость ротора. Сегодня преобразователи частоты могут обеспечить точное регулирование скорости двигателей переменного тока, но они делают это за счет качества электроэнергии, поскольку полупроводниковые переключающие устройства в приводах создают богатый спектр гармоник. Двигатель постоянного тока не оказывает неблагоприятного воздействия на качество электроэнергии.

Недостатки.

Электропитание, первоначальная стоимость и требования к техническому обслуживанию являются недостатками, связанными с двигателями постоянного тока.

• Выпрямление должно быть обеспечено для любых двигателей постоянного тока, питаемых от сети. Это также может вызвать проблемы с качеством электроэнергии.

• Конструкция двигателя постоянного тока значительно сложнее и дороже, чем у двигателя переменного тока, в первую очередь из-за наличия коллектора, щеток и обмоток якоря. Асинхронный двигатель не требует коллектора или щеток, и в большинстве из них вместо настоящих обмоток используются литые роторные стержни с короткозамкнутым ротором — два огромных упрощения.

• Техническое обслуживание узла щетка/коллектор имеет большое значение по сравнению с асинхронным двигателем.

Несмотря на недостатки, двигатели постоянного тока широко используются, особенно в нишевых приложениях, таких как автомобили и небольшие бытовые приборы.

Двигатели с постоянными магнитами.

Здесь вместо обмоток якоря установлены постоянные магниты. Поскольку магнитное поле, создаваемое ротором, ограничено по силе и не поддается контролю, двигатели с постоянными магнитами обычно имеют небольшие размеры и производят небольшую мощность.

Двигатели серии .

Серийные двигатели включают обмотки возбуждения последовательно с якорем. В серийных двигателях отсутствует хорошая регулировка скорости, но они хорошо подходят для нагрузок с высоким крутящим моментом, таких как электроинструменты и автомобильные стартеры, благодаря высокому крутящему моменту и компактным размерам.

Шунтирующие двигатели.

Шунтовые двигатели используют высокоомные обмотки возбуждения, соединенные параллельно якорю. Изменение сопротивления поля изменяет скорость двигателя. Шунтовые двигатели склонны к реакции якоря, искажению и ослаблению потока, создаваемого полюсами, что приводит к проблемам коммутации, о чем свидетельствует искрение на щетках.