Модули управления c асинхронными двигателями

Одной из важных частей любой СМА является приводной мотор, на данный момент распространены 2 вида двигателей: коллекторный и асинхронный. Так же известны двигатели прямого привода, они представляют собой такую разновидность приводов как вентильные, но прежде чем углубляться в управление этими двигателями, давайте поймем как же электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора.

Принцип работы электродвигателя

Первые инженеры и изобретатели не имели высшего образования, никто еще не придумал айфон, светодиодную лампу или двигатель внутреннего сгорания. Первопроходцы были наблюдателями, они смотрели как течет вода и крутиться земля, относительно этого строили свои теории и придумывали изобретения. Одним из таких явлений был постоянный магнит, Вы наверняка играли такими в детстве притягивая или отталкивая их друг от друга. В какой-то момент пришли к выводу, что у магнита есть северный полюс и южный. Магнитный поток подобен течению в реке, который невозможно изменить вспять, река всегда течет от истока к устью.



С появлением электричества и неугасаемой отваги изобретателей были сделаны сотни и тысячи выдающихся открытий перевернувших жизнь человечества безвозвратно. Наверняка не один изобретатель, почти закончивший проект вечного двигателя был убит электричеством в своем гараже, но история не хранит имена неудачников. Первый электрический магнит в своей лаборатории изготовил английский физик Уильям Стёрджен малоизвестное имя в рамках российской системы образования по сравнению с Омом, Генри и Ваттом, но именно он первым намотал медную проволоку покрытую лаком на железный сердечник. При протекании тока через проволоку стержень становился магнитом, а при прерывании тока он мгновенно терял это свойство.

Изобретение Стёрджена заложило основу основ и на базе этого явления легче всего понимать как именно происходит работа электродвигателя, конечно же в настоящих двигателях процессы более сложные с самоиндукцией, вихревыми токами и прочими сложными для понимания терминами, но мы осознанно их упростили.



Теперь представьте себе аквариумную рыбку на окне квартиры, как она может узнать о существование ветра, ведь она не может его понюхать или потрогать, но благодаря величайшему дару эволюции (зрению) она может его увидеть. Не то чтобы сам ветер может увидеть, ведь пыль это пыль, а не ветер, кренящееся крона березы тоже не ветер, но мы как и та рыбка можем видеть его действие на предметы. Действие ветра видно не на всех предметах и это действие очень сильно завит от силы, так как при слабом ветре соломенный домик ниф-нифа ни шелохнется, а стоит волку дунуть сильнее, как домик разлетится.

Магнитное поле как ветер, может либо подхватить легкий (с ее точки зрения) предмет и понести как пушинку, а тяжелые предметы обтекает. Так сталь с точки зрения магнитного поля легкая, так как обладает низкой магнитной проницаемостью, т.е. полю легче пройти через сталь, чем через воздух. А сталь в свою очередь является флюгером, который старается встать вдоль магнитного поля.



На постоянном стремление одних веществ встать вдоль потока, а так же на основе электромагнита и сделаны современные электродвигатели, которые как мы уже сказали могут быть коллекторными и асинхронными, теперь давайте немного углубимся в их особенности.


Главным преимуществом асинхронного привода является низкий уровень шума, так же отсутствие износа щёток и коллектора, т.к. эти машины не имеют коллекторно-щёточного узла.
В отличии от коллекторного двигателя, где обороты изменяются от подводимого напряжения, в безколлекторных обороты зависят от числа полюсов и частоты питающего тока. Для этого модули управления оснащаются частотным преобразователем (инвертором).

Устройство частотного преобразователя 3х-фазного двигателя

Главной частью преобразователя являются 3 пары ключей, которые представлены БТИЗ (IGBT) или Полевыми МОП (MOSFET) транзисторами. Каждая пара транзисторов генерирует свою фазу, сдвинутую относительно другой на 120 электро-градусов. Для управления затворами транзисторами применяются специальные микросхемы-драйверы, которые по своей сути являются усилителями сигнала от микроконтроллера, который и управляет преобразователем частоты. Так же остаются и привычные цепи контроля, тахогенератор, следящий за оборотами, и цепи, следящие за током каждой из фаз. Контроль тока является важнейшей цепью, он не даёт при обрыве одной из фаз или при заклинивании двигателя выйти из строя силовым ключам.
https://alexragulin.ru/img/lesson/6e/6e7409ed5954e0ba7690e0d22e11751220210328184020.jpg
Несмотря на преимущества асинхронного привода он на данный момент не получил широкого распространения, что обусловлено более сложным устройством модулей управления и соответственно более высокой стоимостью конечного продукта.

Если говорить о ремонте таких модулей, то ремонты, связанные с трёхфазной группой, зачастую сложные и требуют опыта и наличия осциллографа, так же не редко страдает микроконтроллер частотного привода, замена и поиск которого приводит к нерентабельности ремонта.

К типичным неисправностям можно отнести пробой ключей, в 90% случаев при этом страдает и драйвер транзисторов, который тоже необходимо заменять. Не редко страдают цепи контроля тока, при этом необходима замена операционных усилителей и компараторов в цепях контроля.

Принцип работы частотника

Для более лучшего понимания всего выше написанного давайте еще раз разберем что же происходит у нас в модуле управления. На вход инвертора подается однофазное напряжение 220 вольт, которое мы выпрямляем, также как в импульсном блоке питания (см. урок 2) и подаем специальные транзисторы, которые раскачивают выходное напряжение с постоянного в переменное с нужной нам частотой. Управление транзисторами осуществляет отдельный микроконтроллер DSP (digital signal processor), который заточен под данную работу и может выполнять ее быстро и эффективно, т.е. микроконтроллер модуля не предназначен для этих задач и он просто передает на DSP сигнал с какой частотой нужно питать наш двигатель.

Скорость вращения асинхронного двигателя регулируется двумя способами, числом полюсов, т.е. особенностью обмотки статора и ее расположение в нём, но данный способ статичен, так как не может быстро переключать с одной скорости на другую и тем более не может плавно регулировать, медленно ускоряться и плавно тормозить ротор. Второй способ регулирования оборотов - за счет частоты, наверное Вы встречали асинхронные двигатели с оборотами 1500 или 3000 оборотов в минуту, все остальные встречаются существенно реже. 3000 об. мин это 50 оборотов в секунду, но и частота в бытовой сети РФ тоже 50 герц, т.е. они прямопропорциональны и с уменьшением частоты уменьшается скорость вращения и наоборот.



Если нам нужно заставить двигатель стиральной машины вращаться со скоростью 6000 об.мин. (не путать со скоростью барабана), то мы должны подать на него напряжение с частотой 100 гц.
По сути в инверторе мы получили три симметричных импульсных блока питания, пики амплитуды которых смещены относительно друг друга на 120 градусов и делят окружность на три ровных части.

Чередование фаз

Именно три делит окружность без мертвых зон, к примеру две тоже может быть, но в каком-то моменте они будут противостоять друг другу и двигатель будет заклинен, при этом они должны делить окружность на две части. По очень распространенному мнению асинхронный двигатель нельзя запитать от 1 фазы, но как Вы видели из видео, все прекрасно работает, правда нужно растолкать руками двигатель, да и запуститься ему на одной фазе очень сложно.

Представьте себе детскую карусель, на которой сидят трое детей, в какой-то момент для съемки инстаграмм видео одна из мамашек дает команду и дети начинают толкаться ногами о землю, карусель крутиться и всем весело, но теперь представим, что у детей не достают ноги и родители положили три прямых бревнышка, теперь дети толкаются легко там где нога спокойно достает до опоры, но есть моменты где опоры нет, и если загнать хотя бы одного чадо домой кушать, то двоим станет сложнее, но в целом они справятся, а если ребенок будет один, то ему придется очень постараться, чтобы раскрутиться, но всегда можно попросить помочь папу. И вот счастливый малыш прикладывает лишь небольшое усилие на оборот, чтобы поддерживать вращение карусели.

Возрастание потраченной силы на изложенном примере происходит и в электродвигателе, когда отваливается одна из фаз, две остальные сильно напрягаются и если запаса в транзисторах нет (а как правило он незначительный) происходит их выход из строя.



DSP конечно же все это пытается отследить и защитить от этого, но зачастую умирает вместе со всей силовой частью.

Бонус
Схема 3 фазного модуля EVO 2 с двумя версиями DSP и 3х фазного модуля Arcadia (отправляется в печатном видео, после завершения курса)