Простой регулятор скорости вращения электродвигателя

Внимание! Данным материалом руководствоваться не стоит, т.к. в нем много ошибок, неточностей и путаницы. Подробнее об этом здесь 

Очень часто, при реализации технологического процесса, возникает необходимость уменьшить производительность агрегатов или механизмов с электродвигателем. Причем это уменьшение бывает вызвано не столько экономией электроэнергии, сколько требованиями выполнения качества самого тех. процесса. От насосов, компрессоров, вентиляторов и пр. требуется не максимум того, что они могут выдать, а только необходимый объем. Мы не собираемся здесь обсуждать регулирование частоты электродвигателей свыше их номинальной частоты вращения, поскольку в этом случае возникает необходимость в применении частотного преобразователя. Будем рассматривать только те случаи, когда есть возможность и необходимость понижения частоты вращения ( и ,как следствие, производительности) при сохранении, по возможности, его момента вращения.

Поводом для написания статьи послужил случай. Занимаясь схемой управления двигателем от Arduino с использованием стандартной функцией AnalogOutput я с удивлением обнаружил, что если применять эту функцию совместно с твердотельным реле типа MOC3083 или аналогичным, с переключением при переходе через ноль, то скорость вращения вентиляторного двигателя регулируется довольно неплохо. Это казалось странным, поскольку частота ШИМ у Arduino, была довольно высока - порядка 1000Гц, по сравнению с частотой сети 50Гц. Поэтому возникло желание проверить эту идею для простых схем на базе стандартной логики [1].

Возьмем, для начала, за основу схему рис.1 из статьи: http://cxem.net/pitanie/5-313.php и модифицируем ее таким образом, чтобы была возможность управления симистором не с помощью оптопары MOC3023, а оптопарой со встроенной схемой переключения при переходе напряжения через ноль, например: MOC 3083. ШИМ – генератор DD1.2 модулятор, также модифицируем, таким образом, чтобы его частота была выше 100Гц, например, около 1400Гц. Подключив теперь в качестве нагрузки электродвигатель имеем возможность регулировать его частоту вращения. Что здесь реально происходит? В зависимости от положения потенциометра мы определяем процентное соотношение логического нуля и единицы на выходе ШИМ –генератора DD1.2 .в

Рис 1

Чем больше процент нулевого уровня , тем выше вероятность пропуска импульса синхронизации сети схемой совпадения на DD1.1 на управление оптопарой MOC3083. Схема работает как бы по случайному закону с равномерным распределением вероятности. Мы получили как бы стохастическую схему, работающую на основе нечеткой логики (англ. fuzzy logic), работа которой напоминает игру в кости: когда вероятность выпадания определенного значения равновероятно и равно 1/6, что соответствует 1/6 соотношения нуля и единицы в ШИМ генераторе. Схема, достаточно плавно, регулирует скорость вращения коллекторных электродвигателей с фазным ротором и асинхронных однофазных двигателей с фазосдвигающим конденсатором. В последнем случае необходимо уточнить, что асинхронный двигатель должен быть разработан именно для однофазного применения. В случае использования трехфазного мотора, приспособленного под однофазную сеть (путем включения в цепь одной из обмоток фазосдвигающего конденсатора) вращение может начаться только на номинальной частоте. Это справедливо и для некоторых однофазных асинхронных двигателей, например от старых советских стиральных машин, в которых предусматривалось подключение на время пуска дополнительного пускового конденсатора (и для этой цели существовал даже специальный выключатель).

Почему я не выбрал для схемы более простой вариант типа диммера? Здесь будет уместно повторить тезисы из статьи http://cxem.net/pitanie/5-313.php
1. Благодаря пропуску целых полупериодов напряжения не возникают резкие переходные процессы, которые часто приводят в помехам в питающей сети и в эфире.
2. Силовой симистор находится в более благоприятной зоне регулирования (при переходе сетевого напряжения через 0)и, следовательно, имеет меньше вероятности выйти из строя.
Также напрашивается и такой аргумент в пользу использования регулирования количеством полных периодов : как и в случаях применения частотных преобразователей, при уменьшении частоты должно уменьшаться и напряжение. В случае импульсно фазового управления, напротив, при уменьшении напряжения спектр частот результирующего напряжения «обогащается» высокочастотными гармониками. Эти высшие гармоники, по–видимому, приводят лишь к дополнительному разогреву электродвигателя.

Если же опираться не только на нечеткую логику, то можно предположить, что лучше было бы выполнять коммутацию не в течение полупериода, а охватить период сетевого напряжения (т.е. длительностью промежутка в 20мс). Для этой цели служит одновибратор на элементе DD1.3, который перезапускается всякий раз удачно прошедшим схему совпадения DD1.1 импульсом синхронизации. Длительность импульса одновибратора выбирается в пределах 15мс, для того, чтобы включались любые два смежных полупериода, с целью надежного перемагничивания магнитопровода статора. Ещё большее значение этот фактор имеет в случае управления трехфазными машинами. Включающий импульс должен в этом случае длиться в течение всего цикла кругового электромагнитного поля трехфазного двигателя, что составит примерно 25мс. Однофазный вариант регулятора представлен на фотографии. 

Это фрагмент платы для макетирования без пайки, применение которой, по моим прикидкам, увеличивает скорость отладки схем в 4—5 раз. Схема регулятора скорости для трехфазного двигателя представлена на рис.2 .

Практическая проверка данного варианта, ввиду отсутствия трехфазного напряжения 220/380В не проводилась.
Для любителей схем с микроконтроллерами можно рекомендовать обратить внимание на схемы, реализующие алгоритм Брезенхема. Здесь также задача сводится к минимизации интервалов отсутствия подачи питания на электродвигатель, но путем определенного алгоритма жесткой логики. Пример подобной схемы есть на http://kazus.ru/shemes/showpage/0/896/1.html., предполагая, конечно, использование MOC3083 или аналогичной. Правда, использование в ней микроконтроллера серии AT89C2051 может вызывать трудности в виду того, что для загрузки кода требуется специальный программатор, а также того, что данный тип микроконтроллеров постепенно уходит с авансцены массового применения.

Список литературы:

1. С.А. Бирюков, Цифровые устройства на КМОП интегральных микросхемах, Москва "Радио и связь" 1996