K U R S
Silniki elektryczne w praktyce
elektronika, część 6
Silniki prÄ…du zmiennego
Zmiana kierunku
Kontynuujemy prezentacjÍ zagadnieÒ zwiÄ…zanych ze sterowaniem
obrotÛw
NajczÍÅ›ciej kierunek obro-
silnikÛw zmiennoprÄ…dowych, przedstawimy takÅ‚e podstawowe
tÛw jest wymuszony przez
informacje o falownikach, ktÛre sÄ… obecnie najbardziej efektywnym
konstrukcjÍ silnika i nie jest
mołliwa jego zmiana. Wyjątek
narzÍdziem do sterowania pracÄ… silnikÛw tego typu.
stanowiÄ… silniki kondensatoro-
we z jednakowymi uzwojenia-
mi A i B. W takim silniku W silnikach asynchronicz- 50% obrotÛw znamiono- na swojÄ… prostotÍ. Na przy-
zmiana kierunku obrotÛw po- nych 3-fazowych zmiana kie- wych. Dalsze zmniejszanie kÅ‚ad polski producent silnikÛw
lega na przeÅ‚Ä…czeniu konden- runku wymaga przeÅ‚Ä…czenia obrotÛw spowoduje zatrzy- - firma Besel oferuje konden-
satora z uzwojenia B do A. kolejności faz, zwykle jest re- manie silnika. satorowe silniki 1-fazowe
MoÅ‚na to zrealizowaĘ przy alizowana przy pomocy stycz- - Moment obrotowy zmniejsza przystosowane do napiÍciowej
pomocy dwÛch przekaünikÛw nikÛw lub przeÅ‚Ä…cznikÛw me- siÍ wraz ze spadkiem napiÍcia. regulacji obrotÛw (seria SSg,
mechanicznych lub pÛÅ‚prze- chanicznych. - StabilnośĘ obrotÛw jest nie- SSh).Do budowy sterownika
wodnikowych (rys. 41). Kieru- najlepsza - zaleÅ‚y od zmian fazowego doskonale nadaje siÍ
nek obrotÛw silnika zaleÅ‚y od Regulacja prÍdkoÅ›ci obciÄ…Å‚enia. Bez obciÄ…Å‚enia ukÅ‚ad U2008B firmy TEMIC.
tego, czy zwarty jest styk S1 obrotowej efekt regulacji zanika. Schemat aplikacyjny układu
czy S2 (oczywiście trzeba Najłatwiejsza do zrealizowa- - Przy starcie pod obciąłe- jest przedstawiony na rys. 42.
zadbaĘ aby nigdy nie były nia jest regulacja poprzez niem konieczny jest rozruch Elementy R1, D1, C1 zapew-
zwarte oba styki jednoczeÅ›- zmianÍ poÅ›lizgu silnikÛw jed- z peÅ‚nym napiÍciem zasila- niajÄ… zasilanie ukÅ‚adu - we-
nie). Podobny sposÛb zmiany nofazowych. Wykorzystywana nia, potem dopiero moÅ‚na wnÍtrzny stabilizator ustala
kierunku obrotÛw jest stoso- jest tutaj zaleÅ‚nośĘ poÅ›lizgu od je zmniejszyĘ do uzyskania napiÍcie -Vs (wyprowadzenie
wany w silnikach napÍdu bÍb- obciÄ…Å‚enia i napiÍcia zasilania poÅ‚Ä…danych obrotÛw. 5) na poziomie -14 V. Obroty
na pralek automatycznych. silnika. ObniÅ‚enie wartoÅ›ci na- - NiektÛre silniki reagujÄ… na silnika reguluje siÍ poprzez
piÍcia przy niezmiennym ob- sterowanie fazowe gÅ‚oÅ›nym zmianÍ napiÍcia na wyprowa-
ciÄ…Å‚eniu spowoduje wzrost po- i nieprzyjemnym buczeniem. dzeniu 3 (potencjometrem P1).
Å›lizgu i zmniejszenie obrotÛw Zjawisko to jest trudne do NapiÍcie to moÅ‚e siÍ zmieniaĘ
silnika. Do regulacji napiÍcia usuniÍcia, poniewaÅ‚ zaleÅ‚y w zakresie od -9 V (maksymal-
najczÍÅ›ciej wykorzystuje siÍ od technologii produkcji sil- ny kÄ…t wyzwalania triaka =
ukÅ‚ady ze sterowaniem fazo- nika (sztywnośĘ konstrukcji, minimum obrotÛw) do -2 V
wym triaka - takie same jak sposÛb impregnacji uzwojeÒ (minimalny kÄ…t wyzwalania =
do regulacji obrotÛw silnika i blach stojana). maksimum obrotÛw). KÄ…t wy-
uniwersalnego komutatorowego. - NapiÍciowa metoda regulacji zwalania Ä…max odpowiadajÄ…cy
Niestety taki sposÛb regulacji dośĘ dobrze sprawdza siÍ minimum obrotÛw reguluje siÍ
ma wiele wad i ograniczeÒ: w przypadku silnikÛw konden- potencjometrem R8. W ukÅ‚adzie
- Zastosowanie jest ograniczo- satorowych, nieco gorzej dla U2008B jest doskonale rozwiÄ…-
ne do staÅ‚ych obciÄ…Å‚eÒ silnikÛw ze zwartÄ… fazÄ… rozru- zane wyzwalanie triaka: ukÅ‚ad
(wentylatory, małe pompy chową, natomiast praktycznie monitoruje prąd triaka (po-
wodne), nie nadaje siÍ do nie nadaje siÍ do silnikÛw przez pomiar napiÍcia bramko-
silnikÛw startujÄ…cych pod z uzwojeniem rozruchowym. wego) i daje impuls bramkowy
dułym obciąłeniem. Pomimo wymienionych dopiero po wykryciu zaniku
- Zakres regulacji jest ograni- wad, jest to czÍsto stosowany prÄ…du. JeÅ‚eli triak nie zaÅ‚Ä…czyÅ‚
Rys. 41
czony - moÅ‚na uzyskaĘ do sposÛb regulacji ze wzglÍdu siÍ, to ukÅ‚ad kontroli prÄ…du
Elektronika Praktyczna 5/2004
77
K U R S
powoduje wygenerowanie ko-
lejnych impulsÛw bramkowych.
Poza tym U2008B ma dodat-
kowe układy stabilizacji obro-
tÛw silnika przy zmianach na-
piÍcia sieci (wyprowadzenie 7)
i zmianach obciÄ…Å‚enia. Kontro-
lÍ prÄ…du obciÄ…Å‚enia realizuje
wyprowadzenie 1 poprzez po-
miar spadku napiÍcia na R6.
WiÍksze obciÄ…Å‚enie silnika po-
woduje wzrost poboru prÄ…du,
układ regulacji reaguje zmniej-
szeniem kÄ…ta wyzwalania - co
przeciwdziała spadkowi obro-
tÛw. Dodatkowo zapewnione
jest wyÅ‚sze napiÍcie zasilania
w momencie rozruchu silnika.
W przypadku sterowania silni-
kiem indukcyjnym naleły do-
braĘ parametry układu regula-
cji prÄ…du do konkretnego sil-
nika - poprzez zmianÍ wartoÅ›-
ci R6 i R10.
Silniki z podwÛjnym
uzwojeniem
Jełeli konieczna jest praca
silnika z dwiema rÛÅ‚nymi
prÍdkoÅ›ciami obrotowymi, to
mołna wykonaĘ silnik z dwo-
ma kompletami uzwojeÒ
Rys. 42
o rÛÅ‚nej liczbie biegunÛw.
PrzykÅ‚adem mogÄ… byĘ silniki dy D1 i dÅ‚awika L. PamiÍtaj-
stosowane w starszych mode- my, Å‚e przy kluczowaniu im-
lach pralek automatycznych pulsowym obciÄ…Å‚eÒ indukcyj-
(rys. 43). Uzwojenia A i B sÄ… nych wystÍpuje tzw. faza re-
8-biegunowe (350 obr./min.) generacyjna, kiedy energia sa-
a uzwojenia C i D sÄ… 2-biegu- moindukcji jest zwracana do
nowe (2800 obr./min.). Styki ürÛdÅ‚a zasilania. Kondensator
S1 i S2 uruchamiajÄ… tryb C peÅ‚ni rolÍ filtra prostownika,
prania, a styk S3 - wirowanie. ale takÅ‚e przejmuje tÄ… energiÍ
za pośrednictwem diody D1.
Falowniki - zasada DÅ‚awik L peÅ‚ni rolÍ filtra
dziaÅ‚ania ograniczajÄ…cego zakÅ‚Ûcenia.
Falowniki umołliwiają re- Schemat na rys. 45 jest bar-
gulacjÍ prÍdkoÅ›ci obrotowej in- dzo uproszczony, rzeczywiste
dukcyjnych silnikÛw asynchro- ukÅ‚ady falownikÛw zawierajÄ…
nicznych poprzez zmianÍ czÍs- wiele dodatkowych elementÛw
totliwoÅ›ci napiÍcia zasilajÄ…cego. zabezpieczajÄ…cych przed prze-
Schemat blokowy najprostszego piÍciami, ograniczajÄ…cych
falownika jest przedstawiony prÄ…d w stanach nieustalonych
na rys. 44, realizacja prak- itp. Jełeli z układu z rys. 45
tyczna stopni mocy - na rys. usuniemy 2 diody z prostowni-
45. StopieÒ wyjÅ›ciowy stano- ka i 2 tranzystory wyjÅ›ciowe,
wiÄ… trzy ukÅ‚ady pÛÅ‚mostkowe to uzyskamy ukÅ‚ad falownika
z tranzystorami IGBT, zasilajÄ…- 1-fazowego.
ce impulsowo uzwojenia silni- Kształtowanie sinusoidal-
ka. StopieÒ poÅ›redni DC skÅ‚a- nego przebiegu prÄ…du w uzwo-
da siÍ z kondensatora C, dio- jeniach silnika uzyskuje siÍ
za pomocÄ… modulacji impul-
sowej PWM. Uzwojenia silni-
ka działają jako filtr dolno-
przepustowy LR ìwygÅ‚adzajÄ…-
cyî przebieg prÄ…du. ZasadÍ
kształtowania prądu w uzwoje-
niach ilustruje rys. 46.
Rzeczywisty kształt obwiedni
krzywej prÄ…du nie jest ideal-
nÄ… sinusoidÄ…, w najprostszych
falownikach wykres prÄ…du ma
kształt zbliłony do trapezu
i jest formowany z kilku im-
pulsÛw.
Rys. 43
Elektronika Praktyczna 5/2004
78
K U R S
tuda i czÍstotliwośĘ obwiedni - IRAMS10UP60A (Internatio-
prÄ…du z rys. 46. Nie jest nal Rectifier) - zintegrowa-
trudno zaprojektowaĘ ukÅ‚ad ny stopieÒ wyjÅ›ciowy, zÅ‚o-
z mikrokontrolerem do stero- Å‚ony z 6 tranzystorÛw IGBT
wania sześcioma tranzystora- oraz logiki sterującej i ukła-
mi, znacznie wiÍkszym prob- dÛw pomocniczych (zabez-
lemem jest napisanie odpo- pieczenia, pomiar prÄ…du).
wiedniego oprogramowania. SześĘ wejśĘ sterujących
Na razie rzadko spotyka siÍ moÅ‚na podÅ‚Ä…czyĘ bezpoÅ›red-
amatorskie konstrukcje fa- nio do mikrokontrolera.
Rys. 44
lownikÛw, jednak niedÅ‚ugo - PIC18F2539 (Microchip) -
moÅ‚e siÍ to zmieniĘ ze wzglÍ- mikrokontroler specjalnie
Falownik U/f lanego wyprostowanym napiÍ- du na gwaÅ‚towny wzrost za- zaprojektowany do sterowa-
PobÛr prÄ…du przez silnik ciem 230 V) moÅ‚na tylko potrzebowania na tanie falow- nia obrotami 1-fazowego sil-
indukcyjny moÅ‚na w przybli- zmniejszaĘ jego obroty. ZwiÍk- niki do sprzÍtu AGD. Powsta- nika indukcyjnego. Zawiera
Å‚eniu okreÅ›liĘ wzorem I=U/Z szenie obrotÛw powyÅ‚ej nomi- jÄ… juÅ‚ pierwsze ìklockiî do 2 generatory PWM oraz pro-
, gdzie Z jest impedancjÄ… sil- nalnych wiÄ…Å‚e siÍ ze spad- budowy falownikÛw: cedury sterowania nimi, do-
nika w określonych warunkach kiem mocy i momentu obroto-
pracy. Niestety impedancja wego. Przy zmniejszaniu obro-
Z jest proporcjonalna do czÍs- tÛw naleÅ‚y zmniejszaĘ ampli-
totliwoÅ›ci, czyli przy zacho- tudÍ napiÍcia zasilajÄ…cego
waniu staÅ‚ej wartoÅ›ci napiÍcia U proporcjonalnie do zmniej-
zasilajÄ…cego U silnik bÍdzie szania czÍstotliwoÅ›ci f. UkÅ‚ad
pobierał bardzo duły prąd pracujący według powyłszej
przy niskich czÍstotliwoÅ›ciach. zasady jest nazywany falowni-
Przy wysokich czÍstotliwoÅ›- kiem ze staÅ‚ym stosunkiem U/
ciach prÄ…d bÍdzie bardzo f. WspÛÅ‚czynnik wypeÅ‚nienia
maÅ‚y i silnik nie rozwinie peÅ‚- impulsÛw sterujÄ…cych tranzys-
nej mocy. Widzimy juł pier- torami stopnia wyjściowego
wsze ograniczenie falownikÛw: z rys. 45 musi zmieniaĘ
jeÅ‚eli silnik jest przystosowa- siÍ w taki sposÛb, aby kaÅ‚dej
ny do napiÍcia 230 V, to prÍdkoÅ›ci obrotowej silnika
Rys. 45
przy pomocy falownika (zasi- odpowiadała właściwa ampli-
Elektronika Praktyczna 5/2004
79
K U R S
nika teÅ‚ moÅ‚e siÍ zmieniaĘ
w szerokich granicach. Wad
tych jest pozbawiony falownik
ze sterowaniem wektorowym
z rys. 47. Czujniki obrotÛw
silnika oraz chwilowego prÄ…du
uzwojeÒ dostarczajÄ… peÅ‚nej in-
formacji o aktualnych warun-
kach pracy. Kontroler dokonu-
je analizy wektorowej składo-
Rys. 47
wych prÄ…du i tak dobiera ob-
wiedniÍ i czÍstotliwośĘ prÄ…du den lub kilka cyfrowych por- uÅ‚ywana, spotyka siÍ asyn-
w uzwojeniach, aby w kaÅ‚dej tÛw we/wy, umoÅ‚liwiajÄ…cych chronous motor, cage motor
chwili zapewniĘ optymalne pracÍ w sieciach transmisji lub po prostu AC motor. Naj-
warunki pracy silnika. DziÍki danych, konfigurowanie falow- gorzej jest z brushless motor,
temu mołliwe jest płynne nika do określonych potrzeb, bo mołe tu chodziĘ o kałdy
rozpÍdzanie i hamowanie sil- wspÛÅ‚pracÍ ze sterownikami rodzaj silnika nie zawierajÄ…ce-
nika z uwzglÍdnieniem bez- PLC. go szczotek. Nawet jeÅ‚eli jest
Rys. 46
wÅ‚adnoÅ›ci napÍdu oraz stabi- brushless AC motor, to mamy
stÍpne z poziomu kompila- lizacja prÍdkoÅ›ci obrotowej Zamiast sÅ‚owniczka - wybÛr: silnik asynchroniczny,
tora C jako predefiniowane przy zmianach obciÄ…Å‚enia. puÅ‚apki jÍzykowe synchroniczny, przemysÅ‚owy
funkcje API. W napÍdach duÅ‚ej mocy istot- Wszystkie sterowniki opi- silnik serwo AC z wirujÄ…cym
na jest takÅ‚e optymalizacja sywane w poprzednich czÍÅ›- magnesem.
Falownik wektorowy zułycia energii elektrycznej ciach artykułu mołna było Kondensator rozruchowy -
Opisany powyłej falownik poprzez utrzymywanie mołli- umieściĘ w grupie motor dri- konsekwentnie jest tak nazy-
nie potrafi korygowaĘ warun- wie najwyÅ‚szego wspÛÅ‚czynni- ver, ale nie dotyczy to falow- wany po polsku i po angiels-
kÛw pracy silnika przy roz- ka mocy cosĆ. Realizacja ste- nikÛw. Angielskim odpowied- ku: motor starting capacitor.
pÍdzaniu, hamowaniu i zmia- rowania wektorowego wymaga nikiem falownika jest AC Mo- Nie ma znaczenia, Å‚e w kon-
nach obciąłenia. Mołna prze- zastosowania szybkich proce- tor Inverter. kretnym silniku jest on kon-
widywaĘ, Å‚e w niektÛrych sy- sorÛw DSP z bardzo rozbudo- Sporo problemÛw dostar- densatorem pracy - po prostu
tuacjach wspÛÅ‚czynnik mocy wanym oprogramowaniem. Fa- cza nazewnictwo silnikÛw in- ta grupa towarowa kondensa-
silnika bÍdzie bardzo nieko- lowniki stosowane w automa- dukcyjnych: nazwa AC in- torÛw tak siÍ nazywa.
rzystny, poza tym poślizg sil- tyce przemysłowej mają je- duction motor jest rzadko Jacek Przepiórkowski
Elektronika Praktyczna 5/2004
80