02-2005_048-050.pdf

P O D Z E S P O Ł Y

Nowoczesne sposoby

poprawy sprawności

silników elektrycznych

Silniki elektryczne, a zwłaszcza silniki

indukcyjne prądu przemiennego (ACIM – AC

induction motors) są obecnie powszechnie

używane w urządzeniach domowych począwszy

od lodówek i kuchenek mikrofalowych, a

skończywszy na zmywarkach i suszarkach

bębnowych. Poprawa ich sprawności

energetycznej pozwoli osiągnąć ogromne

oszczędności, w czym mogą pomóc nowoczesne

mikrokontrolery.

Typowy układ pracy jednofazowe-

go silnika ACIM jest przedstawiony na

rys. 1 . W przedstawionym układzie wy-

stępuje uzwojenie rozruchowe połączone

szeregowo z kondensatorem, co zapew-

nia podczas rozruchu silnika odpowied-

nie „wzmocnienie” prądu startowego. Po

osiągnięciu przez silnik ok. 75 % obro-

tów docelowych wyłącznik odśrodkowy

odłącza kondensator i uzwojenie rozru-

chowe. Tego typu silniki często mają kil-

ka uzwojeń równoległych, dzięki czemu

są dostosowane do pracy z różnymi pręd-

kościami obrotowymi.

W przedstawionym układzie silnik

jest bezpośrednio podłączony do napię-

cia sieciowego, więc zarówno zasilające

go napięcie, jak i częstotliwość mają sta-

łe wartości. W konsekwencji w wielu za-

stosowaniach parametry silnika nie są w

pełni wykorzystywane – silniki są „prze-

dobrzone” tzn. nie osiągają pełni swych

możliwości. Przyczyną tego jest nieod-

powiedni system sterujący, generujący

większy moment obrotowy niż wymaga-

ny przez obciążenie.

W takim systemie pojawia się pro-

blem współczynnika mocy, który przyj-

muje małe wartości gdy silnik pracu-

je z niewielkim obciążeniem. Powodu-

je to obniżenie jakości energii elektrycz-

nej i może doprowadzić do zakłóceń pra-

cy innych urządzeń dołączonych do tej

samej linii zasilającej. Zakłady energe-

tyczne zajmujące się dystrybucją ener-

gii energetycznej wprowadziły dla swo-

ich odbiorców limity na wartości współ-

czynnika mocy. Ci, którzy przekracza-

ją ustalone w normach granice muszą

się liczyć z karami. Współczynnik mocy

jest więc obecnie bardzo ważnym para-

metrem urządzeń domowych. Użytkow-

nik urządzeń elektrycznych musi więc

wybierać między sprzętem korygującym

współczynnik mocy, sprzętem pobiera-

jącym zawsze pełną moc (nawet, gdy nie

jest to potrzebne) lub płaceniem kar.

Zupełnie innym problemem mogą

być udary lub spadki napięcia wywoła-

ne przez inne urządzenia zasilane z tej

samej linii energetycznej. Te stany przej-

ściowe źle wpływają na pracę silnika je-

żeli nie jest od nich w żaden sposób chro-

niony. Pojawiają się wówczas nadmierne

obciążenia prowadzące do szybszego zu-

życia niż w warunkach nominalnych.

Rozwiązaniem tych problemów jest

zastosowanie inteligentnego układu ste-

rowania silnikiem. Ostatnie postępy w

technice mikrokontrolerowej doprowa-

dziły do opracowania układów pozwa-

lających bardziej efektywnie sterować

silnikami elektrycznymi z jednoczesną

redukcją zakłóceń oraz zmniejszeniem

kosztów. Firma Microchip Technology

Inc. wypuściła ostatnio na rynek nową

rodzinę PIC18Fxx31, 8-bitowych mikro-

kontrolerów z rodziny PICmicro. Mikro-

kontrolery tej rodziny zawierają kilka

nowych układów peryferyjnych dedyko-

wanych sterowaniu silników elektrycz-

Rys. 1. Typowy układ pracy jednofa-

zowego silnika ACIM

Elektronika Praktyczna 2/2005

P O D Z E S P O Ł Y

Elektronika Praktyczna 2/2005

P O D Z E S P O Ł Y

Rys. 2. Układ sterujący typowym trójfazowym silnikiem indukcyjnym zbudowany z użyciem mikrokontrolera

nych, w tym sterownik mocy bazujący

na układzie PWM, przetwornik analogo-

wo-cyfrowy o częstotliwości przetwarza-

nia 200 kHz z możliwością synchroniza-

cji z układem PWM oraz układ sprzęże-

nia zwrotnego ze sterowanego silnika. Te

układy nie tylko umożliwiają zbudowa-

nie inteligentnego sterownika silnika, ale

również pozwalają uprościć proces jego

projektowania.

Przykład przedstawiony na rys. 2

przedstawia układ sterujący typowym

trójfazowym silnikiem indukcyjnym zbu-

dowany z użyciem mikrokontrolera na-

leżącego do tej nowej rodziny. Przedsta-

wiony na rysunku schemat to układ ste-

rujący o zmiennej częstotliwości (VFD –

Variable-Frequency Drive ), który jest naj-

bardziej popularnym układem elektro-

nicznym stosowanym do sterowania sil-

nikami indukcyjnymi. Dodatkową zaletą

prezentowanego rozwiązania jest możli-

wość sterowania silnikiem trójfazowym

przy zasilaniu z sieci jednofazowej.

Układ VFD pracując jako generator

o zmiennej częstotliwości pozwala na-

stawiać szybkość obrotową silnika. W

pierwszej kolejności w prostowniku i fil-

trze następuje zamiana zasilającego na-

pięcia przemiennego w napięcie stałe o

małym poziomie tętnień. Następnie ste-

rowany przez mikrokontroler PIC falow-

nik przetwarza to sta-

łe napięcie na trójfazo-

wy przebieg przemien-

ny o regulowanej am-

plitudzie i częstotliwo-

ści. Układ można wzbo-

gacić o wiele dodatko-

wych funkcji i modu-

łów takich, jak:

• pomiar wartości na-

pięcia stałego,

• wykrywanie przepięć i

obniżeń napięcia,

• zabezpieczenie prze-

ciw przeciążeniowe,

• dokładne sterowanie

szybkością obrotową i

położeniem,

• kontrolowanie temperatury,

• łatwy w obsłudze panel sterujący,

• interfejs wyświetlacza,

• interfejs komputera PC dla monito-

rowania systemu w czasie rzeczywi-

stym

• układ korekcji współczynnika

mocy.

Jeden sterownik VFD może obsługi-

wać kilka silników, nadaje się do pracy

w różnych warunkach i eliminuje po-

trzebę podgrzewania silnika. Dla okre-

ślonego poziomu mocy jakość sterowa-

nia silnikiem zależy wyłącznie od przy-

jętego i wpisanego do sterownika algoryt-

mu. Oznacza to, że ten sam układ VFD

można stosować do sterowania silnika-

mi różniącymi się znacznie mocą. W ten

sposób eliminuje się ograniczenia trady-

cyjnych układów sterowania silnikami.

Mikrokontrolery należące do rodziny PI-

C18Fxx31 zawierają wszystkie niezbęd-

ne układy wymagane do realizacji takie-

go sterownika VFD, przez co pozwalają

zwiększyć niezawodność silnika prze-

dłużyć jego żywotność i zredukować za-

kłócenia. Jednak największą zaletą w za-

stosowaniach domowych jest zwiększe-

nie sprawności nawet do 30 %.

Cheri Keller i Gaurang Kavaiya,

Microchip

Elektronika Praktyczna 2/2005

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: