Fazowy regulator obrotów silników, Prezentacje z Elektronika

Pobierz Fazowy regulator obrotów silników i więcej Prezentacje w PDF z Elektronika tylko na Docsity! Projekty AVT E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c hGrudzień 201422  Gdy zachodzi potrzeba sterowania obrota- mi uniwersalnego silnika komutatorowego AC, pojawia się problem. Większość prze- znaczonych do tego celu sterowników jest zasilanych bezpośrednio z sieci energe- tycznej 230V. Takie rozwiązanie w więk- szości przypadków przekreśla możliwość bezpośredniego połączenia układu regu- lacyjnego do sterującego mikrokontrole- ra. Prezentowany sterownik niewielkim nakładem „sprzętowym” wyposażono w prosty optoizolowany galwanicznie interfejs, przez co jego podłączenie do mikrokontrolera nie stanowi problemu. Oprócz sterowania przebiegiem PWM ist- nieje również możliwość sterowania zwykłym potencjometrem (1kΩ A) bez specjalnych wymagań, jakie są stawiane w aplikacji U2008B (plasti- kowa oś, zabezpieczająca użytkowni- ka przed przypadkowym kontaktem z obwodami będącymi na potencjale sieci energetycznej 230V). Wyma- gane jest jedynie napięcie zasilania „niskonapięciowej części pierwotnej” ze stabilizowanego źródła napięcia o wartości 5V, oczywiście izolowane- go galwanicznie transformatorem od obwodów sieci 230V. Mimo braku wej- ścia tachometrycznego umożliwiającego realizację układu z zamkniętą pętlą sprzę- żenia zwrotnego, zapewniającego więk- szą niezależność obrotów od obciążenia silnika, układ okazuje się przydatny przy mikroprocesorowym, cyfrowym sterowa- niu mocą elektronarzędzi. Opis układu Do sterowania prędkością obrotów uni- wersalnych silników komutatorowych prądu przemiennego stosowana jest metoda regulacji fazowej mocy. Element wykonawczy, triak, włączany jest w trak- cie trwania półokresu napięcia sieci. Triak samoczynnie wyłącza się po zmniejszeniu płynącego przezeń prądu poniżej wartości prądu podtrzymania. Im wcześniej po przejściu napięcia sieciowego przez zero triak zostanie włączony (podczas trwania impulsu wyzwalającego prąd obciążenia Rys. 1 Rys. 2 Regulator, dołączany do mikrokon- trolera w prosty i bezpieczny sposób, umożliwia sterowanie mocą silnika komutatorowego AC np. w elektrona- rzędziach. Wejście akceptuje sterowa- nie PWM oraz napięciowe 0...+5V. Fazowy regulator obrotów silników AC z izolacją galwaniczną 3113 E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h Grudzień 2014 23 Projekty AVT musi przekroczyć wartość prądu podtrzymania triaka) tym więk- sza moc zostanie doprowadzona do obciążenia. Moment włącze- nia triaka decyduje o napięciu i prądzie skutecznym na obcią- żeniu, czyli mocy, co obrazu- je rysunek 1. Na rysunku 2 przedstawiono schemat układu. Zastosowany fazowy kontro- ler U2 (U2008B) ma obwody eliminujące większość proble- mów pojawiających się przy wyzwalaniu triaka sterującego silnikiem. Układ U2008B był szczegółowo opisywany w EP 5/98, dlatego opis jego dzia- łania zostanie ograniczony do niezbędnego minimum. Kontro- ler zasilany jest bezpośrednio z obwodów sieci energetycznej 230V przez elementy R2 i D1. Wewnętrzny stabilizator ustala napięcie zasilania –VS (5) na około –14V względem nóżki GND (4) połączonej do biegu- na sieci energetycznej. Zasila- nie układu napięciem ujemnym ma na celu poprawę warunków wyzwalana triaka tj. większą czułość bramki, gdy jest wyzwalana ujemnymi impulsami. W układzie U2 działanie regulacji fazowej mocy polega na synchronicznym ładowaniu kondensatora C5. Po przejściu przez zero sieci energetycznej rozładowa- ny kondensator ładowany jest ze źródła prądowego prądem o wartości ustalanej przez rezystancję dołączoną między –VS (5) i wyprowadzenie RCA (6). Synchroni- zację z przebiegiem napięcia sieci umożli- wia wyprowadzenie VSYNC (7) dołączo- ne przez R5 do bieguna sieci energetycz- nej. Liniowo narastające napięcie na C5 jest poddawane komparacji z napięciem z wyprowadzenia CTRL (3). Gdy zostanie przekroczony próg napięciowy, kondensa- tor C5 jest szybko rozładowywany i układ jest gotowy do wygenerowania impulsu wyzwalającego triak. Sprawdza jednak, czy wyzwolony w poprzednim półokresie triak jeszcze przewodzi prąd (ze względu na mogące wystąpić na obciążeniu prze- sunięcie prądu względem napięcia). Jeżeli triak przewodzi, to układ wstrzymuje się z wygenerowaniem impulsu bramkowego do czasu jego wyłączenia. Synchronizacja z przebiegiem prądu na obciążeniu o cha- rakterze indukcyjnym zapobiega „gubie- niu półokresów”, czyli wyzwalaniu triaka co drugi półokres napięcia sieci. Innym usprawnieniem jest tzw. wielokrotne wyzwalanie. Polega ono na sprawdzaniu, czy po podaniu impulsu wyzwalającego triak rzeczywiście się otworzył. Jest to potrzebne, gdy z jakiejś przyczyny prąd po wyzwoleniu triaka nie osiągnie war- tości podtrzymującej jego przewodzenie, np. szczotka trafiła na przerwę między stykami komutatora lub impuls wyzwa- lający pojawił się w momencie przejścia napięcia sieci przez zero, i przez okres trwania impulsu (w modelowym układzie 90us) wartość prądu płynącego przez triak była niewystarczająca do jego „zapło- nu”. Za wyzwalanie triaka, monitorowa- nie jego stanu i synchronizację prądową odpowiada nóżka OUT (8). Przypadki różniące się wartościami prądu ładowania kondensatora (I1,I2) oraz napięciem progowym komparatora (U1, U2) ilustruje rysunek 3. Kąt „otwarcia” triaka (α1, α2) w obu przypadkach tria- ka jest jednakowy. Zatem regulacja kąta włączenia triaka może być dokonywa- na na dwa sposoby. Przy stałym napię- ciu na wyprowadzeniu CTRL (3) kąt wyzwalania można regulować wartością prądu ładującego kondensator tj. zmianą stałej czasowej ładowania kondensatora C5. I odwrotnie, regulację można prze- prowadzać napięciem na wyprowadzeniu CTRL (3) przy stałym prądzie ładują- cym. Napięcie wyznaczające kąt otwarcia triaka zawiera się w przedziale od: –1V (kąt minimalny, maksymalne obroty silni- ka) do –9V (kąt maksymalny, minimalne obroty silnika). Przyjęte przez producenta układu rozwiązanie ma uprościć regula- cję układu przy uruchamianiu przez eliminację precyzyjnego dobierania rezystorów dzielni- ka regulacyjnego dołączonego do wyprowadzenia CTRL (3). Zakres wartości rezystancji ustalającej prąd ładowania kon- densatora jest ściśle powiązany z jego pojemnością i można go odczytać z wykresu w nocie katalogowej producenta. Nato- miast pojemność kondensatora wyznacza szerokość impulsu wyzwalającego. Przydatną w praktyce funk- cją kontrolera jest prądowa korekcja obciążenia polega- jąca na utrzymywaniu zada- nych obrotów silnika przy zmianach jego obciążenia. Im bardziej obciążony jest silnik, tym większy spadek napięcia na rezystorze pomiarowym R10, dołączonym do nóżki LCS (1) U2. Napięcie to ma wpływ na kąt otwarcia triaka. Jeżeli wzrośnie obciążenie, to triak będzie wyzwalany nieco wcześniej, zwiększając prąd i napięcie na silniku, utrzymując w pew- nym zakresie ustawione, stałe obroty. Wyprowadzenie VSYNC (7) oprócz synchronizacji z przebiegiem napięcia sieci, pełni również funkcję detekcji zmian napięcia w sieci. Informacją o wartości napięcia sieci jest płynący przez R5 prąd, który jest wykorzystywany do napięcio- wej korekcji obrotów silnika. Podobnie jak w przypadku korekcji prądowej moż- liwe jest utrzymywanie ustawionej, stałej prędkości obrotowej silnika (oczywiście w pewnym zakresie), tym razem przy zmianach napięcia sieciowego. Zarów- no korekcja prądowa, jak i napięciowa dokonywana jest za pośrednictwem nóżki CTRL (3), co ilustruje rysunek 4. Napię- cie na niej nie jest tylko wyznaczane przez dzielnik R7, R14. Wyprowadzenie jest wejściem i wyjściem jednocześnie, z którego może wypływać prąd o war- tości zależnej od stanu opisanych wyżej obwodów korekcji prądowej i napięcio- wej. Wypływający z wyprowadzenia prąd, powodując spadek napięcia na zmiennym rezystorze P2, powoduje odpowiednie zwiększenie napięcia na wyprowadzeniu (wyznaczanego przez R7, R14). Regulu- jąc wartość rezystancji P2, można usta- wić wymagane parametry ww. korekcji. Modyfikacja podstawowego schematu z noty katalogowej polega na usunięciu potencjometru ustalającego napięcie A na CTRL i zastąpieniu go dzielnikiem R7, R14 B. Regulacja kąta włączenia odbywa Rys. 4 Rys. 3