Elektrotechnické listy, ISSN 2453-8981, ročník/vol. IV, číslo/no. 2

Návrh meniča pre napájanie univerzálneho motora

Design of the converter for power supply of the universal motor

Peter Girovský1, Ján Kaňuch

2, Zoltán Gombos

3

1peter.girovsky@tuke.sk, 2jan.kanuch@tuke.sk, 3zoltan.gombos@student.tuke.sk

1,2,3

Katedra elektrotechniky a mechatroniky, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Technická univerzita, Letná 9, 04200 Košice,

Slovenská Republika

Abstrakt—V tomto príspevku chceme prezentovať návrh me-

niča pre napájanie univerzálneho motora. Univerzálne motory

majú široké využitie v rôznych aplikáciách a môžu byť prevádz-

kované tak so striedavým, ako aj jednosmerným napätím. Výho-

dou univerzálnych motorov sú najmä vysoký rozbehový moment,

veľmi kompaktná konštrukcia a vysoká prevádzková rýchlosť.

Nakoľko univerzálny motor dosahuje lepšie prevádzkové vlast-

nosti pri napájaní jednosmerným napätím, je v tomto príspevku

prezentovaný návrh jednosmerného meniča pre napájanie uni-

verzálneho motora.

Kľúčové slová—univerzálny motor, napájanie, menič, meranie

Abstract— In this paper we want to present the design of the

converter for powering the universal motor. Universal motors

are widely used in various applications and can be powered by

AC or DC voltage. The advantage of universal motors is espe-

cially high starting torque, very compact design and high operat-

ing speed. Since the universal motor has better performance with

DC power supply, the design of the DC converter for powering

the universal motor is presented in this paper.

Keywords— universal motor, power supply, converter,

measurement

I. ÚVOD

Univerzálne motory patria k najviac používaným elektric-kým strojom v domácich elektrospotrebičoch a v dielenskom ručnom náradí vďaka ich výborným regulačným vlastnostiam. Mnohostranné využitie univerzálnych motorov je dané aj sku-točnosťou, že tieto motory môžu byť napájané nielen strieda-vým, ale aj jednosmerným napätím.

Obr. 1. Univerzálny motor

V obidvoch prípadoch je rýchlosť motora riadená veľko-sťou napájacieho napätia. Univerzálny motor je známy aj pod názvami ako striedavý sériový motor alebo tiež ako striedavý

komutátorový motor. Tento motor sa skladajú zo statora s dvoma koncentrovanými budiacimi vinutiami zapojenými do série, rotora s vinutím, komutátora a dvoch uhlíkov. Vinutia statora a rotora sú zapojené v sérii k zdroju elektrickej energie. Sériové spojenie vinutia statora a rotora je vytvorené trecími kontaktmi komutátora na rotore a dvoch uhlíkov.

Na rozdiel od jednosmerného motora s cudzím budením, univerzálny motor napájaný konštantným napätím nemá stabil-nú rýchlosť. Pri konštantnom napätí (AC alebo DC) motor beží tak rýchlo, ako to dovolí jeho zaťaženie a krútiaci moment motora klesá s rýchlosťou. Avšak univerzálne motory majú veľmi vysoký pomer krútiaceho momentu k hmotnosti zo všet-kých typov elektromotorov.

Hlavné vlastnosti, ktoré sú typické pre univerzálne motory sú nasledovné:

• vysoká rýchlosť, vysoká účinnosť, relatívne nízka život-nosť (neodporúča sa nepretržitá a aj dlhá doba prevádzky),

• medzi komutátorom a uhlíkmi je iskrenie, vytvára sa ozón a generuje EMI,

• prevádzka je buď na jednosmerné alebo jednofázové striedavé napätie, pričom prevádzkový výkon univerzálneho motora je 50 až 1000 W a jeho rýchlosť je 10000 - 20000 otá-čok za minútu.

Univerzálny motor sa využíva prevažne v aplikáciách, ktoré vyžadujú veľký rozbehový moment a malú zmenu momentu za chodu, vysokú rýchlosť a krátky čas prevádzky s dlhšou pre-stávkou. Niektoré z typických aplikácií sú nasledovné:

• domáce a kancelárske využitie: práčka, mixér, odšťavo-vač, ventilátor, brúska, kuchynský robot, vysávač,

• ručné elektrické náradie, otváranie garážovej brány, vodné čerpadlo, kompresor, stolové obrábacie stroje,

• osobná starostlivosť (masážne strojčeky, sušič vlasov), • kancelárske potreby: skartovač, strúhadlo a pod. [1, 2, 3,

4]

II. NÁVRH MENIČA PRE UNIVERZÁLNY MOTOR

Nakoľko má univerzálny motor lepšie prevádzkové vlast-nosti pri napájaní jednosmerným napätím [5], budeme v tejto časti príspevku prezentovať návrh jednosmerného znižovacieho meniča pre napájanie univerzálneho motora. Pre návrh bol použitý univerzálny motor z práčky Indesit s nasledujúcimi parametrami:

UN=220-240V, IN=3A, PN=300W

Znižovací menič pre svoju funkčnosť potrebuje jednosmer-né napätie na vstupe (najlepšie ideálne vyhladené), keďže sa mení stredná hodnota napätia a nie charakter napätia. Najjed-noduchším riešením pre napájanie je použiť neriadený usmer-

Elektrotechnické listy, ISSN 2453-8981, ročník/vol. IV, číslo/no. 2

ňovač na vstupe, čo predstavuje aj najlepšiu voľbu z hľadiska spätného vplyvu na sieť. Pri neriadenom usmerňovači vniká najmenej vyšších harmonických. Pre obmedzenie nabíjacieho prúdu kondenzátorov bola za usmerňovač vložená tlmivka a kondenzátory v obvode slúžia na vyhladenie napätia. Samotný znižovací menič sa skladá z MOSFET-u a nulovej diódy. Si-mulačná schéma navrhovaného znižovacieho jednosmerného meniča je zobrazená na obr. 2.

Obr. 2. Simulačná schéma znižovacieho meniča

Pre simuláciu bola zvolená spínacia frekvencia 10 kHz. Výsledné priebehy zo simulácie sú zobrazené na obr. 3 a 4. Ako vidno z priebehov pri záťažnom prúde 3A a 10%-nej striede bolo zvlnenie prúdu len ±0,08A .

Obr. 3. Priebeh napätia a prúdu záťaže pri striede z=0,1

Obr. 4. Priebeh napätia a prúdu záťaže pri striede z=0,5

III. PRAKTICKÁ VERIFIKÁCIA JEDNOSMERNÉHO

ZNIŽOVACIEHO MENIČA

Navrhnutý a simulačne overený jednosmerný znižovací menič bol následne aj prakticky overený. Samotný jednosmer-ný menič bol zapojený podľa simulačnej schémy zobrazenej na obr.2. Na generovanie impulzov spínacej frekvencie 10kHz bolo použité Arduino. IRFP460 potrebuje na zopnutie napätie UGS minimálne 10V. Nakoľko má Arduino má na výstupe iba 5V a pre zopnutie použitého Mosfet-u je potrebných 10V, boli použitý budič IR2113 a kvôli ochrane Arduina bol použitý optočlen HCPL2232. Výstupná strieda sa riadila pomocou zapojeného potenciometra. Priebehy jednotlivých prúdov a napätí pri testovaní jednosmerného meniča na RL záťaži sú zobrazené na nasledujúcich obrázkoch.

Podľa priebehov získaných z osciloskopu už pri 32% strie-de bol priebeh prúdu na hranici prerušovaných prúdov.

Obr. 5. Priebeh napätia na záťaži (zelený) a prúdu na záťaži (modrý) na pri

striede z=0,1

Obr. 6. Priebeh napätia na záťaži (zelený) a prúdu na záťaži (modrý) na pri striede z=0,32

Obr. 7. Priebeh napätia na záťaži (zelený) a prúdu na záťaži (modrý) na pri striede z=0,74

Následne bol menič overený aj priamo na univerzálnom

motore. Hodnoty dosiahnuté pri meraní na univerzálnom mo-

tore napájanom jednosmerným znižovacím meničom sú uve-

dené v tabuľke 1.

TABUĽKA I NAMERANÉ HODNOTY PRI NAPÁJANÍ UNIVERZÁLNEHO MOTORA JEDNOSMERNÝM

ZNIŽOVACÍM MENIČOM

U [V]

I

[A]

Pp

[W]

n

[ot/min]

E

[mV/m]

P

[W]

η

[%]

100,1 3,1 202,83 2450 257 53,8 26,52

130,0 3,0 356,08 4920 266 109,7 30,80

160,0 3,0 480,87 7120 283 154,3 32,08

190,4 3,0 573,66 8650 329 187,3 32,65

Elektrotechnické listy, ISSN 2453-8981, ročník/vol. IV, číslo/no. 2

Obr. 8. Meracie pracovisko pre univerzálny motor

Ako možno vidno z priebehov na obr. 9 a 10, použitím navrhnutého jednosmerného znižovacieho meniča sa podarilo dosiahnúť nižšie elektromagnetické rušenie pri rovnakej účinnosti motora.

Obr. 9. Porovnanie elektromagnetického rušenia pri napájaní univerzálneho

motora s jednosmerným meničom a bez s neho pri zvyšovaní napätia

Obr. 10. Porovnanie elektromagnetického rušenia pri napájaní univerzálneho motora s jednosmerným meničom a bez s neho pri rastúcich otáčkach

Červenou je zobrazený priebeh elektromagnetického rušenia pri napájaní univerzálneho motora bez meniča a modrou je zobrazený priebeh elektromagnetického rušenia pri napájaní z jednosmerného znižovacieho meniča.

IV. ZÁVER

V tomto článku sme chceli prezentovať návrh jednosmer-ného znižovacieho meniča pre napájanie univerzálneho motora. Návrh jednosmerného znižovacieho meniča bol robený pre univerzálny motor, ktorý bol pôvodne použitý v pračke značky Indesit a po simulačnom overení bol verifikovaný aj reálny jednosmerný znižovací menič, čím sa overila jeho funkčnosť a vlastnosti. Z výsledkov merania na tomto jednosmernom znižovacom meniči vyplýva, že pri jeho použití pre napájanie univerzálneho motora vykazuje motor nižšie hodnoty elektro-magnetického rušenia, ako pri napájaní bez tohto meniča.

POĎAKOVANIE

Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu vý-skumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-15-0750.

Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu vý-skumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-16-0206.

Táto práca vznikla s podporou grantu VEGA 1/0187/18.

POUŽITÁ LITERATÚRA

[1] J. Kaňuch, P. Vinyi: „DC drive for universal motor“, Maszyny elektrycz-ne : Zeszyty problemowe. No. 84 pp. 7-11, 2009.

[2] J. Timko, J. Žilková, J. Dudrik, P. Girovský: Elektrické akčné členy a

pohony. Technická univerzita v Košiciach, 2009. ISBN 978-80-553-0168-6

[3] V. Hrabovcová, P. Rafajdus, M. Franko: Measuring and modeling of the

electrical machines; University of Žilina press, 2004, Slovakia. [4] Ľ. Klug, M. Duč-Anci, B. Bachratý: „Contribution to the design of an

ac. universal motor“. XII. International Symposium on Electric Machi-

nery in Prague, ISEM 2004. [5] P. Girovský, J. Kaňuch, Z. Gombos: „Analýza vplyvu napájania univer-

zálneho motora“, Elektrotechnické listy [Online], ročník. III, číslo 3, 2018, dostupné:

http://elektrotechnickelisty.eu/casopis/rocnik_III/clanky/EL_08_2018.pd

f

P. Girovský sa narodil v roku 1979 vo Vranove nad Top-

ľou. V roku 2003 získal titul Ing. a v roku 2009 získal titul

PhD. na Fakulte elektrotechniky a informatiky TU v Košiciach

v odbore Silnoprúdové inžinierstvo. V súčasnosti pracuje ako

odborný asistent na Katedre elektrotechniky a mechatroniky

FEI TU v Košiciach.

J. Kaňuch - je absolvent Vysokej školy technickej v Koši-

ciach, Elektrotechnická fakulta, Katedra elektrických pohonov

v odbore Silnoprúdová elektrotechnika so zameraním na elek-

trické stroje a prístroje (Ing. 1986). Odvtedy pracuje na danej

katedre (v súčasnosti Katedra elektrotechniky a mechatroniky

na Fakulte elektrotechniky a informatiky Technickej Univerzi-

ty v Košiciach) ako odborný asistent. V roku 2006 získal titul

PhD. v odbore Silnoprúdová elektrotechnika.

Oblasti profesijného a odborného záujmu: Elektrické stroje

a prístroje, Grafické CAD systémy, Elektrické pohony, Auto-

mobilová elektrotechnika a mechatronika, EMC, Priemyselná

elektronika a Technická dokumentácia.

200

250

300

350

400

450

100 120 140 160 180 200

E [m

V/m

]

U [V]

200

250

300

350

400

450

2000 4000 6000 8000 10000

E [m

V/m

]

n [ot/min]