electronica:upravlenie_skorostju_vraschenija_odnofaznyx_dvigatelej

Регулирование скорости вращения однофазных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки - рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

  • изменения расхода воздуха в системе вентиляции
  • регулирования производительности насосов
  • изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

  • изменение напряжения питания двигателя
  • изменение частоты питающего напряжения

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя - разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

S=(n1-n2)/n2

Где n1 - скорость вращения магнитного поля, n2 - скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения - из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз - то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

  • неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
  • хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

  • большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
  • все недостатки присущие регулировке напряжением

Автотрансформатор - это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

В данной схеме используются ключи - два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки - ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования - пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно - шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

  • устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
  • добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
  • ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения - для гарантированного старта двигателя
  • используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

  • низкая стоимость
  • малая масса и размеры

Недостатки:

  • можно использовать для двигателей небольшой мощности
  • при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
  • при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
  • все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Как называет его сам производитель - электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы - полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы - диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Плюсы электронного автотрансформатора:

  • Небольшие габариты и масса прибора
  • Невысокая стоимость
  • Чистая, неискажённая форма выходного тока
  • Отсутствует гул на низких оборотах
  • Управление сигналом 0-10 Вольт

Слабые стороны:

  • Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
  • Все недостатки регулировки напряжением

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина - не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие - массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование - основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

  • специализированными однофазными ПЧ
  • трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

В настоящее время есть несколько производителей специализированного малогабаритного ПЧ для конденсаторных двигателей

  • INVERTEK DRIVES, модель Optidrive E2
  • INNOVERT, модель ISD091M21B

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

Xc=1/2πfC

f - частота тока, С - ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

ПЧ позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя - в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

  • интеллектуальное управление двигателем
  • стабильно устойчивая работа двигателя
  • огромные возможности современных ПЧ:
  • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
  • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
  • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
  • различные выходы
  • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
  • предустановленные скорости
  • ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

  • ограниченное управление частотой
  • высокая стоимость

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого - магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

  • более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
  • разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

  • более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
  • огромный выбор по мощности и производителям
  • более широкий диапазон регулирования частоты
  • все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

  • необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
  • пульсирующий и пониженный момент
  • повышенный нагрев
  • отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями
  • electronica/upravlenie_skorostju_vraschenija_odnofaznyx_dvigatelej.txt
  • Последнее изменение: 2016/07/27 11:37
  • (внешнее изменение)