Частотный регулятор для регулировки скорости вращения асинхронного двигателя: устройство и принцип работы прибора, достоинства и недостатки

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.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

изменение напряжения питания двигателя
изменение частоты питающего напряжения

Разновидности коллекторных двигателей

Известно, как минимум, два типа коллекторных двигателей. К первому относятся устройства с якорем и обмоткой возбуждения на статоре. Ко второму можно отнести приспособления с якорем и постоянными магнитами. Также необходимо определиться, для каких целей требуется сконструировать регулятор:

Если необходимо регулировать простым движением (например, вращением шлифовального камня или сверлением), то обороты потребуется изменять в пределах от какого-то минимального значения, неравному нулю, — до максимального. Примерный показатель: от 1000 до 3000 об/мин. Для этого подойдёт упрощённая схема на 1 тиристоре или на паре транзисторов.
Если необходимо управлять скоростью от 0 до максимума, тогда придется использовать полноценные схемы преобразователей с обратной связью и жёсткими характеристиками регулирования. Обычно у мастеров-самоучек или любителей оказываются именно коллекторные двигатели с обмоткой возбуждения и тахогенератором. Таким мотором является агрегат, используемый в любой современной стиральной машине и часто выходящий из строя. Поэтому рассмотрим принцип управления именно этим двигателем, изучив его устройство более подробно.

Схема управления коллекторным двигателем постоянного тока

Простую схему управления двигателем постоянного тока можно собирать из полевого транзистора. Он играет роль электронного ключа, который переключает схему питания двигателя после подачи напряжения на базу. Электронный ключ остается открытым на время, соответствующее длительности импульса.

ШИМ сигнал характеризуют коэффициентом заполнения, который равен обратной величие скважности. Коэффициент заполнения равен отношению продолжительности импульса к периоду его подачи

Скорость движения вала двигателя будет пропорциональна значению коэффициента заполнения. Поэтому, если частота ШИМ сигнала слишком низкая для обеспечения стабильной работы, то вал двигателя будет вращаться заметными рывками. Чтобы гарантировать плавное регулирование и стабильную работу частота должна превышать сотни герц.

Связанные материалы

Трехфазный асинхронный электродвигатель для преобразования однофазного напряжения в трехфазное: получаем 380 Вольт в гараже… У меня в гараже стоят несколько станков: токарные по дереву и металлу, фрезерный и циркулярка. Но…

Универсальный привод с Системой Импульсно — Фазового Управления… Регулятор служит не только для плавного регулирования оборотов двигателя постоянного тока, но в…

Однофазный привод постоянного тока… В основе разработки электропривода лежит принцип работы следящего привода с одноконтурной системой…

Регулятор нагрева паяльника в корпусе удлинителя… Одной из первых схем для начинающего радиолюбителя часто становится тиристорный регулятор мощности…

Ветрогенератор на базе асинхронного двигателя… Конструкция этого ветрогенератора, достаточно простая и надежная. Это первая попытка переделки…

Atmel U211B — контроллер оборотов двигателя от стиралки для домашнего станка… Моя новая датагорская статья посвящена теме о превращении электродвигателя от стиральной машины в…

Автоматический регулятор оборотов микродрели от Александъра Савова… Да, это моя дрель и почему-то все пугаются когда её видят. Ну, жалко мне пока денег на нормальный…

Управление шаговым двигателем с ПК… Драйвер для шагового двигателя, который управляется с персонального компьютера. Привет всем! Решил…

Двухканальный аналоговый контроллер охлаждения видеокарт, ПК или усилителя. LM35, LM358, NE555… Достались мне недорого две видеокарты ATI HD4870 с кастомным охлаждением Thermaltake DuOrb…

Регулятор мощности на полевых транзисторах с ШИ-управлением + устройство для питания 110-вольтовой аппаратуры от 220 Вольт… Привет всем датагорцам и гостям Датагории! Предлагаю схемку простого в изготовлении и наладке…

Вечный энкодер (валкодер) с устойчивыми положениями из шагового двигателя… Механический энкодер — вещь удобная в использовании, но он имеет некоторые досадные недостатки. В…

Сверлильный станок для печатных плат на базе механизмов дисковых приводов… Сейчас аппаратура быстро устаревает. Всё, что остаётся не у дел, надо снова пускать в дело!…

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменением основного магнитного потока

Этот способ регулирования в двигателе независимого возбуждения реализуется посредством реостата rрег в цепи обмотки возбуждения.

Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается понижением частоты вращения . При увеличении rрегчастота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока возбуждения выражается
регулировочной характеристикой
двигателя n=f(IВ) при и .

Из выражения (29.5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф

частота вращения n увеличивается по гиперболическому закону (рис. 29.5,а). Но одновременно уменьшение
Ф
ведет к росту тока якоря Ia = M/(Cм*Ф). При потоке ток якоря достигает значения ,т. е. падение напряжения в цепи якоря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю . В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума nmax. При дальнейшем уменьшении потока частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока Ia второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя максимальная частота вращения nmax во много раз превосходит номинальную частоту вращения двигателя nном и является недопустимой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата rрег необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допустимого значения.

Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2—3 раза. Необходимо также следить за надежностью электрических соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Фост, при котором частота вращения может достигнуть опасного значения. Вид регулировочных характеристик n = f(Ф) зависит от значения нагрузочного момента M2на валу двигателя: с ростом M2 максимальная частота вращения nmax уменьшается (рис. 29.5, б

)
.
Рис. 29.5. Регулировочные характеристики двигателя независимого возбуждения

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф

меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях независимого возбуждения ток IВ = (0,01 — 0,07)Iа, а поэтому потери в регулировочном реостате невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет nMAX/nMIN = 2 — 5. Объясняется это тем, что нижний предел частоты вращения обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф

, а верхний предел частоты опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, искажающее действие которого при ослаблении основною магнитного потока
Ф
усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня.

Как рассчитать ток и мощность электродвигателя?

Бывает так, что известен ток асинхронного двигателя (по измерениям в номинальном режиме или по шильдику), но неизвестна его мощность. Как в таком случае рассчитать мощность? Обычно используют следующую формулу:

Р = I (1,73·U·cosφ·η)

где: Р – номинальная полезная мощность на валу двигателя в Вт (указывается на шильдике), I – ток двигателя, А, U – напряжение питания обмоток (380 В при подключении в «звезду», 220 В при подключении в «треугольник»), cosφ, η – коэффициенты мощности и полезного действия для учета потерь (обычно 0,7…0,8).

Для расчета тока по известной мощности пользуются обратной формулой:

I = P/(1,73·U·cosφ·η)

Для двигателей мощностью 1,5 кВт и более, обмотки которых подключены в «звезду» (это подключение используется чаще всего), существует простое эмпирическое правило – чтобы приблизительно оценить ток двигателя, нужно умножить его мощность на 2.

Конструкция мотора

Конструктивно двигатель от стиральной машины «Индезит» несложен, но при проектировании регулятора управления его скоростью необходимо учесть параметры. Моторы могут быть различными по характеристикам, из-за чего будет изменяться и управление. Также учитывается режим работы, от чего будет зависеть конструкция преобразователя. Конструктивно коллекторный мотор состоит из следующих компонентов:

Якорь, на нем имеется обмотка, уложенная в пазы сердечника.
Коллектор, механический выпрямитель переменного напряжения сети, посредством которого оно передается на обмотку.
Статор с обмоткой возбуждения. Он необходим для создания постоянного магнитного поля, в котором будет вращаться якорь.

При увеличении тока в цепи двигателя, включенного по стандартной схеме, обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. При таком включении мы увеличиваем и магнитное поле, воздействующее на якорь, что позволяет добиться линейности характеристик. Если поле будет неизменным, то получить хорошую динамику сложнее, не говоря уже о больших потерях мощности. Такие двигатели лучше использовать на низких скоростях, так как ими удобнее управлять на малых дискретных перемещениях.

Организовав раздельное управление возбуждением и якорем, можно добиться высокой точности позиционирования вала двигателя, но схема управления тогда существенно усложнится. Поэтому подробнее рассмотрим регулятор, который позволяет изменять скорость вращения от 0 до максимальной величины, но без позиционирования. Это может пригодиться, если из двигателя от стиральной машины будет изготавливаться полноценный сверлильный станок с возможностью нарезания резьбы.

Какие способы управления электродвигателями используются на практике?

Управление электродвигателем подразумевает возможность изменения его скорости и мощности. Так, если на асинхронный двигатель подать напряжение заданной величины и частоты, он будет вращаться с номинальной скоростью и сможет обеспечить мощность на валу не более номинала. Если же нужно понизить или повысить скорость электродвигателя, используют преобразователи частоты. ПЧ может обеспечить нужный режим разгона и торможения, а также позволит оперативно управлять частотой работы.

Для обеспечения требуемого разгона и торможения без изменения рабочей частоты применяют устройство плавного пуска (УПП). Если нужно управлять только разгоном двигателя, используют схему включения «звезда-треугольник».

Для запуска двигателей без ПЧ и УПП широко применяются контакторы, которые позволяют дистанционно управлять пуском, остановом и реверсом.

Реализация ШИМ

Многие модели современных ПЛК контроллеров предоставляют возможность организации ШИМ. Но иногда доступных каналов оказывается недостаточно и приходится использовать программу обработки прерывай.

Алгоритм реализации ШИМ:

В начале каждого импульса ставим единицу и ждем повышения значения до заданного уровня.
Сбрасываем линию на ноль.

Длительность импульса легче отследить с определенной периодичностью или ступенями. Например, десять регулировочных ступеней соответствуют 10% от максимального значения. Прежде всего необходимо определиться с частотой импульсов и количеств ступеней регулирования. Далее, умножают полученные значения. Результат произведения даст необходимую частоту прерываний таймера.

При желании можно выбрать подходящую частоту таймера или количество ступеней регулирования и путем расчетов находят необходимую частоту импульсов.

Так же по теме регулирования скорости коллекторного двигателя предлагаем статью «Управление коллекторным двигателем постоянного тока методом ШИМ»

Что такое частотный преобразователь

Основной функцией частотных преобразователей является плавная регулировка скорости вращения асинхронных двигателей. С этой целью на выходе устройства создается трехфазное напряжение с переменной частотой.

Преобразователи частоты нередко называются инверторами. Их основной принцип действия заключается в выпрямлении переменного напряжения промышленной сети. Для этого применяются выпрямительные диоды, объединенные в общий блок. Фильтрация тока осуществляется конденсаторами с высокой емкостью, которые снижают до минимума пульсации поступающего напряжения. В этом и заключается ответ на вопрос для чего нужен частотный преобразователь.

В некоторых случаях в схему может быть включена так называемая цепь слива энергии, состоящая из транзистора и резистора с большой мощностью рассеивания. Данная схема применяется в режиме торможения, чтобы погасить напряжение, генерируемое электродвигателем. Таким образом, предотвращается перезарядка конденсаторов и преждевременный выход их из строя. В результате использования частотников, асинхронные двигатели успешно заменяют электроприводы постоянного тока, имеющие серьезные недостатки. Несмотря на простоту регулировки, они считаются ненадежными и дорогими в эксплуатации. В процессе работы постоянно искрят щетки, а электроэрозия приводит к износу коллектора. Двигатели постоянного тока совершенно не подходят для взрывоопасной и запыленной среды.

В отличие от них, асинхронные двигатели значительно проще по своему устройству и надежнее, благодаря отсутствию подвижных контактов. Они более компактные и дешевые в эксплуатации. К основному недостатку можно отнести сложную регулировку скорости вращения традиционными способами. Для этого было необходимо изменять питающее напряжение и вводить дополнительные сопротивления в цепь обмоток. Кроме того, применялись и другие способы, которые на практике оказывались неэкономичными и не обеспечивали качественной регулировки скорости. Но, после того как появился преобразователь частоты для асинхронного двигателя, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне, все проблемы разрешились.

КПД

Изготовление своими руками

Если нет возможности, а также желания приобретать регулятор заводского типа, то можно собрать его своими руками. Хотя регуляторы типа » tda1085 » зарекомендовали себя очень хорошо. Для этого нужно детально ознакомиться с теорией и приступить к практике. Очень популярны схемы симисторного исполнения, в частности регулятор оборотов асинхронного двигателя 220в (схема 5). Сделать его несложно. Он собирается на симисторе ВТ138, хорошо подходящем для этих целей.

Схема 5 — Простой регулятор оборотов на симисторе.

Этот регулятор может быть использован и для регулировки оборотов двигателя постоянного тока 12 вольт, так как является довольно простым и универсальным. Обороты регулируются благодаря изменению параметров Р1, определяющему фазу входящего сигнала, который открывает переход симистора.

Принцип работы прост. При запуске двигателя происходит его затормаживание, индуктивность изменятся в меньшую сторону и способствует увеличению U в цепи «R2—>P1—>C2». При разряде С2 симистор открывается в течение некоторого времени.

Существует еще одна схема. Она работает немного по-другому: путем обеспечения хода энергии обратного типа, которое является оптимально выгодным. В схему включен довольно мощный тиристор.

Схема 6 — Устройство тиристорного регулятора.

Схема состоит из генератора сигнала управления, усилителя, тиристора и участка цепи, выполняющего функции стабилизатора вращения ротора.

Наиболее универсальной схемой является регулятор на симисторе и динисторе (схема 7). Он способен плавно убавить скорость вращения вала, задать реверс двигателю (изменить направление вращения) и понизить пусковой ток.

Принцип работы схемы:

С1 заряжается до U пробоя динистора D1 через R2.
D1 при пробитии открывает переход симистора D2, который отвечает за управление нагрузкой.

Напряжение при нагрузке прямо пропорционально зависит от частотной составляющей при открытии D2, зависящего от R2. Схема применяется в пылесосах. Она содержит универсальное электронное управление, а также способность простого подключения питания 380 В. Все детали следует расположить на печатной плате, изготовленной по лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Подробно с этой технологии изготовления плат можно ознакомиться в интернете.

Таким образом, при выборе регулятора оборотов электродвигателя возможна покупка заводского или изготовление своими руками. Самодельный регулятор сделать достаточно просто, так как при понимании принципа действия устройства можно с легкостью собрать его. Кроме того, следует соблюдать правила безопасности при осуществлении монтажа деталей и при работе с электричеством.

Плавная работа двигателя, без рывков и скачков мощности – это залог его долговечности. Для контроля этих показателей используется регулятор оборотов электродвигателя на 220В, 12 В и 24 В, все эти частотники можно изготовить своими руками или купить уже готовый агрегат.

напряжением регулирование

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

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

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

Однако, частоты преобразователи предназначены для управления трёхфазными Однофазные.

электродвигателями двигатели могут управляться:

специализированными трёхфазными ПЧ
однофазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для двигателей однофазных

В настоящее время только один заявляет производитель о серийном выпуске специализированного ПЧ для двигателей конденсаторных — INVERTEK DRIVES.

Это модель Для E2

Optidrive стабильного запуска и работы двигателя специальные используются алгоритмы.

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

Xc=1/2?fC

f — частота тока

С — конденсатора ёмкость

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

Optidrive E2 управлять позволяет двигателем без исключения из схемы есть, то конденсатора без изменения конструкции двигателя — в моделях некоторых это сделать довольно сложно.

специализированного Преимущества частотного преобразователя:

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

Минусы использования однофазного ПЧ:

управление ограниченное частотой
высокая стоимость

Использование ЧП трёхфазных для двигателей

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

Геометрическое расположение обмоток относительно друг друга в статоре асинхронного двигателя Фазовый 90°:

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

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

работе При без конденсатора это приведёт к:

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

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

более:

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

метода Недостатки:

необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя совместной для работы
пульсирующий и пониженный момент
нагрев повышенный
отсутствие гарантии при выходе из трёхфазные, т.к. строя ПЧ не предназначены для работы с однофазными Источник

Работа со статором

При ремонте и перемотке электродвигателя в первую очередь составляется схема расположения и подключения обмоток мотора. В случае с трехфазным двигателем под каждую фазу аккуратно составляется схема катушек. Они наматываются, как правило, одним проводом. Только, когда схема подключения обмоток хорошо изучена и правильно составлена, можно их разбирать и удалять. Для удобства помечаем обмотки разными цветами и фотографируем. Также проверяем, все ли понятно в фотографиях и схемах.

Перед тем, как делать перемотку статора электромотора, изготовляем шаблон по его размеру. Ширина равняется размеру между пазами, в который будет уложена катушка. Чтобы заизолировать статор от обмотки, в пазы вставляем картонные или специальные пластиковые пластинки. Чтобы уложить катушку в пазы, используется деревянная или пластмассовая лопатка – трамбовка.

Когда одну катушку намотали, провод не откусываем, катушку укладываем в пазы и продолжаем мотать на шаблон. Все катушки одной фазы мотаем, используя цельный провод, не перекусываем его. В первую очередь перематываем все витки одной фазы, и поочередно их укладываем. Аналогичным путем мотаем и укладываем катушки для других фаз. Верхняя часть обмотки в пазах статора над витками закрывается пластинками из того самого материала изоляции, что применен в пазах статора.

Изготовление самодельных реле

Изготовить самодельный регулятор оборотов электродвигателя 12 В не составит какого-либо труда. Для такой работы потребуется следующее:

Проволочные резисторы.
Переключатель на несколько положений.
Блок управления и реле.

Использование проволочных резисторов позволяет изменять напряжение питания, соответственно, и частоту вращения двигателя. Такой регулятор обеспечивает ступенчатый разгон двигателя, отличается простой конструкции и может быть выполнен даже начинающими радиолюбителями. Такие простейшие самодельные ступенчатые регуляторы можно использовать с асинхронными и контактными двигателями.

Принцип работы самодельного преобразователя:

Питание от сети направляется на конденсатор.
Используемый конденсатор полностью заряжается.
Нагрузка передается на резистор и нижний кабель.
Электрод тиристора, соединенный с положительным контактом на конденсаторе, получает нагрузку.
Передаётся заряд напряжения.
Происходит открытие второго полупроводника.
Тиристор пропускает полученную с конденсатора нагрузку.
Конденсатор полностью разряжается, после чего повторяется полупериод.

В прошлом наибольшей популярностью пользовались механические регуляторы, выполненные на основе вариатора или шестеренчатого привода. Однако они не отличались должной надежностью и часто выходили из строя.

Самодельные электронные регуляторы зарекомендовали себя с наилучшей стороны. Они используют принцип изменения ступенчатого или плавного напряжения, отличаются долговечностью, надежностью, имеют компактные габариты и обеспечивают возможность тонкой настройки работы привода.

Дополнительное использование в схемах электронных регуляторов симисторов и аналогичных устройств позволяет обеспечить плавное изменение мощности напряжения, соответственно электродвигатель будет правильно набирать обороты, постепенно выходя на свою максимальную мощность.

Частотный преобразователь: виды, принцип действия, схемы подключения

Частотный преобразователь разрешает своему владельцу снизить энергопотребление и автоматизировать процессы в управлении оборудованием и производством.

Основные компоненты частотного преобразователя: выпрямитель, конденсатор, IGBT-транзисторы, собранные в выходной каскад.

Благодаря способности управлением параметрами выходной частоты и напряжения достигается хороший энергосберегающий эффект. Энергосбережение выражается в следующем:

В двигателе поддерживается неизменный текущий момент ращения вала. Это обусловлено взаимодействием выходной частоты инверторного преобразователя с частотой вращения двигателя и соответственно, зависимостью напряжения и крутящего момента на валу двигателя. Значит, что преобразователь дает возможность автоматически регулировать напряжение на выходе при обнаружении превышающего норму значения напряжения с определенной рабочей частотой нужно для поддержания требуемого момента. Все инверторные преобразователи с векторным управлением имеют функцию поддержания постоянного вращающего момента на валу.
Частотный преобразователь служит для регулировки действия насосных агрегатов (см. страницу). При получении сигнала, поступающего с датчика давления, частотник снижает производительность насосной установки. При снижении оборотов вращения двигателя уменьшается потребление выходного напряжения. Так, стандартное потребление воды насосом требует 50Гц промышленной частоты и 400В напряжения. Руководствуясь формулой мощности можно высчитать соотношение потребляемых мощностей.

Уменьшая частоту до 40Гц, уменьшается величина напряжения до 250В, означает, что уменьшается количество оборотов вращения насоса и потребление энергии снижается в 2,56 раз.

Рис. №6. Использование частотного преобразователя Speedrive для регулирования насосных агрегатов по систем CKEA MULTI 35.

Для повышения энергетической эффективности использования частотного преобразователя в управлении электродвигателем необходимо сделать следующее:

Частотный преобразователь должен соответствовать параметрам электродвигателя.
Частотник подбирается в соответствии с типом рабочего оборудования, для которого он предназначен. Так, частотник для насосов функционирует в соответствии с заложенными в программу параметрами для управления работой насоса.
Точные настройки параметров управления в ручном и автоматическом режиме.
Частотный преобразователь разрешает использовать режим энергосбережения.
Режим векторного регулирования позволяет произвести автоматическую настройку управления двигателем.

Использование широтно-импульсной модуляции

Для управления и регулировки числа оборотов вращения электродвигателя асинхронного типа, можно использовать импульсный регулятор-стабилизатор напряжения (инвертор). Он будет выполнять функцию источника питания. В его основу положено применение импульсного ШИМ-регулятора марки ТL494. Питающее напряжение электродвигателя, выходящее после ШИМ-регулятора, будет изменяться в соответствии с изменением частоты вращения. Используя этот способ, достигается больший экономический эффект, устройство достаточно простое и при этом увеличивает эффективность регулирования.

На рисунке выше изображена схема использования ШИМ-регулятора для трехфазного асинхронного двигателя, подключенного через конденсатор к однофазной сети.

Этот способ, несмотря на свою эффективность, имеет два существенных недостатка – это:

невозможность реверсивного управления двигателем без использования дополнительных коммутирующих аппаратов;
частотные преобразователи , использованные в регуляторе, отличаются высокой стоимостью и выпускаются ограниченным числом производителей.

Особенности регулирования скорости

Важно знать, что каждый двигатель при вращении потребляет не только активную, но и реактивную мощность. При этом уровень реактивной мощности будет больше, что связано с характером нагрузки

В данном случае задачей конструирования устройств регулирования скорости вращения коллекторных двигателей является уменьшение разницы между активной и реактивной мощностями. Поэтому подобные преобразователи будут довольно сложными, и самостоятельно их изготовить непросто.

Своими руками можно сконструировать лишь некоторое подобие регулятора, но говорить о сохранении мощности не стоит. Что такое мощность? С точки зрения электрических показателей, это произведение потребляемого тока, умноженное на напряжение. Результат даст некое значение, которое включает активную и реактивную составляющие. Для выделения только активной, то есть сведения потерь к нулю, необходимо изменить характер нагрузки на активную. Такими характеристиками обладают только полупроводниковые резисторы.

Следовательно, необходимо индуктивность заменить на резистор, но это невозможно, потому что двигатель превратится во что-то иное и явно не станет приводить что-либо в движение. Задача регулирования без потерь заключается в том, чтобы сохранить момент, а не мощность: она все равно будет изменяться. Справиться с подобной задачей сможет только преобразователь, который будет управлять скоростью за счёт изменения длительности импульса открытия тиристоров или силовых транзисторов.

Типы регулировки

Существует довольно много вариантов регулировки оборотов. Вот основные из них:

Блок питания с регулировкой выходного напряжения.
Заводские устройства регулировки, которые идут изначально с электромотором.
Регуляторы на кнопочном управлении и стандартные регуляторы, которые просто ограничивают напряжение.

Эти типы регулировки плохи тем, что с уменьшением или увеличением напряжения падает и мощность. В некоторых электроинструментах это допустимо, но, как показывает практика, в большинстве случаев это является неприемлемым из-за сильного падения мощности и, соответственно, КПД.

Наиболее приемлемым вариантом будет регулятор на основе симистора или тиристора. Мало того что такой регулятор не уменьшает мощность при уменьшении напряжения, он еще и позволяет осуществлять более плавный пуск и регулировку оборотов. К тому же такую схему можно сделать своими руками. Ниже изображен регулятор оборотов с поддержанием мощности. Схема собрана на базе симистора BTA 41 800 В.

Все номиналы электроэлементов обозначены на схеме. Это схема после сборки, работает довольно стабильно и обеспечивает плавную регулировку коллекторного двигателя. При уменьшении выходного напряжения мощность не уменьшается, что является весомым плюсом.

При желании можно собрать регулятор оборотов коллекторного двигателя 220 В своими руками. Эта схема собрана на базе симистора ВТА26−600, который предварительно необходимо установить на радиатор, так как при нагрузке этот элемент довольно сильно греется.

Схема выглядит следующим образом.

Она успешно справится с регулировкой таких электроинструментов, как дрель, болгарка, циркулярка, лобзик. При желании можно использовать схему в качестве регулятора мощности ТЭН-ов, обогревателей и в качестве диммера. К минусам можно отнести невозможность регулировки мощности приборов, которые питаются от постоянного тока.

https://youtube.com/watch?v=vVeR4jVfTIg

Сложности при ШИМ регулировании скорости двигателя постоянного тока

ШИМ является популярным методом регулирования аналоговым напряжением в различных схемах. При использовании этого способа регулирования пользователь может столкнуться с непредсказуемым поведением двигателя. Например, вал может начать вращение в обратную сторону. Это происходит при низких емкостных нагрузках. В коллекторных двигателях в процессе работы происходит постоянное переключение обмоток якоря. Когда подключают регулятор, начинает происходить отключение и включение питание с определенной частотой. Дополнительная коммутация в сочетании с коллекторной может привести к проблемам с эксплуатацией двигателя. Поэтому устройства управления с ШИМ регулированием двигателя должны быть тщательно продуманы и проработаны.

Также причиной нестабильной работы электродвигателя может стать факт влияния силы тока на скорость вращения ротора, которая находится в зависимости от уровня приложенного напряжения. Проблемы могут возникнуть при эксплуатации двигателей на малой скорости по отношению к номинальному значению.

Например, у пользователя есть двигатель, который при номинальном напряжение вращает ротор со скоростью 10об/сек. Чтобы понизить скорость до 1 об/сек недостаточно просто снизить напряжение до 1В. Подобрать подходящее значение подаваемого напряжения сложно и если пользователю и удастся, то при незначительном изменении условий эксплуатации скорость снова изменится.

Решением проблемы является применение системы автоматического регулирования или кратковременное включение электродвигателя на полную мощность. Движение ротора будет происходить рывками, но при правильно подобранной частоте и длительности подаваемых импульсов можно сделать вращение более стабильным. Так, добиваются устойчивого движения вала электродвигателя с любой скоростью, которая не будет меняться в зависимости от нагрузки.

Преобразователь частоты однофазный

Компактное устройство преобразования частоты служит для управления однофазными электродвигателями для оборудования бытового предназначения. Большинство частотных преобразователей обладает следующими конструктивными возможностями:

Большинство моделей использует в своей конструкции новейшие технологии векторного управления.
Они обеспечивают улучшенный вращающий момент однофазного двигателя.
Энергосбережение введено в автоматический режим.
Некоторые модели частотных преобразователей используют съемный пульт управления.
Встроенный PLC контроллер (он незаменим для создания устройств сбора и передачи данных, для создания систем телеметрии, объединяет устройства с различными протоколами и интерфейсами связи в общую сеть).
Встроенный ПИД регулятор (контролирует и регулирует температуру, давление и технологические процессы).
Напряжение выхода регулируется в автоматическом режиме.

Рис.№7. Современный преобразователь Optidrive с основными функциональными особенностями.

Частотный преобразователь не служит для двойного преобразования напряжения, благодаря наличию в конструкции ШИМ-регулятора, он может поднять величину напряжения не более чем на 10%.

Главная задача однофазного преобразователя частоты – обеспечить питание как одно- так и трехфазного электродвигателя. В этом случае ток двигателя будет соответствовать параметрам подключения от трехфазной сети, и оставаться постоянным

Структура частотного регулятора

В настоящее время детально разработаны и широко применяются две основные топологии многоуровневых частотных преобразователей. Это каскадные и преобразователи на базе многоуровневых частотных инверторов напряжения.

Рис. №3 Структурная схема частотного преобразователя многоуровневого типа высокого напряжения, построенная на базе IGBT-транзисторов с воздушным или водяным охлаждением.

В состав устройства включен многообмоточный трансформатор. К особенностям схемы относится наличие силовых ячеек с последовательным соединением, благодаря чему на выходе устройства получается суммарное высокое напряжение. Подобная схема служит для получения формы выходного напряжения практически приближенной к идеальному синусу. Наличие шунтируемых в момент неисправности ячеек обуславливает высокую надежность схемы.

Как продолжение предыдущей схемы рассмотрим схему преобразователя на базе трансформаторного многоуровневого инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией с применением IGBT-модулей. Для устройства характерна фиксированная частота ШИМ – 3кГц. В структуру устройства включены система защиты с использованием микропроцессора.

Рис. 4 Структурная схема преобразователя.

На схеме видно, что все блоки функционально взаимосвязаны. На схеме показано как работает частотный регулятор для асинхронного двигателя, устройство и принцип работы.

В первом блоке находится входной трансформатор, в блоке осуществляется передача электроэнергии от трехфазного высоковольтного источника питания. От многоуровневого трансформатора производится распределение пониженного напряжения в шкаф инвертора на многоуровневый инвертор.

Шкаф инвертора включает в состав многоуровневый трехфазный инвертор, состоящий из ячеек – преобразователей. В каждой находится шестиимпульсный фильтр для выпрямления звена постоянного тока и мостовой инвертор напряжения на IGBT-транзисторах. По схеме происходит выпрямление входного переменного тока, который благодаря инвертору изменяется в переменный ток, обладающий регулируемыми показателями частоты и напряжения.

В шкафу защиты управления находятся микропроцессорный блок, обладающий многофункциональными возможностями и системой питания от ТСН преобразователя, устройство ввода преобразователя и первичные сенсоры, обозначающие режимы работы преобразователя.

Микропроцессор служит для формирования сигналов управления инвертором в зависимости от обозначенного алгоритма работы. Он служит для обработки сведений, собранных с датчиков напряжения и тока. Микропроцессор формирует сигналы для управления защитами и аварийными кнопками управления, корректирует алгоритм управления.

Для передачи сведений и связи используется оптоволоконный кабель. Для бесперебойной работы имеется независимый встроенный источник питания. Редактирование параметров выполняется пультом дистанционного управления.

Для надежного отключения и безопасного проведения различного рода работ преобразователь оборудован линейным разъединителем.

Рис. №5 Обобщенная схема ячейки преобразователя

Источники управляемого переменного напряжения формируют фазу напряжения для выполнения их последовательного соединения. Выходная схема питающей сети асинхронного двигателя происходит по схеме соединения обмоток «Звезда». Напряжение в трехфазном инверторе распределяется по схеме.

Рис. №6 Схема распределения напряжения в инверторе на три фазы.

Устройство системы

Коллекторный тип двигателя состоит главным образом из ротора, статора, а также щёток и тахогенератора.

Ротор — это часть вращения, статор — это внешний по типу магнит.
Щётки, которые произведены из графита — это главная часть скользящего контакта, через которую на вращающийся якорь и стоит подавать напряжение.
Тахогенератор —это устройство, которое производит слежку за характеристикой вращения прибора. Если происходит нарушение в размеренности процесса вращения, то он корректирует поступающий в двигатель уровень напряжения, тем самым делая его наиболее плавным и медленным.
Статор. Такая деталь может включать в себя не один магнит, а, к примеру, две пары полюсов. Вместе с этим на месте статических магнитов здесь будут находиться катушки электромагнитов. Совершать работу такое устройство способно как от постоянного тока, так и от переменного.

Регулирование напряжением

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

S=(n1-n2)/n2

n1 — скорость вращения магнитного скорость

n2 — поля вращения ротора

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

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

напряжения регулировании скорости таким способом устанавливать необходимо двигатели завышенной мощности.

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

На для практике этого применяют различные схемы Автотрансформаторное.

регуляторов регулирование напряжения

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

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

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

данной Преимущества схемы:

неискажённая форма выходного чистая (напряжения синусоида)
хорошая перегрузочная способность Недостатки

трансформатора:

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

Тиристорный регулятор оборотов данной

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

Схема управления регулирует открытия момент и закрытия тиристоров относительно фазового через перехода ноль, соответственно «отрезается» кусок или вначале, реже в конце волны напряжения.

образом Таким изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

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

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

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

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

Достоинства тиристорных регуляторов:

стоимость низкая
малая масса и размеры

Недостатки:

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

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