Частотный регулятор для регулировки скорости вращения асинхронного двигателя

Как можно регулировать обороты асинхронного двигателя: обзор способов

Частотный регулятор для регулировки скорости вращения асинхронного двигателя

Благодаря надежности и простоте конструкции асинхронные двигатели (АД) получили широкое распространение. В большинстве станков, промышленном и бытовом оборудовании применяются электродвигатели такого типа.

Изменение скорости вращения АД производится механически (дополнительной нагрузкой на валу, балластом, передаточными механизмами, редукторами и т.д.) или электрическими способами.

Электрическое регулирование более сложное, но и гораздо более удобное и универсальное.

Для многих агрегатов применяется именно электрическое управление. Оно обеспечивает точное и плавное регулирование пуска и работы двигателя. Электрическое управление производится за счет:

  • изменения частоты тока;
  • силы тока;
  • уровня напряжения.

В этой статье мы рассмотрим популярные способы, как может осуществляться регулировка оборотов асинхронного двигателя на 220 и 380В.

Изменение скорости АД с короткозамкнутым ротором

Существует несколько способов:

  1. Управление вращением за счет изменения электромагнитного поля статора: частотное регулирование и изменение числа пар полюсов.
  1. Изменение скольжения электромотора за счет уменьшения или увеличения напряжения (может применяться для АД с фазным ротором).

Частотное регулирование

В данном случае регулировка производится с помощью подключенного к двигателю устройства для преобразования частоты. Для этого применяются мощные тиристорные преобразователи. Процесс частотного регулирования можно рассмотреть на примере формулы ЭДС трансформатора:

U1=4,44w1k1fΦ

Данное выражение означает, что для сохранения постоянного магнитного потока, означающего сохранение перегрузочной способности электромотора, следует одновременно с преобразованием частоты корректировать и уровень питающего напряжения. Если сохраняется выражение, вычисленное по формуле:

U1/f1=U’1/f’1

то это означает, что критический момент не изменен. А механические характеристики соответствуют рисунку ниже, если вы не понимаете, что значат эти характеристики, то в этом случае регулировка происходит без потери мощности и момента.

Достоинствами данного метода являются:

  • плавное регулирование;
  • изменение скорости вращения ротора в большую и меньшую сторону;
  • жесткие механические характеристики;
  • экономичность.

Недостаток один — необходимость в частотном преобразователе, т.е. увеличение стоимости механизма. К слову, на современном рынке представлены модели с однофазным и трёхфазным входом, стоимость которых при мощности 2-3 кВт лежит в диапазоне 100-150 долларов, что не слишком дорого для полноценной регулировки привода станков в частной мастерской.

Переключение числа пар полюсов

Данный метод применяется для многоскоростных двигателей со сложной обмоткой, позволяющей изменять число пар ее полюсов. Самое широкое применение получили двухскоростные, трехскоростные и четырехскоростные АД.

Принцип регулировки проще всего рассмотреть на основе двухскоростного АД. В такой машине обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Скорость вращения изменяется при подключении их последовательно или параллельно.

В четырехскоростном электродвигателе обмотка выполнена в виде двух независимых друг от друга частей. При изменении числа пар полюсов первой обмотки производится изменение скорости работы электромотора с 3000 до 1500 оборотов в минуту. При помощи второй обмотки производится регулировка вращения 1000 и 500 оборотов в минуту.

При изменении числа пар полюсов происходит и изменение критического момента. Для его сохранения неизменным, требуется одновременно с изменением числа пар полюсов регулировать и питающее напряжение, например, переключением схемы звезда-треугольник и их вариациями.

Достоинства данного метода:

  • жесткие механические характеристики двигателя;
  • высокий КПД.

Недостатки:

  • ступенчатая регулировка;
  • большой вес и габаритные размеры;
  • высокая стоимость электромотора.

Способы управления скоростью АД с фазным ротором

Изменение скорости вращения АД с фазным ротором производится путем изменения скольжения. Рассмотрим основные варианты и способы.

Изменение питающего напряжения

Этот способ также применяется для АД с КЗ ротором. Асинхронный двигатель подключается через автотрансформатор или ЛАТР. Если уменьшать напряжение питания, частота вращения двигателя снизится.

Но такой режим уменьшает перегрузочную способность двигателя. Этот способ применяется для регулирования в пределах напряжения не выше номинального, так как увеличение номинального напряжения приведет к выходу электродвигателя из строя.

Активное сопротивление в цепи ротора

При использовании данного метода в цепь ротора подключается реостат или набор постоянных резисторов большой мощности. Данное устройство предназначено для плавного увеличения сопротивления.

Скольжение растет пропорционально увеличению сопротивления, а скорость вращения вала электромотора при этом снижается.

Достоинства:

  • большой диапазон регулирования в сторону понижения скорости вращения.

Недостатки:

  • снижение КПД;
  • увеличение потерь;
  • ухудшение механических характеристик.

Асинхронный вентильный каскад и машины двойного питания

Изменение скорости работы асинхронных электромоторов в данных случаях выполняется путем изменения скольжения. При этом скорость вращения электромагнитного поля неизменна. Напряжение подается напрямую на обмотки статора.

Регулировка происходит за счет использования мощности скольжения, которая трансформируется в цепь ротора, и образует добавочную ЭДС. Такие методы используются только в специальных машинах и крупных промышленных устройствах.

Плавный пуск асинхронных электродвигателей

АД кроме безусловных преимуществ, обладают существенными недостатками. Это рывок на старте и большие пусковые токи, в 7 раз превышающие номинальные. Для мягкого старта электродвигателя используются следующие методы:

  • переключение обмоток по схеме звезда – треугольник;
  • включение электродвигателя через автотрансформатор;
  • использование специализированных устройств для плавного пуска.

В большинстве частотных регуляторов есть функция плавного пуска двигателя. Это не только снижает пусковые токи, но и уменьшает нагрузки на исполнительные механизмы. Поэтому регулирование частоты и плавный пуск довольно сильно связаны между собой.

Как сделать устройство для изменения скорости вращения электродвигателя своими руками

Для регулировки маломощных однофазных АД можно использовать диммеры. Однако этот способ ненадежен и обладает серьезными недостатками: снижением КПД, серьезным перегревом устройства и опасностью повреждения двигателя.

Для надежного и качественного регулирования оборотов электродвигателей на 220В, лучше всего подходит частотное регулирование.

Приведенная ниже схема позволяет собрать частотное устройство для регулировки электромоторов мощностью до 500 Вт. Изменение скорости вращения производится в границах от 1000 до 4000 оборотов в минуту.

Устройство состоит из задающего генератора с изменяемой частотой, состоящего из мультивибратора, собранного на микросхеме К561ЛА7, счетчика на микросхеме К561ИЕ8, полумоста регулятора. Выходной трансформатор Т1 выполняет развязку верхнего и нижнего транзисторов полумоста.

Демпфирующая цепь С4, R7 гасит всплески напряжения опасные для силовых транзисторов VT3, VT4. Выпрямитель, удвоитель напряжения питающей сети, включает в себя диодный мост VD9, с конденсатором фильтра на которых происходит удвоение напряжения питания полумоста.

Напряжение первичной обмотки: 2х12В, вторичной обмотки 12В. Первичная обмотка трансформатора управления ключами, состоит из 120 витков медного провода сечением 0,7мм, с отводом от середины. Вторичная – две обмотки, каждая по 60 витков повода сечением 0,7 мм.

Вторичные обмотки необходимо максимально надежно заизолировать друг от друга, так как разница потенциалов между ними доходит до 640 В. Подключение выходных обмоток к затворам ключей производится в противофазе.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Частотный регулятор для регулировки скорости вращения асинхронного двигателя

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

Регулирование напряжением

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

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.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

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.

 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

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

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

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

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.

Транзисторный регулятор напряжения

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

Преобразователи для однофазных двигателей

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

Это модель Optidrive E2

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:

Optidrive E2 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

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

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

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

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

Частотный регулятор для асинхронного двигателя-все функции

Частотный регулятор для регулировки скорости вращения асинхронного двигателя

Регулируемый асинхронный привод широко распространен и популярен так, что фактически заменил собой синхронные электродвигатели и привод постоянного тока.

Варианты регулировки скорости электродвигателя включают несколько существующих способов:

  1. Изменение подачи напряжения;
  2. Переключение обмоток асинхронных двигателей;
  3. Частотная регулировка скорости электродвигателя с помощью изменения токовых величин;
  4. Применение электронного коммутатора.

Во многом это произошло благодаря появлению частотных преобразователей, обеспечивающих энергетические и динамические показатели. Использование частотного регулятора скорости считается  самым прогрессивным и востребованным методом, входящим в способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей.

Основное предназначение, которое выполняет частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя основывается на осуществлении питания таким образом, чтобы рабочие характеристики агрегата радикально отличались от обычных параметров, получаемых из сети. При этом напряжение в сети и частота должны остаться неизменными.

Устройство и принцип работы, структура частотного регулятора

Принцип работы частотного регулятора для асинхронного двигателя заключается в питании электродвигателя переменным напряжением с меняющимися по необходимости, параметрами амплитуды и частоты.  При этом поддержка соотношения напряжение/частота остаются четко определенными и неизменными. Генерирование переменного напряжения происходит благодаря силовому электронному преобразователю.

Рис. №1 Принципиальная схема преобразователя частоты.

Принцип работы подразумевает использование широтно-импульсной модуляции. Принцип подразумевает подачу импульсного напряжения на обмотки двигателя с амплитудой равной напряжению, полученному от выпрямителя.

Импульсы модулированы по ширине и создают напряжение переменного тока с изменяющейся амплитудой.

Наглядным примером могут считаться кривые междуфазного напряжения и тока в одной обмотке двигателя при соединении обмоток треугольником.

Рис. №2 График напряжения на выходе ШИМ и ток в двигательной обмотке при соединении трехфазного асинхронного двигателя в треугольник.

Основные элементы, которые входят в структуру частотного преобразователя

Частотный преобразователь состоит из следующих компонентов:

  1. Мостовой выпрямитель на 1 или 3 фазы, оборудован конденсатором на выходе, является источником постоянного напряжения.
  2. Мостовой инвертор (IGBT) питается постоянным напряжением с помощью широтно-импульсного метода модуляции, служит для генерации напряжения переменного тока с изменяемой амплитудой и частотой.
  3. Модуль управления, который подает команды проводимости на инвертор. Они зависят от сигналов, подаваемых оператором и сведений о результатах измерений электрических величин (сетевое напряжение, нагрузочный ток двигателя).

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.

Частотные преобразователи для однофазного асинхронного электродвигателя

Использование малогабаритных частотных преобразователей применяется при управлении скоростью вращения однофазных двигателей, применяемых в конструкциях бытовых устройств и для производства технологических процессов. Подробней про регулирование однофазного асинхронного двигателя с помощью частотного преобразователя смотрите здесь.

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя  будет необычайно актуальным в схемах управления такими приборами, как кондиционеры воздуха, холодильные камеры, электрические вентиляторы, насосы, все оборудование с использованием асинхронных электродвигателей.

Особенности использования регуляторов скорости для однофазных электродвигателей

В конструкцию частотного регулятора входит несколько элементов, обеспечивающих эффективность работы устройства, к ним относятся:

  1. Встроенный конвертер интерфейсов RS485 (работает опционно);
  2. Встроенный ПЛК контроллер;
  3. Встроенный ПИД-регулятор (формирует сигнал для управления устройством).

К преимущественным особенностям использования регуляторов скорости относятся инновационные технологии векторного управления. Значительная энергосберегающая эффективность – это функция, которая обеспечивается в автоматическом режиме. Управление регулятором скорости можно выполнять с помощью дистанционного пульта управления, минимальное расстояние для управления 5м.

Важно: в конструкции  преобразователя частоты предусмотрена возможность автоматически регулировать выходное напряжение.

Популярные модели регуляторов скорости для однофазного двигателя

Среди многообразия устройств, выполняющих функцию управления электродвигателем, существуют две основные разновидности моделей регуляторов оборотов.

Это электронные тиристорные однофазные регуляторы скорости, которые работают за счет плавного изменения напряжения питания. Вторая разновидность моделей регуляторов оборотов – трансформаторный однофазный регулятор скорости.

Его работа заключается в изменении положения трехступенчатого кулачкового переключателя, с помощью которого происходит изменение комбинации переключения обмоток.

Частотное управление регулированием скоростью асинхронного электродвигателя  в наше время является техническим стандартом. Использование частотного регулятора вытеснило очень многие способы управления. Симметричное и несимметричное управление напряжением и использование добавочных сопротивлений, изменение числа пар полюсов ушли в прошлое.

Частотник, частотный преобразователь 220 — 380 регулятор оборотов электродвигателя

Частотный регулятор для регулировки скорости вращения асинхронного двигателя

Частотный регулятор для регулировки скорости вращения асинхронного двигателя

Качественный обмен воздуха в помещении в значительной мере влияет на комфорт жизни в квартире. Чистый воздух, сухие стены, мягкий микроклимат в доме напрямую зависит от наличия системы вентиляции. При этом к самой популярной на сегодняшний день системе обмена воздушных потоков в помещении относится принудительная вентиляция, работающая по приточно-вытяжному принципу.

Большинство современных вентиляторов для вытяжных систем снабжаются электродвигателем с регулируемой скоростью вращения. При этом для изменения оборотов вентилятора используют специальные регуляторы, в том числе и частотные системы изменения скорости вращения асинхронного двигателя, который используется как в вытяжных устройствах, так и в различных бытовых приборах в квартире.

Предназначение и функции регуляторов

Ещё не так давно устройства регулировки скорости вращения асинхронного электродвигателя состояли из простейших ручных выключателей и магнитного реле, благодаря которым можно было только запустить мотор на максимальных оборотах или выполнить полное его отключение.

Любой регулятор оборотов двигателя, в том числе и частотный, предназначен для изменения скорости вращения мотора. При этом основной функцией регулятора скорости является изменение производительности вытяжной системы или другого оборудования. Но помимо этого такие приборы обладают и дополнительными возможностями, о которых не стоит забывать:

  • уменьшение износа оборудования в процессе эксплуатации;
  • экономия потребляемой электрической энергии;
  • снижение шумов на максимальных оборотах.

Большинство приборов, регулирующих скорость вращения электродвигателя, могут быть использованы как отдельный элемент системы, так и являться дополнением электронного блока управления, бытовым прибором, приводящимся в действие мотором.

Варианты регулировки скорости электродвигателя

Для изменения скорости вращения как асинхронного, так и любого другого двигателя, используется несколько вариантов регулировки оборотов:

  • регулировка подачи напряжения;
  • переключение обмоток асинхронных многоскоростных двигателей;
  • частотная регулировка показателей тока;
  • использование электронного коммутатора.

Изменение напряжения даёт возможность использовать достаточно дешёвые устройства для плавной или многоступенчатой регулировки скорости.

Если говорить об асинхронных моторах, которые имеют внешний ротор, то для них лучше использовать регулятор сопротивления якоря для изменения оборотов.

При этом частотная регулировка позволяет изменять скоростные показатели в достаточно широком диапазоне.

Разновидности моделей, регуляторов оборотов

Устройства регулировки скорости для однофазных, трёхфазных и асинхронных двигателей различаются по принципиальному изменению оборотов вращения:

  • регуляторы, собранные на тиристорах;
  • симисторные стемы изменения скорости;
  • частотные регуляторы;
  • регуляторы на основе трансформаторов.

Тиристорные регуляторы скорости используются для однофазных двигателей и позволяют помимо изменения оборотов вращения защищать оборудование от перегрева и перепадов напряжения.

Симисторные устройства могут управлять сразу несколькими электромоторами, работающими как на постоянном, так и переменном токе, но при условии, что параметры мощности не будут превышать предельных значений. Такой способ изменения оборотов один из самых популярных, если необходимо регулировать скорость благодаря изменению показателей напряжения от минимального до номинального значения.

Трёхфазный регулятор, более точный, и снабжается предохранителем, контролирующим, уровень тока. А чтобы снизить шумовые эффекты на низких оборотах устанавливается сглаживающий фильтр, состоящий из конденсатора.

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя используется при преобразовании входного напряжения в диапазоне от 0 до 480 вольт, а непосредственный контроль оборотов осуществляется благодаря изменению подаваемой электрической энергии. Чаще всего такие регуляторы используются в трёхфазных двигателях, систем кондиционирования и вентиляции достаточно большой мощности.

Также для мощных электромоторов используют регулятор на основе однофазного или трёхфазного трансформатора. Благодаря такому устройству появляется возможность ступенчатой регулировки скорости двигателей. При этом одним трансформатором можно управлять сразу несколькими устройствами в автоматическом режиме.

Частотные регуляторы асинхронных моторов

Ещё нет так давно встретить частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя было практически невозможно, а стоимость таких устройств была неоправданно высокой.

При этом основной причиной дороговизны таких устройств было отсутствие качественных транзисторов и модулей высокого напряжения. Но благодаря разработкам в сфере твердотельных электронных устройств этот вопрос был решён.

Вследствие этого рынок электроники заполонили сварочные инверторы, инверторные кондиционеры и частотные преобразователи.

На сегодняшний день, частотные регуляторы – самый распространённый метод регулировки, мощностных характеристик оборотов и уровня производительности большинства механизмов, которые приводятся в действие асинхронным трёхфазным электродвигателем.

При таком методе изменения скоростных показателей в электродвигателе, к нему подключается специальный частотный регулятор. В большинстве случаев это тиристорные преобразователи частоты. При этом сама регулировка оборотов осуществляется посредством изменения частотных показателей напряжения, которые непосредственно влияют на скорость вращения асинхронного электромотора.

Хочется отметить, что во время снижения частотных показателей падает, и перегрузочная способность электродвигателя и поэтому для компенсации мощностных потерь нужно увеличивать напряжение. При этом величина напряжения зависит от конструктивных особенностей привода.

Если регулировка выполняется на моторе, работающем с постоянным уровнем нагрузки на валу, то величина напряжения увеличивается пропорционально падению частоты. Но при увеличении оборотов это недопустимо и может привести к выходу из строя двигателя.

В случае, когда частотная регулировка выполняется на электродвигателе постоянной мощности, то увеличение напряжения производится пропорционально корню квадратному падения частоты. При изменении оборотов в вентиляционных установках подаваемое напряжение изменяется пропорционально квадрату снижения частоты.

Частотные регуляторы скорости для асинхронных электродвигателей – единственно правильный способ изменения оборотов мотора. В первую очередь это обусловлено возможностью изменения скорости в максимально широком диапазоне практически без потери мощности и уменьшения перегрузочных характеристик мотора.

Особенности использования регуляторов скорости

В качестве элемента системы, автоматического изменения скорости вращения, вентиляционных устройств частотный регулятор обеспечивает контроль функционирования всего вытяжного механизма.

При этом в процессе использования устройства для регулировки оборотов любых, в том числе и асинхронных двигателей, появляются дополнительные шумы, которые можно устранить, только используя трансформаторный регулятор.

Также кроме шума во время работы электродвигателя на разных скоростях могут появиться электромагнитные помехи, устранить которые можно за счёт экранированного кабеля.

При использовании трёхфазного регулятора с шумом проблем не возникает, но обязательна дополнительная установка сглаживающих фильтров.

Но вне зависимости от модели используемого регулятора существуют рекомендации по их эксплуатации.

  1. Прежде чем включать устройство в сеть переменного тока важно проверить все соединительные элементы и провода на качество заземления.
  2. Чтобы устранить различные помехи в сети важно устанавливать специальный фильтр.
  3. Для недопущения перегрева регулятора оборотов мотора, его размещают в месте, куда не попадает солнце. В противном случае из-за повышения температуры устройство будет работать на предельной нагрузке и может перестать реагировать на показатели датчиков.
  4. Любой регулятор, в том числе и частотный для асинхронного двигателя должен размещаться вертикально, что позволит качественно рассеивать тепло, выделяемое, в процессе работы прибора.
  5. Не рекомендовано очень часто производить включение или выключение регуляторов, так как в процессе непрерывной работы они функционируют в оптимальных условиях и поэтому реже выходят из строя.

В настоящее время всё чаще используют частотные регуляторы, так как они имеют компактные размеры и невысокую стоимость по сравнению с трансформаторными аналогами. При этом во время работы такие устройства подают номинальное напряжение на электромотор.

Регулятор частоты вращения трехфазного двигателя

Частотный регулятор для регулировки скорости вращения асинхронного двигателя

Достаточно часто режим работы вспомогательного механизированного оборудования требует понижения штатных частот вращения. Добиться такого эффекта позволяет регулировка оборотов асинхронного двигателя. Как это сделать своими руками (расчет и сборку), используя стандартные схемы управления или самодельные устройства, попробуем разобраться далее.

  • Что такое асинхронный двигатель?
  • Двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР)
  • Двигатели с фазным ротором
  • Принцип работы и число оборотов асинхронных двигателей
  • Способы изменения оборотов двигателя
  • Типичные схемы регуляторов оборотов
  • Что такое асинхронный двигатель?

    Электродвигатели переменного тока нашли довольно широкое применение в различных сферах нашей жизнедеятельности, в подъемно транспортном, обрабатывающем, измерительном оборудовании.

    Они используются для превращения электрической энергии, которая поступает от сети, в механическую энергию вращающегося вала. Чаще всего используются именно асинхронные преобразователи переменного тока. В них частота вращения ротора и статора отличаются.

    Между этими активными элементами обеспечивается конструктивный воздушный зазор.

    И статор, и ротор имеют жесткий сердечник из электротехнической стали (наборного типа, из пластин), выступающий в роли магнитопровода, а также обмотку, которая укладывается в конструктивные пазы сердечника. Именно способ организации или укладки обмотки ротора является ключевым критерием классификации этих машин.

    Двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР)

    Здесь используется обмотка в виде алюминиевых, медных или латунных стержней, которые вставляются в пазы сердечника и с обеих сторон замыкаются дисками (кольцами).

    Тип соединения этих элементов зависит от мощности двигателя: для малых значений используют метод совместной отливки дисков и стержней, а для больших – раздельное изготовление с последующей сваркой между собой.

    Обмотка статора подключается с использованием схем «треугольника» или «звезды».

    Двигатели с фазным ротором

    К сети подключается трехфазная обмотка ротора, посредством контактных колец на основном валу и щеток. За основу принимается схема «звезда». На рисунке внизу представлена типичная конструкция такого двигателя.

    Принцип работы и число оборотов асинхронных двигателей

    Данный вопрос рассмотрим на примере АДКР, как наиболее распространенного типа электродвигателей подъемно-транспортном и обрабатывающем оборудовании. Напряжение от сети подается на обмотку статора, каждая из трех фаз которой смещена геометрически на 120°.

    После подачи напряжения возникает магнитное поле, создающее путем индукции ЭДС и ток в обмотках ротора. Последнее вызывает электромагнитные силы, заставляющие ротор вращаться.

    Еще одна причина, по которой все это происходит, а именно, возникает ЭДС, является разность оборотов статора и ротора.

    Одной из ключевых характеристик любого АДКР является частота вращения, расчет которой можно вести по следующей зависимости:

    n = 60f / p, об/мин

    где f – частота сетевого напряжения, Гц; р – число полюсных пар статора.

    Все технические характеристики указываются на металлической табличке, закрепленной на корпусе. Но если она отсутствует по какой-то причине, то определить число оборотов нужно вручную по косвенным показателям. Как правило, используется три основных метода:

    • Расчет количества катушек. Полученное значение сопоставляется с действующими нормами для напряжения 220 и 380В (см. табл. ниже);
    • Расчет оборотов с учетом диаметрального шага обмотки. Для определения используется формула вида:

    где 2p – число полюсов; Z1 – количество пазов в сердечнике статора; y – собственно, шаг укладки обмотки.

    Стандартные значения оборотов:

    • Расчет числа полюсов по сердечнику статора. Используются математические формулы, где учитываются геометрические параметры изделия:

    2p = 0,35Z1b / h или 2p = 0,5Di / h,

    где 2p – число полюсов; Z1 – количество пазов в статоре; b – ширина зубца, см; h – высота спинки, см; Di – внутренний диаметр, образованный зубцами сердечника, см.

    После этого по полученным данным и магнитной индукции нужно определить количество витков, которое сверяется с паспортными данными двигателей.

    Способы изменения оборотов двигателя

    Регулировка оборотов любого трехфазного электродвигателя, используемого в подъемно-транспортной технике и оборудовании, позволяет добиться требуемых режимов работы точно и плавно, что далеко не всегда возможно, например, за счет механических редукторов. На практике используется семь основных методов коррекции скорости вращения, которые делятся на два ключевых направления:

    1. Изменение скорости магнитного поля в статоре. Достигается за счет частотного регулирования, переключения числа полюсных пар или коррекции напряжения. Следует добавить, что эти методы применимы для электродвигателей с короткозамкнутым ротором;
    2. Изменение величины скольжения. Этот параметр можно откорректировать за счет питающего напряжения, подключения дополнительного сопротивления в электрическую цепь ротора, применения вентильного каскада или двойного питания. Используется для моделей с фазным ротором.

    Наиболее востребованными методами являются регулирование напряжения и частоты (за счет применения преобразователей), а также изменение количества полюсных пар (реализуется путем организации дополнительной обмотки с возможностью переключения).

    Поделиться:
    Нет комментариев

      Добавить комментарий

      Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.