Регулировка оборотов электродвигателя

Данный способ регулировки электрического двигателя имеет ограниченный диапазон, который составляет примерно 2:1, и его действия направлены исключительно на понижение напряжения, что ведет к снижению рабочего напряжения питания.

Как снизить обороты электродвигателя без потери мощности 220В

Для достижения плавности в управлении скоростью вращения вала электродвигателя разработан специальный прибор — регулятор оборотов электродвигателя 220В. Преимущества использования такого регулятора связаны со стабильностью работы, отсутствием перебоев в подаче напряжения и высокой долговечностью прибора. Это касается как электродвигателей на 220, так и на 12 и 24 вольта.

Методы изменения скорости вращения зависят от конкретной модели электрической машины. Электрические машины различаются по своим характеристикам: постоянного либо переменного тока, однофазные и трехфазные. Поэтому каждый случай требует индивидуального подхода и анализа.

Регуляторы оборотов электродвигателя

Схемы, используемые для изменения частоты вращения электродвигателей, чаще всего основаны на использовании тиристорных регуляторов, что обусловлено их простотой и надежностью в работе.

Принцип работы эти схем прост: конденсатор C1 накапливает заряд до достижения напряжения пробоя динистора D1 через переменный резистор R2. Когда динистор пробивается, он открывает симистор D2, который управляет нагрузкой. Напряжение на нагрузке прямо пропорционально частоте открытия D2, которая изменяется в зависимости от положения движка переменного сопротивления. Обратите внимание, что данная схема не включает обратную связь, поэтому при изменении нагрузки скорость вращения будет изменяться, и её потребуется подстраивать. Аналогичная схема применяется в большинстве современных бытовых пылесосов.

Асинхронные двигатели (АД) благодаря своей надежности и простоте конструкции широко распространены. Они используются в большинстве станков, а также в промышленном и бытовом оборудовании. Регулировка скорости вращения АД может быть выполнена механически (например, через увеличенную нагрузку на вал, использование балласта или редукторов) или электроническими методами. Хотя электрические способы сложнее, они гораздо более универсальны и удобны в эксплуатации.

Электрическое управление скоростью вращения используется во многих устройствах. Оно обеспечивает точную настройку и плавное изменение как при старте, так и в процессе работы двигателя. Электрическое регулирование может реализовываться следующим образом:

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

В этой статье будут рассмотрены наиболее распространенные методы регулировки оборотов асинхронного двигателя как на 220, так и на 380 В.

Типы устройств

Регулирование числа оборотов осуществляется путем включения дополнительных устройств в цепь. В зависимости от принципа работы такие устройства делятся на два типа:

• Фиксаторы оборотов.
  При их использовании электродвигатель сразу начинает вращаться с установленной скорости, обеспечивая запуск с удерживанием крутящего момента ниже номинального значения.
• Регуляторы.
  Эти устройства позволяют задавать определенное количество оборотов в допустимом диапазоне, поддерживаемом агрегатом.

Фиксаторы представляют собой специальные механические устройства, такие как магнитные блокираторы или соединительные муфты. Их основная задача — снизить скорость вращения коллекторного двигателя постоянного тока на заданный коэффициент. Хотя такие устройства в основном устарели, их все еще применяют, если необходимо ограниченное количество рабочих скоростей или для экстренного снижения мощности в целях проверки холостого хода. Современные фиксаторы чаще всего изготавливаются самостоятельно, и их легко подключить к системе.

Регуляторы предназначены для точного задания скорости вращения ниже номинальной. Они комитетируются преимущественно из электронных устройств и целых систем, влияющих на ток в цепи питания.

Способы регулировки

Хотя принцип действия различных устройств меняется, они все решают одну общую задачу — снижение скорости вращения вала электрической машины.

Ввод сопротивления

Скорость вращения магнитного поля можно регулировать с помощью переменных резисторов, влияющих на единицу электроэнергии. Регулировка скольжения непосредственно влияет на уровень крутящего момента ротора.

При использовании переменных резисторов для изменения оборотов необходимо учитывать ряд особенностей:

• Увеличение сопротивления приводит к уменьшению нагрева проводника.
  При этом исключается риск перегрева, что является значительным преимуществом для моторов с короткозамкнутым ротором, так как это снижает вероятность аварийных ситуаций.
• Характеристики тока не подвергаются изменениям.
  Даже при низких оборотах мотор продолжает потреблять тот же объем электроэнергии, что и при полной нагрузке.

Таким образом, регулировка скорости вращения приводит к пропорциональным потерям КПД, что делает этот метод экономически нецелесообразным. Поэтому использование переменных резисторов оправдано только для кратковременного понижения оборотов, например, чтобы избежать перегрева оборудования, которому вредно резкое прекращение работы.

Перемычка витков обмотки

Метод регулировки основан на сокращении пути для тока в обмотке с помощью подвижного контакта, что в свою очередь создает контролируемое короткое замыкание.

Это способ имеет преимущество в небольшом шаге изменения оборотов (благодаря большому количеству витков) и в возможности точной настройки крутящего момента инструмента. Тем не менее, конструкция агрегата остается серьезным недостатком. Подключение контроллера осуществляется внутри корпуса электрической машины, разборка и сборка которой может быть трудоемким процессом. Данный метод имеет значимость, в основном, для надежных и долговечных электрических двигателей, требующих минимального обслуживания.

Из-за малого шага и точной регулировки форма напряжения часто упоминается как автотрансформаторный метод регулировки оборотов.

Изменение импульса тока

В этом методе ток подается через выпрямительный блок на коллектор управляемых транзисторов, от которых сигнал передается на обмотки возбуждения. В отличие от частотного преобразователя, здесь уменьшение происходит на уровне каждого поступившего импульса, а интервал между ними остаётся неизменным. При этом синусоида переменного тока понижается, но форма остаётся прежней.

Следует отметить, что сам по себе выпрямитель может лишь изменять напряжение импульса, повышая или понижая его, но регулировать в обе стороны не в силах. Для этого потребуется наличие коллекторной схемы из двух транзисторов, чтобы управлять оборотами как в сторону повышения, так и понижения.

Ввод полупроводников

На участке цепи между электродвигателем и источником питания подключается тиристор, меняющий ток. Он пропускает определенное количество импульсов при их равномерном поступлении.

Например, для однофазной сети 220В при частоте 50 Гц общее число импульсов за одну секунду будет варьироваться от 50 до N, где N — это количество импульсов, необходимое для заданной скорости вращения. Шаг снижения числа импульсов определяется нулевой фазой переменного тока.

В отличие от частотного преобразователя, тиристор не увеличивает паузы между импульсами, а удлиняет период нулевой фазы.

Подключение тиристорного регулятора может быть осуществлено двумя способами:

• С взаимным расположением пары полупроводников.
  В этом варианте один тиристор будет отвечать за снижение оборотов электродвигателя, а другой — за их увеличение.
• Совместно с симистором.
  При такой конфигурации единственный тиристор способен уменьшить и отрегулировать скорость вращения вала до необходимого значения. При достижении двигателя номинальной мощности происходит размыкание участка цепи с полупроводником симистором.

С помощью автотрансформатора

Автотрансформатор представляет собой трансформатор с одной обмоткой, от которой имеются отводы с части витков.

Переключатель последовательно подключает двигатель к одному из отводов, что позволяет осуществлять ступенчатую, а не плавную, регулировку. В результате двигатель может функционировать только на нескольких фиксированных скоростях, что определяется количеством отводов автотрансформатора. Следует отметить, что сам автотрансформатор может иметь значительные размеры и массу.

Схема автотрансформаторного регулирования

Автотрансформаторный регулятор

Транзисторный регулятор напряжения

Этот метод также называют электронным автотрансформатором или ШИМ-регулятором. Основой данного способа является широтно-импульсная модуляция (ШИМ), а ключевыми компонентами выступают IGBT транзисторы. Эти транзисторы работают с частотой до 50 кГц, что позволяет изменять ширину импульсов и интервалы между ними, тем самым влияя на выходное напряжение.

Схема транзисторного регулятора

ШИМ-регулятор

Все указанные выше методы регулирующих устройств актуальны для простых применений и двигателей с малой мощностью, примерно до 0,37 кВт. Тогда что же делать, если мощность двигателя превышает этот предел, а применение является более ответственным?

Как уменьшить обороты электродвигателя 220В

08.09.2013 в 00:12:58

К сожалению, без трансформатора в данном случае обойтись нельзя. Я разбирал стиральную машину, в которой не было понижающего трансформатора, и блок управления сгорел. Это произошло из-за стороннего воздействия, когда рядом с местом подключения сгорела автомобильная камера и блок пострадал.

nachavilo

08.09.2013 в 00:18:08

Подойдет ли плата управления от пылесоса?

Верный

08.09.2013 в 00:33:55

Не уверен. На сколько я понимаю, в стиральных машинах управление осуществляется с помощью симистора. Тахогенератор показывает плате управления текущие обороты. Но это довольно муторно, так как нужно будет паять. Мне проще использовать регулируемый выключатель, такой как для освещения. Будет ли это работать? Возможно, я найду старый пылесос с подходящей платой…) Подойдет ли он в этом случае?

rele_svg

08.09.2013 в 00:39:18

Верный написал : Ну например регулируемый выключатель, типа как для света. Будет работать?

Верный

08.09.2013 в 02:45:03

Установил плату управления от пылесоса с ползунком. При минимальном значении можно добиться плавного пуска, однако электродвигатель по-прежнему сильно разгоняется. Если установить максимальное значение на плате, движение начинается резко. Пылесос имеет мощность 1500 Вт, двигатель выглядит похожим, возможно, чуть меньше. Это выглядит не очень удачно.

ksiman

08.09.2013 в 08:48:54

У вас двигатель последовательного возбуждения. Без фиксированной нагрузки и обратной связи он не способен нормально функционировать на низких оборотах.

Верный

08.09.2013 в 13:38:34

ksiman написал : У вас двигатель последовательного возбуждения. Без фиксированной нагрузки и обратной связи он не может стабильно крутиться на небольших оборотах.

В стиральной машине он плавно работал. Я так понял, что он поддерживал одинаковую скорость с использованием симистора, который в зависимости от параметров включался и выключался, чтобы поддерживать определенные обороты. Возникает вопрос: где я могу найти схему с симистором, чтобы выровнять скорость?

kirich

08.09.2013 в 13:49:12

Верный написал : Я так понял он крутился с одинаковыми оборотами благодаря симистору.

Регулирование напряжением

Метод регулирования скорости в данном варианте предполагает изменение так называемого скольжения двигателя — разности между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого статором и движущим ротором:

n₁ — скорость вращения магнитного поля

n₂ — скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения, из-за чего обмотки двигателя могут значительно нагреваться.

Метод имеет ограниченный диапазон регулировки, обычно равный примерно 2:1, и его использование возможно исключительно при понижении напряжения питания.

При снижении скорости важно устанавливать двигатели с повышенной мощностью, что может оказаться довольно непросто.

Несмотря на это, данный метод все же часто применяется для двигателей небольшой мощности, которые испытывают вентиляторную нагрузку.

На практике для этого используют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это трансформатор с одной обмоткой, имеющий отводы от части витков. Поскольку в этой схеме отсутствует гальваническая развязка от сети, она позволяет добиться экономии за счет отсутствия вторичной обмотки.

На диаграмме представлено использование автотрансформатора T1, переключателя SW1 с отводами на различные уровни напряжения, и двигателя М1.

Регулировка в данной схеме выполняется ступенчато, и обычно создаются не более пяти ступеней регулировки.

• нет искажений в форме выходного напряжения (чистая синусоида)
• высокая перегрузочная способность трансформатора
• большие размеры и масса трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
• наличие всех недостатков, связанных с регулированием напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи из двух тиристоров, соединенных встречно-параллельно (так как напряжение переменное, каждый тиристор будет пропускать свою полуволну напряжения) или симистор.



Данная схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазы перехода через нуль, тем самым «отрезая» определенный кусок в начале или в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Подобная схема широко применяется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и различных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Другой метод регулирования заключается в пропуске полупериодов напряжения, хотя при частоте сети 50 Гц это может приводить к заметным шумам и рывкам в работе двигателя.

Для управления электродвигателями регуляторы модифицируют, учитывая особенности индуктивной нагрузки:

• устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силовых ключей (конденсаторы, резисторы, дроссели);
• на выходе добавляют конденсатор для корректировки формы волны напряжения;
• ограничивают минимальную мощность регулировки напряжения для гарантированного пуска двигателя;
• используют тиристоры с током, который в несколько раз превышает ток электромотора.

Частотное регулирование

Совсем недавно (примерно 10 лет назад) на рынке было мало доступных частотных регуляторов скорости для двигателей, и они были довольно дорогостоящими. Причиной происходило отсутствие доступных высоковольтных силовых транзисторов и модулей.

Тем не менее, развитие в области твердотельной электроники привело к появлению силовых IGBT-модулей на рынке. Это, в свою очередь, привело к массовому появлению устройств, таких как инверторные кондиционеры, сварочные инверторы и преобразователи частоты.

На сегодняшний день, частотное преобразование является основным методом регулирования мощности, производительности и скорости всех устройств и механизмов, содержащих электродвигатели в своем приводе.

Однако преобразователи частоты в основном предназначены для управления трехфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться несколькими методами:

• с помощью специализированных однофазных преобразователей частоты;
• с помощью трехфазных преобразователей частоты с отключением конденсатора.

Преобразователи для однофазных двигателей

На данный момент только один производитель предлагает серийный выпуск специализированного преобразователя частоты для конденсаторных двигателей, это компания INVERTEK DRIVES.

Модель называется Optidrive E2.



Специальные алгоритмы обеспечивают стабильный запуск и функционирование двигателя.

В этом случае регулировка частоты возможна и в сторону повышения, но в ограниченном диапазоне частот. Это связано с тем, что конденсатор в цепи фазосдвигающей обмотки влияет на его сопротивление, которое зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

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



Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения конденсатора из схемы, что важно, поскольку в некоторых моделях это может быть сложным.

Преимущества специализированного частотного преобразователя включают:

• интеллектуальное управление двигателем;
• устойчивая и стабильная работа двигателя;
• обширные возможности современных преобразователей:
  • возможность управления работой двигателя для поддержания заданных характеристик (например, давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке);
  • многочисленные защиты как для двигателя, так и для самого прибора;
  • входы для различных датчиков (как цифровых, так и аналоговых);
  • разнообразие выходов;
  • коммуникационные интерфейсы для управления и мониторинга;
  • предустановленные скорости;
  • ПИД-регулятор.
• ограниченная возможность управления частотой;
• высокая стоимость устройства.

Использование преобразователей частоты для трёхфазных двигателей



Стандартный преобразователь частоты выдает трехфазное напряжение. При подключении однофазного двигателя к нему требуется извлечение конденсатора и соединение по специальной схеме: