Регулировка оборотов электродвигателя

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

Частотное регулирование

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

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

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

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

• специализированными однофазными ПЧ
• трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

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

Как уменьшить обороты электродвигателя

егулировка оборотов электродвигателя часто бывает необходима как в производственных, так и каких то бытовых целях. В первом случае для уменьшения или увеличения частоты вращения применяются промышленные регуляторы напряжения – инверторные частотные преобразователи. А с вопросом, как регулировать обороты электродвигателя в домашних условиях, попробуем разобраться подробнее.

Необходимо сразу сказать, что для разных типов однофазных и трехфазных электрических машин должны применяться разные регуляторы мощности. Т.е. для асинхронных машин применение тиристорных регуляторов, являющихся основными для изменения вращения коллекторных двигателей, недопустимо.

Лучший способ уменьшить обороты вашего устройства – не в регулировке частоты вращения самого движка, а посредством редуктора или ременной передачи. При этом сохранится самое главное – мощность устройства.

Немного теории об устройстве и области применения коллекторных электродвигателей

Электродвигатели этого типа могут быть постоянного или переменного тока, с последовательным, параллельным или смешанным возбуждением ( для переменного тока применяется только первые два вида возбуждения).

Коллекторный электродвигатель состоит из ротора, статора, коллектора и щеток. Ток в цепи, проходящий через соединенные определенным образом обмотки статора и ротора, создает магнитное поле, заставляющее последний вращаться. Напряжение на ротор передается при помощи щеток из мягкого электропроводного материала, чаще всего это графит или медно-графитовая смесь. Если изменить направление тока в роторе или статоре, вал начнет вращаться в другую сторону, причем это всегда делается с выводами ротора, что бы не происходило перемагничивание сердечников.

При одновременном изменении подключения и ротора и статора реверсирования не произойдет. Существуют также трехфазные коллекторные электродвигатели, но это уже совсем другая история.

Электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением

Обмотка возбуждения (статорная) в двигателе с параллельным возбуждением состоит из большого количества витков тонкого провода и включена параллельно ротору, сопротивление обмотки которого намного меньше. Поэтому для уменьшения тока во время запуска электродвигателей мощностью более 1 Квт в цепь ротора включают пусковой реостат. Управление оборотами электродвигателя при такой схеме включения производится путем изменения тока только в цепи статора, т.к. способ понижения напряжения на клеммах очень не экономичен и требует применение регулятора большой мощности.

Если нагрузка мала, то при случайном обрыве обмотки статора при использовании такой схемы частота вращения превысит максимально допустимую и электродвигатель может пойти «вразнос”

Электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения такого электродвигателя имеет небольшое число витков толстого провода, и при ее последовательном включении в цепь якоря ток во всей цепи будет одинаков. Электродвигатели этого типа более выносливы при перегрузках и поэтому наиболее часто встречаются в бытовых устройствах.

Регулировка оборотов электродвигателя постоянного тока с последовательно включенной обмоткой статора может производиться двумя способами:

1. Подключением параллельно статору регулировочного устройства, изменяющего магнитный поток. Однако этот способ довольно сложен в реализации и не применяется в бытовых устройствах.
2. Регулирование (снижение) оборотов с помощью уменьшения напряжения. Этот способ применяется практически во всех электрических устройствах – бытовых приборах, инструменте и т.д.

Электродвигатели коллекторные переменного тока

Эти однофазные моторы имеют меньший КПД, чем двигатели постоянного тока, но из за простоты изготовления и схем управления нашли наиболее широкое применение в бытовой технике и электроинструменте. Их можно назвать «универсальными”, т.к. они способны работать как при переменном, так и при постоянном токе. Это обусловлено тем, что при включении в сеть переменного напряжение направление магнитного поля и тока будет изменяться в статоре и роторе одновременно, не вызывая изменения направления вращения. Реверс таких устройств осуществляется переполюсовкой концов ротора.

Для улучшения характеристик в мощных (промышленных) коллекторных электродвигателях переменного тока применяются дополнительные полюса и компенсационные обмотки. В двигателях бытовых устройств таких приспособлений нет.

Регуляторы оборотов электродвигателя

Схемы изменения частоты вращения электродвигателей в большинстве случаев построены на тиристорных регуляторах, ввиду своей простоты и надежности.

Принцип работы представленной схемы следующий: конденсатор С1 заряжается до напряжения пробоя динистора D1 через переменный резистор R2, динистор пробивается и открывает симистор D2, управляющий нагрузкой. Напряжение на нагрузке зависит от частоты открывания D2, зависящее в свою очередь от положения движка переменного сопротивления. Данная схема не снабжена обратной связью, т.е. при изменении нагрузки обороты также будут меняться и их придется подстраивать. По такой же схеме происходит управление оборотами импортных бытовых пылесосов.

Вот так работает хороший регулятор оборотов двигателя:

Изменение скорости вращения вала двигателя в стиральной машине, например, происходит с задействованием обратной связи от таходатчика, поэтому ее обороты при любой нагрузке постоянны.

С проблемой регулировки оборотов электродвигателя приходится сталкиваться довольно часто: это работа с различными электроинструментами, приводами швейных машинок, прочими электроприборами на производстве и в быту. Регулировать обороты с помощью понижения питающего напряжения зачастую не имеет смысла: резко уменьшаются обороты двигателя, он теряет мощность и останавливается. Поэтому оптимальным вариантом для регулирования числа оборотов двигателя является изменение напряжения с применением обратной связи по току нагрузки.

В большинстве случаев в электроинструментах и прочем оборудовании применяются универсальные коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением. Они одинаково хорошо работают как от переменного, так и от постоянного тока. Особенность работы коллекторного электродвигателя заключается в том, что во время коммутации обмоток якоря при размыкании на ламелях коллектора возникают импульсы противо-ЭДС самоиндукции. По амплитуде они равны питающим импульсам, но по фазе – противоположны им. Угол смещения противо-ЭДС зависит как от внешних характеристик двигателя, так и от нагрузки и прочих факторов.

Вредное влияние противо-ЭДС приводит к искрению на коллекторе, а также потере мощности двигателя и дополнительному нагреву его обмоток. Некоторая часть противо-ЭДС гасится с помощью конденсаторов, шунтирующих щеточный узел.

Давайте рассмотрим процессы, которые протекают в режиме регулирования с обратной связью, на примере универсальной схемы (см. рис. 1). Опорное напряжение, которое определяет скорость вращения электродвигателя, формируется резистивно-емкостной цепью Р12-КЗ-С2. При увеличении нагрузки скорость вращения падает, при этом снижается и его крутящий момент. При этом уменьшается и противо-ЭДС, возникающая в двигателе и приложенная между катодом и управляющим электродом тиристора VS1. Это приводит к изменению на управляющем электроде тиристора напряжения, которое увеличивается пропорционально тому, как уменьшается противо-ЭДС.

Дополнительное напряжение на управляющем электроде тиристора приводит к его включению при меньшем фазовом угле (угле отсечки) и подаче на двигатель большего тока, что таким образом компенсирует снижение скорости вращения при увеличении нагрузки. Это приводит к наличию на управляющем электроде тиристора баланса импульсного напряжения, которое составлено из напряжения питания и напряжения самоиндукции двигателя.

При необходимости возможно перейти с помощью переключателя SA1 перейти на питание с помощью полного напряжения, без использования регулировки. Подбору тиристора по минимальному току включения необходимо уделить особое внимание, так это позволит обеспечить лучшую стабилизацию скорости вращения двигателя.

Вторая схема включения (см. рис.2) рассчитана на работу с более мощными двигателями, которые используются в шлифовальных машинах, деревообрабатывающих станках и дрелях. Принцип регулирования в ней остается прежним. Тиристор в этой схеме необходимо установить на радиатор с площадью не менее 25 кв.см.

При необходимости получения очень малых скоростей вращения или при применении для маломощных двигателей можно применять схему с использованием ИМС (см. рис. 3). Она питается от постоянного тока напряжением 12В. В случае питания от более высокого напряжения необходимо применить параметрический стабилизатор с напряжением стабилизации не выше 15В.

Регулировка скорости осуществляется с помощью изменения среднего значения напряжения импульсов, которые подаются на двигатель. С помощью таких импульсов возможно эффективно регулировать очень малые скорости вращения, так как они как бы «подталкивают” ротор двигателя. При повышении скорости вращения двигатель работает обычным образом.

Довольно несложная схема (см. рис. 4) предназначена для использования на линии игрушечной железной дороги. Она позволит избежать аварийных ситуаций и предоставит новые возможности при управлении составами. Лампа накаливания, находящаяся во внешней цепи, предохраняет и служит для сигнализирования о коротком замыкании на линии, ограничивая при этом выходной ток.

При необходимости регулирования оборотов двигателей с наличием на валу большого крутящего момента (например, в электролебедке) может пригодиться двухполупериодная мостовая схема, приведенная на рис. 5. Существенным отличием ее от предыдущих схем, где работает только одна полуволна питающего напряжения, является обеспечение полной мощности на двигателе.

Гасящий резистор R2 и диоды VD2 и VD6 используются для подачи питания на схему запуска. Задержка открывания тиристоров по фазе обеспечивается с помощью заряда конденсатора C1 через резисторы R3 и R4 от источника напряжения, уровень которого зависит от стабилитрона VD8. После заряда конденсатора C1 до порога срабатывания однопереходного транзистора VT1, последний открывается и запускает тот тиристор, на аноде которого имеется положительное напряжение. После разряда конденсатора однопереходный транзистор выключается. Номинал резистора R5 определяется желаемой глубиной обратной связи и типом двигателя. Для расчета его величины используется формула:

где Iм – эффективное значение максимального тока нагрузки для данного типа двигателя.

Предложенные схемы легко повторяются, но требуют произвести подбор некоторых элементов в зависимости от характеристик применяемого электродвигателя (к сожалению, практически невозможно найти электродвигатели, идентичные по всем параметрам, даже в пределах одной серии).

Для решения определенных производственных задач нередко требуется уменьшить обороты электродвигателя. В настоящее время эта задача решается путем включения в питающую сеть специальной автоматики, а именно преобразователя частоты. При этом работа двигателя через частотный преобразователь имеет свои особенности.

Когда вы уменьшаете количество оборотов электродвигателя, меняются следующие характеристики агрегата, на которые следует обратить внимание, прежде чем подключать обычный мотор:

1. Величина пускового тока
2. Величина частоты тока
3. Температура обмотки статора

Прежде всего, следует обратить внимание на изменение величины температуры в обмотке статора. Поскольку двигатель в его стандартной комплектации оборудован вентилятором, который установлен на валу мотора, когда будут изменены обороты двигателя, вращения вентилятора не хватит что бы охладить агрегат. Для решения этой задачи в обязательном порядке применяют узел принудительной вентиляции для охлаждения электродвигателя при изменении его оборотов на выходе. При этом насколько больше будет диапазон изменения частоты тока в агрегате, настолько более ответственно следует подойти к выбору дополнительных опций для комплектации мотора.

Выбор электродвигателя при уменьшении его оборотов

Если вы думаете, как уменьшить обороты электродвигателя и выбираете для этой задачи мотор, необходимо будет выбирать двигатель АДЧР . Это такой же общепромышленный электродвигатель, но с рядом опций. Что бы купить такой электродвигатель АДЧР необходимо будет заполнить опросный лист, в котором указать обязательные и необходимые параметры:

Если вам нужен такой мотор, то, только учитывая эти основные характеристики можно его выбрать и безопасно уменьшить обороты электродвигателя что бы решить свою задачу. Скачать полный опросный лист для выбора двигателя АДЧР можно скачать по этой ссылке.