Описание

Управление однофазными электродвигателями

 

Управление скоростью вращения однофазных двигателей


Однофазный асинхронный двигатель - 'это электродвигатель работающий в однофазной сети переменного напряжения, обычно 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.

В системах вентиляции, регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

изменения расхода воздуха в системе вентиляции

снижения шума

экономии электроэнергии

 

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения и способ изменением количества полюсов обмоток не будем.

Рассмотрим только способы с изменением электрических параметров:

изменение напряжения питания двигателя

изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом основано на зависимости момента на валу электродвигателя от напряжения сети:

                                                                                           M~ U2/f2,

где U - напряжение, а f - частота.

 Ниже показана зависимость числа обротов от момента

 

Из рисунка видно, что частота вращения вала электродвигателя при заданном напряжении определяется равенством моментов нагрузки и двигателя.

Также хорошо видно, что невозможно установить частоту вращения вала ниже частоты nкр (критическая частота) и невозможно раскрутить электродвигатель если нагрузочный момент превышает пусковой (как в случае с Мп3).

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

Из-за особенностей электромагнитного устройства однофазных асинхронных электродвигателей чем больше разница между nи n0тем меньше их кпд и сильнее нагрев обмоток. Эта особенность заставляет применять электродвигатели 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.

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.

В отличии от широко используемых для регулирования активной нагрузки (ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов), так называемых диммеров, для управления двигателями, из-за особенностей индуктивной нагрузки, регуляторы модифицируют :

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

Все это усложняет и удорожает регулятор.

 

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.

 
Трансформаторное регулирование напряжения

Напряжение на электродвигателе изменяется переключением отводов обмотки трансформатора. Обычно для этих целей используется автотрансформатор, так как он имеет меньшие габариты и потери по сравнению с обычным

 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

 

 Электронный трансформатор напряжения

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, если при этом изменить ширину импульсов ti и пауз tp 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.


Плюсы электронного трансформатора:

Небольшие габариты и масса прибора

Невысокая стоимость

Чистая, неискажённая форма выходного тока

Отсутствует гул на низких оборотах

Управление сигналом 0-10 Вольт

Переменным сопротивлением

Посети RS-485

По сети WiFi


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