Как можно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя

Как можно регулировать обороты асинхронного двигателя: обзор способов

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.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Существует несколько способов регулирования скорости вращения однофазного двигателя.

1. Управление скольжением двигателя или изменением напряжения. Способ актуален для агрегатов с вентиляторной нагрузкой, для него рекомендуется использовать двигатели с повышенной мощностью. Недостаток способа – нагрев обмоток двигателя.
2. Ступенчатое регулирование скорости вращения двигателя с помощью автотрансформатора.

Рис.№2. Схема регулировки с помощью автотрансформатора.

Достоинства схемы – напряжение выхода имеет чистую синусоиду. Способность трансформатора к перегрузкам имеет большой запас по мощности.

Недостатки – автотрансформатор имеет большие габаритные размеры.

Использование тиристорного регулятора оборотов двигателя. Применяются тиристорные ключи, подключенные встречно-параллельно.

Рис. №3.Схема тиристорного регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

При использовании для регулирования скорости вращения однофазных асинхронных двигателей, чтобы избежать негативного влияния индукционной нагрузки производят модификацию схемы. Добавляют LRC-цепи для защиты силовых ключей, для корректировки волны напряжения используют конденсатор, минимальная мощность двигателя ограничивается, так гарантируется старт двигателя. Тиристор должен иметь ток выше тока электродвигателя.

Транзисторный регулятор напряжения

В схеме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с применением выходного каскада, построенного на использовании полевых или биполярных IGBT транзисторах.

Рис. №4. Схема использования ШИМ для регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

Частотное регулирование асинхронного однофазного электродвигателя считается основным способом регулирования частоты электродвигателя, мощности, эффективности использования, скорости и показателей энергосбережения.

Рис. №5. Схема управления электродвигателем без исключения из конструкции конденсатора.

Схема регулятора оборотов для электродвигателя

Конечно, регулятор оборотов электродвигателя на 220в можно купить в магазине, но:

1. В магазинах сложно найти платы для сетевого напряжения (основная часть рынка – регуляторы до 35 вольт).
2. Те, что продаются для сетевых двигателей имеют посредственное качество. Мощность и скорость они не поддерживают, поэтому для станков (например, токарного) они не подходят в принципе.
3. Промышленные контроллеры с поддержанием скорости и мощности очень дороги, и купить их сложно.

Почему бы тогда не собрать? Все детали продаются в любом радиомагазине, к тому же программировать или прошивать ничего не понадобится, хоть и понадобится микросхема.

Вращательный момент

Этот термин имеет несколько синонимов: момент силы, момент двигателя, Вращательный момент, вертящий момент. Все они используются для обозначения одного показателя, хотя с точки зрения физики эти понятия не всегда тождественны.

В целях унификации терминологии были разработаны стандарты, которые приводят все к единой системе. Поэтому в технической документации всегда используются словосочетание «крутящий момент». Он представляет собой векторную физическую величину, которая равна произведению векторных значений силы и радиуса. Вектор радиуса проводится от оси вращения к точке приложенной силы. С точки зрения физики разница между крутящим и вращательным моментом заключается в точке прикладывания силы. В первом случае это внутреннее усилие, во втором — внешнее. Измеряется величина в ньютон-метрах. Однако в формуле мощности электродвигателя крутящий момент используется как основное значение.

Рассчитывается он как

M = F × r, где:

M — крутящий момент, Нм;

F — прикладываемая сила, H;

r — радиус, м.

Для расчета номинального вращающего момента привода используют формулу

Мном = 30Рном ÷ pi × нном, где:

Рном — номинальная мощность электрического двигателя, Вт;

нном — номинальное число оборотов, мин-1.

Соответственно, формула номинальной мощности электродвигателя бедует выглядеть следующим образом:

Рном = Мном * pi*нном / 30.

Обычно все характеристики указаны в спецификации. Но бывает, что приходится работать с совершенно новыми установками, информацию о которых найти очень сложно. Для расчета технических параметров таких устройств берут данные их аналогов. Также всегда известны только номинальные характеристики, которые даются в спецификации. Реальные данные необходимо рассчитывать самостоятельно.

Устройство системы

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

1. Ротор — это часть вращения, статор — это внешний по типу магнит.
2. Щётки, которые произведены из графита — это главная часть скользящего контакта, через которую на вращающийся якорь и стоит подавать напряжение.
3. 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.
4. 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.

Схема регулятора оборотов коллекторного двигателя

В виде регуляторов оборотов электродвигателей 220 В и 380 В применяются особые частотные преобразователи. Такие устройства относят к высокотехнологическим, они и помогают совершить кардинальное преобразование характеристики тока (форму сигнала, а также частоту). В их комплектации имеются мощные полупроводниковые транзисторы, а также широтно-импульсный модулятор. Весь процесс осуществления работы устройства происходит с помощью управления специальным блоком на микроконтроллере. Изменение скорости во вращении ротора двигателей происходит довольно медленно.

Именно по этой причине частотные преобразователи применяются в нагруженных устройствах. Чем медленнее будет происходить процесс разгона, тем меньшая нагрузка будет совершена на редуктор, а также конвейер. Во всех частотниках можно найти несколько степеней защиты: по нагрузке, току, напряжению и другим показателям.

Некоторые модели частотных преобразователей совершают питание от однофазового напряжения (оно будет доходить до 220 Вольт), создают из него трехфазовое. Это помогает совершить подключение асинхронного мотора в домашних условиях без применения особо сложных схем и конструкций. При этом потребитель сможет не потерять мощность во время работы с таким прибором.

https://youtube.com/watch?v=EYkb8_6F-Sw

Зачем используют такой прибор-регулятор

Если говорить про двигатели регуляторов, то обороты нужны:

1. Для существенной экономии электроэнергии. Так, не любому механизму нужно много энергии для выполнения работы вращения мотора, в некоторых случаях можно уменьшить вращение на 20−30 процентов, что поможет значительно сократить расходы на электроэнергию сразу в несколько раз.
2. Для защиты всех механизмов, а также электронных типов цепей. При помощи преобразовательной частоты можно осуществлять определённый контроль за общей температурой, давлением, а также другими показателями прибора. В случае когда двигатель работает в виде определённого насоса, то в ёмкости, в которую совершается накачка воздуха либо жидкости, стоит вводить определённый датчик давления. Во время достижения максимальной отметки мотор попросту автоматически закончит свою работу.
3. Для процесса плавного запуска. Нет особой необходимости применять дополнительные электронные виды оборудования — все можно осуществить при помощи изменения в настройках частотного преобразователя.
4. Для снижения уровня расходов на обслуживание устройств. С помощью таких регуляторов оборотов в двигателях 220 В можно значительно уменьшить возможность выхода из строя приборов, а также отдельных типов механизмов.

Схемы, по которым происходит создание частотных преобразователей в электродвигателе, широко используются в большинстве бытовых устройств. Такую систему можно найти в источниках беспроводного питания, сварочных аппаратах, зарядках телефона, блоках питания персонального компьютера и ноутбука, стабилизаторах напряжения, блоках розжига ламп для подсветки современных мониторов, а также ЖК-телевизоров.

От сети

Однофазные электродвигатели переменного тока также позволяют регулировать вращение ротора.

Коллекторные машины

Такие моторы стоят на электродрелях, электролобзиках и другом инструменте. Чтобы уменьшить или увеличить обороты, достаточно, как и в предыдущих случаях, изменять напряжение питания. Для этой цели также есть свои решения. Конструкция подключается непосредственно к сети. Регулировочный элемент – симистор, управление которого осуществляется динистором. Симистор ставится на теплоотвод, максимальная мощность нагрузки – 600 Вт.

Если есть подходящий ЛАТР, можно все это делать при помощи его.

Двухфазный двигатель

Аппарат, имеющий две обмотки – пусковую и рабочую, по своему принципу является двухфазным. В отличие от трехфазного имеет возможность менять скорость ротора. Характеристика крутящегося магнитного поля у него не круговая, а эллиптическая, что обусловлено его устройством.

Есть две возможности контролирования числа оборотов:

1. Менять амплитуду напряжения питания (Uy),
2. Фазное – меняем емкость конденсатора.

Такие агрегаты широко распространены в быту и на производстве.

Обычные асинхронники

Электрические машины трехфазного тока, несмотря на простоту в эксплуатации, обладают рядом характеристик, которые нужно учитывать. Если просто изменять питающее напряжение, будет в небольших пределах меняться момент, но не более. Чтобы в широких пределах регулировать обороты, необходимо довольно сложное оборудование, которое просто так собрать и наладить сложно и дорого.

Для этой цели промышленностью налажен выпуск частотных преобразователей, помогающих менять обороты электродвигателя в нужном диапазоне.

Асинхронник набирает обороты в согласии с выставленными на частотнике параметрами, которые можно менять в широком диапазоне. Преобразователь – самое лучшее решение для таких двигателей.

Подписка на рассылку

Порядка 70 % потребляемой промышленностью мощности, приходится на электропривод. Огромное разнообразие технологических процессов диктует свои правила, вследствие чего, появилась необходимость в изменении скорости вращения электродвигателя непосредственно во время технологического процесса. В данной статье мы раскроем различные способы регулирования скорости вращения электродвигателей.

Параметры, изменив которые, мы изменим скорость двигателя переменного тока (ДПТ):

Изменяемые параметры для ДПТ:

Частотное регулирование

Наиболее эффективный, постоянно совершенствующийся способ. Применение: двигатели переменного тока (синхронные и асинхронные с кз ротором). Корректируя частоту питающего напряжения, мы изменим угловую скорость магнитного поля статора, следовательно, скорость двигателя в значительном диапазоне, имея достаточно жесткие механические характеристики. Для сохранения в норме коэффициента мощности и допустимости кратковременных перегрузок, меняя частоту, следует изменять и саму величину питающего напряжения.

Преимущества способа:

Регулирование изменением числа пар полюсов

Применение: т.к. промышленность не выпускает серийно синхронные двигатели с изменяемым количеством пар полюсов, будем считать, что способ актуален только для асинхронных двигателей (далее АД) с кз ротором. Способ реализуется изменением числа пар полюсов у обмоток. Этого можно добиться, изготовив двигатель с двумя независимыми обмотками. Но этот метод приводит к удорожанию конструкции и увеличению размеров машины. Поэтому наиболее выгодным является увеличение числа пар полюсов без использования второй независимой обмотки. Промышленностью выпускаются двухскоротсные, трёхскоростные и четырёхскоростные электродвигатели.

Достоинства:

Недостатки:

Добавочное сопротивление в цепи ротора

Применение: АД с фазным ротором. При изменении сопротивления ротора прямо пропорционально изменяется скольжение. Но величина критического момента остается постоянной. Это позволяет подобрать сопротивления так, чтобы уравнять критический момент с пусковым, что благоприятно сказывается на пуске двигателя под нагрузкой.

Достоинства способа:

Недостатки:

Асинхронный вентильный каскад

Применение: АД с фазным ротором.

Достоинства:

Недостатки:

Изменение напряжения питания якоря

Применение: любые ДПТ. Способ можно использовать если источником электрической энергии является генератор. Реализовать от общей сети невозможно.

Достоинства:

Недостатки:

Введение добавочного резистора в цепь якоря

Применение: любые ДПТ.

Заключается в последовательном включении в цепь якоря регулировочного реостата. Но способ не получил распространения ввиду своей неэкономичности и плохого влияния на КПД двигателя, т.к. в цепи реостата теряется очень большое количество энергии.

Регулирование изменением магнитного потока

В цепь возбуждения двигателей параллельного и смешанного возбуждения подключается реостат. В машинах последовательного возбуждения изменение магнитного потока в обмотке возбуждения производится шунтированием этой обмотки регулируемым сопротивлением. Максимальная скорость вращения двигателя ограничивается лишь механической прочностью якоря. Скорость двигателя регулируется в диапазонах 2:1-5:1, в частных случаях 8-10:1.

Плата регулировки оборотов двигателя от стиральной машины

Часто случается так, что стиральные машины выходят из строя. Происходит это по множеству причин, но сейчас не об этом. В большинстве случаев, стиралки идут в утиль вместе со всеми узлами и деталями. Однако, не стоит торопиться.

Если барабан, корпус и другие мелкие детали практически никуда не приспособить, то двигатель можно установить много куда:

1.Самодельные точильные станки (карбороны);

2.Деревообрабатывающее оборудование;

3.Самодельные граверы;

4.И т.д., и т.п.

Практически весь электроинструмент строится на базе универсальных коллекторных двигателей, которые и устанавливаются в стиралки.

Правда, есть одна очень важная деталь – подключить двигатель стиральной машины напрямую к целевому прибору можно, но возникнет ряд проблем.

Проблемы использования двигателей стиралок

• Во-первых, он слишком оборотистый (не везде нужны 3000 оборотов в минуту).
• Во-вторых, даже если дать максимум, то значительно возрастут вибрации, а это дополнительные проблемы со станиной и т.п.
• В-третьих, зачастую плавное регулирование оборотов оказывается весьма полезным в работе конечного агрегата.
• В-четвертых, двигатели стиралок оснащаются таходатчиками (это элементы, конструктивно совмещенные с двигателем, они необходимы для контроля оборотов вала, скорость вращения пропорционально влияет на выходное напряжение таходатчика), что значительно усложняет процесс подключения и проектирования схемы управления.

Рис. 1. Таходатчик

Встроенную плату из стиральной машины использовать с большой вероятностью не получится, поэтому логичным является вывод о необходимости покупки готовой платы.

Однако, после изучения стоимости готовых решений оказывается, что проще приобрести весь готовый прибор, чем «изобретать свой велосипед».

Поэтому многие выбирают самостоятельную сборку такой платы.

Регулировка оборотов двигателя стиральной машины своими руками

Простая регулировка напряжения на обмотках двигателя тоже сможет управлять оборотами, правда такой подход нежизнеспособен в реальных условиях, так как под нагрузкой на малых оборотах двигатель будет показывать малую мощность, а значит, его крутящий момент будет очень маленьким.

Правильный выход из данной ситуации – использование специальных контроллеров, которые будут управлять валом на основе данных с таходатчика.

Один из наиболее популярных подходов – схема на базе TDA1085 (этот микроконтроллер используется многими производителями бытовой техники для управления электродвигателями, в качестве аналога можно рассмотреть российскую микросхему КС1027ХА4).

Сама схема выглядит следующим образом.

Рис. 2. Микросхема КС1027ХА4

Вариант печатной платы представлен ниже (вы можете спроектировать свой вариант).

Рис. 3. Вариант печатной платы

За регулировку оборотов будет отвечать резистор R17.

Изменить диапазон частот вращения путем экспериментального подбора значения конденсатора C14.

Сам двигатель подключается к сети не напрямую, а через трансформатор мощностью более 200 Вт и выходным напряжением около 60 В (±10 В).

Если вам нужно прямое питание от сети 220 В, то можно рассмотреть применение следующей схемы.

Рис. 4. Схема для сети 220 В

Она построена на базе все той же TDA1085.

Схема регулирования оборотов коллекторных двигателей без микросхем

От 600 оборотов в минуту.

Рис. 5. Схема регулирования оборотов коллекторных двигателей без микросхем от 600 оборотов в минуту

Данная схема наиболее безопасна для пользователей, так как потенциометр отвязан от сети переменного тока.

Семистор необходимо смонтировать на теплоотводе.

Вариация исходной схемы с регулировкой от 200 оборотов в минуту.

Рис. 6. Схема регулирования оборотов коллекторных двигателей без микросхем от 200 оборотов в минуту

К ее недостаткам следует отнести то, что потенциометр подключается к сети переменного тока, а значит, есть риск поражения током. Используйте модели с пластиковыми ручками регулировки!

Всегда сохраняется риск «разноса» двигателя, когда регулятор выходит из строя и вал начинает вращаться с максимальной скоростью. Поэтому предусмотрите быстрое аварийное отключение агрегата и укрепите каркас, в котором будет устанавливаться движок. На всякий случай.

Почему нельзя регулировать скорость вращения вентилятора диммером

Для регулирования скорости вращения однофазных электродвигателей на напряжение питания 220 В применяются симисторные регуляторы скорости вращения.

Диммер (симисторный светорегулятор), в свою очередь, разработан для управления резистивной нагрузкой и должен применяется только как регулятор яркости свечения ламп.

В паспортах и руководствах по эксплуатации обычно есть указание на недопустимость использования диммера для управления двигателем.

Например, в описании диммера 300W фирмы Eljo (Швеция) указано: индуктивная и емкостная нагрузка (обычные трансформаторы, флуоресцентные лампы и электродвигатели) не могут работать с данными диммерами.

Различия в схемах управления:

В диммерах и симисторных регуляторах скорости применены близкие схемы управления. Обе используют принцип фазового управления, когда изменяется момент включения симистора относительно перехода сетевого напряжения через ноль. Для простоты обычно говорят, что изменяется выходное напряжение.

Схема симисторного регулятора отличается от схемы диммера в следующем:

· Установлен нижний порог напряжения подаваемого на двигатель вентилятора

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменение напряжения в цепи якоря

Регулирование часто­ты вращения двигателя изменением питающего напряжения при­меняется лишь при IB = const, т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуж­дении.

Частота вращения в режиме х.х. n пропорциональна напря­жению, а от напряжения не зависит, поэтому ме­ханические характеристики двигателя при изменении напряжения не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 29.4, в

). Для осуще­ствления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым на­пряжением. Для управления двигателями малой и средней мощно­сти в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на вхо­де выпрямителя (рис. 29.6,а).

Для управления двигателями большой мощности целесооб­разно применять генератор постоянного тока независимого возбу­ждения; привод осуществляется посредством приводного двигате­ля (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двигатель переменного тока. Для питания постоянным током це­пей возбуждения генератора Г

и двигателяД используется возбу­дительВ — генератор постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным. Описанная схема управле­ния двигателем постоянного тока (рис. 29.6,б )известна под на­званием системы «генератор — двигатель»(Г—Д) .

Советуем изучить — Сельсины: назначение, устройство, принцип действия

Рис. 29.6. Схемы включения двигателей постоянного тока при регули­ровании частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря­жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно вос­пользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо­тающего по системе Г

—Д, осуществляется изменением направле­ния тока в цепи возбуждения генератораГ переключателемП, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной на­грузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховикМ, который за­пасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигательД и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне nMAX/nMIN ≥ 25 . Наибольшая частота вращения здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая — условиями охлаждения двигателя.

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регули­рования является то, что он допускает безреостатный пуск двига­теля при пониженном напряжении.

Мощность и нагрузка регулятора оборотов

К самодельному регулятору оборотов двигателя, сделанному по выше представленной схеме, можно подключить нагрузку не более 2 кВт. В случае увеличения нагрузки осуществляется замена главного симистора BT138/800. Если симистор устанавливается большего номинала, то его рекомендуется вынести за пределы общей платы, и обязательно установить на радиатор охлаждения, который можно сделать из куска алюминиевой полосы.

Примечательно то, что подобный регулятор можно использовать не только с электродвигателями, но и с лампами освещения. Таким образом, дёшево и сердито, можно собрать регулятор для яркости ламп освещения.

Подписывайтесь на мой канал в Дзен. Всем удачи, и мирного неба над головой!

Источник

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Книги по ардуино Правильная пайка проводов паяльником Птф солярис