Регулятор скорости двигателя: изменение скорости и тиристорные системы; Electrotechnical World - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Схема 2 – Транзисторный ШИМ-регулятор скорости.

Содержание

Регулятор скорости двигателя: изменение скорости и тиристорные схемы

Потребляемый электродвигателем ток превышает его пусковой ток в 7 раз, что приводит к преждевременному повреждению электрических и механических частей двигателя. Для предотвращения этого необходимо использовать регулятор скорости вращения двигателя. Существует множество заводских моделей, но чтобы изготовить такую модель самостоятельно, необходимо знать, как работает электродвигатель и как регулировать скорость вращения ротора.

Другой способ регулирования – пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте сети 50 Гц это будет ощущаться в двигателе – шум и рывки при работе.

Регулирование напряжения

Регулирование скорости таким образом заключается в изменении так называемого проскальзывание двигателя – это разница между скоростью магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n₁ – скорость вращения магнитного поля

n₂ – частота вращения ротора

Таким образом, высвобождается энергия проскальзывания, что приводит к нагреву обмоток двигателя.

Этот метод имеет небольшой диапазон регулирования примерно 2:1 и может быть использован только в сторону уменьшения – т.е. путем снижения напряжения питания.

При таком способе регулирования скорости необходимо устанавливать более мощные двигатели.

Тем не менее, этот метод часто используется для небольших двигателей с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого используются различные системы регуляторов.

Регулирование напряжения автотрансформатора

Автотрансформатор – это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и отводом части витков. Гальваническая развязка от сети отсутствует, но в данном случае в этом нет необходимости, поэтому экономия за счет отсутствия вторичной обмотки налицо.

На схеме показан автотрансформатор T1, выключатель SW1к которым подключены выходы с разными напряжениями, и двигатель М1.

Регулирование осуществляется поэтапно, обычно не более 5 этапов.

Преимуществами этой схемы являются:

- - - неискаженная форма выходного напряжения (чистая синусоида)
    - хорошая перегрузочная способность трансформатора

недостатки:

- - - - большой вес и габариты трансформатора (в зависимости от мощности двигателя нагрузки)
        
        Все недостатки, связанные с регулированием напряжения

Тиристорное управление скоростью двигателя

В этой системе используются два тиристора в параллельном соединении (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает разные полуволны) или симистор.

Схема управления регулирует моменты открытия и закрытия тиристоров по отношению к фазовому переходу через ноль, соответственно “отсекая” участок в начале или, реже, в конце формы волны напряжения.

При этом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Эта схема довольно широко используется для регулирования активных нагрузок, таких как лампочки и всевозможные нагревательные приборы (называемые диммерами).

Другой способ регулирования – пропуск полупериодов формы волны напряжения, но при частоте сети 50 Гц это будет ощущаться двигателем – шум и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируются в связи с характеристиками индуктивных нагрузок:

- - - - установить цепи защиты LRC для защиты выключателя питания (конденсаторы, резисторы, дроссели)
        
        добавить конденсатор на выходе для коррекции формы напряжения
        
        ограничение минимальной мощности регулирования напряжения – для гарантированного запуска двигателя
        
        использовать тиристоры с током, во много раз превышающим ток электродвигателя

Преимущества тиристорных контроллеров

- - - - низкая стоимость
        
        малый вес и габариты

недостатки:

- - - - может использоваться для небольших двигателей
        
        Во время работы могут возникать шум, треск, рывки двигателя
        
        При использовании симисторов на двигатель подается напряжение постоянного тока
        
        Все недостатки регулирования напряжения

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высокого класса скорость вращения вентилятора регулируется именно таким образом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель – электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения основано на принципе ШИМ (широтно-импульсной модуляции), а в выходном каскаде используются транзисторы – полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы переключаются на высокой частоте (около 50 кГц), и если изменяется длительность импульса и паузы, то результирующее напряжение на нагрузке также изменится. Чем короче импульс и чем больше время паузы между импульсами, тем ниже выходное напряжение и мощность.

При частоте двигателя в несколько десятков кГц изменение ширины импульса эквивалентно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же, как и у частотного преобразователя, только для одной фазы это диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Преимущества электронного автотрансформатора:

- - - - Малый размер и вес
        
        Низкая стоимость
        
        Чистая, неискаженная форма сигнала выходного тока
        
        Отсутствие шума на низкой скорости
        
        Управляется сигналом 0-10 вольт

Слабые стороны:

- - - - Расстояние от устройства до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании пульта дистанционного управления)
        
        Все недостатки регулирования напряжения

В выходных каскадах инвертора в качестве переключателей используются силовые транзисторы IGBT. По сравнению с тиристорами, они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет получать выходной сигнал в синусоидальной форме с минимальными искажениями. Выходная частота I и выходное напряжение управляются высокочастотной широтно-импульсной модуляцией.

Регулирование скорости асинхронных двигателей

Наиболее распространенными методами регулирования скорости асинхронных двигателей являются: изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подаваемого на обмотку статора, изменение частоты питающего напряжения и изменение числа пар полюсов.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора

Введение резисторов в цепь ротора увеличивает потери мощности и снижает скорость вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = n с (1 – s).

На рисунке 1 показано, что если сопротивление в цепи ротора увеличивается при том же крутящем моменте, то скорость вращения вала двигателя уменьшается.

Жесткость механической характеристики значительно уменьшается с уменьшением скорости, что ограничивает диапазон регулирования до (2 – 3) : 1. Недостатком этого метода является значительная потеря энергии, которая пропорциональна скольжению. Это регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.

Регулирование скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения статора

Изменение напряжения, подаваемого на обмотку статора асинхронного двигателя, позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока стандартного напряжения U 1nom и статором двигателя подключается регулятор напряжения.

При регулировании скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения, подаваемого на обмотку статора, критический момент M cr асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату напряжения U ret (рис. 3), а скольжение не зависит от U reg.

Рисунок 1. Механические характеристики асинхронного двигателя с ротором фазного типа с различными резисторами, включенными в цепь ротора

Рисунок 2: Схема регулирования скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения статора

Рисунок 3: Механические характеристики асинхронного двигателя с изменяющимся напряжением, приложенным к обмотке статора

Если момент сопротивления приводимой машины больше, чем пусковой момент двигателя (Mc>Ms), двигатель не будет вращаться, поэтому двигатель должен запускаться при номинальном напряжении Unom или без нагрузки.

Скорость асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором можно регулировать таким образом, только если нагрузка приводится в движение вентилятором. Кроме того, необходимо использовать специальные двигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования невелик, до n кр.

Для изменения напряжения используются трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.

Рисунок 4. Схема замкнутого цикла управления скоростью тиристорного регулятора напряжения – асинхронного двигателя (TRN – AD)

Замкнутый контур управления двигателем тиристорного регулятора напряжения в системе двигатель – двигатель позволяет управлять скоростью вращения асинхронного двигателя с повышенным скольжением (такие двигатели используются в системах вентиляции).

Регулирование скорости асинхронных двигателей путем изменения частоты питающего напряжения

Поскольку скорость магнитного поля статора n o = 60 f /r, можно управлять скоростью вращения асинхронного двигателя, изменяя частоту питающего напряжения.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно изменять угловую скорость n магнитного поля статора в соответствии с выражением при постоянном числе пар полюсов.

Этот метод обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики характеризуются высокой жесткостью.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициент мощности, КПД, перегрузочная способность) необходимо одновременно изменять напряжение и частоту питания. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mc. Если момент нагрузки постоянен, то напряжение статора должно регулироваться пропорционально частоте.

Принципиальная схема преобразователя частоты показана на рис. 5, а механические характеристики двигателя с частотным регулированием – на рис. 6.

Рис. 5. Принципиальная схема частотно-регулируемого привода

Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя с частотным управлением

С уменьшением частоты f критический момент немного уменьшается в диапазоне низких скоростей. Это связано с увеличением влияния сопротивления обмотки статора с уменьшением частоты и напряжения.

Частотное регулирование асинхронного двигателя позволяет изменять скорость в диапазоне (20 – 30) : 1. Метод частотного регулирования является наиболее перспективным способом управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Потери мощности низкие, так как потери на скольжение минимальны.

Большинство современных преобразователей частоты основаны на схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звено постоянного тока (неуправляемый выпрямитель), повышающий инвертор и система управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Он преобразует напряжение сети переменного тока в напряжение постоянного тока.

Трехфазный импульсный силовой инвертор содержит шесть транзисторных переключателей. Каждая обмотка двигателя подключается к положительным и отрицательным клеммам выпрямителя с помощью соответствующего ключа. Инвертор преобразует выпрямленное напряжение в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое подается на обмотки статора двигателя.

Силовые транзисторы IGBT используются в качестве переключателей в выходных каскадах инвертора. По сравнению с тиристорами, они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет формировать выходной сигнал в синусоидальной форме с минимальными искажениями. Выходная частота I out и выходное напряжение управляются высокочастотной широтно-импульсной модуляцией.

Регулирование скорости асинхронных двигателей путем изменения числа пар полюсов

Шаговое регулирование скорости может быть достигнуто с помощью специальных многоскоростных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Из выражения n o = 60 f /p следует, что изменение числа пар полюсов p приводит к механическим характеристикам с различными скоростями n o магнитного поля статора. Поскольку значение p определяется целыми числами, переход от одной характеристики к другой в процессе настройки происходит постепенно.

Существует два способа изменения количества пар полюсов. В первом случае в пазы статора помещаются две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости одна из обмоток подключается к сети. Во втором случае обмотка каждой фазы состоит из двух частей, соединенных параллельно или последовательно. В этом случае количество пар полюсов меняется дважды.

Рисунок 7: Схемы коммутации обмоток двигателя: a – с одной звезды на двойную звезду; b – с треугольника на двойную звезду

Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов является экономичным, а механические характеристики остаются неизменными. Недостатком этого метода является ступенчатое изменение скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Двухскоростные двигатели выпускаются с 4/2, 8/4, 12/6 полюсами. Четырехскоростной двигатель с 12/8/6/4 полюсами имеет две переключаемые обмотки.

Материалы из книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Ременные приводы имеют зубья с одинаковым шагом и профилем на внутренней стороне ремня и на поверхности обода. Они не проскальзывают, что позволяет передавать больше мощности.

Регулирование частоты

Специальные устройства, преобразователи частоты (другие названия: инвертор, частотный преобразователь, контроллер), подключаются к электрической машине. Выпрямляя напряжение питания, преобразователь частоты внутри генерирует необходимые значения частоты и напряжения и подает их на электродвигатель.

Инвертор рассчитывает необходимые параметры для управления двигателем в соответствии с внутренними алгоритмами, запрограммированными производителем.

Преимущества частотного регулирования

- - - - Обеспечивается плавное регулирование скорости вращения двигателя.
        
        Переменная скорость и направление вращения двигателя.
        
        Автоматическое поддержание необходимых параметров.
        
        Экономичная система управления.

Единственный недостаток, с которым можно смириться, – это необходимость приобретения частотного преобразователя. Цены на такие устройства совершенно заоблачные, за CU150 можно купить преобразователь для двигателя мощностью 2 кВт.

Симисторные регуляторы используются для регулирования скорости однофазных двигателей с напряжением питания 220 В.

Принцип работы регулятора скорости

Регулятор скорости – это устройство, состоящее из следующих трех основных подсистем:

- - - - Двигатель переменного тока;
        
        Контроллер главного привода;
        
        Привод и дополнительные компоненты.

Когда двигатель переменного тока запускается на полную мощность, ток посылается при полной мощности нагрузки, это повторяется 7-8 раз. Этот ток изгибает обмотки двигателя и выделяет тепло, которое будет вырабатываться в течение длительного времени. Это может значительно сократить срок службы двигателя. Другими словами, инвертор является своего рода понижающим преобразователем, который обеспечивает двойное преобразование энергии.

Рисунок – Принципиальная схема регулятора для коллекторного двигателя

В зависимости от входного напряжения частотный регулятор для трехфазного или однофазного двигателя выпрямляет ток 220 или 380 В. Это делается с помощью выпрямительного диода, который находится на входе питания. Затем ток фильтруется с помощью конденсаторов. Затем генерируется ШИМ, за что отвечает интегральная схема. Обмотки асинхронного двигателя теперь готовы принять импульсный сигнал и интегрировать его в желаемую синусоиду. Даже при использовании микромотора эти сигналы посылаются буквально пачками.

Как выбрать регулятор

Существует несколько характеристик, на основании которых следует выбирать регулятор скорости для автомобильных, машинных двигателей, бытовых приложений:

- - - - Тип управления. Для коллекторного двигателя существуют регуляторы с векторным или скалярным управлением. Первые используются чаще, но вторые считаются более надежными;
        
        Вместимость. Это один из самых важных факторов при выборе электрического преобразователя частоты. Выберите преобразователь частоты с мощностью, соответствующей максимально допустимой мощности защищаемого устройства. Однако для низковольтного двигателя лучше выбрать регулятор с мощностью, превышающей допустимую;
        
        Напряжение. Конечно, это дело индивидуальное, но если есть возможность, покупайте регулятор скорости для электродвигателя, схема которого имеет широкий диапазон допустимых напряжений;
        
        Диапазон частот. Преобразование частоты – основная задача этого устройства, поэтому постарайтесь выбрать модель, которая наилучшим образом соответствует вашим потребностям. Допустим, для портативного маршрутизатора достаточно 1000 Герц;
        
        Другие характеристики. К ним относятся: срок гарантии, количество входов, размер (есть специальная приставка для настольных станков и ручного инструмента).

Хорошо зарекомендовавшими себя устройствами являются бренды Sinus, E-Sky и Pic.

Следует также понимать, что существует так называемый универсальный регулятор скорости. Это преобразователь частоты для двигателей без коммутатора.

Фото – схема преобразователя частоты для безмутаторных двигателей

В этой схеме есть две части – одна – логическая часть, которая содержит микроконтроллер на микроконтроллерной ИС, а другая – часть питания. В основном, такая электрическая цепь используется для мощного электродвигателя.

Видео: регулятор скорости электродвигателя от Shiro V2

Подшипники расположены на валу ротора и помогают вращать его вокруг своей оси. Они прикреплены к внешней стороне корпуса двигателя. Шахта проходит через них и выходит наружу. Поскольку нагрузка выходит за пределы рабочей зоны подшипников, она называется боковой нагрузкой.

Выбор устройства

Чтобы выбрать эффективный контроллер, важно учитывать характеристики устройства и его предполагаемое использование.

- - - - Векторные контроллеры распространены для коллекторных двигателей, но скалярные контроллеры более надежны.
        
        Важным критерием выбора является выходная мощность. Оно должно соответствовать предельному значению для используемого устройства. Еще лучше превысить его, чтобы обеспечить безопасную работу системы.
        
        Напряжение должно быть в пределах допустимых широких диапазонов.
        
        Основной задачей регулятора является преобразование частоты, поэтому этот аспект должен быть выбран в соответствии с техническими требованиями.
        
        Другие аспекты, которые необходимо учитывать, – это срок службы, размеры и количество входов.

Симисторное устройство

Симистор используется для управления освещением, мощностью и скоростью нагревательных элементов.

Схема драйвера симистора содержит минимум деталей, показанных на схеме, где C1 – конденсатор, R1 – первый резистор и R2 – второй резистор.

Инвертор используется для регулирования мощности путем изменения времени открытия симистора. Если он закрыт, конденсатор заряжается с помощью нагрузки и резисторов. Один резистор регулирует величину тока, а другой – скорость заряда.

Когда конденсатор достигает порогового напряжения 12 или 24 В, срабатывает ключ. Симистор переходит в открытое состояние. Когда напряжение в сети превышает ноль, симистор замыкается, и конденсатор заряжается отрицательно.

Читайте далее: