Регулятор асинхронного двигателя
Всем здравствуйте. В сети, да и в общем часто возникает вопрос, как выполнить регулятор скорости вращения вентилятора для асинхронного двигателя? Известно, что мы можем легко регулировать скорость двигателя, используя симистор с фазовым управлением. И также, в литературе содержится информация о том, что асинхронный двигатель вращается со скоростью от нескольких процентов до 20% ниже, чем синхронная скорость.
Поэтому на вопрос о регулировании вращения асинхронного двигателя назревает ответ, инвертор. Однако это устройство является достаточно дорогостоящим, и смысл его выполнять собственными силами является спорным. Также считается, что использование фазового регулятора мощности с использованием симистора для этой цели невозможно. Однако это убеждение не совсем верно. Для некоторых двигателей и нагрузок использование симистора с фазовым управлением позволяет регулировать обороты в широком диапазоне.
Доступны интегральные микросхемы в таких простых фазовых регуляторах. Принимая во внимание ограничения, налагаемые системой фазового регулятора, мы можем очень просто создать нормально работающий регулятор скорости асинхронного двигателя. Давайте попробуем рассмотреть, что происходит после подключения асинхронного двигателя к типовому димеру, который обычно выполнен в соответствии с схемой, приведенной на рисунке.
Рассмотрим случай (рисунок графика), когда симистор включается под углом = 100 после того, как напряжение сети проходит через ноль. Угол проводимости будет около 150 градусов, поэтому симистор отключится под углом около 250 градусов в точке B. Остаточное положительное напряжение останется на конденсаторе C1, поскольку он не полностью разряжается через симистор.
В этот момент в системе запуска появляется отрицательное напряжение, которое сначала заряжает остаточное напряжение до С1, а затем запускает триод под углом около 350. Второе включение симистора произойдет при очень низком напряжении, и угол проводимости будет намного меньше, чем при первом. В следующем периоде условия аналогичны, поэтому значительная асимметрия активации симистора в отрицательном и положительном полупериодах сохраняется. Такая асимметрия недопустима в схеме управления двигателем, она может быть даже опасна из-за насыщения магнитной системы.
Четыре стандартных диода, два резистора и потенциометр были добавлены в стандартную схему димера, которая показана на рисунке.
В первом полупериоде система ведет себя так же, как схема из предыдущего рисунка. Однако после появления отрицательного напряжения остаточное положительное напряжение на С1 разряжается через диод D4 и резистор R2. Диод D3 предотвращает дальнейшую зарядку с отрицательным напряжением C1, даже после того, как положительное напряжение было разряжено. Элементы D1, D2 и R1 выполняют аналогичную функцию в положительном полупериоде. В результате работы схемы симметризации после нескольких периодов асимметрия устраняется.
Элементы R5 и C2 сглаживают выбросы напряжения, возникающие после отключения симистора в точке B. Без них быстрое увеличение напряжения на выходе может привести к включению симистора. Резистор R4 увеличивает время запускающего импульса. Без него это время будет определяться емкостью С1 и внутренними сопротивлениями элементов С1, Т1 и Т2 и будет слишком коротким, чтобы правильно запустить симистор.
Ток на индуктивной нагрузке после включения симистора медленно увеличивается, при слишком коротком импульсе он может не достигнуть значения IL «защелкивающегося» тока, и симистор отключится после импульса затвора. IL для типовых симисторов составляет от нескольких до нескольких десятков миллиампер.
Схема может быть собрана на печатной плате, показанной на рисунке в тексте.
Стоить обратить внимание на тот факт, что во время работы присутствует полное напряжение сети. Так что не переусердствуйте с миниатюризацией устройства. Не исключено, что регулятор будет работать в условиях повышенной влажности и, возможно, даже химически агрессивных. Поэтому расстояние между дорожками должно быть на значительном расстоянии, что влечет за собой размер платы.
Сложности при ШИМ регулировании скорости двигателя постоянного тока
ШИМ является популярным методом регулирования аналоговым напряжением в различных схемах. При использовании этого способа регулирования пользователь может столкнуться с непредсказуемым поведением двигателя. Например, вал может начать вращение в обратную сторону. Это происходит при низких емкостных нагрузках. В коллекторных двигателях в процессе работы происходит постоянное переключение обмоток якоря. Когда подключают регулятор, начинает происходить отключение и включение питание с определенной частотой. Дополнительная коммутация в сочетании с коллекторной может привести к проблемам с эксплуатацией двигателя. Поэтому устройства управления с ШИМ регулированием двигателя должны быть тщательно продуманы и проработаны.
Также причиной нестабильной работы электродвигателя может стать факт влияния силы тока на скорость вращения ротора, которая находится в зависимости от уровня приложенного напряжения. Проблемы могут возникнуть при эксплуатации двигателей на малой скорости по отношению к номинальному значению.
Например, у пользователя есть двигатель, который при номинальном напряжение вращает ротор со скоростью 10об/сек. Чтобы понизить скорость до 1 об/сек недостаточно просто снизить напряжение до 1В. Подобрать подходящее значение подаваемого напряжения сложно и если пользователю и удастся, то при незначительном изменении условий эксплуатации скорость снова изменится.
Решением проблемы является применение системы автоматического регулирования или кратковременное включение электродвигателя на полную мощность. Движение ротора будет происходить рывками, но при правильно подобранной частоте и длительности подаваемых импульсов можно сделать вращение более стабильным. Так, добиваются устойчивого движения вала электродвигателя с любой скоростью, которая не будет меняться в зависимости от нагрузки.
Простейший регулятор оборотов электродвигателя своими руками
Изготавливая различные самоделки, приходится сталкиваться с рядом проблем и поиском их решений. Так и в случае с различными приспособлениями, которые имеют в своей конструкции коллекторный электродвигатель.
Очень часто нужно сделать так, чтобы двигатель имел регулируемые обороты. Для этих целей используется регулятор (контроллер) оборотов двигателя, который можно собрать своими руками.
Представленный ниже регулятор для электродвигателей позволяет не только обеспечить плавный пуск мотора и степень регулировки оборотов, но и защитить двигатель от перегрузок. Работать контроллер может не только от 220 Вольт, но и от пониженного напряжения, вплоть от 110 Вольт.
Характеристики самодельного контроллера
- Диапазон напряжений (110-240 Вольт);
- Возможность регулировки оборотов электродвигателя, от 9-99%;
- Нагрузка, до 2,5 кВт;
- Рабочая мощность, не более 300 Вт.
Самодельный регулятор оборотов для электродвигателя имеет низкий уровень шума, он позволяет осуществлять плавную стабилизацию оборотов и осуществлять мягкий пуск электродвигателя.
Ниже будет представлена схема регулятора оборотов для электродвигателя и принцип его работы.
Схема регулятора оборотов для электродвигателя
Чтобы собрать регулятор оборотов для двигателя потребуется генератор ШИМ импульсов и симистор для управления двигателем. Диод и резистор D1 и R1, позволяют снижать напряжение для питания двигателя, а конденсатор C1, призван обеспечивать фильтрацию тока на входе электроцепи.
Элементы P1, R5 и R3 — это делители напряжения с возможностью регулировки его значений. Резистор R2, который указан на схеме регулятора оборотов электродвигателя, позволяет синхронизировать внутренние блоки регулятора с основным симистором (ВТ139), на котором собственно и работает регулятор оборотов.
Ниже на рисунке можно увидеть наглядное расположение всех элементов регулятора оборотов для электродвигателей. Обязательно следует безопасно расположить элементы, так как работа регулятора осуществляется от опасного напряжения в 220 Вольт.
Схема управления коллекторным двигателем постоянного тока
Простую схему управления двигателем постоянного тока можно собирать из полевого транзистора. Он играет роль электронного ключа, который переключает схему питания двигателя после подачи напряжения на базу. Электронный ключ остается открытым на время, соответствующее длительности импульса.
ШИМ сигнал характеризуют коэффициентом заполнения, который равен обратной величие скважности. Коэффициент заполнения равен отношению продолжительности импульса к периоду его подачи
Скорость движения вала двигателя будет пропорциональна значению коэффициента заполнения. Поэтому, если частота ШИМ сигнала слишком низкая для обеспечения стабильной работы, то вал двигателя будет вращаться заметными рывками. Чтобы гарантировать плавное регулирование и стабильную работу частота должна превышать сотни герц.
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
Управление скоростью вращения однофазных двигателей
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
Особенности регулирования скорости
Важно знать, что каждый двигатель при вращении потребляет не только активную, но и реактивную мощность. При этом уровень реактивной мощности будет больше, что связано с характером нагрузки
В данном случае задачей конструирования устройств регулирования скорости вращения коллекторных двигателей является уменьшение разницы между активной и реактивной мощностями. Поэтому подобные преобразователи будут довольно сложными, и самостоятельно их изготовить непросто.
Своими руками можно сконструировать лишь некоторое подобие регулятора, но говорить о сохранении мощности не стоит. Что такое мощность? С точки зрения электрических показателей, это произведение потребляемого тока, умноженное на напряжение. Результат даст некое значение, которое включает активную и реактивную составляющие. Для выделения только активной, то есть сведения потерь к нулю, необходимо изменить характер нагрузки на активную. Такими характеристиками обладают только полупроводниковые резисторы.
Следовательно, необходимо индуктивность заменить на резистор, но это невозможно, потому что двигатель превратится во что-то иное и явно не станет приводить что-либо в движение. Задача регулирования без потерь заключается в том, чтобы сохранить момент, а не мощность: она все равно будет изменяться. Справиться с подобной задачей сможет только преобразователь, который будет управлять скоростью за счёт изменения длительности импульса открытия тиристоров или силовых транзисторов.
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:
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:
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.
Конструкция мотора
Конструктивно двигатель от стиральной машины «Индезит» несложен, но при проектировании регулятора управления его скоростью необходимо учесть параметры. Моторы могут быть различными по характеристикам, из-за чего будет изменяться и управление. Также учитывается режим работы, от чего будет зависеть конструкция преобразователя. Конструктивно коллекторный мотор состоит из следующих компонентов:
- Якорь, на нем имеется обмотка, уложенная в пазы сердечника.
- Коллектор, механический выпрямитель переменного напряжения сети, посредством которого оно передается на обмотку.
- Статор с обмоткой возбуждения. Он необходим для создания постоянного магнитного поля, в котором будет вращаться якорь.
При увеличении тока в цепи двигателя, включенного по стандартной схеме, обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. При таком включении мы увеличиваем и магнитное поле, воздействующее на якорь, что позволяет добиться линейности характеристик. Если поле будет неизменным, то получить хорошую динамику сложнее, не говоря уже о больших потерях мощности. Такие двигатели лучше использовать на низких скоростях, так как ими удобнее управлять на малых дискретных перемещениях.
Организовав раздельное управление возбуждением и якорем, можно добиться высокой точности позиционирования вала двигателя, но схема управления тогда существенно усложнится. Поэтому подробнее рассмотрим регулятор, который позволяет изменять скорость вращения от 0 до максимальной величины, но без позиционирования. Это может пригодиться, если из двигателя от стиральной машины будет изготавливаться полноценный сверлильный станок с возможностью нарезания резьбы.
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:
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:
Структура частотного регулятора
Большинство частотных преобразователей для электродвигателей до 690 В выполнены по схеме двухуровневых инверторов напряжения. Они позволяют моделировать напряжение питания необходимой формы, амплитуды частоты. Такие устройства состоят из неуправляемого выпрямителя, 2-х транзисторных ключей на каждую фазу и конденсатора. Выходное напряжение содержит высшие гармоники, которые сглаживаются индуктивной нагрузкой. Специальные фильтры применяют относительно редко.
К недостаткам такой схемы является ограничение величины выходного напряжения, которое определяется максимальным напряжением полупроводниковых устройств.
Для высоковольтных приводов используются многоуровневые схемы регулирования. Они состоят из нескольких однофазных инверторов, соединенных последовательно. Такая схема позволяет избежать резонансов, обеспечивает высокое быстродействие, снижает скорость нарастания напряжения. Такие ПЧ имеют модульную конструкцию. При выходе из строя одной из ячеек, ее легко заменить. К недостаткам этой схемы относятся необходимость отдельного источника питания для каждого модуля, функции которого выполняет трансформатор специального назначения.
Преобразователи частоты с плавающими конденсаторами позволяют обойтись без входного трансформатора и увеличивать число ячеек в зависимости от требуемой мощности. Такое решение обеспечивает снижение высших гармоник, уменьшает скорость нарастания напряжения.
Для регулировки скорости электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы частыми реверсами применяют инверторы тока. Эти устройства представляют собой управляемый выпрямитель и инвертор на тиристорах. Для уменьшения помех в цепи нагрузки в схему включается расщепленный индуктивный фильтр. Выходное напряжение таких устройств имеет форму аппроксимированной синусоиды. Для сглаживания его формы обязательно включение перед электродвигателем конденсаторов. Главное достоинство таких ПЧ – возможность рекуперации электроэнергии обратно в электросеть.
Прямые преобразователи частоты не содержат конденсаторов. Главное их преимущество – небольшие габариты и значительная мощность нагрузки. Такие устройства используются в составе мощных электроприводов работающих на низких скоростях. ПЧ этого типа выполнены на базе тиристорных преобразователей. На входе прямых ПЧ установлен фазосдвигающий трансформатор, устраняющий низшие гармоники и выполняющий функцию источника питания для каждого преобразователя. Прямые ПЧ требуют сложной схемы управления.
