Регулировка оборотов асинхронного двигателя 220в

Тиристорные регуляторы мощности являются одними из самых распространенных и имеют простую схему работы.

Что такое асинхронный двигатель?

Двигатели переменного тока довольно широко применяются в различных областях нашей жизни, в подъемных, обрабатывающих, измерительных устройствах. Они используются для преобразования электроэнергии сети в механическую энергию для вращающегося вала. Наиболее часто используются асинхронные приводы переменного тока. В этих приводах частоты ротора и статора различны. Между этими активными элементами имеется расчетный воздушный зазор.

И статор, и ротор имеют жесткий сердечник из электротехнической стали (наборного типа, из пластин), который выполняет роль магнитопровода, и обмотку, которая расположена в конструктивных пазах сердечника. Ключевым критерием для классификации этих машин является то, как организованы или расположены обмотки ротора.

Двигатели с короткозамкнутым ротором (SCCR)

В них используется обмотка, состоящая из алюминиевых, медных или латунных стержней, которые вставляются в пазы в сердечнике и сцепляются с дисками (кольцами) по обе стороны. Соединение этих компонентов зависит от номинала двигателя: при малых значениях диски и стержни отливаются вместе; при больших значениях они изготавливаются отдельно, а затем свариваются вместе. Обмотка статора соединяется в треугольник или звезду.

Двигатели с фазным ротором

Трехфазная обмотка ротора подключается к сети через контактные кольца на главном валу и щетки. За основу берется конфигурация звезды. На следующем рисунке показана типичная конструкция такого двигателя.

Принцип работы и скорость асинхронных двигателей

Мы рассмотрим этот вопрос на примере АДКП, наиболее часто используемого типа электродвигателя в погрузочно-разгрузочном и обрабатывающем оборудовании. Сетевое напряжение подается на обмотку статора, каждая из трех фаз которого геометрически смещена на 120°. При подаче напряжения создается магнитное поле, которое индуцирует электромагнитное поле и ток в обмотках ротора. Последний вызывает электромагнитные силы, которые заставляют ротор вращаться. Другая причина, по которой все это происходит, а именно индукция электромагнитного поля, обусловлена разницей в скорости вращения статора и ротора.

Одной из ключевых характеристик любого ADCP является скорость вращения, которая может быть рассчитана по следующей зависимости:

n = 60f / p, об/мин.

где f – частота сетевого напряжения, Гц, p – число пар полюсов в статоре.

Все технические данные указаны на металлической пластине, прикрепленной к корпусу. Однако если по каким-то причинам он отсутствует, количество оборотов необходимо определить вручную с помощью косвенных показателей. Как правило, используются три основных метода:

• Расчет числа оборотов. Полученное значение сравнивается с действующими стандартами для 220 В и 380 В (см. таблицу ниже),

• Расчет количества витков с учетом расстояния между диаметрами обмоток. Используется следующая формула:

, где 2p – число полюсов, Z1 – число пазов в сердечнике статора, y – фактический шаг обмотки.

Стандартные значения обмоток:

• Расчет числа полюсов по сердечнику статора. Используются математические формулы, в которых учитываются геометрические параметры изделия:

Основные задачи

Регулятор скорости в любой электроустановке используется для установки числа оборотов в единицу времени. Скорость обычно измеряется в оборотах в минуту (об/мин). При нажатии кнопки пуска подается пусковой импульс; в этот момент регулятор скорости настраивает двигатель на плавный пуск, регулируя частоту, силу и напряжение тока. Некоторые технические процедуры требуют снижения скорости рабочих органов машины на определенную величину.

В зависимости от условий эксплуатации регулятор скорости, подключенный к двигателю, может выполнять ряд других задач:

• контроль текущего уровня температуры и давления в системе без необходимости использования устройства обратной связи для привода машины, или в случае асинхронного двигателя
• увеличение экономии электроэнергии без потери мощности. Адаптируя двигатель для плавного пуска, контроллер снижает потери эффективности при запуске и остановке ротора, при увеличении или уменьшении и при регулировании тяги. Если двигатель был выбран для работы в режиме коротких импульсов (напр. воздушный компрессор), который также достаточно мал, наличие регулятора скорости является обязательным;
• Асинхронные двигатели с высокой нагрузкой на вал используют регулятор для предотвращения чрезмерного пускового импульса. Это уменьшает вероятность ложного срабатывания защитной автоматики за счет снижения нагрузки на токовые цепи;
• для трехфазного электродвигателя необходим регулятор для стабилизации скорости на определенном значении. Это облегчает выполнение точных технологических операций, тонкая настройка которых напрямую влияет на качество конечного продукта. Отказ может произойти из-за скачков напряжения или нагрузки на вал. С предварительно установленным регулятором электродвигатель 220 В работает более стабильно;
• Если система имеет стандартную конфигурацию и электродвигатель питается напряжением 220 В, регулятор скорости часто имеет только основную функцию изменения скорости от нуля до приемлемого предела. В его функции также входит поддержание крутящего момента при медленной работе электродвигателя.

Как выбрать

Для того чтобы подобрать тип регулятора скорости, который адаптирует двигатель к конкретным условиям, необходимо изучить номинальную мощность двигателя при нормальной нагрузке. Важным нюансом являются условия эксплуатации электродвигателя, а также способ его работы и конструкция.

Контроллеры векторного типа сочетаются с коллекторными двигателями. Важно обратить внимание на выходную мощность контроллера, которая должна быть несколько выше мощности электродвигателя для обеспечения стабильной и безопасной работы электропривода. Управление векторного типа регулируется в зависимости от характера обратной связи, а также постоянных значений магнитного потока. Скалярное управление рассчитывается на основе фактической нагрузки на вал двигателя. Этот метод проще, но ему не хватает надежности.

Контроллер постоянно защищает двигатель с помощью системы контроля напряжения. Чтобы этот комплекс срабатывал в нужные моменты, выбирайте модель с широким диапазоном. Убедитесь, что количество и размер входных контактов соответствуют техническим характеристикам имеющегося типа электродвигателя. Также входное напряжение проходит через аппаратную широтно-импульсную модуляцию, которая реализуется с помощью ШИМ-контроллера.

Диапазон доступных значений выбирается в соответствии с имеющимся оборудованием. Например, для простого вентилятора будет достаточно от 500 до 1 000 оборотов в минуту. Более быстроходные устройства, такие как станки и другие производственные системы, могут вращаться со скоростью до 3000 оборотов в минуту.

Не менее важным техническим нюансом являются размеры контроллера. При конфигурировании двигателя для работы в сочетании с регулятором скорости необходимо учитывать доступное пространство для регулятора скорости. Обычно для установки регулятора скорости имеется ниша, полка или свободное пространство.

Основные типы регулирования

Простейшие методы регулирования скорости – это механические методы регулирования скорости:

• редукторы;
• муфты;
• Редукторы; муфты; коробки передач.

Эти варианты все реже встречаются в современном оборудовании, поэтому нет необходимости рассматривать их подробно. Изменение числа полюсов в обмотке также является достаточно редким методом.

Некоторые из простых и часто используемых методов следующие

• Изменение напряжения питания двигателя;
• изменение частоты питающего напряжения.

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим методом заключается в изменении скорости скольжения двигателя. Это разница между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и самим ротором. Формула выглядит следующим образом:

S = (n 1 – n 2 )/n 2

n 1 – скорость вращения магнитного поля;

n 2 – скорость вращения ротора.

Этот процесс генерирует уже известную энергию скольжения, которая способствует нагреву обмоток двигателя.

Этот метод отличается небольшим диапазоном возможных регулировок, примерно 2 к 1, и реализуется только в направлении "вниз" путем снижения напряжения питания. Этот метод желателен для регулирования скорости более мощных двигателей. Однако особенности метода не мешают использовать его и для маломощных двигателей с вентиляторными нагрузками. Также реализован широкий спектр схем контроллеров.

Автотрансформатор

Данный тип схемы содержит основной компонент для управления – автотрансформатор. Конструктивно он представляет собой простой трансформатор, содержащий одну обмотку и отводящую часть обмоток. Гальваническая развязка от сети отсутствует, что позволяет экономить электроэнергию, так как отсутствует вторичная обмотка.

Регулирование частоты

Эта технология появилась относительно недавно благодаря доступности модулей (особенно IGBT) и высоковольтных транзисторов. В настоящее время преобразование частоты является одним из основных способов регулирования не только мощности, но и производительности и скорости работы оборудования и приводных механизмов в системах на базе электродвигателей.

Пример схемы преобразователя частоты

Управление однофазными машинами осуществляется с помощью таких компонентов, как:

• Однофазные преобразователи частоты;
• Трехфазные преобразователи частоты без конденсатора.

Далее мы рассмотрим особенности "преобразователей частоты", которые используются для управления однофазными машинами.

Области применения преобразователей частоты

Для обеспечения стабильного запуска и продолжительной работы электродвигателя используются специальные алгоритмы, разработанные для однофазных машин. Частота также может регулироваться в сторону увеличения, хотя и в ограниченном диапазоне частот. Это происходит благодаря конденсатору, установленному в цепи фазосдвигающей обмотки. Сопротивление устройства зависит от частоты тока. С помощью формулы это выражается следующим образом:

Xc = 1/2pfC,

где f – частота тока;

C – емкость конденсатора.

Преимущества данного метода:

• Реализация интеллектуального управления двигателем;
• Стабильность, позволяющая двигателю работать непрерывно в течение длительных периодов времени;
• Расширенная функциональность современных "частотных контроллеров";
• Контроль работы двигателя для поддержания производительности на стабильном уровне. Параметры включают давление воды, поток воздуха и скорость при изменяющихся нагрузках;
• Расширенная защита как приводного устройства, так и приводимой им машины;
• Входы для аналоговых и цифровых датчиков;
• Разнообразные выходы;
• реализованный коммуникационный интерфейс для упрощения контроля и управления;
• предустановленные скорости;
• Стандартный ПИД-регулятор.

С линии

Однофазные двигатели переменного тока также позволяют регулировать скорость вращения ротора.

Коллекторные двигатели

Эти двигатели можно встретить в электродрелях, лобзиках и других инструментах. Чтобы уменьшить или увеличить скорость, достаточно изменить напряжение питания, как и в предыдущих случаях. Существуют также решения для этой цели.

Конструкция подключается непосредственно к электросети. Управляющим элементом является симистор, управляемый диодом. Симистор размещается на радиаторе, а максимальная мощность нагрузки составляет 600 Вт.

Если имеется подходящий ЛАТП, то все это можно сделать с его помощью.

Двухфазный двигатель

Устройство, имеющее две обмотки, пусковую и рабочую, по сути, является двухфазным двигателем. В отличие от трехфазного двигателя, он имеет возможность изменять скорость вращения ротора. Характеристики вращающегося магнитного поля не круговые, а эллиптические, что обусловлено его конструкцией.

Существует два варианта управления скоростью вращения:

1. Изменение амплитуды питающего напряжения (Uy),
2. Фаза – изменение емкости конденсатора.

Эти устройства широко используются как в быту, так и в промышленности.

Обычные асинхронные машины

Трехфазные электрические машины, хотя и просты в эксплуатации, имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать. Если просто изменить напряжение питания, то крутящий момент изменится незначительно, но не более. Чтобы регулировать скорость в широком диапазоне, необходимо довольно сложное оборудование, которое трудно и дорого устанавливать и настраивать.

Выбор оборудования

Чтобы выбрать эффективный регулятор, необходимо учитывать характеристики устройства и особенности применения.

1. Векторные регуляторы обычно используются для коллекторных двигателей, но скалярные регуляторы более надежны.
2. Важным критерием выбора является мощность. Она должна соответствовать допустимой мощности используемого устройства. Более того, она должна быть превышена, чтобы обеспечить безопасную работу системы.
3. Напряжение должно находиться в широком допустимом диапазоне.
4. Основное назначение регулятора – преобразование частоты, поэтому этот аспект должен быть выбран в соответствии с техническими требованиями.
5. Другие аспекты, которые необходимо учитывать, – это срок службы, габариты и количество входов.

Симисторное устройство

Симисторное устройство используется для управления освещением, мощностью нагревательного элемента и скоростью вращения.

Схема симисторного регулятора содержит минимум деталей, показанных на рисунке, где C1 – конденсатор, R1 – первый резистор и R2 – второй резистор.

Преобразователь 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 резистор – скорость зарядки.

Когда конденсатор достигает порогового напряжения 12 В или 24 В, срабатывает выключатель. Симистор переходит в открытое состояние. Как только напряжение сети достигает нуля, симистор закрывается, и конденсатор получает отрицательный заряд.

Регулирование напряжения

Регулирование скорости с помощью этого метода основано на изменении так называемого "скольжения двигателя". проскальзывание двигателя – это разница между скоростью магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n1 – скорость вращения магнитного поля

n2 – скорость вращения ротора

Это приводит к высвобождению энергии скольжения, что вызывает нагрев обмоток двигателя.

Этот метод имеет небольшой диапазон регулировки примерно 2:1 и может использоваться только в сторону уменьшения, т.е. путем снижения напряжения питания.

Для этого метода регулирования скорости необходимо устанавливать более мощные двигатели.

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

На практике используются различные схемы регуляторов.

Регулирование напряжения автотрансформатором

Автотрансформатор – это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и отводом части обмотки. Гальваническая развязка от сети отсутствует, но в данном случае она и не нужна, поэтому экономия достигается за счет отсутствия вторичной обмотки.

На схеме показан автотрансформатор T1выключатель SW1к которому подключены выходы с разными напряжениями, и двигатель М1.

Регулирование происходит ступенчато, обычно не более 5 ступеней.

Преимуществами данной схемы являются

• неискаженная форма выходного напряжения (чистая синусоида)
• хорошая устойчивость трансформатора к перегрузкам

Регулирование частоты

Еще около 10 лет назад регуляторы скорости вращения двигателя были доступны на рынке в ограниченном количестве и стоили довольно дорого. Причина заключалась в отсутствии дешевых высоковольтных силовых транзисторов и модулей.

Однако развитие полупроводниковой электроники привело к появлению на рынке силовых модулей IGBT. Как следствие, на рынке массово появились инверторные кондиционеры, сварочные инверторы и преобразователи частоты.

Сегодня преобразование частоты является основным способом регулирования мощности, производительности, скорости всего оборудования и механизмов, приводимых в движение электродвигателями.

Однако частотные преобразователи предназначены для управления трехфазными двигателями.

Однофазными двигателями можно управлять с помощью:

• Однофазными двигателями можно управлять с помощью.
• Трехфазные частотно-регулируемые приводы с деактивацией конденсатора

Преобразователи частоты для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном производстве специализированных преобразователей частоты для конденсаторных двигателей – INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2.

Специальные алгоритмы обеспечивают плавный запуск и работу двигателя.

Частота также может регулироваться в сторону увеличения, но в ограниченном диапазоне частот; этому препятствует конденсатор, установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f – частота тока

C – емкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT-транзисторами: