Достоинства и недостатки различных способов управления асинхронными двигателями. Выводы, сделанные по опыту практического применения.
В настоящее время получили большое распространение асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Это вызвано тем, что такие машины не имеют щеточного узла, их ротор сделан из алюминия и технологически очень прост, а значит, сама конструкция получается очень надежной. Рассмотрим несколько способов управления однофазным асинхронным электродвигателем.
Конденсаторный однофазный электродвигатель
Наиболее распространенным типом асинхронного однофазного электродвигателя является двигатель с двумя статорными обмотками. Первая и вторая обмотки идентичны по количеству витков, но последовательно с одной из обмоток включают конденсатор. Конденсатор обеспечивает сдвиг фаз между обмотками для образования вращающегося магнитного поля для ротора.
Частотный способ управления
Основным способом управления таким двигателем, применяемым в настоящее время, является частотный способ. Этот способ реализуется с помощью специальных приборов, называемых ШИМ инверторами. Эти инверторы, в свою очередь, бывают однофазными и трехфазными, что определяется количеством пар силовых выходов для управления обмотками двигателя. Для управления однофазным двигателем может быть применен как однофазный, так и трехфазный инвертор.
Управление однофазным ШИМ инвертором
При таком управлении обе обмотки двигателя включены параллельно. Два выхода инвертора подключаются к точкам соединения обмоток. Инвертор формирует напряжение с варируемой частотой и с линейной зависимостью напряжение к частоте. Регулировать частоту можно как вниз, так и вверх. Диапазон регулировки обычно не превышает 1:10, т.к. емкость конденсатора в одной из обмоток напрямую зависит от частоты.
Достоинства
Основные достоинства этого метода – это простота ввода в эксплуатацию, не требующая переделки конструкции двигателя; надежная работа, т.к. частотный преобразователь специально разработан для управления такими типами двигателей; хорошие характеристики ( ПИД-регулятор, предустановленные скорости, низкий пусковой ток, защитные функции и т.д.)
Недостатки
К недостаткам относятся: только однонаправленное вращение; более высокая стоимость и дефицит однофазных преобразователей по сравнению с трехфазными, по причине их малого выпуска.
Управление трехфазным ШИМ инвертором
В данном случае обмотки двигателя включают последовательно. Выходы трехфазного преобразователя подключают к средней точке и к концам обмоток электродвигателя. Конденсатор при этом из схемы исключают (требуется некоторая переделка двигателя) Так как обмотки двигателя сдвинуты на 90 градусов, а инвертор дает сдвиг фаз на 120 градусов, то поле не будет идеально круговым и это отрицательно скажется на параметрах регулирования.
Поле будет пульсирующим. Так как порядок коммутации выводов инвертора можно менять программным путем, то легко добиться изменения чередования напряжений на обмотках, следовательно, менять направление вращения ротора двигателя.
Достоинства
К достоинствам следует отнести: доступность на рынке и сравнительно низкую цену; возможность реверсивной работы обычного нереверсивного двигателя; более широкий, чем у однофазного преобразователя диапазон регулировки; возможности программируемых функций как у однофазного инвертора или даже шире за счет большего количества коммутируемых выходов.
Недостатки
Недостатки это: пониженный и пульсирующий момент однофазного двигателя; повышенный его нагрев; не все стандартные преобразователи готовы для такой работы, т.к. некоторые производители прямо запрещают использовать свои изделия в таком режиме.
Фазовое управление с помощью симисторного регулятора ( диммера)
Этот метод самый «древний», он обусловлен отсутствием до недавнего времени в широкой продаже частотных регуляторов и их относительно высокой ценой. При таком управлении обмотки двигателя остаются включенными параллельно. Одна из обмоток включена последовательно с фазосдвигающим конденсатором. К точкам параллельного соединения обмоток подключается симисторный регулятор.
На выходе этого регулятора формируется однофазное напряжение с постоянной частотой (50 Гц) и регулируемым среднеквадратическим значением. Это происходит за счет регулирования напряжения открывания симистора, т.е. изменяется время открытого состояния симистора за период следования сетевого напряжения.
Момент на валу двигателя, при таком регулировании, будет снижаться пропорционально напряжению, критическое скольжение будет неизменным.
Достоинства
Основные достоинства: исключительная простота устройства управления; возможность собрать и починить такое устройство любым радиолюбителем; на порядок или даже несколько порядков более низкая цена по сравнению с частотными приводами.
Недостатки
Основные недостатки это: регулирование оборотов только на понижение; диапазон регулирования только 2:1; стабильность скорости только удовлетворительная; допустимая нагрузка резко снижается с уменьшением скорости; перегрев двигателя на низких скоростях, т.к. не хватает производительности встроенного вентилятора двигателя; необходимость завышения мощности двигателя.
Выводы
Исходя из всего вышеперечисленного, необходимо настоятельно рекомендовать применение частотных приводов для управления асинхронными двигателями. Такие приводы (ШИМ инверторы) кроме несомненных удобств по управлению, позволяют получить высокий КПД установок и добиться роста коэффициента мощности (cos фи) до 0.98, т.е. реализовать программу энергосбережения.
Яков Кузнецов, http://electrik.info/
hydromet.com.ru
В статье приводится описание простого устройства, предназначенного для пуска однофазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и пусковой обмоткой, отключаемой по окончании пуска. Одновременно устройство обеспечивает регулирование вращения электродвигателя и его эффективное торможение при отключении от питающей сети.
Предлагаемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано для пуска, торможения и регулирования частоты вращения однофазных асинхронных электродвигателей (ОАД) с короткозамкнутым ротором, имеющих пусковую обмотку или пусковой конденсатор, отключаемые по окончании пуска. Является усовершенствованием известного устройства по авторскому устройству [1].
Известное устройство [1-2] содержит двухполюсный переключатель на два положения, с помощью которого подключается к сети рабочая обмотка ОАД и обмотка электромагнитного реле через ограничительный резистор и выпрямительный диод. К зажимам обмотки электромагнитного реле присоединен времязадающий конденсатор. Размыкающий контакт электромагнитного реле обеспечивает подключение пусковой обмотки ОАД к сети через фазосдвигающий элемент-конденсатор и контакты двухполюсного переключателя при его включении. Выпрямительный диод при работе ОАД служит для питания обмотки электромагнитного реле выпрямленным током сети.
При отключении ОАД диод обеспечивает питание обмоток двигателя выпрямленным током сети через замыкающий контакт реле и контакты двухполюсного переключателя. Таким образом, известное устройство обеспечивает пуск и торможение ОАД путем использования одних и тех же элементов.
Однако функциональные возможности известного устройства могут быть расширены путем использования его одновременно и для регулирования частоты вращения ОАД.
Указанная цель достигается тем, что устройство (рис.1) дополнительно снабжено последовательной цепочкой, состоящей из замыкающего контакта переключателя SA2, регулируемого токоограничивающего элемента R2, замыкающих контактов электромагнитного реле К1.3 и однополюсного выключателя.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется рис.1, на котором показана принципиальная схема устройства (заявка автора [3]).
Устройство содержит трехполюсный переключатель SA1 на два положения, с помощью которого подключается к сети контактами 1 -2 рабочая обмотка Р двигателя и пусковая П через замкнутые контакты К 1.1 электромагнитного реле К1 и фазосдвигающий элемент С1. Одновременно контактами 3-4 переключателя SA1 присоединяется к сети обмотка электромагнитного реле К1 через резистор R1 и выпрямительный диод VD. К зажимам обмотки электромагнитного реле присоединен времязадающий конденсатор С2. Выпрямительный диод VD при работе ОАД служит для питания обмотки К1 электромагнитного реле выпрямленным током сети. При отключении ОАД диод VD обеспечивает питание обмоток Р и П двигателя выпрямленным током сети через замыкающий контакт К1.2 реле К1 и контакты 3-5 и 1 -6 переключателя SA1 соответственно.
Токоограничивающий элемент R2 одним выводом соединен через замыкающие контакты К 1.3 электромагнитного реле и контакты выключателя SA2 с точкой соединения фазосдвигающего элемента С1 и пусковой обмотки П, а вторым - через замыкающие контакты переключателя SA1 к зажиму резистора R1 времязадающей цепочки. В исходном предпусковом положении обмотка К1 реле током не обтекается, контакты К 1.1 реле замкнуты, а контакты К 1.2 и К 1.3 разомкнуты. При этом контакты выключателя SA2 также разомкнуты, а сопротивление резистора R2 должно быть наибольшим.
Включение ОАД осуществляется с помощью трехполюсного переключателя SA1, в результате через замкнутые контакты 1-2 обтекается током рабочая обмотка Р двигателя и пусковая П через замкнутые контакты К1.1 реле К1 и конденсатор С1. Двигатель запускается. Одновременно через диод VD и замкнутые контакты 3-4 переключателя SA1 происходит зарядвремязадающего конденсатора С2. При достижении величины напряжения на конденсаторе достаточного для срабатывания реле, последнее срабатывает и размыкает свои контакты К 1.1 в цепи пусковой обмотки П, отключая ее от сети. Пуск ОАД окончен. При срабатывании реле К1 замыкаются также его контакты
К1.2 в цепи торможения двигателя и контакты К1.3 в цепи регулирования его частоты вращения, подготавливая, таким образом, схему управления к последующим режимам работы ОАД, т.е к эффективному торможению при отключении от сети или к регулированию частоты вращения при работе.
Регулирование частоты вращения ОАД осуществляется включением выключателя SA2 и поворотом рукоятки резистора R2. В этом случае пусковая обмотка П двигателя обтекается выпрямленным током сети через диод VD, замкнутые контакты 3-4, 7-8 переключателя SA1, резистор R2, замкнутые контакты К 1.3 реле К1 и контакты включенного выключателя SA2. В результате устанавливается вполне определенная частота вращения ОАД. Изменяя величину сопротивления резистора R2, можно плавно изменять частоту вращения двигателя.
При регулировании частоты вращения ОАД необходимо иметь в виду, что предлагаемое техническое решение предназначено для кратковременного снижения частоты вращения рабочего механизма, так как «подпитка» пусковой обмотки П выпрямленным током сети приводит к ее повышенному нагреву. Поэтому по окончании кратковременной работы на какой-то скорости выключатель SA2 необходимо выключить.
Отключение ОАД осуществляют выключателем SA1. При этом обмотки двигателя обтекаются выпрямленным током сети через диод VD и замкнутые контакты К1.2 реле К1 и контакты 1-6 переключателя SA1 Двигатель эффективно тормозится. После разряда конденсатора С2 на обмотку реле К1 реле размыкает свои контакты К 1.2 в цепи диода VD, обесточивая обмотки ОАД. Процесс торможения окончен, и схема управления готова к повторному пуску двигателя, так как контакты К1.1 реле К1 после окончания процесса торможения замкнулись.
Таким образом, введение дополнительных элементов в схему управления однофазным двигателем обеспечивает использование одного и того же выпрямительного диода VD и реле К1 не только для пуска, работы и торможения ОАД, но и для регулирования его частоты вращения, что расширяет функциональные возможности предлагаемого
устройства, т.е. устройство становится многофункциональным, обеспечивая несколько режимов работы двигателя
1. Выключатель SA1 любой малогабаритный трехполюсный, подходящий по току и напряжению, например, типа ПТ3-40В 220 В - 3 А.
2. Выключатель SA2 одно-, двухполюсный на два положения типа П2Т-13 220 В - 3 А или ТП1 -2 220 В -2 А.
3. Диод VD типа КД227Ж (5 А, 800 В) или 2Д203Г, Д (10 А, 700 В), либо В10-10 - В1 0-14 на ток 10 А и напряжение от 700 В и выше.
4. Резистор R1 типа МЛТ-2 сопротивлением 5,6 кОм.
5. Переменный резистор R2 типа ППБ-25Г мощностью 25 Вт, сопротивлением 10 кОм.
6. Конденсатор С1 типа МБГО-2, КБГ-МП, БГТ на напряжение не ниже 400 В или типа МБГЦ, что предпочтительней, подбирают его из расчета 6,6. 7 мкФ на 100 Вт мощности двигателя. Если двигатель не запускается, то найденную величину емкости конденсатора С1 необходимо увеличить в 1,5-2 раза.
7. Конденсатор С2 типа КЭ-2 или ЭМ емкостью 40. 100 мкФ на напряжение 400. 500 В.
8. Промежуточное реле переменного тока К1 типа РП-21 220 В-
5 А может быть заменено реле типа РП-25 или МКУ-48.
Осуществляется изменением величины сопротивления R1 и емкости конденсатора С2 для получения задержки срабатывания реле К1 в пределах 3. .4 с, которую можно производить без двигателя.
1. А.с. 913536 СССР, МКИ Н02Р 1 /42. Устройство управления однофазным электродвигателем /К.В. Коломойцев. (СССР). -№2938330/24-07: заявл. 10.06.80; опуб. 15.03.82 Бюл. №10
2. Коломойцев К.В, Устройство управления электродвигателем // Электрик. - 2005. - №6. -
3. Заявка №3401305/07/037698. кл. Н02Р 1/42 от 02.03.82. Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем / К.В. Коломойцев (СССР).
homeconstruc.ru
Новости
24 марта 2011, 15:38
Несколько способов управления однофазным асинхронным двигателем
Достоинства и недостатки различных способов управления асинхронными двигателями. Выводы, сделанные по опыту практического применения.
В настоящее время получили большое распространение асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Это вызвано тем, что такие машины не имеют щеточного узла, их ротор сделан из алюминия и технологически очень прост, а значит, сама конструкция получается очень надежной. Рассмотрим несколько способов управления однофазным асинхронным электродвигателем.
Конденсаторный однофазный электродвигатель
Наиболее распространенным типом асинхронного однофазного электродвигателя является двигатель с двумя статорными обмотками. Первая и вторая обмотки идентичны по количеству витков, но последовательно с одной из обмоток включают конденсатор. Конденсатор обеспечивает сдвиг фаз между обмотками для образования вращающегося магнитного поля для ротора.
Частотный способ управления
Основным способом управления таким двигателем, применяемым в настоящее время, является частотный способ. Этот способ реализуется с помощью специальных приборов, называемых ШИМ инверторами. Эти инверторы, в свою очередь, бывают однофазными и трехфазными, что определяется количеством пар силовых выходов для управления обмотками двигателя. Для управления однофазным двигателем может быть применен как однофазный, так и трехфазный инвертор.
Управление однофазным ШИМ инвертором
При таком управлении обе обмотки двигателя включены параллельно. Два выхода инвертора подключаются к точкам соединения обмоток. Инвертор формирует напряжение с варируемой частотой и с линейной зависимостью напряжение к частоте. Регулировать частоту можно как вниз, так и вверх. Диапазон регулировки обычно не превышает 1:10, т.к. емкость конденсатора в одной из обмоток напрямую зависит от частоты.
Достоинства
Основные достоинства этого метода – это простота ввода в эксплуатацию, не требующая переделки конструкции двигателя; надежная работа, т.к. частотный преобразователь специально разработан для управления такими типами двигателей; хорошие характеристики ( ПИД-регулятор, предустановленные скорости, низкий пусковой ток, защитные функции и т.д.)
Недостатки
К недостаткам относятся: только однонаправленное вращение; более высокая стоимость и дефицит однофазных преобразователей по сравнению с трехфазными, по причине их малого выпуска.
Управление трехфазным ШИМ инвертором
В данном случае обмотки двигателя включают последовательно. Выходы трехфазного преобразователя подключают к средней точке и к концам обмоток электродвигателя. Конденсатор при этом из схемы исключают (требуется некоторая переделка двигателя) Так как обмотки двигателя сдвинуты на 90 градусов, а инвертор дает сдвиг фаз на 120 градусов, то поле не будет идеально круговым и это отрицательно скажется на параметрах регулирования.
Поле будет пульсирующим. Так как порядок коммутации выводов инвертора можно менять программным путем, то легко добиться изменения чередования напряжений на обмотках, следовательно, менять направление вращения ротора двигателя.
Достоинства
К достоинствам следует отнести: доступность на рынке и сравнительно низкую цену; возможность реверсивной работы обычного нереверсивного двигателя; более широкий, чем у однофазного преобразователя диапазон регулировки; возможности программируемых функций как у однофазного инвертора или даже шире за счет большего количества коммутируемых выходов.
Недостатки
Недостатки это: пониженный и пульсирующий момент однофазного двигателя; повышенный его нагрев; не все стандартные преобразователи готовы для такой работы, т.к. некоторые производители прямо запрещают использовать свои изделия в таком режиме.
Фазовое управление с помощью симисторного регулятора ( диммера)
Этот метод самый «древний», он обусловлен отсутствием до недавнего времени в широкой продаже частотных регуляторов и их относительно высокой ценой. При таком управлении обмотки двигателя остаются включенными параллельно. Одна из обмоток включена последовательно с фазосдвигающим конденсатором. К точкам параллельного соединения обмоток подключается симисторный регулятор.
На выходе этого регулятора формируется однофазное напряжение с постоянной частотой (50 Гц) и регулируемым среднеквадратическим значением. Это происходит за счет регулирования напряжения открывания симистора, т.е. изменяется время открытого состояния симистора за период следования сетевого напряжения.
Момент на валу двигателя, при таком регулировании, будет снижаться пропорционально напряжению, критическое скольжение будет неизменным.
Достоинства
Основные достоинства: исключительная простота устройства управления; возможность собрать и починить такое устройство любым радиолюбителем; на порядок или даже несколько порядков более низкая цена по сравнению с частотными приводами.
Недостатки
Основные недостатки это: регулирование оборотов только на понижение; диапазон регулирования только 2:1; стабильность скорости только удовлетворительная; допустимая нагрузка резко снижается с уменьшением скорости; перегрев двигателя на низких скоростях, т.к. не хватает производительности встроенного вентилятора двигателя; необходимость завышения мощности двигателя.
Выводы
Исходя из всего вышеперечисленного, необходимо настоятельно рекомендовать применение частотных приводов для управления асинхронными двигателями. Такие приводы (ШИМ инверторы) кроме несомненных удобств по управлению, позволяют получить высокий КПД установок и добиться роста коэффициента мощности (cos фи) до 0.98, т.е. реализовать программу энергосбережения.
Яков Кузнецов
Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram - перейдите по ссылке и нажмите кнопку Join
gri.kiev.ua
