Регулятор оборотов электродвигателя: назначение, принцип работы

Технически регулятор оборотов электродвигателя предназначен для изменения количества вращения вала за единицу времени. На этапе разгона корректировка частоты обеспечивает более плавную процедуру, меньшие токи и т.д. В некоторых технологических процессах необходимо регулятор оборотов снижает скорость движения оборудования, изменение подачи или нагнетания сырья и т.д.

Однако на практике данная опция может преследовать и другие цели:

  • Экономия затрат электроэнергии – позволяет снизить потери в моменты пуска и остановки вращений мотора, переключения скоростей или регулировки тяговых характеристик. Особенно актуально для часто запускаемых электродвигателей, использующих кратковременные режимы работы.
  • Контроль температурного режима, величины давления без установки обратной связи с рабочим элементом или с таковой в асинхронных электродвигателях.
  • Плавный пуск – предотвращает бросок тока в момент включения, особенно актуально для асинхронных моторов с большой нагрузкой на валу. Приводит к существенному сокращению токовых нагрузок на сеть и исключает ложные срабатывания защитной аппаратуры.
  • Поддержание оборотов трехфазных электродвигателей на требуемой отметке. Актуально для точных технологических операций, где из-за колебаний питающего напряжения может нарушиться качество производства или на валу возникает разное усилие.
  • Регулировка скорости оборотов электродвигателя от 0 до максимума или от другой базовой скорости.
  • Обеспечения достаточного момента на низких частотах вращения электрической машины.

Возможность реализации тех или иных функций у регуляторов оборотов определяет как принцип их действия, так и схематическое исполнение.

Изменение скорости АД с короткозамкнутым ротором

Существует несколько способов:

  1. Управление вращением за счет изменения электромагнитного поля статора: частотное регулирование и изменение числа пар полюсов.
  1. Изменение скольжения электромотора за счет уменьшения или увеличения напряжения (может применяться для АД с фазным ротором).

Частотное регулирование

В данном случае регулировка производится с помощью подключенного к двигателю устройства для преобразования частоты. Для этого применяются мощные тиристорные преобразователи. Процесс частотного регулирования можно рассмотреть на примере формулы ЭДС трансформатора:

Данное выражение означает, что для сохранения постоянного магнитного потока, означающего сохранение перегрузочной способности электромотора, следует одновременно с преобразованием частоты корректировать и уровень питающего напряжения. Если сохраняется выражение, вычисленное по формуле:

то это означает, что критический момент не изменен. А механические характеристики соответствуют рисунку ниже, если вы не понимаете, что значат эти характеристики, то в этом случае регулировка происходит без потери мощности и момента.

Достоинствами данного метода являются:

  • плавное регулирование;
  • изменение скорости вращения ротора в большую и меньшую сторону;
  • жесткие механические характеристики;
  • экономичность.

Недостаток один — необходимость в частотном преобразователе, т.е. увеличение стоимости механизма. К слову, на современном рынке представлены модели с однофазным и трёхфазным входом, стоимость которых при мощности 2-3 кВт лежит в диапазоне 100-150 долларов, что не слишком дорого для полноценной регулировки привода станков в частной мастерской.

Переключение числа пар полюсов

Данный метод применяется для многоскоростных двигателей со сложной обмоткой, позволяющей изменять число пар ее полюсов. Самое широкое применение получили двухскоростные, трехскоростные и четырехскоростные АД. Принцип регулировки проще всего рассмотреть на основе двухскоростного АД. В такой машине обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Скорость вращения изменяется при подключении их последовательно или параллельно.

В четырехскоростном электродвигателе обмотка выполнена в виде двух независимых друг от друга частей. При изменении числа пар полюсов первой обмотки производится изменение скорости работы электромотора с 3000 до 1500 оборотов в минуту. При помощи второй обмотки производится регулировка вращения 1000 и 500 оборотов в минуту.

При изменении числа пар полюсов происходит и изменение критического момента. Для его сохранения неизменным, требуется одновременно с изменением числа пар полюсов регулировать и питающее напряжение, например, переключением схемы звезда-треугольник и их вариациями.

Достоинства данного метода:

  • жесткие механические характеристики двигателя;
  • высокий КПД.
  • ступенчатая регулировка;
  • большой вес и габаритные размеры;
  • высокая стоимость электромотора.

Способы изменения оборотов двигателя

Регулировка оборотов любого трехфазного электродвигателя, используемого в подъемно-транспортной технике и оборудовании, позволяет добиться требуемых режимов работы точно и плавно, что далеко не всегда возможно, например, за счет механических редукторов. На практике используется семь основных методов коррекции скорости вращения, которые делятся на два ключевых направления:

  1. Изменение скорости магнитного поля в статоре. Достигается за счет частотного регулирования, переключения числа полюсных пар или коррекции напряжения. Следует добавить, что эти методы применимы для электродвигателей с короткозамкнутым ротором,
  2. Изменение величины скольжения. Этот параметр можно откорректировать за счет питающего напряжения, подключения дополнительного сопротивления в электрическую цепь ротора, применения вентильного каскада или двойного питания. Используется для моделей с фазным ротором.

Наиболее востребованными методами являются регулирование напряжения и частоты (за счет применения преобразователей), а также изменение количества полюсных пар (реализуется путем организации дополнительной обмотки с возможностью переключения).

Как подключить трехфазный электродвигатель к сети 220 В. Регулятор оборотов.

Довольно часто для каких-либо хозяйственных нужд требуется использование трехфазного электродвигателя (например, в качестве привода для эл. наждака, циркулярной пилы, бетономешалки и т. д). Известно, что трехфазные электродвигатели рассчитаны и предназначены для работы в трехфазной сети и далеко не всегда в распоряжении домашнего мастера бывает нужное напряжение

380 В, ведь в подавляющем большинстве частные дома и, тем более квартиры подключены к питающей сети

Существуют разные способы включения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть

220 В, самым простым и достаточно надежным из которых является применение фазосдвигающего конденсатора в схеме подключения его обмоток. Само название «фазосдвигающий конденсатор» говорит само за себя: он сдвигает ток по фазе на 90°, создавая в нем двухфазный вращающийся магнитный поток, который, собственно и вызывает вращение вала электродвигателя.

На схеме ниже показано подключение фазосдвигающих конденсаторов к обмоткам, соединенным в «звезду» и «треугольник», однако, следует учесть, что для снижения потерь мощности электродвигателя гораздо целесообразнее использовать соединение обмоток электродвигателя по схеме «треугольник».

Схемы подключения трехфазных электродвигателей с различными соединениями обмоток к однофазной сети

Стоит заметить, что для запуска любого электродвигателя требуется б́ольшая емкость конденсатора, чем для его работы (когда двигатель уже «набрал» обороты). Поэтому, на схеме ниже общая емкость «разбита» на два конденсатора: Сп — конденсатор с дополнительной емкостью для пуска электродвигателя и Ср — основной конденсатор с рабочей емкостью. В случае использования электродвигателя небольшой мощности (до 1 кВт) вполне можно «обойтись» лишь рабочей емкостью Ср, исключив из схемы конденсатор Сп.

Схема подключения трехфазного электродвигателя к однофазной сети:

Резистор R включен в схему в качестве сопротивления для разрядки конденсаторов Сп и Ср, для этого подойдет резистор с сопротивлением 300 Ом. Для изменения направления вращения вала электродвигателя, в схеме предусмотрен тумблер переключатель SA.

Для расчета ёмкости рабочего конденсатора можно воспользоваться формулой:

С раб = 4800 • I / U , мкФ – для двигателей с обмотками, соединенными «треугольником»

С раб = 2800 • I / U , мкФ – для двигателей с обмотками, соединенными «звездой»

Читайте также  Рассекатель пламени для газовой плиты

Это самый точный и наиболее предпочтительный способ расчета ёмкости рабочего конденсатора, но для его использования необходимо знать значение тока I в цепи двигателя, т. е. потребуются дополнительные измерения. Зная номинальную мощность электродвигателя, рассчитать ёмкость рабочего конденсатора можно так-же по формуле:

С раб = 66• Рном , мкФ, где Рном — номинальная мощность электродвигателя.

Говоря проще, для нормальной работы трёхфазного двигателя в сети

220 В рабочий конденсатор должен иметь ёмкость, близкую к 7 мкФ на каждые 0,1 кВт его паспортной мощности.

Определившись с емкостью рабочего конденсатора, можно определить нужное ее значение для пускового конденсатора: она должна быть примерно в 2,5-3 раза больше рабочего емкости рабочего конденсатора.

Конденсаторы рабочей емкости следует использовать следующих типов: МБГЧ, КГБ, БГТ с рабочим напряжением, превышающим сетевое напряжение примерно в 1,5 раза. Чтобы набрать нужную емкость, можно соединить (спаять) конденсаторы параллельно: тогда их общая емкость будет равна суммарной. Пусковую емкость тоже лучше всего набрать из конденсаторов этих типов, но при кратковременном пуске (не более 2-3 сек) можно использовать электролитические, типов КЭ-2, К50-3, ЭГЦ-М с рабочим напряжением не менее 450 в.

В заключение стоит сказать, что при включении трехфазного электродвигателя в однофазную сеть

220 В следует иметь ввиду неминуемую потерю его мощности. Если частота вращения уменьшается совсем незначительно в этом режиме, то потеря мощности может составлять 50% от номинальной. Поэтому, лучше в сеть

220 В включать электродвигатели с обмотками, соединенными «треугольником»- в однофазной сети они способны развить до 75% от своей номинальной мощности.

Как известно можно изменять (регулировать) скорость вращения асинхронного безколлекторного электродвигателя изменяя частоту питающего двигатель переменного напряжения. На этом принципе был разработан, приведенный здесь, электронный регулятор скорости вращения. Регулятор позволяет изменять скорость вращения в довольно широких пределах — от 1000 до 4000 об/мин.

Регулятор состоит из задающего генератора с регулируемой частотой от 50 до 200 Гц, в который входят мультивибратор на микросхеме К561ЛА7 , счетчик К561ИЕ8 формирующий сигналы управления с фиксированным «мертвым временем» для управления силовыми полевиками полумоста регулятора.

Выходной трансформатор Т1 обеспечивает развязку верхнего и нижнего транзисторов полумоста. Выпрямитель, удвоитель напряжения питающей сети состоит из диодного моста VD9, включенного по нестандартной схеме и конденсаторов фильтра на которых и удваивается напряжение питания полумоста.
Демпфирующая цепь С4, R7 гасит всплески напряжения опасные для силовых транзисторов VT3, VT4.
Для трансформатора управления ключами, использовался каркас трансформатора от БП телевизора KORFUNG Ч/Б. Можно применить любой другой с аналогичным сечением железа — тип магнитопровода не имеет значения. Первичная обмотка содержит 120 витков провода диаметром 0,7мм, с отводом от середины, вторичная — две отдельные обмотки по 60 витков тем же проводом. Данные по вольтажу обмоток: первичка 2х12 вольт, вторички 12 вольт каждая, если сечение железа отличается от заданного, расчитать можно по формулам для трансформаторов на 50Гц. Марка провода роли не играет (медный).
Обе вторичные обмотки нужно хорошо изолировать друг от друга, так как потенциал между ними достигает 640 вольт. Подключать выходные обмотки к затворам ключей необходимо в противофазе.

Регулятор может работать с двигателями мощностью до 500Вт. Для применения регулятора с более мощными двигателями необходимо применить в схеме большее число силовых ключей в параллельном включении и увеличить емкость конденсаторов фильтра питания С3 и С4.
Конструктивно регулятор выполнен на печатной плате размрами 110 х 80мм, трансформатор управления ключами ставится отдельно.

Чтобы не применять дорогой и сложный коллекторный двигатель в механизмах требующих изменения оборотов двигателя, можно обойтись асинхронным трёхфазным двигателем, введя в фазовый провод реостат или простейший регулятор мощности.

Переделка двигателя заключается в изменении якоря двигателя.
По образцу якоря, установленного в двигателе изготавливается «массивный якорь» из магнитомягкой малоуглеродистой стали или из серого чугуна (СЧ). (Чугунный работает лучше.) Из старого якоря можно выпрессовать вал и насадить на него массивный якорь.

Схема устройства запуска приведена на рисунке ниже.

Двунаправленный электронный ключ выполнен на диодах VD1, VD2 и три-нисторах VS1, VS2. Диоды VD3 и VD4 образуют двухполупериодный выпрямитель сетевого напряжения, а резистор R1 и стабилитрон VD5 — стабилизатор выпрямленного напряжения. Управление тринисторами электронного ключа осуществляется транзисторами VT1, VT2. Момент включения электронного ключа устанавливают резистором R7 «Режим». При минимальном сопротивлении резистора ключ открывается в момент максимального напряжения на обмотке Б электродвигателя (см. рис. 2,6), при максимальном — ключ закрыт. Перед запуском двигателя движок резистора R7 переводят в крайнее нижнее (по схеме) положение, соответствующее максимальному фазовому сдвигу токов и, следовательно, наибольшему пусковому моменту на валу двигателя. После запуска тем же резистором устанавливают оптимальный режим работы двигателя в зависимости от его мощности и нагрузки. Как показала практика, устройство запуска эффективно работает с электродвигателями, частота вращения якоря которых не превышает 1500 об/мин и их обмотки соединены треугольником.

Устройство испытано на работе с двумя двигателями: мощностью 370 Вт (типа АААМ63В4СУ1) 1360 об/мин и мощностью 2000 Вт 1380 об/мин. В обоих случаях оно обеспечивало более уверенный запуск двигателя в сравнении с конденсаторной системой и мощность на валу двигателя после запуска была примерно одинаковой.

Детали устройства монтируют на печатной плате, которую размещают в корпусе из изоляционного материала. Тринисто-ры VS1, VS2 и диоды VD1, VD2 устанавливают на плате без теплоотводов. Резисторы — МЛТ, С2-33, конденсатор — К73-17. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми из тех же серий. Вместо диодов Д231, тринисторов КУ202Н можно использовать аналогичные другие с допустимым прямым током не менее 10 А и обратным напряжением не менее 300 В. При работе с устройством запуска следует иметь в виду, что все его элементы находятся под напряжением сети 220 В, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности.

Критерии выбора и соимость

Для того, чтобы правильно выбрать наиболее подходящий тип регулятора, нужно хорошо представлять себе, какие есть разновидности таких устройств:

  1. Различные типы управления. Может быть векторная или скалярная система управления. Первые применяются чаще, а вторые считаются более надёжными.
  2. Мощность регулятора должна соответствовать максимально возможной мощности мотора.
  3. По напряжению удобно выбирать устройство, имеющее наиболее универсальные свойства.
  4. Характеристики по частоте. Регулятор, который вам подходит, должен соответствовать наиболее высокой частоте, которую использует мотор.
  5. Другие характеристики. Здесь речь идёт о величине гарантийного срока, размерах и других характеристиках.

В зависимости от назначения и потребительских свойств, цены на регуляторы могут существенно различаться.

Большей частью они находятся в диапазоне примерно от 3,5 тысяч рублей до 9 тысяч:

  1. Регулятор оборотов KA-18 ESC, предназначенный для моделей масштаба 1:10. Стоит 6890 рублей.
  2. Регулятор оборотов MEGA коллекторный (влагозащищенный). Стоит 3605 рублей.
  3. Регулятор оборотов для моделей LaTrax 1:18. Его цена 5690 рублей.

Частотное регулирование

Всего десять лет назад в торговой сети регуляторов частоты вращения скорости ЭД было небольшое количество. Причиной тому служило то, что тогда ещё не производились дешёвые силовые высоковольтные транзисторы и модули.

Читайте также  Электрический ледобур своими руками

На сегодня частотное преобразование – самый распространённый способ регулирования скорости двигателей. Трёхфазные преобразователи частоты создаются для управления 3-фазными электродвигателями.

Однофазные же двигатели управляются:

  • специальными однофазными преобразователями частоты;
  • 3-фазными преобразователями частоты с устранением конденсатора.

Технические параметры регулятора оборотов электродвигателя:

  • напряжение питания: 230 В переменного тока
  • диапазон регулировки: 5..99%
  • напряжение нагрузки: 230 В / 12 А (2,5 кВт с радиатором)
  • максимальная мощность без радиатора 300 Вт
  • низкий уровень шума
  • стабилизация оборотов
  • мягкий пуск
  • размер платы 50×60 мм

Принципиальная электросхема

Схема модуля системы регулирования основана на генераторе ШИМ импульсов и симисторе управления мотором — традиционная схемотехника для аналогичных устройств.

Элементы D1, R1 ограничивают величины напряжения питания до безопасных значений для питания микросхемы генератора.

Конденсатор C1 отвечает за фильтрацию напряжения питания.

Элементы R3, R5 и P1 является делителем напряжения с возможностью его регулировки, который используется для задания величины мощности, подаваемой в нагрузку.

Благодаря использованию резистора R2, непосредственно входящего в цепь поступления на м/с фазы, внутренние блоки синхронизированы с симистором ВТ139.

На рисунке ниже показано месторасположение элементов на печатной плате. Во время монтажа и пуска следует обратить внимание на обеспечение условий безопасной работы (регулятор имеет питание от сети 220В и его элементы непосредственно подключены к фазе).

Подобный регулятор оборотов двигателя можно купить в Китае с бесплатной доставкой всего за 1,5$ (120 руб.) — Ссылка

Увеличение мощности регулятора

В испытательном варианте был использован симистор BT138/800 с предельным током 12 А, что позволяет управление нагрузкой более 2 кВт. В случае если нужно управление большими токами нагрузки — рекомендуем тиристор устанавливать за пределами платы на большом радиаторе. Также следует помнить о правильном выборе предохранителя FUSE в зависимости от нагрузки.

Также кроме управления оборотами электродвигателей, возможно без каких-либо переделок применить схему для регулирования яркости ламп освещения.

Виды двигателей

Регулятор оборотов с поддержанием мощности — изобретение, которое вдохнет новую жизнь в электроприбор, и он будет работать как только что приобретенный товар. Но стоит помнить о том, что двигатели бывают разных форматов и у каждого своя предельная работа.

Двигатели разные по характеристикам. Это значит то, что та или иная техника работает на разных частотах оборота вала, запускающего механизм. Мотор может быть:

  1. однофазным,
  2. двухфазным,
  3. трехфазным.

В основном трехфазные электромоторы встречаются на заводах или крупных фабриках. В домашних условиях используются однофазные и двухфазные. Данного электричества хватает на работу бытовой техники.

Однофазные преобразователи частоты

Однофазные асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве приводов насосных агрегатов, вентиляторов, маломощных станков. Для регулирования частоты вращения этих электрических машин применяются 2 основных способа:

  • Изменение величины напряжения питания.
  • Изменение частоты питающего напряжения.

Для регулирования питающего напряжения применяются трансформаторные, автотрансформаторные, тиристорные, симисторные и транзисторные преобразователи. Изменение частоты вращения путем регулирования напряжения имеет ряд серьезных недостатков:

  • Увеличение скольжения и сильный нагрев обмоток статора.
  • Узкий диапазон регулирования.

Кроме того, постоянная составляющая питающего напряжения на выходе тиристорных и симисторных устройств вызовает увеличение шума при работе, рывки и другие нежелательные явления.

Частотное регулирование лишено этих недостатков. Однофазные ПЧ применяются в холодильном оборудовании, системах вентиляции, бытовых насосах.

Такие электроприводы обеспечивают:

  • Стабильную работу однофазного двигателя при любой частоте вращения.
  • Снижение потребления электроэнергии.
  • Возможность автоматической регулировки частоты вращения с обратной связью по изменению одного или нескольких технологических параметров.
  • Удаленное управление и контроль характеристик.
  • Защиту от ненормальных режимов работы и коротких замыканий.
  • Интеллектуальное управление электродвигателем в соответствии с заданным алгоритмом.
  • Возможность пуска без фазосдвигающего элемента.
  • Поддержание необходимого момента на валу во всем диапазоне изменения скорости.

Кроме базовых составляющих, в состав однофазного преобразователя частоты входят ПИД-регулятор, ПЛК-контроллер, устройство для обмена данными с удаленным оборудованием, пульт дистанционного управления. При введении дополнительных настроек допустимо применение трехфазного ПЧ для однофазных двигателей переменного тока.

Таким образом, управление однофазными и трехфазными асинхронными электродвигателями путем изменения частоты значительно превосходит метод регулирования величины напряжения, механические способы.