Асинхронные двигатели с регулятором числа оборотов

Асинхронные двигатели с регулятором числа оборотов

Использование широтно-импульсной модуляции

Для управления и регулировки числа оборотов вращения электродвигателя асинхронного типа можно использовать импульсный регулятор-стабилизатор напряжения (инвертор). Он будет выполнять функцию источника питания. В его основу положено применение импульсного ШИМ-регулятора марки ТL494. Питающее напряжение электродвигателя, выходящее после ШИМ-регулятора, будет изменяться в соответствии с изменением частоты вращения. Используя этот способ, достигается больший экономический эффект, устройство достаточно простое и при этом увеличивает эффективность регулирования.

Что такое регулятор оборотов электродвигателя

Рис № 1. Схема использования ШИМ-регулятора для трехфазного асинхронного двигателя, подключенного через конденсатор к однофазной сети.

Этот способ, несмотря на свою эффективность, имеет два существенных недостатка – это:

• Невозможность реверсивного управления двигателем без использования дополнительных коммутирующих аппаратов.
• Частотные преобразователи, использованные в регуляторе, отличаются высокой стоимостью и выпускаются ограниченным числом производителей.

Блок управления и регулирования скорости вращения электродвигателей изменением фазного напряжения

Существует несколько видов блоков управления, изготовленных промышленным способом, они используются для однофазных асинхронных двигателей, границы регулирования составляют от 25 до 100% от значения мощности, и от 1000 до 4000 об/мин. Это устройства с маркировкой РВС207, РВ600/900.

Работа блока регулировки происходит при изменении средней величины переменного напряжения на электродвигателе. Она производится с помощью метода фазового регулирования напряжения, при изменении угла открытия полупроводниковых приборов (тиристоров, симисторов и т. д.) при использовании которых осуществлена сборка схемы.

Управление блоком осуществляется посредством использования внешнего переменного резистора. В том случае, когда мощность менее 25% двигатель отключается и переходит в дежурный режим ожидания.

Контроль за работой осуществляется при помощи светового индикатора. Отключенное состояние двигателя – изредка мигает красный цвет. Двигатель работает – скважность включения индикатора пропорциональна оборотам вращения (производительности) двигателя.

Что такое регулятор оборотов электродвигателя

Рис №2. Схема подключения блока регулятора РВС 207.

Регулятор скорости асинхронного двигателя

Помимо образцов регуляторов, промышленных образцов регуляторов существует возможность самостоятельного выполнения регуляторов скорости бесколлекторных двигателей, не уступающих промышленным образцам. За основу схемы берется пример регулятора промышленного производства, ее можно собрать своими силами.

Что такое регулятор оборотов электродвигателя

Рис №3. Электрическая схема регулятора скорости вращения бесколлекторного двигателя.

Регулировать количество оборотов вращения вала бесколлекторного асинхронного электродвигателя допускается также при изменении значения переменного напряжения, подаваемого к двигателю.

В состав регулятора входит задающий генератор, он служит для изменения частоты в границах значений 50 – 200 Гц. Генератор состоит из мультивибратора, работа, которого строится на микросхеме К561ЛА7 и счетчика-дешифратора марки К561ИЕ8 с коэффициентом пересчета – 8, она отвечает за формирование сигналов управления силовыми полевыми транзисторами полумоста.

В схеме присутствует выходной трансформатор Т-1. Он служит для развязки транзисторов полумоста.

Выпрямитель включает в свою конструкцию диодный мост и удваивающие напряжение питания – конденсаторы с большой емкостью.

Диодный мост подключен по нетрадиционной схеме. С4 и R7 выполняют роль демпфирующей цепи, она служит для сглаживания всплесков напряжения, которые представляют собой опасность для транзисторов VТ4.

Необходимо помнить, что обе вторичные обмотки должны обладать хорошей изоляцией друг от друга, между обмотками присутствует высокий потенциал, он составляет 640В, они подключаются к затворам транзисторных ключей в противофазе.

Такой регулятор может управлять вращением асинхронного двигателя с максимальным значением рабочей мощности – 500Вт. Чтобы регулятор использовать для регулировки электродвигателей более высокой мощности нужно применить большее количество силовых ключей, а также изменить в сторону увеличения емкость конденсаторов для питающего фильтра, это элементы схемы С3 и С4. Для регулятора достаточно использовать печатную плату размером 110 х 80 мм. Управляющий силовыми транзисторными ключами трансформатор монтируется отдельно от блока регулятора.

Виды, применение и устройство регулятора оборотов коллекторного двигателя

Устройство коллекторных двигателей имеет свои особенности, в частности это относится к такому узлу, как регулятор оборотов коллекторного электродвигателя. Существуют разные системы управления, которые мы рассмотрим ниже.

Варианты систем управления на заводских моделях движков

Реостатные регуляторы оборотов представляют собой систему, состоящую из реостата и сервопривода. С их помощью пассивная нагрузка включается последовательно, а сервопривод механически регулирует сопротивление. После подключения нагрузки излишки электроэнергии преобразуются в тепло. Это самый дешевый и простой вид регулятора, устанавливающийся на маломощных моделях.

К его недостаткам можно отнести:

• Неоправданные тепловые потери, ведущие к снижению ресурса аккумуляторной батареи.
• Часто возникающие потери на движущихся контактах реостата.
• Перегрев конструкции, во избежание которого требуется принудительный отвод тепла.
• Быстрый износ двигателя.

Поэтому реостатные регуляторы чаще используются в «любительских» устройствах (моделях, самодельных станках и т.д.).

Полупроводниковые регуляторы оборотов применяются чаще, так как энергия аккумуляторов используется более экономно. Импульсный характер подачи питания на двигатель позволяет управлять частотой вращения за счет изменения длительности импульсов. На рынке представлены самые разнообразные виды полупроводниковых регуляторов, включая модели с расширенным функционалом (вентилятором и другими приспособлениями).

Также регулировать обороты можно с помощью:

• заводских плат от бытовой техники (пылесосов, миксеров и т.п.);
• ЛАТРов;
• кнопок от электроинструментов;
• бытовых регуляторов освещения.

Однако при их применении могут возникать некоторые неудобства. Снижение оборотов двигателя ведет к резкому падению выдаваемой им мощности, поскольку напряжение питания понижается. Это не сказывается на работе маломощных насосов, вентиляторов и другой подобной техники, но для самодельных станков такая схема не годится.

Тахогенератор является более надежным устройством, так как он не позволяет двигателю терять мощность, даже если частота вращения ротора значительно снижается. Обычно тахогенератор устанавливается на заводских моделях моторов. Его задача – сообщение количества оборотов якоря и передача их на плату управления, которая, в свою очередь, устанавливает количество оборотов на необходимом уровне. Существует много схем регулирования оборотов с помощью тахогенератора.

Малогабаритные коллекторные двигатели различаются по размеру, числу максимальных оборотов, показателю энергопотребления, весу и другим характеристикам, что отражается на подборе системы управления. От типа исполнительного устройства, на котором будет использоваться движок, зависит количество функций, выполняемых регулятором оборотов, и их комбинация.

Дополнительные возможности регуляторов оборотов коллекторных электродвигателей

Часто технические условия эксплуатации мотора требуют наличия у регулятора оборотов дополнительных функций, например:

• Реверс. Если транспортное средство должно иметь задний ход, на двигатель устанавливается регулятор с возможностью переполюсовки. Режим реверса на полных оборотах необходим крайне редко, поэтому обычно мотор работает не на полную мощность.
• Опторазвязка. Эта функция нужна регуляторам, рассчитанным на повышение напряжения. Например, в радиоприемниках питание и силовые цепи разъединяются с помощью гальванической развязки. Таким образом обеспечивается защита чувствительной радиоаппаратуры от импульсных наводок из силовых цепей электродвигателя и регулятора и повышается показатель стабильности ее работы.
• Тормоз. Многие механизмы должны не только быстро набирать обороты, но и моментально останавливаться. Торможение бывает «жестким» и «мягким». В первом случае регулятор закорачивает обмотку двигателя единовременно, во втором – в импульсном режиме, благодаря чему обороты снижаются плавно.
• ВЕС-система. Она подходит для механизмов с низковольтным питанием. Будучи встроенной в цепь вторичного питания, система обеспечивает подачу энергии на сервопривод и платы радиоуправления с одной батареи, и необходимость установки добавочной батареи отпадает.

Виды коллекторных электродвигателей

Выбор устройства регулятора оборотов коллекторного двигателя зависит от модели мотора, ваших финансовых возможностей, типа исполнительного механизма и других нюансов. Сейчас промышленность выпускает коллекторные двигатели постоянного и переменного тока со следующими принципами возбуждения:

• параллельным;
• последовательным;
• смешанным.

При этом движки переменного тока бывают только с последовательным или параллельным возбуждением. Они работают следующим образом:

• Электромагнитное поле возникает вследствие прохождения электрического тока через коммутированные обмотки ротора и статора.
• Это поле приводит ротор в движение.
• Передача тока на обмотки ротора осуществляется с помощью щеток, изготовленных из графита либо из смеси меди и графита.

Реверсирование двигателя достигается путем изменения направления течения тока в роторе или статоре (во избежание перемагничивания сердечников направление обычно изменяется в роторе). Если изменить направление тока в обеих катушках, направление вращения мотора остается прежним.

Одной из причин популярности движков переменного тока является их способность работать и от переменного, и от постоянного тока. К тому же они отличаются простотой управления и изготовления.

Устройства этого типа устанавливаются на электроинструментах, бытовых приборах, легкомоторных моделях и транспортных средствах с малогабаритными двигателями. Такой недостаток, как ограниченный заряд аккумулятора, компенсируется малым потреблением электроэнергии, многофункциональностью и небольшими габаритами.

UX-52 – Китайский регулятор оборотов. Обзор, тестирование, доработка.

Выписал данный регулятр с Али для своего коллекторного двигателя от стиральной машины (510 W при 15000 об/мин):

По возможности полностью попытался разобраться с этим девайсом. По обзору в интернете народ в основном себе выписывает и использует вот такой регулятор:

Мой отличается от них не только ценой (мой 1004 руб. против 697 руб. в апреле 2019 г. на Али с бесплатной доставкой) но и наличием встроенного электронного тахометра с цифровым дисплеем. Внимательно изучив эту железяку пришел к выводу, что она предназначена изначально для регулировки оборотов асинхронного двигателя о чем и свидетельствует схема подключения на корпусе.
До сих пор я не сталкивался с тем, что регулировать обороты асинхронного двигателя можно не только частотником но и в принципе вот таким регулятором. С трудом нашел в интернете фото асинхронного движка с таходатчиком и видео, где человек подключает асинхронный электродвигатель с немыслимыми для меня и асинхронного электродвигателя 17500 об/мин. и таходатчиком на нем. yandex.ru/video/search?fi…%8C&noreask=1&path=wizard

Видимо для таких специальных электродвигателей к стиральным машинам изначально и был изготовлен регулятор UX-52. Потому как на мой взгляд нельзя регулировать обороты у классического асинхронного электродвигателя напряжением без последствий для него. Ну а для коллекторного регулировка этим UX-52 да и US-52 будет в самый раз.
Так как в наличии у меня такого движка нет провел опыт с подобным движком но без таходатчика.
Работает зараза, но даже с небольшим напряжением на входе двигатель набирает свои обороты, мощность при этом маленькая – можно остановить за шкив.
Уверенность в том что регулятор предназначен для асинхронных электродвигателей укрепилась также и в том, что встроенный конденсатор 12Мкф 470V как раз и нужен только для работы асинхронника. Да и схема подключения на самом регуляторе нарисована для работы асинхронного электродвигателя.
Встроенный тахометр рассчитан на максимальное число оборотов 5000, если поднимаешь выше то несет ерунду. Произвел замеры разных параметров данного регулятора при помощи моего коллекторного электродвигателя на холостом ходу и под нагрузкой – прижимал шкив дощечкой товодя потребляемый ток до 3А. Замерял обороты этим механическим прибором (погрешность 1%) и я ему верю:

Выводы: не стоит переплачивать за UX-52 так как встроенный цифровой тахометр показывает примерно в 1,5 раза меньше реальных оборотов. Вполне сойдет и US-52 без этой приблуды. Результаты испытаний и схемы:

Теперь о переделке регулятора для своего электродвигателя. Установленный в данном регуляторе динистор ВТ137 600Е на 8 ампер на явно маловатый радиатор долго не протянет и я выбросив громоздкий конденсатор на 12 Мкф изготовил самопальный радиатор и через пасту КПТ-8 закрепил на его месте на пластиковых стойках – корпус данного динистора с сетью не развязан.

Способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей

Достаточно часто режим работы вспомогательного механизированного оборудования требует понижения штатных частот вращения. Добиться такого эффекта позволяет регулировка оборотов асинхронного двигателя. Как это сделать своими руками (расчет и сборку), используя стандартные схемы управления или самодельные устройства, попробуем разобраться далее.

Что такое асинхронный двигатель?

Электродвигатели переменного тока нашли довольно широкое применение в различных сферах нашей жизнедеятельности, в подъемно транспортном, обрабатывающем, измерительном оборудовании. Они используются для превращения электрической энергии, которая поступает от сети, в механическую энергию вращающегося вала. Чаще всего используются именно асинхронные преобразователи переменного тока. В них частота вращения ротора и статора отличаются. Между этими активными элементами обеспечивается конструктивный воздушный зазор.

И статор, и ротор имеют жесткий сердечник из электротехнической стали (наборного типа, из пластин), выступающий в роли магнитопровода, а также обмотку, которая укладывается в конструктивные пазы сердечника. Именно способ организации или укладки обмотки ротора является ключевым критерием классификации этих машин.

Двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР)

Здесь используется обмотка в виде алюминиевых, медных или латунных стержней, которые вставляются в пазы сердечника и с обеих сторон замыкаются дисками (кольцами). Тип соединения этих элементов зависит от мощности двигателя: для малых значений используют метод совместной отливки дисков и стержней, а для больших – раздельное изготовление с последующей сваркой между собой. Обмотка статора подключается с использованием схем «треугольника» или «звезды».

Двигатели с фазным ротором

К сети подключается трехфазная обмотка ротора, посредством контактных колец на основном валу и щеток. За основу принимается схема «звезда». На рисунке внизу представлена типичная конструкция такого двигателя.

Принцип работы и число оборотов асинхронных двигателей

Данный вопрос рассмотрим на примере АДКР, как наиболее распространенного типа электродвигателей подъемно-транспортном и обрабатывающем оборудовании. Напряжение от сети подается на обмотку статора, каждая из трех фаз которой смещена геометрически на 120°. После подачи напряжения возникает магнитное поле, создающее путем индукции ЭДС и ток в обмотках ротора. Последнее вызывает электромагнитные силы, заставляющие ротор вращаться. Еще одна причина, по которой все это происходит, а именно, возникает ЭДС, является разность оборотов статора и ротора.

Одной из ключевых характеристик любого АДКР является частота вращения, расчет которой можно вести по следующей зависимости:

n = 60f / p, об/мин

где f – частота сетевого напряжения, Гц, р – число полюсных пар статора.

Все технические характеристики указываются на металлической табличке, закрепленной на корпусе. Но если она отсутствует по какой-то причине, то определить число оборотов нужно вручную по косвенным показателям. Как правило, используется три основных метода:

• Расчет количества катушек. Полученное значение сопоставляется с действующими нормами для напряжения 220 и 380В (см. табл. ниже),

• Расчет оборотов с учетом диаметрального шага обмотки. Для определения используется формула вида:

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

Стандартные значения оборотов:

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

2p = 0,35Z1b / h или 2p = 0,5Di / h,

где 2p – число полюсов, Z1 – количество пазов в статоре, b – ширина зубца, см, h – высота спинки, см, Di – внутренний диаметр, образованный зубцами сердечника, см.

После этого по полученным данным и магнитной индукции нужно определить количество витков, которое сверяется с паспортными данными двигателей.

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).

Типичные схемы регуляторов оборотов

На рынке сегодня есть широкий выбор регуляторов и частотных преобразователей для асинхронных двигателей. Тем не менее, для бытовых нужд подъемного или обрабатывающего оборудования вполне можно сделать расчет и сборку на микросхеме самодельного прибора на базе тиристоров или мощных транзисторов.

Ниже представлен пример схемы достаточно мощного регулятора для асинхронного двигателя. За счет чего можно добиться плавного контроля параметров его работы, снижения энергопотребления до 50%, расходов на техническое обслуживание.

Данная схема является сложной. Для бытовых нужд ее можно значительно упростить, используя в качестве рабочего элемента симистор, например, ВТ138-600. В этом случае схема будет выглядеть следующим образом:

Обороты электродвигателя будут регулироваться за счет потенциометра, который определяет фазу входного импульса, открывающего симистор.

Как можно судить из информации, представленной выше, от оборотов асинхронного двигателя зависят не только параметры его работы, но и эффективность функционирования питаемого подъемного или обрабатывающего оборудования. В торговой сети сегодня можно приобрести самые разнообразные регуляторы, но также можно совершить расчет и собрать эффективное устройство своими руками.