Преобразователь частоты для однофазного двигателя

Преобразователь частоты для однофазного двигателя

Однофазные двигатели – тип электрических машин переменного тока. Принцип их действия тот же, что у трехфазных электродвигателей, отличие в том, что питание обмотки от 1 фазы создает пульсирующее магнитное поле. Для пуска однофазных электрических машин требуется дополнительный фазосдвигающий элемент.

Мощность и момент таких двигателей ниже трехфазных аналогов с такими же массо-габаритными характеристиками, сфера применения однфазных приводов:

• Насосные установки небольшой производительности.
• Стиральные машины и другая бытовая техника.
• Электроинструменты и станки.
• Маломощные вентиляторы и компрессоры.
• Другое бытовое и профессиональное оборудование.

В сравнении с трехфазными, однофазные двигатели имеют меньший КПД, сильнее нагреваются и шумят при работе, их применяют при отсутствии 3-фазной сети или в условиях, где нецелесообразно использование трехфазных электрических машин.

Виды однофазных двигателей

Двигатели на 1 фазу различают по способу старта: с конденсаторным пуском и работой через обмотку (CSIR), со стартом через пусковой емкостной элемент и работой через конденсатор (CSCR). Существуют еще 2 вида однофазных электродвигателей: с реостатным пуском (RSIR) и с постоянным разделением емкости (PSC).

Схема двигателей с пусковым конденсатором и 2 обмотками выглядит таким образом:

Емкостной элемент последовательно подключен к пусковой обмотке и вызывает сдвиг фаз между ней и главной обмоткой. Это обеспечивает появление вращающегося магнитного поля и старт двигателя. После разгона конденсатор отключают.

Пусковой момент электродвигателей с конденсаторным пуском и работой через обмотку (CSIR) составляет до 250% от номинального, такие электрические машины допускают старт под нагрузкой и применяют в компрессорах холодильников, в приводе конвейеров.

Двигатели с пусковой и рабочей емкостью (CSCR ) также имеют значительный момент при старте. Благодаря постоянно включенному рабочему конденсатору, обеспечивается постоянный сдвиг фаз между обмотками. За счет этого существенно уменьшается нагрев при длительной работе. Область CSCR двигателей – бытовые насосы, оборудование, рассчитанное на длительный режим работы и высокую нагрузку.

Двигатели RSIR запускаются через пусковую обмотку с большим сопротивлением, обеспечивающую некоторый сдвиг фаз. После разгона коммутирующее устройство отключает ее. Электродвигатели с разделенными обмотками дешевле конденсаторных, однако высокий пусковой ток, небольшой стартовый момент, значительный нагрев ограничивает их применение. Двигатели используют в приводе оборудования, рассчитанного на непродолжительную работу и пуск без нагрузки.

Двигатели с постоянно работающим конденсатором (PSC) приспособлены к длительной работе. Такие электрические машины обладают самым высоким коэффициентом мощности КПД среди однофазных двигателей. Пусковые токи также не велики. К недостаткам двигателей PSC относится небольшой пусковой момент. Область их применения – приводы оборудования с низкоинерционной нагрузкой.

Управление скоростью однофазных двигателей

Существуют несколько способов управления однофазными двигателями. Наибольшее распространение получили методы изменения скорости величиной и частотой напряжения. Регулирование напряжением имеет свои недостатки:

• Избыточный нагрев обмоток из-за повышения скольжения.
• Потеря жесткости механических характеристик на низких скоростях.

Изменение частоты вращения вала возможно в отношении 2:1 к номинальной скорости в сторону снижения. Несмотря на это, регулирование напряжения часто применяют для маломощных электрических машин бытовых приводов.

Самая простая схема – автотрансформаторная. Такой способ позволяет реализовать 2-5 ступенчатое управление скоростью однофазного электропривода.

Автотрансформатор Т1 имеет несколько выводов, соответствующих значению напряжения для каждой скорости двигателя М1. Переключение осуществляется коммутационным аппаратом SW1. К преимуществам схемы относятся возможность выдерживать перегрузки по току и отсутствие искажения формы питающего напряжения. К недостаткам относятся значительные габариты и масса автотрансформатора, а также другие минусы управления напряжением.

Схемы на базе электронных регуляторов напряжения также широко применяют в однофазных приводах небольшой мощности.

Управление осуществляется формированием необходимой величины напряжения путем регулирования момента открытия и закрытия тиристоров. В результате получается напряжение «резанной» формы. Это вызывает дополнительный нагрев, треск, рывки и повышенный шум, увеличение уровня электромагнитных помех. Управление электронными регуляторами напряжения не подходит при длительной работе на низкой скорости, при высоких требованиях ЭМС.

Для частотного управления применяют преобразователи частоты или ПЧ. Для изменения скорости однофазного электродвигателя применяют 2 схемы: одно- или трехфазный ШИМ-инвертор. Первая работает следующим образом: переменное напряжение преобразуется в постоянное, фильтруется на конденсаторе.

Далее преобразуется обратно в переменное на транзисторном инвертере. Широта и скорость отпирающих и запирающих полупроводниковые элементы импульсов подобрана таким образом, чтобы на выходе силовой схемы получалось напряжение заданной частоты.

Частотная регулировка скорости может осуществляется вверх и вниз от номинальной. При этом форма напряжения на выходе инвертора близка и синусоидальной.

К недостаткам однофазного частотного управления относится относительно высокая стоимость преобразователя, невозможность реверсирования без внешней аппаратуры.

Для изменения скорости двигателя в широком диапазоне, применяют специализированные преобразователи частоты на базе 3-фазного ШИМ-инвертора.

Принцип работы устройства аналогичен однофазному аналогу. Схема позволяет осуществлять изменения скорости вращения двигателя в любую сторону в значительном диапазоне и реверсировать двигатель изменением порядка коммутаций транзисторов.

При этом не нужно применять дополнительные электроаппараты.

Рассмотрим подробнее особенности преобразователей частоты для однофазных двигателей, преимущества и недостатки устройств.

Особенности и преимущества частотного управления однофазными двигателями

Частотное управление однофазными электродвигателями лишено недостатков регулирования величиной напряжение. Преобразователи частоты позволяют:

• Изменять скорость выше и ниже от номинальной.
• Осуществлять плавную регулировку.
• Избежать потери жесткости механических характеристик.
• Существенно увеличить диапазон регулирования.

Еще одно достоинство частотных преобразователей для однофазных двигателей на базе схемы двойного преобразования с ШИМ-инвертором – сохранение синусоидальной формы питающего напряжения. Двигатель не испытывает негативного влияния постоянной составляющей, вызывающий нагрев и шум, уровень электромагнитных помех также существенно ниже, чем при использовании электронных регуляторов напряжения.

Современный преобразователь частоты может не только регулировать скорость вращения и момент. Оборудование:

• Выполняет функции автоматического регулирования по ПИ или ПИД закону. Преобразователи частоты содержат контроллер или процессор, который позволяет обрабатывать сигналы обратной связи от датчиков и реализовать управление по заданным алгоритмам.
• Заменяют схемы защиты электродвигателя. Преобразователи частоты отключают двигатель при перегрузках, коротких замыканиях, снижении или увеличении напряжения до недопустимых значений. Возможно также отключение привода по сигналу датчиков технологических параметров.
• Позволяют снизить нагрев и шум при работе однофазного двигателя, улучшить характеристики и облегчить пуск. Частотное управление позволяет частично сгладить недостатки работы электрических машин при пульсирующем магнитом поле, уменьшить ток при пуске, обеспечить необходимый момент на валу и избежать перегрева при длительной работе.

Применение преобразователей частоты позволяет значительно снизить потребляемую мощность при недозагрузке двигателей. В вентиляционных системах экономия может составлять до 70%.

Как выбрать однофазный преобразователь частоты

Преобразователь частоты выбирают при проектировании привода. В случае с однофазным двигателем, прежде всего, необходимо убедиться, что он совместим с оборудованием. Большинство частотных преобразователей на 220 В выполнены по схеме 3-фазного ШИМ-инвертора, такие устройства могут осуществлять управление конденсаторным двигателем по скалярному алгоритму. В таких случаях для улучшения электромагнитной совместимости требуется установка моторного дросселя. При подключении таких преобразователей к двигателям с разделенными обмотками с разным сопротивлением будет срабатывать защита от асимметрии фаз. В таких случаях необходим частотник на базе 1-фазного инвертора. Для изменения направления вращения таких приводов перед преобразователем устанавливают реверсивный магнитный пускатель.

Перед выбором нужно ознакомиться с документами на двигатель, чтобы определить, подходит ли он для подключения к ПЧ без внесений изменений в конструкцию.

Далее подбирают номинальный ток или мощность. Производители рекомендует делать выбор с запасом 20% для преобразователей частоты. При пуске под нагрузкой или высоком пусковом токе требуется выбрать мощность ПЧ на 1 или 2 ступени больше.

Затем выбирают интервал регулирования скорости или момента. Диапазон частот выходного напряжения и величины тока должен отвечать назначению электропривода.

Для однофазных двигателей исполнительных механизмов, другого оборудования, работающего в составе систем автоматизации и контроля, требующего наличия специальных функций нужно предусмотреть наличие нужных опций преобразователей.

Стандартные возможности ПЧ:

• Настройка времени разгона и торможения для электроприводов различного назначения.
• Конфигурируемые унифицированные аналоговые/импульсные/релейные входы и выходы для связи с датчиками или другим оборудованием.
• Функции PLC, ПИ-, ПИД-регулятора для автоматического управления по заданным законам или в соответствии с записанной программой.
• Поддержка протоколов цифровой связи для отправки и приема данных о рабочих параметрах, неисправностях, другой информации, дистанционного изменения настроек с удаленной панели оператора, ПК или другого устройства верхнего уровня.
• Функции защиты от перегрузок, пониженного или повышенного напряжения, других аномальных режимов и аварий.

Далее подбирают характеристики ПЧ в соответствии с условиями эксплуатации и ЭМС. Степень защиты корпуса от пыли и влаги должны отвечать окружающей среде. При этом также учитывают наличие встроенного вентилятора для принудительного охлаждения. Искажение тока и напряжение привода должны отвечать требованиям к электромагнитной совместимости. При необходимости нужно использовать входные и выходные фильтры гармоник и радиопомех.

Применение преобразователей частоты для однофазных двигателей не менее эффективно чем для трехфазных. Частотники позволяют намного расширяют технические возможности электропривода, экономят электроэнергию, снижают вероятность аварий.

Как определить обороты электродвигателя? Инструкция, формулы и таблицы расчета. Определяем мощность и частоту оборотов в домашних условиях

При покупке электродвигателя с рук рассчитывать на наличие технической документации к нему не приходится. Тогда встает вопрос о том, как узнать количество оборотов приобретаемого устройства. Можно довериться словам продавца, однако добросовестность не всегда является их отличительной чертой.

Тогда возникает проблема с определением числа оборотов. Решить ее можно, зная некоторые тонкости устройства мотора. Об этом и пойдет речь дальше.

Краткое содержимое статьи:

Определяем обороты

Существует несколько способов измерения оборотов электродвигателя. Самый надежный заключается в использовании тахометра – устройства, предназначенного именно для этих целей. Однако такой прибор есть не у каждого человека, тем более, если он не занимается электрическими моторами профессионально. Поэтому существует несколько иных вариантов, позволяющих справиться с задачей «на глаз».

Первый подразумевает снятие одной из крышек двигателя с целью обнаружения катушки обмотки. Последних может быть несколько. Выбирается та, которая более доступна и расположена в зоне видимости. Главное, во время работы не допустить нарушения целостности устройства.

Когда катушка открылась взору, необходимо ее внимательно осмотреть и постараться сравнить размер с кольцом статора. Последний является неподвижным элементом электродвигателя, а ротор, находясь внутри него, осуществляет вращение.

Когда кольцо наполовину закрыто катушкой, число оборотов за минуту достигает 3000. Если закрывается третья часть кольца – число оборотов составляет примерно 1500. При четверти – число оборотов равно 1000.

Второй способ связан с обмотками внутри статора. Считается количество пазов, которые занимает одна секция какой-либо катушки. Пазы расположены на сердечнике, их число свидетельствует о количестве пар полюсов. 3000 оборотов в минуту будет при наличии двух пар полюсов, при четырех – 1500 оборотов, при шести – 1000.

Ответом на вопрос о том, от чего зависит количество оборотов электродвигателя, будет утверждение: от числа пар полюсов, причем это обратно пропорциональная зависимость.

На корпусе любого заводского двигателя имеется металлическая бирка, на которой указаны все характеристики. На практике такая бирка может отсутствовать или стереться, что немного усложняет задачу определения числа оборотов.

Корректируем обороты

Работа с разнообразным электрическим инструментом и оборудованием в быту или на производстве непременно ставит вопрос о том, как регулировать обороты электродвигателя. Например, становится необходимым изменить скорость передвижения деталей в станке или по конвейеру, скорректировать производительность насосов, уменьшить или увеличить расход воздуха в вентиляционных системах.

Осуществлять указанные процедуры за счет понижения напряжения практически бессмысленно, обороты будут резко падать, существенно снизится мощность устройства. Поэтому используются специальные устройства, позволяющие корректировать обороты двигателя. Рассмотрим их более подробно.

Частотные преобразователи выступают в качестве надежных устройств, способных кардинальным образом менять частоту тока и форму сигнала. Их основу составляют полупроводниковые триоды (транзисторы) высокой мощности и модулятор импульсов.

Микроконтроллер управляет всем процессом работы преобразователя. Благодаря такому подходу появляется возможность добиться плавного повышения оборотов двигателя, что крайне важно в механизмах с большой нагрузкой. Медленный разгон снижает нагрузки, положительно сказываясь на сроке службы производственного и бытового оборудования.

Все преобразователи оснащаются защитой, имеющей несколько степеней. Часть моделей работает за счет однофазного напряжения в 220 В. Возникает вопрос, можно ли сделать так, чтобы трехфазный мотор вращался благодаря одной фазе? Ответ окажется положительным при соблюдении одного условия.

При подаче однофазного напряжения на обмотку требуется осуществить «толчок» ротора, поскольку сам он не сдвинется с места. Для этого нужен пусковой конденсатор. После начала вращения двигателя оставшиеся обмотки будут давать недостающее напряжение.

Существенным минусом такой схемы считается сильный перекос фаз. Однако он легко компенсируется включением в схему автотрансформатора. В целом, это довольно сложная схема. Преимущество же частотного преобразователя заключается в возможности подключения моторов асинхронного типа без применения сложных схем.

Что дает преобразователь?

Необходимость использования регулятора оборотов электродвигателя в случае асинхронных моделей состоит в следующем:

Достигается значительная экономия электрической энергии. Поскольку не всякое оборудование требует высоких скоростей вращения моторного вала, ее имеет смысл снизить на четверть.

Обеспечивается надежная защита всех механизмов. Преобразователь частоты позволяет контролировать не только температуру, но и давление и прочие параметры системы. Этот факт особенно важен, если при помощи двигателя приводится в действие насос.

Датчик давления устанавливается в емкости, посылает сигнал при достижении должного уровня, благодаря чему мотор останавливается.

Совершается плавный пуск. Благодаря регулятору снимается необходимость использования дополнительных электронных устройств. Частотный преобразователь легко настроить и получить желаемый эффект.

Снижаются расходы на техническое обслуживание, поскольку регулятор сводит к минимуму риски поломки привода и других механизмов.

Таким образом электродвигатели с регулятором оборотов оказываются надежными устройствами с широкой сферой применения.

Важно помнить, что эксплуатация любого оборудования на основе электрического мотора только тогда окажется правильной и безопасной, когда параметр частоты вращения будет адекватен условиям использования.

Однофазный двигатель

Однофа́зный дви́гатель — электродвигатель, конструктивно предназначенный для подключения к однофазной сети переменного тока.

Фактически является двухфазным, но вследствие того, что рабочей является только одна обмотка, двигатель называют однофазным.

Содержание

Однофазный асинхронный двигатель [ править | править код ]

Строго говоря, именно однофазным называется такой асинхронный двигатель, который имеет на статоре одну рабочую обмотку, которая подключается к сети однофазного тока. Запуск осуществляется вращающимся магнитным полем, создающимся основной обмоткой и дополнительной (меньшей) пусковой обмоткой, которая подключается через ёмкость/индуктивность к основной сети на время пуска или замыкается накоротко (в двигателях малой мощности).

Преимуществом двигателя является простота конструкции (короткозамкнутый ротор). Недостатки — малый пусковой момент (или вообще его отсутствие) и низкий КПД.

Применяются в основном в вентиляторах малой мощности (настольных, оконных, для ванных комнат и т. п.). Самым массовым советским вентилятором такого типа (и двигателем для него) был «ВН-2» мощностью 15 Ватт. Особенностью его конструкции является установка шарикового подшипника только с одной стороны вала двигателя (противоположной крыльчатке вентилятора), в результате из-за значительных изгибающих нагрузок подшипник (и двигатель) сильно шумит даже на малых оборотах.

Принцип работы двигателя [ править | править код ]

Однофазный ток статора электродвигателя создает пульсирующее магнитное поле, которое можно разложить на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой частотой. При неподвижном роторе эти поля создают одинаковые по величине, но разные по знаку моменты. Поэтому при пуске результирующий момент двигателя, не имеющего специальных пусковых приспособлений, равен нулю, и двигатель не может начать вращаться. Однако если ротор привести во вращение в ту или иную сторону, то один из моментов будет преобладать и вал двигателя будет продолжать вращаться в сторону начального вращения [1] .

Для создания пускового момента может использоваться пусковая обмотка, подключаемая на короткое время при запуске двигателя [2] . Для создания вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы магнитный поток через пусковую обмотку был сдвинут по фазе относительно рабочей. Для этого может применяться конденсатор (именно для пусковой обмотки используется редко из-за значительных габаритов конденсатора), либо комбинация из индуктивности и активного сопротивления самой пусковой обмотки. Так как обмотка подключается на короткое время, потери, и следовательно, нагрев пусковой обмотки не имеет большого значения.

Другой способ создания пускового момента — использование экранированных полюсов [2] . В таком двигателе полюса расщепляются и на часть наконечников надевается короткозамкнутая обмотка — экран. Такие двигатели имеют низкий КПД и пусковой момент, потому используются только в маломощных приборах.

Многофазные двигатели в однофазной сети [ править | править код ]

Не вполне корректно однофазными двигателями также называют конструктивно двух- и трёхфазные асинхронные электродвигатели, подключаемые через схемы согласования в однофазную сеть (конденсаторные двигатели).

Двухфазный двигатель, как правило, проектируется именно в расчёте на работу в однофазной сети (как конденсаторный двигатель). Обе его обмотки (фазы двигателя) являются рабочими и включены постоянно — одна непосредственно в сеть, вторая — через фазосдвигающую цепь (как правило, конденсаторы). Он имеет лучшие эксплуатационные параметры из всех типов асинхронных двигателей при работе в однофазной сети. Широко применялся в активаторных стиральных машинах советского времени.

Трехфазный асинхронный электродвигатель также может работать в однофазной сети с потерей мощности. При этом для запуска необходима фазосдвигающая цепь, которая обычно строится или из ёмкости или из индуктивности:

Частотный регулятор оборотов для асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели нашли широкое применение в сельском хозяйстве в различных станках, системах вентиляции, насосах: как показывает практика, во всех бытовых приборах, где необходимо регулировать скорость вращения. С этими задачами успешно может справиться частотный регулятор для асинхронного двигателя. Такие устройства имеют свою специфику и отличия друг от друга.

Функции и варианты регулировки

Несколько лет назад для изменения частоты оборотов использовались реле и простейшие выключатели, с помощью которых можно было только запустить двигатель без плавного пуска и увеличить обороты на максимум. Но это было не совсем удобно. Например, вентилятор, который стоит в вытяжке, работал на максимальных оборотах, а если в вытяжке не было нужды, то его просто отключали. Сейчас же появилась возможность регулировки оборотов с помощью частотного регулятора, и обороты вентилятора можно изменять в зависимости от потребности.

При помощи регуляторов возможно понизить негативные воздействия, что продлит срок службы двигателя, а также значительно сэкономит потребляемую электроэнергию и снизит шумы, которые проявляется на максимальных оборотах. Это высоко ценится в вытяжках кухни и ванной комнате.

Существует несколько видов регулирования оборотов как асинхронного, так и коллекторного типа:

• Регулировка при помощи подачи повышенного или пониженного напряжения, в основу которой входят трансформаторы и блок питания с регулировкой выходного напряжения.
• При помощи переключения обмотки.
• Регулировка тока, изменяя частоту.
• Использование электронного коммутатора.

Что касается первого пункта, это довольно бюджетный тип регулировки, с помощью которой можно плавно или ступенчато регулировать скорость вращения вала. Одним из лучших вариантов является частотная регулировка оборотов, позволяющая регулировать скорость в довольно широком диапазоне.

Разновидности регуляторов

Существует большое количество регуляторов для однофазных и трехфазных двигателей. У тех и других есть свои достоинства и недостатки:

• Тиристорные.
• Симисторные.
• Частотные преобразователи.

Регуляторы, собранные на базе тиристоров – довольно неплохой выбор. Они содержат различные виды защиты: от перегрева, перепадов напряжения. К достоинствам этого типа регуляторов можно отнести сравнительно невысокую цену, а также малый вес и размеры. Но существуют и недостатки, в число которых входят треск, шум и рывки при запуске.

Симисторные устройства более универсальны по сравнению с тиристорными. Они позволяют управлять скоростью сразу нескольких двигателей, поддерживают работу как с постоянным током, так и с переменным, шумовые проявления сведены к минимуму. Симисторный регулятор считается одним из наиболее приемлемых по цене и качеству.

Частотный регулятор используется для изменения выходного напряжения от 0 до 500В. Чем выше напряжение на выходе, тем выше число оборотов. Такой тип регулировки используется для трехфазных двигателей, напряжения которых составляет 380 вольт – например, в системах кондиционирования, вентиляторах проветривания.

Если мощность моторов велика, от 100 и до 500 кВт, то используется трансформаторный тип. Благодаря такой регулировке возможен плавный пуск электродвигателя и ступенчатое изменение скорости вращения вала, а также управление сразу несколькими мощными устройствами в автоматическом режиме.

Частотный регулятор появился не так давно. Поскольку в основу этого устройства входили дорогостоящие силовые транзисторы и модули высокого напряжения, из-за этого цена была необоснованно завышена. Но благодаря новейшим разработкам цена значительно снизилась, что дало возможность приобретать устройство без проблем.

Спустя некоторое время прилавки в магазинах были заполнены сварочными аппаратами инверторного типа, кондиционерами и частотными преобразователями.

В данный момент регуляторы скорости вращения асинхронного электродвигателя пользуются довольно высоким спросом. Пожалуй, это самый лучший вариант для регулировки оборотов асинхронного двигателя.

Частотники, собранные на базе мощных полупроводниковых транзисторов, оказывают непосредственное влияние на скорость вращения.

Но существует один нюанс: при уменьшении частоты падает и перегрузочная способность, что ведет к снижению напряжения. Поэтому на частотный регулятор необходимо подавать повышенное напряжение. При этом все зависит от конструктивных особенностей. Если регулировку нужно выполнить на электромоторе, на вал которого действует непостоянная механическая нагрузка, при уменьшении частоты напряжение будет увеличиваться.

Если необходимо произвести регулировку на электродвигателе с постоянной мощностью, увеличение напряжения производится пропорционально квадратному корню падения частоты. Частотный преобразователь является оптимальным выбором для регулировки скорости асинхронного двигателя.

Однофазные преобразователи

Существуют частотные преобразователи для регулировки частоты вращения однофазного двигателя. В наше время этот тип преобразователей используется крайне редко. Их производством занимается фирма INVERTEK DRIVERS. Производитель выпустил специальную модель Optidrive E2. Для запуска и регулировки частоты вращения асинхронного двигателя используется специальный алгоритм. В этом устройстве возможна регулировка частоты в сторону ее увеличение, но в ограниченном диапазоне. В выходных каскадах используются мостовая схема подключения и четыре мощных IGBT транзистора.

Цена из-за ограниченного товарооборота довольно высока, но устройство стоит того, потому что имеет неоспоримые преимущества. К ним относятся: интеллектуальное управление, двигатель работает стабильно, без рывков и резкого старта.

Имеется возможность подключить датчики (температуры, скорости, коммуникации с устройством), что позволяет просматривать различную информацию о работе двигателя.

Для продления работы асинхронного двигателя рекомендуется использовать частотные регуляторы, которые не только продлят срок службы электродвигателя, но и защитят его от перегрева.