Частотные преобразователи для однофазных асинхронных двигателей

Частотные преобразователи для однофазных асинхронных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки – рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

  • изменения расхода воздуха в системе вентиляции
  • регулирования производительности насосов
  • изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

  • изменение напряжения питания двигателя
  • изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя – разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n1 скорость вращения магнитного поля

n2 – скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения – из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз – то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор – это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

      • неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
      • хорошая перегрузочная способность трансформатора

      Недостатки:

          • большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
          • все недостатки присущие регулировке напряжением

          Тиристорный регулятор оборотов двигателя

          В данной схеме используются ключи – два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

          Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно "отрезается" кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

          Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

          Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки – ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

          Ещё один способ регулирования – пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно – шумы и рывки при работе.

          Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

          • устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
          • добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
          • ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения – для гарантированного старта двигателя
          • используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

          Достоинства тиристорных регуляторов:

          Недостатки:

              • можно использовать для двигателей небольшой мощности
              • при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
              • при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
              • все недостатки регулирования напряжением

              Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

              Транзисторный регулятор напряжения

              Как называет его сам производитель – электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

              Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы – полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

              Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

              Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

              Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы – диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

              Плюсы электронного автотрансформатора:

                    • Небольшие габариты и масса прибора
                    • Невысокая стоимость
                    • Чистая, неискажённая форма выходного тока
                    • Отсутствует гул на низких оборотах
                    • Управление сигналом 0-10 Вольт

                    Слабые стороны:

                          • Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
                          • Все недостатки регулировки напряжением

                          Частотное регулирование

                          Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина – не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

                          Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие – массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

                          На данный момент частотное преобразование – основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

                          Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

                          Читайте также:  Мастера резчики по дереву

                          Однофазные двигатели могут управляться:

                          • специализированными однофазными ПЧ
                          • трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

                          Преобразователи для однофазных двигателей

                          В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей – INVERTEK DRIVES.

                          Это модель Optidrive E2

                          Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

                          При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

                          f – частота тока

                          С – ёмкость конденсатора

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

                          Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя – в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

                          Преимущества специализированного частотного преобразователя:

                                • интеллектуальное управление двигателем
                                • стабильно устойчивая работа двигателя
                                • огромные возможности современных ПЧ:
                                • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
                                • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
                                • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
                                • различные выходы
                                • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
                                • предустановленные скорости
                                • ПИД-регулятор

                                Минусы использования однофазного ПЧ:

                                Использование ЧП для трёхфазных двигателей

                                Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

                                Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

                                Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого – магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

                                В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

                                При работе без конденсатора это приведёт к:

                                • более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
                                • разному току в обмотках

                                Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

                                Преимущества:

                                        • более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
                                        • огромный выбор по мощности и производителям
                                        • более широкий диапазон регулирования частоты
                                        • все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

                                        Недостатки метода:

                                                • необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
                                                • пульсирующий и пониженный момент
                                                • повышенный нагрев
                                                • отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями

                                                Частотное управление электроприводами активно развивается и все чаще можно услышать о новом методе управления, или улучшенном частотнике, или о внедрении частотного электропривода в какой-то сфере, где ранее никто и подумать не мог что это возможно. Но это факт!

                                                Если мы внимательно рассмотрим электродвигатели, к которым применяют частотное регулирование – то это асинхронные или синхронные трехфазные двигатели. Существует несколько разновидностей преобразователей частоты. Но ведь есть и однофазные асинхронные машины, почему прогресс не касается их? Почему частотное управление не применяют так активно к однофазным машинам? Давайте рассмотрим.
                                                Содержание:

                                                Принцип работы однофазной асинхронной машины

                                                При однофазном питании асинхронника в нем вместо вращающегося магнитного поля возникает пульсирующее, которое можно разложить на два магнитных поля, которые будут вращаться в разные стороны с одинаковой частотой и амплитудой. При остановленном роторе электродвигателя данные поля создадут моменты одинаковой величины, но различного знака. В итоге результирующий пусковой момент будет равен нулю, что не позволит двигателю запустится. По своим свойствам однофазный электродвигатель похож на трехфазный, который работает при сильном искажении симметрии напряжений:

                                                на рисунке а) показана схема асинхронной однофазной машины, а на б) векторная диаграмма

                                                Основные виды однофазных электроприводов

                                                Как упоминалось однофазный двигатель не может развивать пусковой момент, следствием чего становится невозможность его самостоятельного запуска. Для этого придумали несколько способов компенсации магнитного поля противоположного по знаку основному.

                                                Двигатели с пусковой обмоткой

                                                В данном способе пуска кроме основной обмотки Р, имеющей фазную зону 120 0 , на статор наматывают еще и пусковую П, которая имеет фазную зону 60 0 . Также пусковая обмотка сдвигается относительно рабочей на 90 0 электрических. Для того, чтоб создать фазовый сдвиг между токами обмоток Iр и Iп последовательно в пусковую обмотку подключают элемент, приводящий к сдвигу фаз ψ (фазосдвигающее сопротивление Zп):

                                                Где: а) схема подключения машины, б) векторные диаграммы при использовании различных сопротивлений.

                                                Наилучшими условиями для пуска будет включения конденсатора в пусковую обмотку. Но поскольку емкость конденсатора довольно велика, соответственно и его стоимость и габариты тоже возрастают. Зачастую его применяют для получения повышенного момента для пуска. Пуск с помощью индуктивности имеет наихудшие показатели и в настоящее время не используется. Довольно часто могут применять запуск с помощью активного сопротивления, при этом пусковую обмотку делают с повышенным активным сопротивлением. После запуска электродвигателя пусковая обмотка отключается. Ниже показаны схемы включений и их пусковые характеристики:

                                                Где: а,б) двигатели с пусковой обмоткой, в,г) конденсаторные

                                                Конденсаторный двигатель

                                                Данный тип электродвигателя имеет две рабочие обмотки, в одну из которых подключают рабочую емкость Ср. Данные обмотки сдвинуты относительно друг друга на 90 0 электрических и имеют фазные зоны тоже 90 0 . При этом мощности обеих обмоток равны, но их токи и напряжения различны, также различны количества витков. Иногда величины конденсатора рабочего не достаточно для формирования нужного пускового момента, поэтому параллельно ему могут вешать пусковой, как это показано на рисунке выше. Схема приведена ниже:

                                                Читайте также:  Как установить парник из укрывного материала

                                                Где: а) схема конденсаторного электродвигателя, б) его векторная диаграмма

                                                В данном типе однофазных машин коэффициент мощности cosφ даже выше чем у трехфазных. Это объясняется наличием конденсатора. КПД такого электродвигателя выше, чем однофазного электродвигателя с пусковой обмоткой.

                                                Частотное регулирование однофазных асинхронных электродвигателей

                                                Итак, все чаще появляются предложения частотных преобразователей, которые могут управлять однофазными асинхронными машинами. В силу того что частотники предназначены для работы с трехфазными машинами, то для регулирования оборотов однофазной машинами необходим особый вид частотного преобразователя. Это обусловлено тем, что трехфазные и однофазные машины имеют немного разный принцип работы. Давайте рассмотрим схему включения, которую предоставляет один из официальных производителей частотных преобразователей для однофазных машин:

                                                Это схема прямого подключения. Где: Ф-фаза питающего напряжения, N-нейтральный проводник, L1, L2 – обмотки двигателя, Ср – рабочий конденсатор.

                                                А вот схема подключения преобразователя:

                                                Как мы можем видеть, конденсатор при включении данной схемы отключается. Обмотка L1 переключается к выходу преобразователя фазы А, а L2 к В. Общий провод подключается к выходу С. Тем самым мы фактически получили двухфазную машину. Фазовый сдвиг теперь будет реализовывать частотный преобразователь, а не конденсатор. На выходе преобразователя будет обычное трехфазное напряжение.

                                                Данный способ частотного регулирования трудно назвать однофазным, так как при питания двигателя от сети напрямую необходимо опять восстанавливать схему с конденсатором. Более того, этот способ регулирования частоты НЕ ПОДХОДИТ для машин с пусковой обмоткой, так как сопротивление рабочей и пусковой обмотки не равны, появится асимметрия.

                                                Можем сделать вывод, что данный вид частотного регулирования подходит не всем электродвигателям, а только конденсаторным. Более того, при такой схеме подключения необходимо провести переподключение обмоток внутри электродвигателя (в коробке выводов электродвигателя), что после переподключения не позволит работать ему от сети напрямую. Поэтому если вы собираетесь питать электродвигатель от однофазной сети через частотник, то, может быть стоит купить преобразователь, который питается от однофазной сети, а двигатель обычный, трехфазный. Это лучше с точки зрения работы самой машины, также отсутствуют переделки внутри электрической машины. Если вы собираетесь таким образом модернизировать систему, то внимательно изучите характеристики электродвигателя, преобразователя, чтоб избежать пустой траты средств или выхода из строя элементов системы.

                                                Помимо распространенных 3-х фазных асинхронных двигателей, на рынке предлагают однофазные моторы. Чаще всего ими являются насосы и вентиляторы. Самые популярные агрегаты в промышленности и в быту. И тут возникает вопрос? Как же ими управлять и регулировать скорость. Способов великое множество. Но самый эффективный, это когда подключают преобразователь частоты для однофазного двигателя.

                                                Из этой статьи вы узнаете:

                                                Всем привет! С вами Гридин Семён, и в этом посте мы поговорим с вами о нюансах управления асинхронными однофазными двигателями. Какой способ управления лучше? Разберём такой вопрос — частотное управление двигателем более подробно.

                                                Однофазный асинхронный двигатель

                                                Наибольшее применение такие моторы нашли в быту и малом бизнесе. Они необходимы там, где нет трёхфазной сети. Мощность их ограничивается лишь частотой сети. Сами по себе аппараты маломощные, в диапазоне от 500 Ватт до 2 килоВатт.

                                                Принцип работы однофазного двигателя заключается в смещении обмоток в пространстве относительно друг друга. Ключевым моментом является сдвиг фазы в обмотках на 120 градусов. Главным «фазосдвигателем» у нас является конденсатор. Как правило, он подключён последовательно в цепи статорной обмотки.

                                                По конструкции моторы могут различаться. Так что, не к любому можно подключить преобразователь частоты, нужно обращать внимание прежде всего на схему подключения обмоток. Двухфазный двигатель с рабочей и пусковой обмоткой точно не сможет запуститься, совсем другой принцип работы. Мы к этому ещё вернёмся.

                                                Способы подключения мотора

                                                А теперь давайте рассмотрим несколько способов подключений:

                                                • конденсаторный способ;
                                                • частотный способ;
                                                • фазовое управление с помощью симистора;

                                                Какой из способов лучше всего? Знаете, всё зависит от задачи, которую нужно решить. А так на вкус и цвет, сами знаете.

                                                Если вы мало знакомы с преобразователем частоты, можете ознакомиться в статье «Чего вы не знаете о преобразователе частоты?»

                                                Конденсаторный способ подключений

                                                Бюджетное подключение трехфазных моторов к однофазной сети. Просто цепляем конденсатор последовательно в цепи обмотки и превращаем аппарат из трехфазного в однофазный. Вот схема:

                                                Сп — пусковой конденсатор, а Ср — рабочий конденсатор. Как подбирать ёмкость в этом случае я расписывать не буду. В просторах интернета есть полно информации по этому поводу.

                                                Фазовое управление с помощью симистора

                                                Это один из самый старых способов управления. Две обмотки двигателя подключаются параллельно, одна из них с конденсатором. К точкам обмоток соединяем симисторный регулятор. Их актуальность, по-моему мнению, ещё не пропала. Лучше всего использовать для не тяжёлых нагрузок (вентиляторы, насосы).

                                                Важно! Учитывайте, что сим. блоки в основном предназначены для активной нагрузки. Так как мотор — это индуктивная нагрузка, поэтому активный ток делим примерно на 10. Если ток активной нагрузки равен 50, то индуктивный будет 5.

                                                На выходе устройства формируется напряжение сетевой частоты 50 Гц и настраивается среднеквадратичное число. Таким образом мы меняем время открытого состояния симистора за период следования напряжения. Единственный недостаток: момент на валу падает относительно снижения напряжения. Вот вам пример Autonics SPK1:

                                                Читайте также:  Среди множества проблем современности особенно актуальной остается

                                                Входы для регулировки скорости универсальные. Сюда можно подключить и потенциометр 1 кОм, и датчик с токовым сигналом 4-20 мА, и напряжение 0-5 В.

                                                Частотный способ

                                                О популярности преобразователя частоты нет смысла говорить. Так как это устройство давно известно всем. Частотный способ является основным в нашем 21 веке. Скорость регулируется с помощью ШИМ-модуляции. Достаточно сложный девайс, требующий отдельной статьи. По входному напряжению существуют как и 380 В, так и 220В. Но что же получается по выходу?

                                                На рынке есть готовые варианты и на однофазный, и на трёхфазный электродвигатель. Просто нужно подобрать схемное решение.

                                                Но, бывают случаи когда ПЧ с однофазным выходом не по карману. Или у вас на полке лежит трёхфазный ПЧ. Давайте рассмотрим вариант подключения мотора к преобразователю частоты.

                                                Подключение преобразователя частоты и однофазного двигателя

                                                В такой схеме есть ряд существенных недостатков:

                                                1. Запуск двигателя происходит при минимальной частоте 30 Гц;
                                                2. Частоту ниже 30 Гц можно регулировать, но не рекомендуется, очень вредно для движка;
                                                3. Есть нюанс с настройкой пускового напряжения, требуется немного загрублять параметр;

                                                Для решения вопроса с подключением двух устройств поможет нам обычный дроссель. Катушка индуктивности поможет нам подавить ёмкость в схеме, таким образом давая возможность частотнику спокойно подавать синусоиду на движок. Да, вот схема:

                                                Всё элементарно, правда. Видео, к сожалению не сохранилось. Выкладываю фото с ПЧ Eaton и однофазным насосом.

                                                Производителей ПЧ в мире очень много. Поэтому из настроек я могу направить вас примерно и в общих чертах, если будут возникать проблемы с подключениями. Основная мысль заключается в том, что при пуске двигателя минимальное напряжение и частоту поднять вверх. Но делать это нужно осторожно и аккуратно, есть шанс спалить мотор.

                                                И еще рекомендую ограничить минимальную частоту на 30 Гц, чтобы не допустить запуска вхолостую и перегрева. Двигатель начинает сильно греться, при пуске на низких частотах.

                                                На этом у меня всё, друзья.

                                                Мне очень нравится кататься на велосипеде. Ещё больше — модернизировать, добавлять что-то новое и интересное. Я совсем недавно в просторах интернета нашёл комплект электромотора для заднего колеса. Комплекты существуют, как и для переднего колеса, так и для заднего:

                                                Загорелся идеей поставить и на свой велобайк. Может кто сталкивался? Кто-то ставил? Хочу увидеть ваше мнение. Пишите в комментариях.

                                                Надеюсь моя статья помогла вам определиться с выбором подключения однофазного двигателя? Если что-то не дописал, напишите в комментариях, исправлю. )

                                                P.S. Небольшой анонс следующей статьи:

                                                Широкая доступность фотоустройств породила новую проблему — потребность в эффективных инструментах цифрового монтажа. На этом рынке традиционно доминирует профессиональный графический пакет Adobe Photoshop. Но, не стоит ограничивать свой кругозор только им. Существует огромное количество достойных фоторедакторов, покрывающих 90% повседневных нужд фотографов-любителей.

                                                Спасибо за то, что читаете мои статьи! Всего вам доброго!!

                                                С уважением, Гридин Семён

                                                Интересен блог? Подпишись и получай новости на почту

                                                Вам так же может быть интересно

                                                Есть конкретный двигатель (аир 1е71в2у) и частотник (danfos на 2.2квт). Можете помочь с подключением? Было бы удобно через почту пообщаться, я скинул бы подробные параметры и фото.

                                                Пишите письмо, так удобнее разобраться с вашей проблемой.

                                                Колесо Дуюнова. Что скажешь?

                                                Сталкивался только в «трубе».

                                                Они бают о 120% КПД.

                                                Опасный агрегат получается.

                                                Я пока не знаю, я только в теории знаю об этом колесе.

                                                Семён, доброго времени суток. Если вы заинтересовались мотор колесом Дуюнова, то я вам могу помочь с информацией о нём и о проекте народного инвестирования.

                                                Проект «Двигатели Дуюнова» утвержден к вступлению в особую экономическую зону!

                                                17 декабря 2018года, состоялось заседание межведомственной комиссии по вопросу получения компанией «СовЭлМаш» резидентства особой экономической зоны.

                                                После долгих месяцев ожидания, проект «Двигатели Дуюнова» прошел, все необходимые согласования и был утвержден на вступление в особую экономическую зону "Технополис «Москва» на площадку «Алабушево».

                                                Сейчас проходит этап оформления протоколов и сопутствующих бумаг.

                                                На основании этого, есть необходимость актуализировать проект с учетом принятых решений, провести корректировку графика выполнения работ, с учетом которого будет производиться строительство и корректировка смет из-за изменений в законодательстве.

                                                После предоставления всех актуализированных документов с «СовЭлМаш» будет заключен договор. С момента подписания этого договора, проект Дуюнова становится резидентом ОЭЗ!

                                                Команда уже приступила к необходимым действиям по площадке будущего инженерно-конструкторского предприятия: запрошены коммерческие предложения у нескольких застройщиков. На основании предложения, которое станет оптимальным для проекта, будет разработан архитектурный план и выполнена проектная документация на строительство.

                                                Уже даны распоряжения о приобретении временных переносных сооружений — бытовок для строительной площадки, скоро приступим к подготовке зоны для застройки будущего конструкторского бюро.

                                                Это большой и очень долгожданный шаг проекта вперед, позволяющий снять всевозможные сомнения о его реализации.

                                                Ссылка на основную публикацию
                                                Adblock detector