Как подключить однофазный двигатель к преобразователю частоты?

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:

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.

Однофазный частотный преобразователь на Arduino

В статье речь пойдет о создании простого однофазного маломощного частотного преобразователя на базе Arduino.

Предыстория. Как-то давно возникла у меня необходимость регулировать скорость вытяжного (канального) вентилятора. К моему удивлению, задача эта оказалась не совсем простой, как казалось на первый взгляд. Я перепробовал несколько самых очевидных вариантов, но у всех были свои минусы. Первое, что приходит на ум, это диммер на симисторе и всяческие его разновидности, но этот вариант я отмел сразу, т.к. работает он некорректно: двигатель сильно гудит, греется и всем своим видом показывает, что ему это не нравится. Следующий вариант это регулировка (по факту – уменьшение) оборотов вентилятора путем увеличения скольжения двигателя, т.е. уменьшения напряжения. В общем, вариант неплохой (по крайней мере, для вентилятора), но только если нужно небольшое замедление, т.к. при увеличении скольжения опять же растут потери и нагрев двигателя. Еще одним недостатком данного варианта является сложность изменения переменного напряжения, это можно делать дискретно, включая последовательно с двигателем различную нагрузку: активную (лампочка, мощный резистор), реактивную (дроссель, конденсатор), как раз вариант с конденсатором проработал у меня в вытяжке довольно долго. Если же нужно менять напряжение постепенно, то самым простым и доступным вариантом является ЛАТР, его же основной недостаток – это размеры и вес, как-то не очень, когда регулятор в несколько раз больше и тяжелее регулируемого устройства. Ну и, наконец, последний, самый правильный вариант – это, конечно, частотный преобразователь, далее о нем.

Поискав в сети и не найдя ничего подходящего (т.к. в основном все частотники трехфазные и выдают более киловатта мощности), я принял решение собирать свое.

Вкратце об общих принципах

За основу была взята плата Arduino (nano), как самый простой вариант для начала, до этого программированием каких-либо МК я не занимался. Задача ее формировать два шим сигнала, нарезающих синус, для положительной и отрицательной полуволн поочередно (Униполярная модуляция, если не ошибаюсь). Выглядеть это должно примерно так:

Силовая часть – это полный мост на четырех транзисторах, управляемых двумя драйверами IR2110, выход с которых фильтруется LC фильтром, также есть защита по току, реализованная на датчике тока и компараторе (ОУ tl072cp, был под рукой), порог срабатывания настраивается. Блок питания логики и драйверов изобретать не стал, просто оставил место на плате для отдельной платы бп, например такой:

(в рабочем варианте поставил плату от сетевого адаптера на 13в т.к. когда собирал китайцы БП еще не прислали). Выходное напряжение блока питания в идеале 13-15в, можно и 12, если ключи не особо мощные. Для питания ардуинки и дисплея на плате есть стабилизатор на 5 вольт (lm7805).

Теперь немного подробней, начнем с программной части. При написании прошивки очень помог сайт Алекса Гайвера, за что ему огромное спасибо!

Для начала с помощью библиотеки формируется ШИМ сигнал (частота около 8кГц) на 9 и 10 ногах, для положительной и отрицательной полуволны соответственно. Далее для создания синусоиды используется массив из 100 значений в диапазоне от 0 до 2000 (диапазон скважности для данного варианта ШИМа).

В основном цикле программы по значениям из этого массива меняется скважность поочередно для положительной и отрицательной полуволны (сначала для 9 потом для 10 пина). Частота синуса устанавливается через период для каждого значения из таблицы, например, для 50 гц расчет будет следующий: частота 50гц, соответственно, период одного полного колебания 0,02с или 20000 микросекунд (именно в них задается интервал), за это время должно получиться две полуволны, т.е. 200 значений скважности (сначала 100 для 9го пина потом еще раз для 10го), отсюда время на одно значение скважности будет рассчитываться как 20000мкс/200=100мкс, для 25гц соответственно 40000/200=200мкс. У меня диапазон регулируется от 81мкс до 178мкс на одно значение из массива, что соответствует значениям частоты от 53 до 26 герц примерно. Что соответствует регулировке скорости от 106% до 26%. Быстрей эти движки крутиться не способны, а медленней для вентилятора не нужно, да и к тому же это уже чрезмерное насилие, не рассчитаны они на такое.

Итак, частота регулируется, но в частотнике также пропорционально частоте понижается и напряжение (скалярное управление, о векторном я даже не думал, и трудно, и не нужно). Это реализовано следующим образом: (скважность/32)*коэффициент (PotMapSkvaz) , который принимает значения от 30 до 16 в итоге результирующее значение скважности получается в диапазоне от 94% до 50% от того, которое было считано из таблицы, соответственно, и напряжение понижается на столько же (забегая немного вперед: ровного синуса не получилось за счет чего напряжение на выходе немного завышено, поэтому максимальная скважность не 100% а 94%).

В общем, цикл выглядит так: обнуляем оба значения скважности (от греха, но больше от сквозняков), рисуем первую полуволну синуса, проходя по массиву на каждом значении, задерживаясь в течение установленного времени, опять обнуляем значения скважностей и повторяем все для второй полуволны (отрицательного полупериода). По сути, ШИМ на обоих пинах работает постоянно, меняется только скважность, но, когда она равна нулю, фактически на пине нет никаких импульсов.

Далее про управление и индикацию: с энкодером проблем не было, он работает на прерываниях и много ресурсов не тратит, при повороте он уменьшает и увеличивает, соответственно, частоту до установленных пределов (53-25Гц), при нажатии на кнопку устанавливает частоту в дефолт (

50Гц).
Дисплей. С ним пришлось немного повозиться, т.к. при работе в цикле он оказывает влияние на быстродействие программы и, соответственно, на частоту, что никуда не годится, поэтому решено было присовокупить это действо к моментам изменения частоты, т.е. информация на дисплее обновляется только в моменты поворота энкодера, что немного замедляет программу, но, т.к. это происходит не постоянно, то ничего страшного в этом я не вижу. Также была прикручена запись переменной энкодера в постоянную память, что позволяет сохранить настройки частоты при отключении устройства от питания, происходит это тоже только лишь в моменты изменения оной.

По софту все, далее про железо. Схема:

Как было сказано выше, основа схемы – это мост из 4 транзисторов (FQPF6N90C), управляемых двумя драйверами IR2110. Вход верхнего плеча одного драйвера соединен со входом нижнего плеча второго и наоборот. Питание схемы осуществляется отдельным импульсным БП на 13 вольт, ардуинка и дисплей питаются от 5 вольт через стабилизатор LM7805.

Энкодер в виде стандартного модуля для ардуино был немного переделан, изначально в нем стояли подтягивающие резисторы на 10к, что оказалось слишком много: наблюдались самопроизвольные срабатывания от наведенных помех, поэтому резисторы были заменены на 2к и добавлены конденсаторы по 0.47 мкФ, после этого ложных срабатываний больше не наблюдалось.

Также в схеме присутствует защита по току, реализованная на компараторе, на операционном усилителе tl072cp (из тех, что были под рукой) и датчике тока (R21 10 ом). В среднем положении подстроечного резистора R20 защита срабатывает примерно при токе в пол ампера, что соответствует нагрузке около 100 ватт (мощность стандартного канального вентилятора около 15-25 ватт), мощность моего по паспорту 16ватт. При превышении установленного тока и срабатывании компаратора высокий уровень сигнала подается на 11 ноги обоих драйверов (вход SD), что, соответственно, приводит к исчезновению сигналов на выходе и остановке генерации.

Далее про выходную часть. После транзисторов идет LC фильтр, состоящий из индуктивности, в моем случае – 2,78 мГн и конденсатора в 0,47 мкФ. Об индуктивности стоит сказать отдельно: катушка намотана на сердечнике из материала МП-140, типоразмера П19х11х6.7, из двух половинок, витки не считал, мотал около трех метров эмалированным проводом d0.4мм.

Ну и по итогу о результатах. Печатная плата:

Финальная реализация готового устройства:

(Все фото кроме последнего сделаны с RC фильтром, который в итоге был заменен на LC, остальное без изменений)

Платы были заказаны у китайцев, после сборки и экспериментов на тестовой:

Форма выходного сигнала:

Ровного синуса на выходе не получилось, то, что получилось, видно на примерах осциллограмм, почему так, я до конца не понял, грешу на выходной фильтр, возможно нужна катушка большей индуктивности, если кто подскажет, куда копать, буду очень благодарен. Однако, несмотря на неровности выходного сигнала, двигатель вентилятора работает на нем прекрасно, без гула и перегрева. Нагрев присутствует, но в пределах нормы, такой, как при питании от сети, ну или, немного больше, но, в общем, абсолютно не критично.

Как видно по фото, транзисторы установлены на радиатор (из алюминиевого уголка 40*40*3), также имеется принудительная вентиляция. Так вот, при первоначальных тестах в качестве фильтра был вариант RC пары (Резистор 100 Ом и конденсатор 0.47 мкФ), при таком варианте грелся достаточно неплохо резистор и немного радиатор с ключами, поэтому вентилятор и был прикручен. Однако с дросселем ситуация изменилась в корне: нагрев транзисторов фактически отсутствует, дроссель, может, на пару тройку градусов теплее температуры окружающего воздуха, но вентилятор убирать уже не стал, просто притормозил его резистором, чтоб не шумел, так он вроде никому не мешает.

На этом все. С удовольствием отвечу на вопросы, надеюсь, кому то мой опыт будет полезен.

P.S.: Про существование платы EGS002 я в курсе, к сожалению, про нее я узнал только ближе к концу моего приключения, и останавливаться было уже поздно)). Может, позже попробую что-нибудь и на ней собрать, но это будет уже совсем другая история.