Инверторный двигатель в современных стиральных машинах

Инверторный двигатель в стиральной машине — что это? В стиралках нашли применение два мотора с преобразованием переменного тока в постоянный — асинхронный и трёхфазный. Последний иногда называют бесщёточным двигателем постоянного тока (BLDC — Brushless Direct Current Motor). Рассмотрим подробнее каждый вариант, а также преимущества и недостатки.

Трёхфазный асинхронный

Этот двигатель был изобретён в 1889 году русским инженером Доливо-Добровольским, и нашёл широкое применение в промышленности, где используют трёхфазное напряжение 380 вольт. В стиральных машинах он начал использоваться после развития и широкого распространения электронных систем управления.

• Преимуществом этих двигателей является бесшумность — он применяется в тихих стиралках.

• Главный недостаток — сложное управление через инвертор.

Работаю в сфере ремонта бытовой техники. Большой опыт в восстановлении стиральных и посудомоечных машин.

Управление

Так как в домах используется однофазный ток 220 вольт, то для работы такого двигателя нужен преобразователь с регулировкой скорости и направления вращения. Это довольно сложное электронное устройство, схема которого приведена ниже на рисунке.

Схема управления инвертора

Как видно, что сначала переменный ток преобразуется в постоянный в выпрямителе. Для этого используется мост на диодах. Катушка индуктивности L, ёмкость C и термистор (на схеме слева), служат для защиты модуля от перегрузок, а также предохраняет домашнюю электросеть от колебаний при работе машины.

Затем постоянное напряжение поступает в силовую часть, где преобразуется в трёхфазное импульсное, у которого меняется амплитуда и частота. Именно за счёт этого осуществляется изменение скорости и направления вращения двигателя. Тахометрический генератор (обозначен T) выполняет обратную связь с системой управления. С его помощью модуль понимает скорость барабана.

Работаю в сфере ремонта бытовой техники. Большой опыт в восстановлении стиральных и посудомоечных машин.

Основной поломкой таких моторов, является повреждение платы управления. Сам двигатель сгорает редко. Отметим, что диагностировать поломку крайне тяжело. На моторе реально проверить только целостность обмоток с помощью мультиметра . Полноценно диагностировать исправность двигателя можно через модуль управления.

Инверторы бывают следующего исполнения:

• находятся на общем электронном модуле.

Модуль управления инверторным мотором

Прямой привод

Второй тип инверторных двигателей, это трёхфазные бесщёточные постоянного тока. Впервые их стала применять фирма LG в 2005 году в качестве прямого привода. Он находится непосредственно на валу барабана. Ремень при этом отсутствует.

Это было революционным решением, которое стало очень удачным, и в настоящее время его применяют и другие производители: «Самсунг», «Вирпул», «Хайер» и «Беко».

Мотор прямого привода

Считается что эти моторы получили развитие от шаговых двигателей, которые уже широко распространены, в частности, электротехники. Считаются крайне надёжными и долговечными. Поэтому фирма «ЛДЖи» даёт на них расширенную гарантию — 10 лет. Одно из названий — BCDC. Такие двигатели широко применяются в посудомоечных машинах, в составе рециркуляционного насоса, а так же используются в электровелосипедах.

Одной из их особенностей — постоянные магниты на роторе. В стиральных машинах с прямым приводом ротором является металлическая чаша, которая крепится к валу барабана. Внутри неё находятся постоянные магниты.

Статор — неподвижная часть и соединена с внешней стороной бака. Она представляет собой круг, покрытый пластиком с местами для обмотки катушек. Внутри находятся электротехнические пластины. Также здесь располагается тахометрический генератор.

Статор инверторного двигателя

Система управления схожа с асинхронным двигателем, рассмотренным выше. Инвертор преобразует переменное однофазное напряжение 220 вольт, в постоянное трёхфазное. Параметры его могут меняться по напряжению — от 0 до 120 вольт, а по частоте — от 0 до 300 Гц. Схема и логика управления довольно сложная и не рассматривается здесь, т. к. нужна только специалистам.

Инверторные двигатели прямого привода имеют следующие преимущества:

• простая конструкция;
• низкий шум;

• отсутствие приводного ремня, и как следствие уменьшение потерь на трение;
• нет щёточного узла — не нужно менять щётки и не возникают проблемы из-за оседания пыли.

Недостаток только один — сложная и дорогостоящая система управления. Отметим, что наметилась тенденция по отходу от коллекторных двигателей, но тем не менее они являются основой большинства стиральных автоматических машин.

Технология прямого привода: меньше деталей, больше точности

Общие сведения

Термин «сервопривод» происходит от латинского слова servus, которое переводится как «слуга» или «помощник». Так называют любой тип механического привода с устройством обратной связи по положению, скорости или усилию, а также сам привод, который выполняет функцию автоматического регулирования заданного параметра. Сервоприводы находят широкое применение в станко­строении, производстве упаковочных, фасовочных и разливных машин, робототехнике — в общем, когда требуется высокая точность передвижения исполнительного органа.

В данной статье мы не будем рассматривать гидравлические сервоприводы и под сервоприводом будем понимать электропривод с отрицательной обратной связью.

Есть два типа таких сервоприводов: вращательного и линейного движения. Для вращательного движения используют асинхронные и синхронные электродвигатели, а для линейного в основном применяют механическую передачу в виде шариковинтовой пары с кареткой, перемещающейся по рельсам, линейные актуаторы и линейные серво­двигатели.

Как мы уже отмечали выше, сервоприводы обеспечивают точное передвижение исполнительного органа. Но о какой степени точности может идти речь? Если точность вращательного движения измеряется в градусах, то целесообразнее применять сервоприводы на базе асинхронных электродвигателей, где роль устройства обратной связи играет встроенный или помещенный на вал энкодер, а роль привода исполняет всем нам знакомый преобразователь частоты. Но если речь заходит о точности вращательного движения, исчисляемой в угловых минутах, и при этом переключение с прямого на обратное вращение происходит с высокой интенсивностью, то в таком случае оптимальным вариантом станут синхронные электродвигатели на постоянных магнитах. На рис. 1 показаны конструктивные особенности синхронных электродвигателей на примере продуктов компании Kollmorgen.

Рис. 1. Конструктивные особенности синхронных серводвигателей Kollmorgen

Управляются серводвигатели электронными устройствами, которые чаще всего называются сервоусилителями. По своим свойствам серво­усилители похожи на преобразователи частоты, только с той разницей, что в них заложены сложные алгоритмы контура регулирования скорости, позиции и момента. Сервоусилители содержат цифровые входы для устройств обратной связи и чаще всего работают лишь с определенными серводвигателями конкретного производителя.

Однако возможности современных сервоусилителей могут быть более широкими. Например, к устройствам Kollmorgen можно легко, по принципу plug and play, подключить серводвигатели (в том числе асинхронные и индуктивные, с устройствами обратной связи и без них) не только того же производителя, но и других компаний — при использовании моделей SERVOSTAR S700 (рис. 2).

Рис. 2. Электродвигатели, сопрягаемые с сервоусилителями Kollmorgen S700

Рис. 3. Технологии передачи движения

Преимущества прямых приводов

Развитие промышленного машино­строения и роботехники не стоит на месте, поэтому с каждым днем требования к точности и производительности устройств возрастают. Мы все чаще сталкиваемся с задачами, где точность измеряется уже в угловых секундах. С этим современные сервоприводы справляются. Но также необходимо помнить об особенностях передаточных механизмов, таких как редуктор, ремень/шкив или кулачковый механизм. Любой, даже самый прецизионный редуктор имеет люфт, у ременчатой передачи и кулачковых механизмов тоже есть погрешности, не говоря о том, что они увеличивают размеры привода, что в некоторых применениях особенно критично. В связи с этим стоит задуматься о более высокоточной технологии передачи движения — технологии прямого (безредукторного) привода (рис. 3), которую мы рассмотрим на примере продукции Kollmorgen.

Само понятие «прямой привод» означает, что исполнительный орган непосредственно подключен к приводящему его в движение электродвигателю, т. е. не имеет передаточных элементов. Это относится как к вращательному, так и к линейному передвижению. Точность прямого привода можно оценить на следующем примере. Серводвигатель с прецизионным редуктором имеет люфт в одну угловую минуту: это означает, что при полностью неподвижном приводе может произойти смещение исполнительного органа на такую величину. В то же время повторяемость серводвигателя со сквозным валом Kollmorgen DDR составляет более одной угловой секунды. Таким образом, получается, что у серводвигателей с прямым приводом точность позиционирования в 60 раз выше, чем у мотора-редуктора.

Используя прямой привод, можно улучшить качество изготавливаемой продукции за счет следующих особенностей:

• более точная печать;
• раскрой и длина протяжки становятся точнее;
• более точная координация с другими осями машины;
• высокая точность при позиционировании;
• исключаются проблемы при настройке компенсации люфта.

Прямым приводам Kollmorgen свойственны и другие преимущества. Например, компоненты механической передачи накладывают ограничения на то, как быстро мы можем произвести запуск и останов исполнительного механизма. Из-за этих факторов понижается возможная пропускная способность машины, что напрямую влияет на ее производительность.

Прямой привод устраняет эти ограничения, позволяет значительно ускорить цикл «запуск/останов» и уменьшить время простоев. При этом пропускная способность оборудования может повыситься в два раза.

Следующим преимуществом является повышение надежности машины из-за исключения дополнительных элементов и механических передач. При использовании прямого привода не нужно периодически обслуживать ремни и шкивы, заниматься их протягиванием, менять смазочные материалы в редукторе. Необходимы только серводвигатель со сквозным валом и крепежные болты. Таким образом, исключаются многие детали, такие как: кронштейны, ограждения, ремни, шкивы, натяжители, муфты и др. В результате это позволяет:

• уменьшить количество деталей в спецификации;
• упростить сборку и сэкономить время на монтаж;
• снизить затраты (за счет того, что не требуется докупать лишние детали и их устанавливать).

Наконец, еще одним преимуществом прямых приводов можно считать уменьшение шума. К примеру, прямые приводы Kollmorgen имеют уровень шума всего лишь 20 дБ, что превосходит показатели сервосистем с механическими передачами.

Серии прямых приводов Kollmorgen

Рассмотрим особенности нескольких типов прямых приводов Kollmorgen.

Серия KBM (рис. 4) предназначена для непосредственного встраивания в машину, станок или робот.

Рис. 4. Конструктивные особенности сервомоторов со сквозным валом в бескорпусном исполнении серии KBM

• полностью инкапсулированные обмотки статора;
• рабочая температура внутренней обмотки +155 °C;
• защита от перегрузки — PTC-термистор (лавинного типа);
• отказобезопасные ленты над роторными магнитами;
• соответствует RoHS;
• дополнительные блокирующие цифровые датчики Холла с предварительным выравниванием.

Сервомоторы Kollmorgen Cartridge DDR (рис. 5) сочетают в себе преимущества бескаркасного двигателя с простой установкой. Они оснащены устройством обратной связи с высоким разрешением. Уникальная конструкция без подшипников соединяется непосредственно с нагрузкой, используя собственные подшипники машины для поддержки ротора. Большинство моделей можно установить менее чем за пять минут.

Рис. 5. Конструктивные особенности сервомоторов со сквозным валом в корпусе и с датчиком обратной связи серии Cartridge DDR

Основные характеристики данных сервомоторов:

• 5 типоразмеров;
• доступны обмотки с напряжением 230/400/480 В переменного тока;
• 4,5–510 Нм непрерывного крутящего момента;
• скорость до 2500 об/мин;
• номинальные мощности 775–11 700 Вт;
• встроенный датчик обратной связи синусоидального сигнала обеспечивает разрешение более 134 млн меток на оборот;

встроенный термистор обеспечивает защиту от перегрева.

Последний пример — линейные прямые приводы Kollmorgen серии ICH (рис. 6). Они увеличивают пропускную способность на 40% по сравнению с другими системами привода и обеспечивают уменьшение веса и габаритов машины, станка или робота, в которых применяются.

Рис. 6. Конструктивные особенности линейных сервомоторов серии ICH

• сила подачи 405–12726 Н (пик) и 175–5341 Н (непрерывная работа);
• рабочее напряжение — до 480 В переменного тока;
• встроенные цифровые датчики;
• совместим со всеми сервоусилителями и модулями безопасности и энергосбережения Kollmorgen.

Заключение

Сегодня на российском рынке представлено множество брендов, которые предлагают свои решения в области сервоприводов. Одной из таких компаний является Kollmorgen. Используя прямые приводы ее производства, можно повысить точность технологии передачи движения и пропускную способность оборудования, а также снизить затраты на детали и исправления погрешностей передаточных элементов.