Инверторный электродвигатель

В последние годы появляется много новых технологий. Одно из последних веяний – инверторный двигатель, который стали ставить в крупной бытовой технике. Обещают при этом достаточно, но всё ли правда.

Что такое инверторный двигатель

Значительная часть техники имеет в своём составе электродвигатели и очень желательно чтобы двигатели имели разную скорость вращения. Этим они обеспечивают разные режимы работы и чем больше различных скоростей, тем лучше. Вообще, скорость двигателя изменять можно двумя способами – изменяя частоту или напряжение. Ранее, до появления инверторных двигателей, её меняли при помощи реостата, то есть изменяли напряжение. Пределы изменений были небольшие и плавной регулировки почти не получалось. Плавно регулировать скорость позволяли только коллекторные двигатели. Но они на больших оборотах имеют малый момент, что ограничивает их применение. К тому же имеют коллектор, так что не слишком долговечны и надёжны.

Основное отличие – возможность регулировать скорость в больших пределах

Пару десятилетий тому назад, с развитием полупроводниковых приборов, активно стали применять частотные преобразователи. Эти устройства позволяют изменять частоту и напряжение в широких пределах, это от 1 Гц до 500 Гц. То есть, инверторный двигатель получает питание не напрямую от сети, а со встроенного в него преобразователя. В зависимости от текущего режима работы он формирует напряжение требуемой частоты и/или уровня. То есть, инверторный двигатель — это, как минимум, два устройства в одном корпусе: частотный преобразователь и сам двигатель.

Инверторными могут быть два типа двигателей: асинхронные и коллекторные постоянного тока. Использование этой технологии позволяет получить широкий диапазон скоростей и возможность точного поддержания скорости. Также, инверторный блок может повышать/понижать напряжение, что позволяет получить требуемый крутящий момент. Всё это, безусловно, в определённых пределах, но общие характеристики инверторных электродвигателей становятся значительно лучше. Правда и цена на них тоже значительно выше, как и сложность управления.

Основные моменты работы преобразователя

Инверторный преобразователь меняет напряжение в несколько этапов:

• Выпрямляет сетевое напряжение, получая постоянное (обычно стоит диодный полумост или мост).
• Из постоянного напряжения формирует двухполюсные импульсы (положительные и отрицательные). Это блок называют инвертором, что и дало название самому принципу, блоку и мотору со встроенным преобразованием.

Вот на этом этапе и формируется требуемая частота и напряжение питания, которое затем и подаётся на двигатель. У некоторых инверторов есть ещё одна ступень преобразования, на которой ступенчатые импульсы превращаются в синусоиду. Так как форма напряжения на работу мотора влияния почти не оказывает, этот блок в инверторных двигателях отсутствует.

Блок схема частотного преобразователя и способ его подключения к двигателю

В «умной» технике, работой которой управляет микропроцессор, он задает параметры напряжения, регулируя скорость вращения в зависимости от программы или от состояния техники. Сам принцип работы двигателя от наличия инвертора не зависит, но этот дополнительный блок дает возможность управлять работой электромотора в широких пределах.

Особенности применения

Частотный преобразователь включают, в основном, с асинхронными двигателями. Они недороги, надёжны, экономичны. Модели с короткозамкнутым ротором бесколлекторные, что делает их ещё более привлекательными. Имеют асинхронные двигатели два недостатка, которые как раз, инвертором и устраняются. Первый существенный недостаток – высокий пусковой ток. Он может быть в 3-7 раз больше номинального. Кроме того, резкий старт с подачей питания 220/380 В ведёт к перегрузке, а значит и к быстрому износу мотора. Установив частотный преобразователь, при пуске переводим переключатель на минимум и постепенно доводим обороты до нужного значения. Пусковой ток при этом минимальный, а разгон плавный. Ни пусковые токи, ни перегрузки не страшны.

Платой за точное регулирование скорости является более сложное управление

Второй отрицательный момент – регулировать скорость вращения ротора в асинхронных двигателях получается слабо, но это без инвертора. Инверторный асинхронный двигатель позволяет изменять скорость от десятков оборотов в минуту, до тысяч. И всё это плавно, без перегрузок.

Но инверторный двигатель значительно дороже «обычного» с точно такими же характеристиками. Дело в дополнительном оборудовании, причём совсем недешёвом, но использование этой технологии имеет свои плюсы.

В кондиционерах

Как работает обычный кондиционер? Компрессор в нём то включается, то выключается. Температура стала на градус выше заданной, компрессор включился, работает пока она не станет на один градус ниже заданного предела. Включается снова, когда температура снова окажется ниже предела. И каждое включение/включение – это стартовый ток, перегрузки.

Как работает кондиционер с инверторным мотором и обычным

Если в кондиционере стоит инверторный преобразователь, он просто задаёт скорость работы компрессора так, чтобы температура сохранялась. Это снижает расход электричества (нет пусковых многократно возросших токов), оборудование работает в щадящем режиме без перегрузок, что продлевает срок эксплуатации.

В стиральных машинах

Используют инверторные моторы и в стиральных машинах. В стиральных машинах «обычного» класса ставят коллекторные электродвигатели. Они могут разгоняться до высоких скоростей (до 10000 об/ми), имеют хороший крутящий момент на больших скоростях. Их минус – повышенный уровень шумов, так как, кроме ремённой передачи шумят еще и сами щётки. Как их не притирай, коллекторный узел всё равно шумит. И чем больше скорость вращения, тем выше уровень шумов. И он имеет высокую тональность, так что с ним достаточно сложно мириться.

Инверторный двигатель имеет небольшой размер и солидную мощность, но так ли важно это в корпусной технике

Последние годы появились стиральные машины с очень низким уровнем шума. В них установлены асинхронные двигатели с инверторным блоком. Раньше асинхронники не использовались, так как максимально могут развивать скорость до 3000 оборотов, что для нормального отжима недостаточно. Этот недостаток удалось обойти используя инвертор на входе. Он позволяет увеличить скорость электродвигателя до солидных величин. В двигателях нового поколения используется особый ротор – цельнолитой, это позволило уменьшить размеры двигателя. А так как в этих моторах нет коллектора и щёток, то и шумят они при работе совсем незначительно. Частотная регуляция скорости вращения позволяет точно контролировать число оборотов.

Если вы готовы платить за тихую работу — пожалуйста

Но платой за всё это является более сложное управление. Для управления инверторным электродвигателем в стиральной машине стоит отдельная плата. И ее стоимость равна 1/3 или 1/4 стоимости всей машины. Вот в этом случае стоит хорошо подумать, стоит ли покупать стиральную машину с инверсионным двигателем или нет. Слишком дорогой ремонт, да и стоимость самого агрегата значительно выше. А то, что на двигатель дают 10 лет гарантии так это не на плату, а на сам мотор. А в плюсах только более тихая работа.

Холодильники и морозильные камеры с инверторными компрессорами

В холодильниках используется такой же способ поддержания температуры, как и в кондиционерах. В камере холодильника расположен термодатчик, который через контакты включает и выключает компрессор. Точность поддержания температуры зависит от типа термодатчика, но обычно составляет несколько градусов, от трех до пяти. При такой работе приличествуют все «прелести»: многократные пусковые токи при включении, скачки напряжения сети, спровоцированные включением/выключением компрессора, шум.

В холодильниках и морозилках применение инверторных двигателей оправдано

Холодильник с инверторным двигателем работает тише, так как нет резкого пуска. Компрессор начинает работать с малых оборотов и постепенно выходит на нормальную скорость. Частота его работы зависит от температуры в камерах, но двигатель останавливается очень редко. Он, то работает на минимальных оборотах и тогда его почти неслышно даже вблизи, то чуть добавляет скорости, и его можно услышать. Этот режим работы более благоприятен для двигателя, он работает без пусковых перегрузок. И как ни странно, потребляют такие моторы меньше электроэнергии, снова-таки за счёт отсутствия пусковых токов. Ведь «обычный» компрессор включается каждые пять-десять минут. Превышение нормативного расхода – 4-8 раз. Вот за счёт этого и достигается экономия. Так что инверторный электродвигатель в холодильнике тоже оправдан, ну и плюсом, идет более тихая работа.

Недостатки инверторных моторов

Основной недостаток инверторных двигателей – их цена. Да, но она оправдана, так как в движке имеются, по сути два устройства, частотный преобразователь (который сам стоит немало) и двигатель. Но технология эта несёт определенные выгоды: снижение расхода электроэнергии за счёт минимизации пусковых токов, более широкий диапазон регулировок скорости, увеличение срока эксплуатации (за счёт отсутствия пусковых перегрузок). Это всё понятно, но есть и минусы и ограничения, о которых не так часто говорят.

Инверторная технология хороша для стабилизации напряжения, попутно она ещё решает другие задачи

• Не все моторы нормально реагируют на работу с низкими оборотами. Если такой режим будет длительным, лучше искать специальные модели под низкие обороты.
• Каждый двигатель имеет максимальную скорость, которую лучше не превышать. Она указана на шильдике двигателя и выше скорость лучше не задавать.
• На максимальных оборотах обычно падает крутящий момент. То есть, с повышением оборотов надо снижать нагрузку.
• При выходе из строя инверторного двигателя ремонт обойдётся дороже, даже если «полетела» часть, с инвертором никак не связанная. Для определения неисправности необходим более квалифицированный специалист (должен же он решить, что инвертор в порядке), а стоимость услуг его выше.

Как видим, инверторный двигатель неидеальное решение, но довольно неплохое. Основной плюс – широкий диапазон регулирования скорости двигателя, точное поддержание этой скорости. Для асинхронных двигателей применение инверторной технологии означает ещё и минимизация пусковых токов и перегрузок. В общем, инверторный двигатель хорош там, где двигатели часто включаются/отключаются. Это холодильники, кондиционеры, станки, транспортёры и другое оборудование, которое ранее работало на асинхронных двигателях.

Не во всей технике установка инвертора необходима

Ещё инверторные двигатели (или частотные преобразователи к обычному двигателю) стоит применять там, где от производительности/скорости зависит эффективность работы. Например, подающие насосы, которые должны поддерживать определённое давление в сети и должны реагировать/плавно изменять скорость. Ещё инверторный двигатель может быть важен в подъёмной технике. Как пример, для откатных или подъёмных ворот. Возможность изменять скорость и развивать хорошее усилие на малых оборотах важно.

Структурная схема инверторного кондиционера

Основное отличие инверторного кондиционера — его электронная схема, рассмотрим её структурную схему:

*для увеличения изображения кликните левой клавишей мыши

Функциональные блоки схемы

Входной фильтр

Подавляет и существенно уменьшает уровень помех из сети, которые возникают при переходных процессах от других потребителей, атмосферного электричества.

Ещё одна функция — защита самой сети от высокочастотных импульсов силового преобразователя.

Выпрямитель

Осуществляет преобразование переменного тока в постоянный для питания инверторного модуля

ККМ — корректор коэффициента мощности.

Приводит форму тока к синусоидальной форме, а коэффициент мощности к норме — около 0,97 — 0,98 %

В англоязычной документации обозначается как PSC или PFC — power factor correction

Инверторный модуль

Из постоянного напряжения получает трёхфазное переменное для питания компрессора. Частота, переменного напряжения задаётся блоком управления в зависимости от тепловой нагрузки. Частота переключения силовых ключей при этом около 20 кГц.

На схемах обозначается — IPM — intelligent power module, то есть интеллектуальный силовой модуль.

Источник вторичного питания

Обеспечивает выходное напряжение для питания схемы управления, индикаторов, реле, драйверов для инвертора, электродвигателя вентилятора и других исполнительных механизмов.

Типовые значения постоянного напряжения:

+5 В — питание микропроцессора и микросхем

+12 В — питание реле, драйверных микросхем

+15 В — питание двигателей постоянного тока (BLDC)

Блок управления

Управление всеми блоками и механизмами кондиционера, получение информации с датчиков и её анализ, а также обмен данными с внутренним блоком.

Основные функции схемы управления:

• сбор данных с датчиков (температурных, давления)
• получение данных с внутреннего блока
• управление инверторным модулем и компрессором
• управление двигателем вентилятора
• управление электронным ТРВ
• коммутация четырёхходового клапана
• осуществление самодиагностики
• индикация ошибок
• передача данных внутреннему блоку

Двигатель вентилятора

Охлаждение конденсатора и поддержание заданного давления в системе.

Получает питание +310 В с выпрямителя для питания обмоток двигателя

+15 В с источника ВП для питания схемы управления

Передаёт данные с датчика Холла о частоте вращения вентилятора на схему управления, а с неё получает сигналы управления, для обеспечения оптимального давления в системе.

Электронный ТРВ

Управляет количеством хладагента поступающего в испаритель.

Представляет из себя канал с иглой, положение которой изменяет сечение канала.

Сама игла управляется шаговым двигателем. Это позволяет очень точно регулировать поток хладагента.

По английски EEV — electronic expansion valve, то есть электронный расширительный клапан.

Четырёхходовой клапан

Обеспечивает реверс хладагента.

Управление стандартное — с помощью реле.

На схемах обозначается как 4WAY или подписывается Reversing Valve.

Блок датчиков

Назван так условно, на самом деле они располагаются по всему контуру:

• датчик температуры воздуха на улице
• датчик температуры конденсатора
• датчик температуры нагнетания — устанавливается на нагнетающую трубку компрессора
• термореле компрессора
• датчик низкого давления
• датчик высокого давления
• датчик уровня масла в компрессоре
• датчик скорости вращения вентилятора
• в некоторых сериях инверторов — датчик частоты вращения ротора компрессора

Во внутреннем блоке также установлены датчики информация о состоянии которых передаётся платой управления:

• датчик комнатной температуры
• датчик температуры на входе в испаритель, в средней точке, на выходе (обычно установлены 1 или 2 датчика)
• датчик влажности
• датчик скорости вращения вентилятора

Некоторые серии инверторных кондиционеров также оснащаются линией перепуска хладагента, системами инжекции (впрыска) в компрессор, системами сбора и возврата масла и прочими, в этой схеме обозначены лишь основные узлы.

Мы рассмотрели структурную схему инвертора с двойным преобразованием, существуют также инверторы постоянного тока (DC Inverter).

Следующие статьи этой категории:

• Электронная схема инверторного кондиционера
• Диагностика и ремонт инверторного кондиционера