Регулятор оборотов электродвигателя: назначение, принцип работы

В большинстве современных бытовых и промышленных приборов применяются электрические машины, совершающие какую-либо полезную работу. В качестве рабочего инструмента в них могут выступать самые разнообразные приспособления, которые необходимо вращать с различной скоростью. Для изменения этого параметра используется регулятор оборотов электродвигателя.

Назначение

Технически регулятор оборотов электродвигателя предназначен для изменения количества вращения вала за единицу времени. На этапе разгона корректировка частоты обеспечивает более плавную процедуру, меньшие токи и т.д. В некоторых технологических процессах необходимо регулятор оборотов снижает скорость движения оборудования, изменение подачи или нагнетания сырья и т.д.

Однако на практике данная опция может преследовать и другие цели:

• Экономия затрат электроэнергии – позволяет снизить потери в моменты пуска и остановки вращений мотора, переключения скоростей или регулировки тяговых характеристик. Особенно актуально для часто запускаемых электродвигателей, использующих кратковременные режимы работы.
• Контроль температурного режима, величины давления без установки обратной связи с рабочим элементом или с таковой в асинхронных электродвигателях.
• Плавный пуск – предотвращает бросок тока в момент включения, особенно актуально для асинхронных моторов с большой нагрузкой на валу. Приводит к существенному сокращению токовых нагрузок на сеть и исключает ложные срабатывания защитной аппаратуры.
• Поддержание оборотов трехфазных электродвигателей на требуемой отметке. Актуально для точных технологических операций, где из-за колебаний питающего напряжения может нарушиться качество производства или на валу возникает разное усилие.
• Регулировка скорости оборотов электродвигателя от 0 до максимума или от другой базовой скорости.
• Обеспечения достаточного момента на низких частотах вращения электрической машины.

Возможность реализации тех или иных функций у регуляторов оборотов определяет как принцип их действия, так и схематическое исполнение.

Принцип работы

Для регулировки оборотов может использоваться способ понижения или повышения напряжения, изменение силы тока и частоты, подаваемых в обмотки асинхронных и коллекторных электродвигателей. Поэтому далее рассмотрим варианты частотных преобразователей и регуляторов напряжения.

Среди используемых в промышленной и бытовой сфере следует выделить:

• Введение рабочего сопротивления – реализуется при помощи переменных резисторов, делителей и прочих преобразователей. Хорошо обеспечивает снижение в однофазных двигателях за счет контроля скольжения (разницы между магнитным полем статора и скоростью вращения асинхронных агрегатов). Для этого устанавливаются электродвигатели большей мощности, чтобы на них можно было подавать меньшее напряжение. Соотношение по скорости оборотов будет составлять до 2 раз в сторону уменьшения.
• Автотрансформаторный – выполняется путем перемещения подвижного контакта по обмотке, что снижает или увеличивает скорость вращения электродвигателя. Преимущество такого принципа заключается в четкой синусоиде переменного тока и большой перегрузочной способности.
• Тиристорный или симисторный – изменяет величину питающего напряжения посредством пары встречно включенных тиристоров или совместного включения с симистором. Этот способ применим не только в асинхронных двигателях, но и других бытовых приборах – диммерах, переключателях и т.д.

Рис. 1. Схема тиристорного регулятора

Как видите на схеме, подаваемое на тот же асинхронный однофазный электродвигатель напряжение, проходит через переменный резистор R1 на тиристор D1 и на управляющий электрод симистора T1. Перемещая ручку тиристорного регулятора R1 изменяем и скорость вращения однофазного электродвигателя.

• Транзисторный – позволяет изменять форму подаваемого напряжения за счет преобразования числа импульсов и временной паузы между подаваемым напряжением. Благодаря чему получил название широтно-импульсной модуляции, пример такого регулятора приведена на схеме ниже.

Регулировка оборотов на транзисторах

Здесь питание однофазного асинхронного двигателя производится от линии 220В через выпрямительный блок VD1-4, далее напряжение поступает на эмиттер и коллектор транзисторов VT1 и VT2. Подавая управляющий сигнал на базы этих транзисторов, и регулируют обороты мотора.

• Частотный – преобразует частоту подаваемого напряжения на обмотки однофазного или трехфазного асинхронного электродвигателя. Это наиболее современный способ, ранее он относился к дорогостоящим, но с появлением дешевых высоковольтных полупроводников и микроконтроллеров перешел в разряд наиболее эффективных. Может реализовываться с помощью транзисторов, микросхем или микроконтроллеров, способных уменьшать или увеличивать частоту ШИМ.

Пример частотного регулирования

• Полюсный – позволяет регулировать частоту вращения электродвигателя при переключении количества катушек в фазных обмотках, в результате чего изменяется направление и величина тока, протекающего в каждой из них. Реализуется как за счет намотки нескольких катушек для каждой из фаз, так и одновременным последовательным или параллельным соединением катушек, такой принцип приведен на рисунке ниже.

Регулировка оборотов переключением пар полюсов

Как выбрать?

Конкретная модель регулятора оборотов должна подбираться в соответствии с типом подключаемой электрической машины – коллекторный двигатель, трехфазный или однофазный электродвигатель. В соответствии с чем и подбирается определенный преобразователь частоты вращения.

Помимо этого для регулятора оборотов необходимо выбрать:

• Тип управления – выделяют два способа: скалярный и векторный. Первый из них привязывается к нагрузке на валу и является более простым, но менее надежным. Второй отстраивается по обратной связи от величины магнитного потока и выступает полной противоположностью первого.
• Мощность – должна выбираться не менее или даже больше, чем номинал подключаемого электродвигателя на максимальных оборотах, желательно обеспечивать запас, особенно для электронных регуляторов.
• Номинальное напряжение – выбирается в соответствии с величиной разности потенциалов для обмоток асинхронного или коллекторного электродвигателя. Если вы подключаете к заводскому или самодельному регулятору одну электрическую машину, будет достаточно именно такого номинала, если их несколько, частотный регулятор должен иметь широкий диапазон по напряжению.
• Диапазон частот вращения – подбирается в соответствии с конкретным типом оборудования. К примеру, для вращения вентилятора достаточно от 500 до 1000 об/мин, а вот станку может потребоваться до 3000 об/мин.
• Габаритные размеры и вес – выбирайте таким образом, чтобы они соответствовали конструкции оборудования, не мешали работе электродвигателя. Если под регулятор оборотов будет использоваться соответствующая ниша или разъем, то размеры подбираются в соответствии с величиной свободного пространства.

Подключение

Способ подключения регулятора оборотов электродвигателя будет отличаться в зависимости от его типа и принципа действия. Поэтому в качестве примера мы разберем один из наиболее распространенных частотных регуляторов, которые используются в самых различных сферах.

Перед подключением обязательно ознакомьтесь с заводской схемой. Как правило, вы можете увидеть ее на самом регуляторе оборотов, либо в паспорте устройства:

Схема подключения регулятора

Далее, пользуясь распиновкой, можно определить количество выводов, которые будут использоваться для подключения регулятора электродвигателя к сети. В нашем примере, рассмотрим случай, когда применяется трехпроводная система, значит, понадобится фаза, ноль и земля. На задней панели регулятора это два вывода AC и FG:

Распиновка регулятора

Затем необходимо проверить цветовую маркировку разъема с приведенной схемой и сопоставить ее со всеми элементами электродвигателя, которые будут подключаться в вашем случае. Если какие-то выводы окажутся лишними, их можно закоротить, как показано на рисунке выше.

Проверьте цветовую маркировку

Если все выводы регулятора соответствуют клеммам электродвигателя, можете подсоединять их друг к другу и к сети.

Изменение оборотов асинхронного двигателя. Разбор способов регулирования.

Благодаря своей простоте исполнения, относительной дешевизне и надежности трехфазные двигатели широко используются в хозяйстве и производстве. Во многих исполнительных механизмах применяют всевозможные типы асинхронных двигателей . Для широкого спектра применения АД, необходимо изменять и регулировать скорость вращения вала двигателя. Регулировка скорости АД производят несколькими способами. Их мы сейчас и рассмотрим.

1. Механические регулирование. Путем изменения передаточного числа в редукторах.
2. Электрическое регулирование. Изменением нескольких параметров питающего напряжения.

Рассмотрим электрическое изменение скорости АД, как более точный и распространённый способ регулирования.

Управление электрическими параметрами позволяет производить плавный запуск двигателя, поддерживать заданные параметры скорости или момента асинхронного мотора.

Параметры с помощью которых управляют мотором:

• Частотой тока питающей сети.
• Величиной тока в цепях мотора.
• Напряжением на двигателе.

Самым распространённым асинхронным двигателем является мотор беличье колесо, двигатель с короткозамкнутым ротором. Для управления вращением, в этом типе электрических машин, применяют несколько видов воздействия.

• Изменение частоты поля статора.
• Управление величиной скольжения, изменяя напряжение питания.

Регулирование частотой

Специальные устройства, преобразователи частоты (другие названия инвертор, частотник, драйвер), подключаются к электрической машине. Путем выпрямления напряжения питания, преобразователь частоты внутри себя формирует необходимые величины частоты и напряжения, и подает их на электрический двигатель.

Необходимые параметры для управления АД преобразователь рассчитывает самостоятельно, согласно внутренним алгоритмам, запрограммированным производителем устройства.

Преимущества регулирование частотой .

• Достигается плавное регулирование частоты вращения электромотора.
• Изменение скорости и направление вращения двигателя.
• Автоматическое поддержание требуемых параметров.
• Экономичность системы управления.

Единственный недостаток, с которым можно смирится, это необходимость в приобретении частотника. Цены на такие устройства совсем незаоблачные, и в пределах 150 уе, можно обзавестись преобразователем для 2 кВт двигателя.

Регулирование оборотов изменением числа пар полюсов

Специальные многоскоростные двигатели со сложной обмоткой регулируются путем изменения количества активных полюсов на статоре. Обмотки полюсов разбиты на группы, и чередуются, путем коммутации обмотки подключаются, то параллельно, то последовательно.

Положительные моменты данного способа.

• Высокий КПД мотора.
• Жесткие механические выходные параметры.

К недостаткам такого управления, можно отнести высокую стоимость электрической машин, а также значительный вес и габариты такого двигателя. Изменение оборотов происходит ступенькой 1500-3000 об/мин.

Асинхронные двигатели с фазным ротором

Основной способ управления АД с фазным ротором — изменение величины скольжения между статором и ротором.

Регулирование с помощью напряжения

Через специальные автотрансформаторы ЛАТР, путем изменения напряжения на обмотках двигателя, производят регулировку оборотов вала.

Данный способ так же подходит и к АД с короткозамкнутым ротором. Таким способ можно регулировать в пределах от минимума до номинальных параметров двигателя.

Установка активного сопротивления в цепи ротора

Переменное реостатное сопротивление или набор сопротивлений в цепи ротора воздействует на ток и поле ротора. Изменяя таким образом величину скольжения и количество оборотов двигателя.

Чем больше сопротивление, тем меньше ток, тем больше величина скольжения АД и меньше скорость.

Достоинства такого регулирования.

1. Большой диапазон регулирования оборотами электрической машины.
2. Мягкая выходная характеристика мотора.

Недостатки такого способа.

1. Уменьшение КПД двигателя.
2. Ухудшение рабочих характеристик механизма.

Моторы с двойным питанием через вентильные устройства

Регулировка мощности и оборотов в АД с фазным ротором происходит путем изменения величины скольжения. Управление крупными, специальными машинами происходит путем подачи и регулировкой величины ЭДС, на ротор от отдельного источника напряжения.

Эпилог

При всех своих достоинствах асинхронные машины имеют существенный недостаток, это рывок ротора при подаче напряжения. Такие режимы опасны как для самого двигателя, так и для приводных механизмов. Поскольку во время пуска АД, ток в обмотках двигателя приравнивается к короткому замыканию. А рывок вала разбивает подшипники, шлицы, передаточные устройства. Поэтому пуск АД стараются производить плавным стартом. А именно:

• Запуск через ЛАТР.
• Разгон и работа АД, через переключение обмоток двигателя звезда-треугольник.
• Использование устройств управления, таких как частотный преобразователь.