ИНТЕХНИКС . Статті . Керування однофазним двигуном

03.10.2016

Три способи керування однофазними асинхронними двигунами

  • Однофазним частотним перетворювачем з виходом 1 фаза 220 В (варіант 1)
  • Однофазним частотним перетворювачем з виходом 3 фази 220 В (варіант 2)
  • Тиристорним регулятором напруги (варіант 3)

Кожен день інженери проектують системи, в яких використовуються асинхронні двигуни з однофазним харчуванням. У свою чергу, управління швидкістю однофазних двигунів бажано в більшості застосувань, так як це не тільки забезпечує необхідну швидкість, але і зменшує споживання електроенергії, і знижує рівень акустичного шуму.

Більшість серійно випускаються однофазних двигунів не реверсивні, тобто вони розроблені, щоб обертатися тільки в одному напрямку. Змінити напрямок їх обертання можна тільки за допомогою додаткових засобів: додаткової обмотки, зовнішніх реле та перемикачі, механічного редуктора і т. д. Так само, якщо дозволяє конструкція двигуна, реверсувати його можна за допомогою перетворювачів для регулювання швидкості.

Існує безліч різновидів асинхронних двигунів з однофазним харчуванням. Конструкція та принцип їх дії докладно описані в літературі з електромеханіки. Найбільш поширеним типом є двигун з двома статорними обмотками, одна з яких має в своїй ланцюга постійно включений робочий конденсатор, який забезпечує зсув струму в обмотках на 90 електричних градусів для утворення обертового магнітного поля. Такий двигун називається конденсаторним. Про нього і піде мова в даній статті.

Основним способом плавного регулювання швидкості однофазного конденсаторного двигуна є частотний метод, реалізований з допомогою трифазних або однофазних ШІМ-інверторів (перетворювачів частоти ), а також метод фазової регулювання напруги за допомогою тиристорних регуляторів потужності. Розглянемо ці методи докладніше.

Варіант 1. V/F керування за допомогою однофазного ШІМ-інвертора

На виході інвертора, що складається з чотирьох IGBT-транзисторів (рис.1), формується напруга однофазне зі змінною частотою і середньоквадратичним значенням з лінійною залежністю V/F (вольт-частотна характеристика). За рахунок конденсатора в обмотці двигуна виходить поле, близьке до кругового. Даний спосіб управління реалізується за допомогою спеціалізованих перетворювачів частоти. які розроблені виключно для управління однофазними двигунами. У них, як правило реалізовані спеціальні алгоритми, управління двигуном, що забезпечують стійкий пуск і стабільну роботу в заявленому діапазоні частот.

Регулювати частоту можна, як вниз, так і вгору від номінальної, але на відміну від частотно-регульованих трифазних приводів. діапазон регулювання однофазного двигуна менше. Воно, як правило, не перевищує 1:10, за рахунок того, що ємнісне опір залежить від частоти.

До основних переваг даного методу управління можна віднести: 1) простоту вводу в експлуатацію, т. к. не потрібно конструктивних змін двигуна; 2) гарантовано надійну та стійку роботу, так як частотний перетворювач спеціально розроблений для таких двигунів і в ньому враховані всі особливості їх експлуатації; 3) хороші характеристики управління і можливості, властиві більшості перетворювачів частоти (аналогові і дискретні входи/виходи, ПІД-регулятор. передвстановлені швидкості, комунікаційні інтерфейси, захисні функції, і т. д.).

До недоліків відноситься: 1) тільки односпрямоване обертання (неможливість без зовнішніх комутуючих пристроїв реверсувати двигун); 2) досить висока вартість частотних перетворювачів для однофазних двигунів, так як в них використовуються IGBT-модулі зі значним запасом по струму (наприклад, в однофазному частотнике потужністю 1.1 кВт використовується IGBT-модуль такий же як у трифазному на 2.2 кВт) та з-за обмеженості пропозиції на ринку.

Варіант 2. V/F керування за допомогою трифазного ШІМ-інвертора

В даному випадку використовується стандартний перетворювач частоти з мостовою схемою IGBT-транзисторів (рис.2), що формується на виході трифазну напругу з фазовим зрушенням на 120 градусів. Обидві обмотки однофазного двигуна і їх середня точка підключаються до трьох вихідних фаз інвертора. Конденсатор, при цьому, зі схеми повинен бути виключений. Так як обмотки геометрично зсунуті на 90 градусів. а напруга, що прикладається до них – на 120 електричних градусів, то отримане поле не буде круговим, і як наслідок, буде пульсуючим. Причому середнє його значення за період буде менше (рис.2), ніж у разі живлення від напруги зі зрушенням 90 гадусов.

При схемі підключення на рис.2 чинне напруга на головній обмотці (Vгл) буде дорівнює різниці напруг фаз A і C, а напруга на додаткової обмотки (Vдоп) = Vb-Vc. Змінюючи порядок комутації IGBT-транзисторів, можна легко змінювати чергування напруга на обмотках, а отже і напрямок обертання двигуна (рис.3) без будь-яких додаткових апаратних засобів.

Тут варто відзначити, що не будь-перетворювач частоти підійде для управління однофазним двигуном. так як струми в фазах будуть не симетричні, і в разі наявності захисту від асиметрії вихідних фаз, робота перетворювача буде блокуватися. Як втім, і не будь конденсаторний двигун підійде для даного способу, так як у деяких типів двигунів досить важко або неможливо прибрати ємність з додаткової обмотки, і додаткова обмотка як правило виконана більш тонким дротом, що при відсутності конденсатора може призвести до її перегрівання і міжвиткові замикання.

Іноді на свій страх і ризик використовують підключення однофазного двигуна з конденсатором до трифазного інвертора, що більшістю виробників частотних перетворювачів заборонено. В цьому випадку треба вибирати частотники зі значним запасом по струму по відношенню до двигуна, в частотнике не повинно бути захисту від обриву/перекосу вихідних фаз, і треба пам’ятати, що при певній частоті може виникнути електричний резонанс в контурі конденсатор-обмотка двигуна, що призведе до його пошкодження.

Отже, перевагами методу є: 1) доступність на ринку і досить низька ціна перетворювачів частоти з трифазним виходом; 2) можливість реверсної роботи; 3) хороший діапазон регулювання швидкості і можливості, властиві більшості перетворювачів частоти (аналогові і дискретні входи/виходи, ПІД-регулятор. передвстановлені швидкості, комунікаційні інтерфейси, захисні функції, і т. д.).

Недоліки методу: 1) знижений і пульсуючий момент двигуна, підвищений його нагрівання; 2) не всі перетворювачі частоти і конденсаторні двигуни годяться для даного методу, потрібний попередній аналіз характеристик перетворювача і конструкції двигуна. До того ж, більшість виробників частотних перетворювачів в своїх інструкціях забороняють підключення однофазних двигунів, і в разі поломки можуть зняти з виробу свої гарантійні зобов’язання.

Варіант 3. Фазова регулювання напруги за допомогою тиристорного регулятора

Відсутність до недавнього часу доступного і якісного перетворювача частоти для однофазних двигунів призводило до пошуку інших рішень, одне з яких — зміна напруги статора при незмінній його частоті.

На виході тиристорного регулятора, що складається з двох, включених зустрічно-паралельно тиристорів (рис.4), формується напруга однофазне з постійною частотою і регульованим середньоквадратичним значенням за рахунок зміни кута (альфа) відкривання тиристорів.

Критичний момент при такому регулюванні буде знижуватися пропорційно напрузі, критичне ковзання залишиться незмінним.

Проведемо оцінку методу.

1) Регулювання однозонное – тільки вниз від основної швидкості.

2) Діапазон регулювання в розімкнутому контурі, приблизно, 2:1; стабільність швидкості задовільна; плавність висока.

3) Допустиме навантаження різко знижується зі зменшенням швидкості.

4) Розглянутий спосіб регулювання неефективний для використання в тривалому режимі. Навіть для найсприятливішою навантаженні — вентиляторної необхідно двох-триразове перевищення встановленої потужності двигуна, інтенсивний зовнішній обдув, так як, припустимо, якщо двигун обертається 750 об/хв (коли синхронна частота 1500) — ковзання 0,5 і 0,5 потужності йде в навантаження, а 0,5 — гріє ротор (не рахуючи інших втрат).

5) Тиристорний регулятор — простий пристрій у 3-4 рази дешевше, ніж перетворювач частоти, і саме ця особливість системи регулювання швидкості напругою приводила в ряді випадків до її невиправданого застосування.

Висновок

Всі три способи мають право на існування, тільки вибір одного з них потрібно робити виходячи з конкретної прикладної задачі.

Безумовно, найбільш універсальним і найменш трудомістким на стадії проектування є перший метод – регулювання за допомогою перетворювача частоти з однофазним виходом. Цей спосіб годиться для більшості застосувань і крім конденсаторнихдвигунів його можна використовувати і для управління однофазними двигунами з екранованими полюсами.

Другий спосіб – регулювання за допомогою перетворювача частоти з трифазним виходом. — потребує попереднього вивчення, як перетворювача, так і двигуна на предмет можливості спільної роботи. І рекомендується завжди вибирати перетворювач з істотним запасом потужності по відношенню до двигуну. Цей метод оптимальний реверсивних додатках.

Третій спосіб – регулювання швидкості зміною напруги. — може в ряді випадків використовуватися для короткочасного зниження швидкості малопотужних вентиляторів і насосів, і вельми корисний і ефективний для зниження пускових струмів, для економії енергії при недогрузках. Цей метод є самим бюджетним, але як підкреслювалося раніше, тиристорні регулятори не повинні застосовуватися для регулювання швидкості скільки-небудь потужних двигунів. приводять в обертання машини, що працюють у тривалому режимі.

Короткий опис статті: регулятор частоти обертання асинхронного двигуна ИНТЕХНИКС | Статті | Управління однофазним двигуном перетворювач частоти для однофазного двигуна, частотний перетворювач, однофазний двигун, конденсаторний двигун, однофазний інвертор

Джерело: ИНТЕХНИКС | Статті | Управління однофазним двигуном

Також ви можете прочитати