Электродвигатель с изменяемой скоростью вращения

Как мы уже знаем из курса ТОЭ, частота вращения ротора определяется по формуле:

Синхронная частота вращения зависит от частоты приложенного напряжения и количества пар полюсов

Исходя из этого, можно сделать вывод, что изменять скорость асинхронных ЭД можно с помощью изменения скольжения, частоты и числа пар полюсов.

Способы регулирования бывают разные, например механические муфты, редукторы, различные шестерёнчатые трансмиссии или есть способ изменения количества полюсов обмоток ЭД. Но в рамках данной статьи поговорим о методах регулировки ЭД с помощью изменения электрических параметров: регулировки напряжения питания ЭД и настройки частоты питающего напряжения и с помощью изменения активного сопротивления в роторной цепи.

Данный метод регулирования скорости асинхронного ЭД широко используется в машинах с фазным ротором. При этом в роторную цепь подсоединяется дополнительный реостат, которым можно достаточно плавно увеличивать номинал сопротивления. С ростом сопротивления, скольжение ЭД увеличивается, а скорость вращения снижается. Т.е, происходит регулировка скорости вниз от естественной характеристики.

Огромным минусом этого метода является его экономическая неэффективность, т.к с ростом скольжения, потери в роторной цепи существенно увеличиваются, т.е, КПД двигателя стремительно падает.
Плюс к этому, механическая характеристика двигателя становится более мягкой и пологой, поэтому незначительное изменение момента нагрузки на валу ЭД, вызывает резкое изменение частоты вращения.

Регулирование скорости ЭД этим способом крайне не эффективно, но, несмотря на это факт, все еще используется в ЭД с фазным ротором.

Этот способ подразумевает включения в питающую цепь автотрансформатора (АТР), перед статорной обмоткой, после питающих проводов. При этом, если понизить уровень напряжения на выходе АТР, то ЭД будет работать на пониженном напряжении.

Это в свою очередь снизит частоты вращения, при постоянном моменте нагрузки, а также к снижению перегрузочной способности ЭД. Так как с снижением уровня питания, максимальный момент асинхронного ЭД снижается в квадрат раз. Кроме этого момент снижается быстрее, чем ток в рроторной цепи, а поэтому, увеличиваются и потери, с последующим нагревом ЭД.

Способ регулировки напряжения, возможен только по направлению вниз от естественной характеристики, так как повышать напряжение выше номинального уровня категорически не приветствуется, ведь это приведет к огромным потерям в двигателе, перегреву и неисправности.

Кроме АТР, можно использовать тиристорный регулятор напряжения и аналогичные схемотехнические решения, в том числе и с использованием микроконтроллеров.

При таком методе, к ЭД подсоединяют преобразователь частоты (ПЧ). Например Omron, Hitachi и т.п ,(например в флюорографе ФМЦ). В простых вариантах это тиристорный ПЧ. Регулировка скорости происходит с помощью регулировки частоты питающего напряжения f, потому, что она оказывает влияние на синхронную скорость вращения ЭД.

С снижением частоты , перегрузочная способность ЭД также снижается, чтобы этого не допустить, необходимо повысить величину напряжения U₁. Номинал на который требуется повысить, зависит от типа привода. Если регулирование осуществляется с постоянным моментом нагрузки на валу, то напряжение требуется изменять пропорционально регулировки частоты (при снижении скорости). В случае увеличения скорости этого делать не стоит, напряжение должно быть на номинальных значениях, иначе это может причинить вред ЭД.

Если регулировка скорости осуществляется с постоянной мощностью электродвигателя, то изменение U₁ требуется осуществлять пропорционально корню квадратному изменения f₁.

При настройки установок с вентиляторной характеристикой, требуется регулировать U₁ пропорционально квадрату изменения f₁.

Регулирование способом изменения частоты, является наиболее лучшим вариантом для асинхронных двигателей на текущий момент, т.к при нем осуществляется регулирование скорости в достаточно широком диапазоне, без существенных потерь и падения перегрузочных способностей ЭД.

Обычно регулирование оборотов для двигателей на 220 вольт осуществляют с помощью тиристоров. Типовой схемой считается подсоединение электродвигателя в разрыв анодной цепи тиристора. Но во всех подобных схемах должен быть надежный контакт. И поэтому их нельзя применить в регулировании частоты вращения коллекторных двигателей, так как механизм щеток искусственно создает небольшие обрывы цепи.

Такой метод возможен только в многоскоростных асинхронных ЭД с короткозамкнутым ротором, т.к число полюсов этого ротора, всегда совпадает с полюсами статора.

В соответствии с формулой в начале страницы, скорость ЭД можно настраивать и изменением числа пар полюсов. Причём, в данном случае изменение скорости будет ступенчато, т.к как количество полюсов бывает только – 1,2,3,4,5.

Изменение их числа достигается с помощью переключения катушечных групп обмотки статора. При этом катушки коммутируются различными схемами, например “звезда — звезда” или “звезда – двойная звезда”. При соединении “звезда — звезда” получается изменение количества полюсов в соотношении 2:1. При этом будет постоянная мощность двигателя при переключении. При схеме “звезда – двойная звезда” изменяется количество полюсов в таком же соотношении, но еще обеспечивается постоянный момент двигателя.

Применение этого метода регулирования оправдано сохранением КПД и коэффициента мощности при переключении. Серьезным недостатком способа является более сложная конструкция ЭД, а также увеличение его стоимости.

При использовании электродвигателя в инструментах, одной из серьёзных проблем является регулировка скорости их вращения. Если скорость недостаточно высока, то действие инструмента является недостаточно эффективным.

Если же она излишне высока, то это приводит не только к существенному перерасходу электрической энергии, но и к возможному пережогу инструмента. При слишком высокой скорости вращения, работа инструмента может стать также менее предсказуемой. Как это исправить? Для этой цели принято использовать специальный регулятор скорости вращения.

Двигатель для электроинструментов и бытовой техники обычно относится к одному из 2 основных типов:

1. Коллекторные двигатели.
2. Асинхронные двигатели.

В прошлом, вторая из указанных категорий имела наибольшее распространение. Сейчас, примерно 85% двигателей, которые употребляются в электрических инструментах, бытовой или кухонной технике, относятся к коллекторному типу. Объясняется это тем, что они имеют большую степень компактности, они мощнее и процесс управления ими является более простым.

Действие любого электродвигателя построено на очень простом принципе: если между полюсами магнита поместить прямоугольную рамку, которая может вращаться вокруг своей оси, и пустить по ней постоянный ток, то рамка станет поворачиваться. Направление вращения определяется согласно «правилу правой руки».

Эту закономерность можно использовать для работы коллекторного двигателя.

Важным моментом здесь является подключение тока к этой рамке. Поскольку она вращается, для этого используются специальные скользящие контакты. После того, как рамка повернётся на 180 градусов, ток по этим контактам потечёт в обратном направлении. Таким образом, направление вращения останется прежним. При этом, плавного вращения не получится. Для достижения такого эффекта принято использовать несколько десятков рамок.

Устройство

Коллекторный двигатель состоит обычно из ротора (якоря), статора, щёток и тахогенератора:

1. Ротор — это вращающаяся часть, статор — это внешний магнит.
2. Щётки, сделанные из графита – это основная часть скользящих контактов, через которую на вращающийся якорь подаётся напряжение.
3. Тахогенератор – это прибор, который отслеживает характеристики вращения. В случае нарушения равномерности движения, он корректирует поступающее в двигатель напряжение, тем самым делая его более плавным.
4. Статор может содержать не один магнит, а, например, 2 (2 пары полюсов). Также, вместо статических магнитов, здесь могут быть использованы и катушки электромагнитов. Работать такой мотор может как от постоянного, так и от переменного тока.

Простота регулировки скорости коллекторного двигателя определяется тем, что скорость вращения прямо зависит от величины поданного напряжения.

Кроме этого, важной особенностью является то, что ось вращения непосредственно можно присоединять к вращающемуся инструменты без использования промежуточных механизмов.

Если говорить об их классификации, то можно говорить о:

1. Коллекторных двигателях постоянного тока.
2. Коллекторных двигателях переменного тока.

В этом случае, речь идёт о том, каким именно током происходит питание электродвигателей.

Разница состоит в том, как организованы эти подключения.

Тут принято различать:

• Параллельное возбуждение.
• Последовательное возбуждение.
• Параллельно-последовательное возбуждение.

Регулировка

Теперь расскажем о том, как можно регулировать обороты коллекторных двигателей. В связи с тем, что скорость вращения мотора просто зависит от величины подаваемого напряжения, то любые средства регулировки, которые способны выполнять эту функцию для этого вполне пригодны.

Перечислим несколько такого рода вариантов для примера:

1. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
2. Заводские платы регулировки, используемые в бытовых приборах (можно использовать в частности те, которые применяются в миксерах или в пылесосах).
3. Кнопки, используемые в конструкции электроинструментах.
4. Бытовые регуляторы освещения с плавным действием.

Однако, все вышеперечисленные способы имеют очень важный изъян. Вместе с уменьшением оборотов, одновременно уменьшается и мощность работы мотора. В некоторых случаях, его можно остановить даже просто рукой. В некоторых случаях, это может быть приемлемо, но большей частью, это является серьёзным препятствием.

Хорошим вариантом является выполнение регулировки оборотов посредством использования тахогенератора. Его обычно устанавливают на заводе. При отклонениях в скорости вращения мотора, через симисторы в мотор передаётся уже откорректированное электропитание, соответствующее требуемой скорости вращения. Если в эту схему встроить регулировку вращения мотора, то потери мощности здесь происходить не будет.

Как это выглядит конструктивно? Наиболее распространены реостатная регулировка вращения, и сделанная на основе использования полупроводников.

В первом случае, речь идёт о переменном сопротивлении с механической регулировкой. Она последовательно подключается к коллекторному электродвигателю. Недостатком является дополнительное выделение тепла и дополнительная трата ресурса аккумулятора. При таком способе регулировк, происходит потеря мощности вращения мотора. Является дешёвым решением. Не применяется для достаточно мощных моторов по упомянутым причинам.

Во втором случае, при использовании полупроводников, происходит управление мотором путём подачи определённых импульсов. Схема может менять длительность таких импульсов, что в свою очередь, меняет скорость вращения без потери мощности.

Как изготовить своими руками?

Существуют различные варианты схем регулировки. Приведём один из них более подробно.

Вот схема его работы:

Первоначально, это устройство было разработана для регулировки коллекторного двигателя на электротранспорте. Речь шла о таком, где напряжение питания составляет 24 В, но эта конструкция применима и для других двигателей.

Слабым местом схемы, которое было определено при испытаниях её работы, является плохая пригодность при очень больших значениях силы тока. Это связано с некоторым замедлением работы транзисторных элементов схемы.

Рекомендуется, чтобы ток составлял не более 70 А. В этой схеме нет защиты по току и по температуре, поэтому рекомендуется встроить амперметр и контролировать силу тока визуально. Частота коммутации составит 5 кГц, она определяется конденсатором C2 ёмкостью 20 нф.

При этом, рекомендуется подобрать величину R1 таким образом, чтобы правильно настроить работу регулятора. С выхода микросхемы, управляющий импульс поступает на двухтактный усилитель на транзисторах КТ815 и КТ816, далее идёт уже на транзисторы.

Печатная плата имеет размер 50 на 50 мм и изготавливается из одностороннего стеклотекстолита:

На этой схеме дополнительно указаны 2 резистора по 45 ом. Это сделано для возможного подключения обычного компьютерного вентилятора для охлаждения прибора. При использовании в качестве нагрузки электродвигателя, необходимо схему заблокировать блокирующим (демпферным) диодом, который по своим характеристикам соответствует удвоенному значению тока нагрузки и удвоенному значению питающего напряжения.

Работа устройства при отсутствии такого диода может привести к поломке вследствие возможного перегрева. При этом, диод нужно будет поместить на теплоотвод. Для этого, можно воспользоваться металлической пластиной, которая имеет площадь 30 см2.

Регулирующие ключи работают так, что потери мощности на них достаточно малы. В оригинальной схеме, был использован стандартный компьютерный вентилятор. Для его подключения использовалось ограничительное сопротивление 100 Ом и напряжение питания 24 В.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

При изготовлении силового блока (на нижнем рисунке), провода должны быть присоединены таким образом, чтобы было минимум изгибов тех проводников по которым проходят большие токи.Мы видим, что изготовление такого прибора требует определённых профессиональных знаний и навыков. Возможно, в некоторых случаях имеет смысл воспользоваться покупным устройством.

Критерии выбора и соимость

Для того, чтобы правильно выбрать наиболее подходящий тип регулятора, нужно хорошо представлять себе, какие есть разновидности таких устройств:

1. Различные типы управления. Может быть векторная или скалярная система управления. Первые применяются чаще, а вторые считаются более надёжными.
2. Мощность регулятора должна соответствовать максимально возможной мощности мотора.
3. По напряжению удобно выбирать устройство, имеющее наиболее универсальные свойства.
4. Характеристики по частоте. Регулятор, который вам подходит, должен соответствовать наиболее высокой частоте, которую использует мотор.
5. Другие характеристики. Здесь речь идёт о величине гарантийного срока, размерах и других характеристиках.

В зависимости от назначения и потребительских свойств, цены на регуляторы могут существенно различаться.

Большей частью они находятся в диапазоне примерно от 3,5 тысяч рублей до 9 тысяч:

1. Регулятор оборотов KA-18 ESC, предназначенный для моделей масштаба 1:10. Стоит 6890 рублей.
2. Регулятор оборотов MEGA коллекторный (влагозащищенный). Стоит 3605 рублей.
3. Регулятор оборотов для моделей LaTrax 1:18. Его цена 5690 рублей.

Модератор форума: Igoran

Форум радиолюбителей » СХЕМЫ » ТЕХНОЛОГИИ » Регулировка оборотов асинхронного двигателя (Уменьшение оборотов без потери мощности)

Регулировка оборотов асинхронного двигателя

Пн, 26.08.2013, 02:10 | Сообщение # 1 megos
Пн, 26.08.2013, 13:34 | Сообщение # 2 MAXIMUS

Добавлено (26.08.2013, 13:34)
———————————————
а знаешь что будет если частота питающей сети отличается от номинала?

Пн, 26.08.2013, 16:38 | Сообщение # 3 megos
Пн, 26.08.2013, 19:50 | Сообщение # 4 Бухарь

Насколько я знаю, для регулировки оборотов асинхронного двигателя нужно менять частоту тока. Вот скопировал с одного сайта . Сам я это устройство не повторял.

Как известно можно изменять (регулировать) скорость вращения асинхронного безколлекторного электродвигателя изменяя частоту питающего двигатель переменного напряжения. На этом принципе был разработан, приведенный здесь, электронный регулятор скорости вращения. Регулятор позволяет изменять скорость вращения в довольно широких пределах — от 1000 до 4000 об/мин.
Регулятор состоит из задающего генератора с регулируемой частотой от 50 до 200 Гц, в который входят мультивибратор на микросхеме К561ЛА7 , счетчик К561ИЕ8 формирующий сигналы управления с фиксированным "мертвым временем" для управления силовыми полевиками полумоста регулятора.

Выходной трансформатор Т1 обеспечивает развязку верхнего и нижнего транзисторов полумоста. Выпрямитель, удвоитель напряжения питающей сети состоит из диодного моста VD9, включенного по нестандартной схеме и конденсаторов фильтра на которых и удваивается напряжение питания полумоста.
Демпфирующая цепь С4, R7 гасит всплески напряжения опасные для силовых транзисторов VT3, VT4.
Для трансформатора управления ключами, использовался каркас трансформатора от БП телевизора KORFUNG Ч/Б. Можно применить любой другой с аналогичным сечением железа — тип магнитопровода не имеет значения. Первичная обмотка содержит 120 витков провода диаметром 0,7мм, с отводом от середины, вторичная — две отдельные обмотки по 60 витков тем же проводом. Данные по вольтажу обмоток: первичка 2х12 вольт, вторички 12 вольт каждая, если сечение железа отличается от заданного, расчитать можно по формулам для трансформаторов на 50Гц. Марка провода роли не играет (медный).
Обе вторичные обмотки нужно хорошо изолировать друг от друга, так как потенциал между ними достигает 640 вольт. Подключать выходные обмотки к затворам ключей необходимо в противофазе.

Регулятор может работать с двигателями мощностью до 500Вт. Для применения регулятора с более мощными двигателями необходимо применить в схеме большее число силовых ключей в параллельном включении и увеличить емкость конденсаторов фильтра питания С3 и С4.
Конструктивно регулятор выполнен на печатной плате размрами 110 х 80мм, трансформатор управления ключами ставится отдельно.

Добавлено (26.08.2013, 19:50)
———————————————
Он там регулирует от 50гц до 200гц. Но думаю, если изменить емкость С1 можно добиться частоты пониже. Тем самым и уменьшить обороты.