Чем можно регулировать скорость вращения двигателя постоянного тока - Авто мастер
Avtonova37.ru

Авто мастер
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чем можно регулировать скорость вращения двигателя постоянного тока

Регулирование частоты вращения электродвигателей

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Порядка 70% потребляемой промышленностью мощности, приходится на электропривод. Огромное разнообразие технологических процессов диктует свои правила, вследствие чего, появилась необходимость в изменении скорости вращения электродвигателя непосредственно во время технологического процесса. В данной статье мы раскроем различные способы регулирования скорости вращения электродвигателей.

Параметры, изменив которые, мы изменим скорость двигателя переменного тока (ДПТ):

  • частота напряжения;
  • число пар полюсов;
  • величина напряжения;
  • добавочное сопротивление в цепи ротора;
  • вентильный каскад.

Изменяемые параметры для ДПТ:

  • напряжение питания;
  • сопротивление цепи обмотки якоря;
  • магнитный поток.

Методы регулирования частоты вращения электродвигателя

Далее мы подробно рассмотрим эти способы и их применимость к различным типам электродвигателей.

Частотное регулирование

Наиболее эффективный, постоянно совершенствующийся способ.
Применение: двигатели переменного тока (синхронные и асинхронные с кз ротором).
Корректируя частоту питающего напряжения, мы изменим угловую скорость магнитного поля статора, следовательно, скорость двигателя в значительном диапазоне, имея достаточно жесткие механические характеристики. Для сохранения в норме коэффициента мощности и допустимости кратковременных перегрузок, меняя частоту, следует изменять и саму величину питающего напряжения.

Преимущества способа:

  • обширный диапазон регулировки;
  • «жесткость» механических характеристик;
  • минимум потерь «скольжения», мощности.

Недостаток — высокая стоимость (в последние годы становится менее актуально).

Регулирование изменением числа пар полюсов

Применение: т.к. промышленность не выпускает серийно синхронные двигатели с изменяемым количеством пар полюсов, будем считать, что способ актуален только для асинхронных двигателей (далее АД) с кз ротором.
Способ реализуется изменением числа пар полюсов у обмоток. Этого можно добиться, изготовив двигатель с двумя независимыми обмотками. Но этот метод приводит к удорожанию конструкции и увеличению размеров машины. Поэтому наиболее выгодным является увеличение числа пар полюсов без использования второй независимой обмотки.
Промышленностью выпускаются двухскоротсные, трёхскоростные и четырёхскоростные электродвигатели.

Достоинства:

  • экономичность;
  • «жёсткие» механические характеристики.

Недостатки:

  • ограниченное количество возможных скоростей;
  • ступенчатость переключения скоростей.

Изменение питающего напряжения

Применение: асинхронные двигатели.

Изменять напряжение на статоре можно, включая в его цепь резисторы (старый и неэкономичный способ), автотрансформаторы или тиристорные регуляторы.
При регулировании скорости изменением напряжения, критический момент пропорционален квадрату подводимого напряжения. Снижается устойчивость к кратковременным перегрузкам и КПД, поэтому метод предпочтителен при «вентиляторной» нагрузке. Еще один недостаток — малый диапазон регулирования.

Добавочное сопротивление в цепи ротора

Применение: АД с фазным ротором.
При изменении сопротивления ротора прямо пропорционально изменяется скольжение. Но величина критического момента остается постоянной. Это позволяет подобрать сопротивления так, чтобы уравнять критический момент с пусковым, что благоприятно сказывается на пуске двигателя под нагрузкой.

Достоинства способа:

  • простота реализации;
  • критический момент = const;

Недостатки:

  • большие потери (при изменении скорости половина мощности тратится на выделение тепла);
  • малый диапазон;
  • «мягкие» механические характеристики.

Асинхронный вентильный каскад

Применение: АД с фазным ротором.

Смысл регулирования каскадными схемами заключается в подаче в цепь ротора добавочной ЭДС. Изменяя добавочную ЭДС ротора, мы изменяем ток ротора, а значит его момент и скорость. Создать добавочную ЭДС, помимо устройства вентильного каскада, может и ДПТ — машинно-вентильный каскад.

Достоинства:

  • Минимум сопутствующей силовой и контактной аппаратуры;
  • плавность регулировок;
  • малая мощность управления.

Недостатки:

  • стоимость;
  • низкий коэффициент мощности;
  • плохая устойчивость к перегрузкам.

Изменение напряжения питания якоря

Применение: любые ДПТ.
Способ можно использовать если источником электрической энергии является генератор. Реализовать от общей сети невозможно.

Достоинства:

  • плавность регулировок;
  • простота пусков и торможений;
  • экономичность.

Недостатки:

  • необходимость трехкратного преобразования энергии→низкий КПД;
  • три электрические машины в системе;
  • дорогая эксплуатация.

Введение добавочного резистора в цепь якоря

Применение: любые ДПТ.

Заключается в последовательном включении в цепь якоря регулировочного реостата. Но способ не получил распространения ввиду своей неэкономичности и плохого влияния на КПД двигателя, т.к. в цепи реостата теряется очень большое количество энергии.

Регулирование изменением магнитного потока

В цепь возбуждения двигателей параллельного и смешанного возбуждения подключается реостат. В машинах последовательного возбуждения изменение магнитного потока в обмотке возбуждения производится шунтированием этой обмотки регулируемым сопротивлением. Максимальная скорость вращения двигателя ограничивается лишь механической прочностью якоря. Скорость двигателя регулируется в диапазонах 2:1-5:1, в частных случаях 8-10:1.

Преимущества:

  • минимальные потери→экономичность;
  • широкий диапазон регулирования

Недостатки:

  • невозможно бесконечно уменьшать ток в обмотке возбуждения, двигатель уйдет «в разнос».

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ введение дополнительного сопротивления в цепь якоря

Дополнительное сопротивление (реостат rд) включают в цепь яко­ря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от по­следнего оно должно быть рассчитано на продолжительное проте­кание тока.

При включении сопротивления rд в цепь якоря выражение частоты (29.5) принимает вид

Читать еще:  Что будет если заправиться при работающем двигателе

где — частота вращения в режиме х.х.;

— изменение частоты вращения, вызван­ное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением rд возрастает , что ведет к уменьшению час­тоты вращения. Зависимость n = f(rд) иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя независимого воз­буждения (рис. 29.4, а): с повышением rд увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу (M = Mном ) уменьшается. Этот способ обеспечи­вает плавное регулирование частоты вращения в широком диапа­зоне (только в сторону уменьшения частоты от номинальной), од­нако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате (I 2 a *rД), которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельно­го возбуждения:

а — при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;

б — при изменении основного магнитного потока;

в — при изменении напряже­ния в цепи якоря

В цепи якоря

Это лучший вариант регулирования скорости мотора с независимым возбуждением. Частота вращения прямо пропорциональна подводимому к якорю напряжению. Механические характеристики не меняют своего угла наклона, а перемещаются параллельно друг другу.

Для осуществления этой схемы нужно цепь якоря подключить к источнику напряжения, которое можно менять.

Это возможно в электрических машинах малой или средней мощности. Двигатель большой мощности целесообразно подключить в схему с генератором напряжения независимого возбуждения.

В качестве привода для генератора используют обычный трехфазный асинхронник. Чтобы уменьшить обороты, достаточно на якоре понизить напряжение. Оно меняется от номинального и вниз. Эта схема имеет название «двигатель-генератор». Таким образом можно менять параметры на двигателе 220в.

Для низкого напряжения

Управление агрегатами на 12в проще из-за более низкого напряжения и как следствие, более доступных деталей. Вариантов подобных схем множество, поэтому важно понять сам принцип.

Такой двигатель имеет ротор, щеточный механизм и магниты. На выходе у него всего два провода, контролирование скорости идет по ним. Питание может быть 12, 24, 36в, или другое. Что нужно – это его менять. Лучше, когда в пределах от нуля до максимума. В более простых вариантах 12–0в не получится, другие варианты дают такую возможность.

Кто-то паяет радиоэлементы навесным монтажом, кто-то набирает печатную плату – это уже зависит от желания и возможностей каждого человека.

Этот вариант подойдет, если точность неважна: например, вентилятор. Напряжение меняется от 0 до 12 вольт, пропорционально меняется крутящий момент.

Другой вариант – со стабилизацией оборотов независимо от нагрузки на валу.

Питание 12 вольт, схема очень проста. Двигатель набирает обороты плавно, и также плавно их сбавляет так как напряжение на выходе меняется в пределах 12–0в. Как результат – можно убрать крутящий момент практически до нуля. Если потенциометр крутить в обратном направлении, мотор так же постепенно набирает обороты до максимума. Микросхема очень распространенная, ее характеристики тоже подробно описаны. Питание 12–18в.

Есть еще один вариант, только это уже не для 12, а для 24в питания.

Двигатель постоянного тока, питание – переменное, так как стоит диодный мост. При желании можно мост выбросить и запитывать постоянкой от своего блока питания.

Описание 4 схем регуляторов оборотов электродвигателя

Первая схема

На транзисторе VT1 (однопереходном) реализован генератор пилообразного напряжения (частота 150 Гц). Операционный усилитель DA1 играет роль компаратора, создающего ШИМ на базе транзистора VT2. В результате получается ШИМ регулятор оборотов двигателя.

Изменяют скорость вращения переменным резистором R5, который меняет длительность импульсов. Так как, амплитуда ШИМ импульсов постоянна и равна напряжению питания электродвигателя, то он никогда не останавливается даже при очень малой скорости вращения.

Вторая схема

Она схожа с предыдущей, но в роли задающего генератора применен операционный усилитель DA1 (К140УД7).

Этот ОУ функционирует как генератор напряжения вырабатывающий импульсы треугольной формы и имеющий частоту 500 Гц. Переменным резистором R7 выставляют частоту вращения электродвигателя.

Третья схема

Она своеобразная, построена на она на популярном таймере NE555. Задающий генератор действует с частотой 500 Гц. Ширина импульсов, а следовательно, и частоту вращения двигателя возможно изменять от 2 % до 98 %.

Слабым местом во всех вышеприведенных схемах является, то что в них нет элемента стабилизации частоты вращения при увеличении или уменьшении нагрузки на валу двигателя постоянного тока. Разрешить эту проблему можно с помощью следующей схемы:

Как и большинство похожих регуляторов, схема этого регулятора имеет задающий генератор напряжения, вырабатывающий импульсы треугольной формы, частота которых 2 кГц. Вся специфика схемы — присутствие положительной обратной связи (ПОС) сквозь элементы R12,R11,VD1,C2, DA1.4, стабилизирующей частоту вращения вала электродвигателя при увеличении или уменьшении нагрузки.

При налаживании схемы с определенным двигателем, сопротивлением R12 выбирают такую глубину ПОС, при которой еще не случаются автоколебания частоты вращения при изменении нагрузки.

Читать еще:  Что можно сделать из двигателя холодильника компрессор

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Постоянная момента

  • где M — момент электродвигателя, Нм,
  • – постоянная момента, Н∙м/А,
  • I — сила тока, А

Постоянная ЭДС

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Направление наводимой ЭДС противоположно направлению протекающего в проводнике тока.
Наведенная ЭДС последовательно изменяется по направлению из-за перемещения проводников в магнитном поле. Суммарная ЭДС, равная сумме ЭДС в каждой катушке, прикладывается к внешним выводам двигателя. Это и есть противо-ЭДС. Направление противо-ЭДС противоположно приложенному к двигателю напряжению. Значение противо-ЭДС пропорционально частоте вращения и определяется из следующего выражения: [1]

  • где — электродвижущая сила, В,
  • – постоянная ЭДС, В∙с/рад,
  • — угловая частота, рад/с

Постоянные момента и ЭДС в точности равны между собой KT = KE. Постоянные KT и KE равны друг другу, если они определены в единой системе едениц.

Постоянная электродвигателя

Одним из основных параметров электродвигателя постоянного тока является постоянная электродвигателя Kм. Постоянная электродвигателя определяет способность электродвигателя преобразовывать электрическую энергию в механическую.

  • где — постоянная электродвигателя, Нм/√ Вт ,
  • R — сопротивление обмоток, Ом,
  • – максимальный момент, Нм,
  • — мощность потребляемая при максимальном моменте, Вт

Постоянная электродвигателя не зависит от соединения обмоток, при условии, что используется один и тот же материал проводника. Например, обмотка двигателя с 6 ветками и 2 параллельными проводами вместо 12 одиночных проводов удвоят постоянную ЭДС, при этом постоянная электродвигателя останется не изменой.

Жесткость механической характеристики двигателя

  • где — жесткость механической характеристики электродвигателя постоянного тока

Напряжение электродвигателя

Уравнение баланса напряжений на зажимах двигателя постоянного тока имеет вид (в случае коллекторного двигателя не учитывается падение напряжения в щеточно-коллекторном узле):

Уравнение напряжения выраженное через момент двигателя будет выглядеть следующим образом:

Соотношение между моментом и частотой вращения при двух различных напряжениях питания двигателя постоянного тока неизменно. При увеличении частоты вращения момент линейно уменьшается. Наклон этой функции KTKE/R постоянный и не зависит от значения напряжения питания и частоты вращения двигателя.

Благодаря таким характеристикам упрощается управление частотой вращения и углом поворота двигателей постоянного тока. Это характерно для коллекторных и вентильных двигателей постоянного тока, что нельзя сказать о двигателях переменного тока и шаговых двигателях [1].

Мощность электродвигателя постоянного тока

Упрощенная модель электродвигателя выглядит следующим образом:

  • где I – сила тока, А
  • U — напряжение, В,
  • M — момент электродвигателя, Н∙м
  • R — сопротивление токопроводящих элементов, Ом,
  • L — индуктивность, Гн,
  • Pэл — электрическая мощность (подведенная), Вт
  • Pмех — механическая мощность (полезная), Вт
  • Pтеп — тепловые потери, Вт
  • Pинд — мощность затрачиваемая на заряд катушки индуктивности, Вт
  • Pтр — потери на трение, Вт

Механическая постоянная времени

Механическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое частота вращения ненагруженного электродвигателя достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

  • где — механическая постоянная времени, с

Регуляторы оборотов

Теперь возвращаемся к теме регулятора оборотов. Все доступные сегодня схемы можно разделить на две большие категории:

  • Стандартная схема регулятора оборотов,
  • Модифицированные устройства контроля оборотов.

Разберемся в особенностях схем подробнее.

Стандартные схемы

Стандартная схема регулятора коллекторного электромотора имеет несколько особенностей:

  • Изготовить динистор не составит труда. Это важное преимущество устройства,
  • Регулятор отличается высокой степенью надежности, что положительно сказывается в течение его периода эксплуатации,
  • Позволяет комфортно для пользователя менять обороты двигателя,
  • Большинство моделей основаны на тиристорном регуляторе.

Если вас интересует принцип работы, то такая схема выглядит довольно просто.

  1. Заряд тока от источника 220 Вольт идет к конденсатору.
  2. Далее идет напряжение пробоя динистора через переменный резистор.
  3. После этого происходит непосредственно сам пробой.
  4. Симистор открывается. Этот элемент несет ответственность за нагрузку.
  5. Чем выше окажется напряжение, чем чаще будет происходить открытие симистора.
  6. За счет подобного принципа работы происходит регулировка оборотов электродвигателя.
  7. Наибольшая доля подобных схем регулировки электродвигателя приходится на импортные бытовые пылесосы.
  8. Но при использовании стандартной схемы регулятора оборотов важно понимать, что он обратной связью не обладает. И если с нагрузкой произойдут изменения, обороты электродвигателя придется настраивать.

Модифицированная схема

Прогресс не стоит на месте. Несмотря на удовлетворительные характеристики стандартной схемы регулятора оборотов двигателя, усовершенствования никому еще не навредили.

Наиболее часто применяемыми схемами являются две:

  • Реостатная. Из названия становится очевидно, что здесь основой выступает реостатная схема. Такие регуляторы высокоэффективные при смене количества оборотов электродвигателя. Высокие показатели эффективности объясняются использованием силовых транзисторов, отбирающих часть напряжения. Так меньшее количество тока из источника 220 Вольт поступает на двигатель, ему не приходится работать с большой нагрузкой. При этом схема имеет определенный недостаток большое количество выделяемого тепла. Чтобы регулятор работал длительное время, для электроинструмента потребуется активное постоянное охлаждение,
  • Интегральная. Для работы интегрального устройства регулирования используется интегральный таймер, который отвечает за нагрузку на электродвигатель. Здесь могут быть задействованы всевозможные транзисторы. Это обусловлено наличием микросхемы в конструкции с большими параметрами выходного тока. При нагрузке менее 0,1 Ампер, все напряжение идет непосредственно на микросхему, обходя транзисторы. Чтобы регулятор работал эффективно, на затворе требуется наличие напряжения в 12 Вольт. Из этого вытекает, что электрическая цепь и напряжение питания обязаны отвечать данному диапазону.
Читать еще:  Чем отличается правая от левой подушка двигателя ваз 2110

Понадобится

  • Модуль регулятора 12 В-40 В, 10 А — http://alii.pub/5xia5e
  • Переключатель прямого и обратного хода, 3 положения, 6 контактов — http://alii.pub/5xia4m
  • Резистор 1 кОм — http://alii.pub/5h6ouv
  • Светодиоды: красный и синий — http://alii.pub/5lag4f
  • Держателя светодиода 3 мм — http://alii.pub/5xiaan
  • Разъем постоянного тока — http://alii.pub/5xiabm
  • Штекерный разъем — http://alii.pub/5xiabm
  • Двухжильный провод.
  • Деревянные панели.

В данном примере используется ШИМ модуль на ток 10 А и на максимальное напряжение 40 В, так как под наши задачи этого вполне хватает. Но если же для вас этого будет маловато, то на Али Экспресс есть модули с любым током и напряжением, подобрать нужный не составит труда.

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

  • специализированными однофазными ПЧ
  • трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

        • интеллектуальное управление двигателем
        • стабильно устойчивая работа двигателя
        • огромные возможности современных ПЧ:
          • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
          • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
          • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
          • различные выходы
          • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
          • предустановленные скорости
          • ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

        • ограниченное управление частотой
        • высокая стоимость

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

  • более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
  • разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

          • более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
          • огромный выбор по мощности и производителям
          • более широкий диапазон регулирования частоты
          • все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

          • необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
          • пульсирующий и пониженный момент
          • повышенный нагрев
          • отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector