Регулировка оборотов электродвигателей

Регулировка оборотов электродвигателей

С вопросом регулировки оборотов приходится сталкиваться при работе с электроинструментом, приводом швейных машин и прочих приборов в быту и на производстве Регулировать обороты, просто понижая питающее напряжение, не имеет смысла — электродвигатель резко уменьшает обороты, теряет мощность и останавливается Оптимальным вариантом регулировки оборотов является регулирование напряжения с обратной связью по току нагрузки двигателя В большинстве случаев в электроинструменте и других приборах применены универсальные коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением. Они хорошо работают как на переменном, так и на постоянном токе. Особенностью работы коллекторного электродвигателя является то, что при коммутации обмоток якоря на ламелях коллектора во время размыкания возникают импульсы противо-ЭДС самоиндукции. Они равны питающим по амплитуде, но противоположны им по фазе. Угол смещения противо-ЭДС определяется внешними характеристиками электродвигателя, его нагрузкой и другими факторами. Вредное влияние противо-ЭДС выражается в искрении на коллекторе, потере мощности двигателя, дополнительном нагреве обмоток. Некоторая часть противо-ЭДС гасится конденсаторами, шунтирующими щеточный узел.

Рассмотрим процессы, протекающие в режиме регулирования с ОС, на примере универсальной схемы (рис 1). Резистивно-емкостная цепь R2-R3-C2 обеспечивает формирование опорного напряжения, определяющего скорость вращения электродвигателя. При увеличении нагрузки скорость вращения электродвигателя падает, снижается и его крутящий момент. Противо-ЭДС, возникающая на электродвигателе и приложенная между катодом тиристора VS1 и его управляющим электродом, уменьшается. Вследствие этого напряжение на управляющем электроде тиристора возрастает пропорционально уменьшению противо-ЭДС. Дополнительное напряжение на управляющем электроде тиристора заставляет его включаться при меньшем фазовом угле (угле отсечки) и пропускать на электродвигатель больший ток, компенсируя тем самым снижение скорости вращения под нагрузкой. Существует как бы баланс импульсного напряжения на управляющем электроде тиристора, составленного из напряжения питания и напряжения самоиндукции двигателя. Переключатель SA1 позволяет при необходимости перейти на питание полным напряжением, без регулировки Особое внимание следует уделить подбору тиристора по минимальному току включения, что обеспечит лучшую стабилизацию скорости вращения электродвигателя

Вторая схема (рис 2) рассчитана на более мощные электродвигатели, применяемые в деревообрабатывающих станках, шлифмашинах, дрелях. В ней принцип регулировки остается прежним. Тиристор в данной схеме следует установить на радиатор площадью не менее 25 см 2 .

Для маломощных электродвигателей и при необходимости получить очень малые скорости вращения, можно с успехом применить схему на ИМС (рис 3). Она рассчитана на питание 12 В постоянного тока. В случае более высокого напряжения следует запитать микросхему через параметрический стабилизатор с напряжением стабилизации не выше 15В. Регулировка скорости осуществляется путем изменения среднего значения напряжения импульсов, подаваемых на электродвигатель. Такие импульсы эффективно регулируют очень малые скорости вращения, как бы непрерывно «подталкивая» ротор электродвигателя. При высоких скоростях вращения электродвигатель работает обычным образом.

Весьма несложная схема (рис 4) позволит избежать аварийных ситуаций на линии железной дороги (игрушечной) и откроет новые возможности управления составами. Лампа накаливания во внешней цепи предохраняет и сигнализирует о коротком замыкании на линии, ограничивая при этом выходной ток.

Когда требуется регулировать обороты электродвигателей с большим крутящим моментом на валу, например в электролебедке, может пригодиться двухполупериодная мостовая схема (рис 5), обеспечивающая полную мощность на электродвигателе, что существенно отличает ее от предыдущих, где работала только одна полуволна питающего напряжения. Диоды VD2 и VD6 и гасящий резистор R2 используются для питания схемы запуска. Задержка открывания тиристоров по фазе обеспечивается зарядом конденсатора С1 через резисторы R3 и R4 от источника напряжения, уровень которого определяется стабилитроном VD8 Когда конденсатор С1 зарядится до порога срабатывания однопереход-ного транзистора VT1, он открывается и запускает тот тиристор, на аноде которого присутствует положительное напряжение. Когда конденсатор разряжается, однопереходный транзистор выключается. Номинал резистора R5 зависит от типа электродвигателя и желаемой глубины обратной связи. Его величина подсчитывается по формуле R5=2/Iм, где Iм — эффективное значение максимального тока нагрузки для данного электродвигателя Предлагаемые схемы хорошо повторяемы, но требуют подбора некоторых элементов в зависимости от характеристик применяемого двигателя (практически невозможно найти подобные по всем параметрам электродвигатели даже в пределах одной серии).

Литература
1. Electronics Todays. Int N6
2. RCA Corp Manual
3. IOI Electronic Projects. 1977 p 93
5. G. E. Semiconductor Data Hand book 3. Ed
6 .Граф P. Электронные схемы. -М Мир, 1989
7. Семенов И. П. Регулятор мощности с обратной связью. — Радиолюбитель, 1997, N12, С 21.

Электрооборудование торфопредприятий — Регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей

Рис. 3-14. Механические характеристики асинхронного электродвигателя при регулировании скорости изменением сопротивления в роторной цепи.

Существует два наиболее распространенных способа регулирования скорости асинхронных электродвигателей: изменением сопротивления в цепи ротора; изменением числа пар полюсов. В практике находят применение также и другие способы регулирования скорости асинхронных электродвигателей, например изменением частоты питающей сети, изменением индуктивности цепи статора (дроссельное регулирование), импульсный метод. Однако эти способы имеют ограниченные области применения, что объясняется, главным образом, факторами экономического характера.
Регулирование скорости изменением сопротивления в цепи ротора применяется для электродвигателей с фазным ротором. При введении дополнительного сопротивления в цепь ротора величина скольжения возрастает, а скорость при заданном нагрузочном моменте будет соответственно снижаться, что приведет к изменению наклона механической характеристики (рис. 3-14). Регулирование скорости происходит при постоянном моменте и переменной мощности на валу электродвигателя. Поэтому такое регулирование целесообразно применять для механизмов, работающих при Mс=const (крановые механизмы, механизмы передвижения торфяных машин). Регулирование скорости неэкономично, так как сопровождается большими потерями. Потери мощности при регулировании можно приближенно оценить из уравнения

где Р1 — подводимая к электродвигателю мощность.
Из выражения следует, что при снижении скорости «вниз» на 50% (s=0,5) половина подводимой к электродвигателю мощности превращается в потери. Поэтому диапазон регулирования будет небольшим, т. е. не будет превышать величины порядка 1:2.
Введение добавочного сопротивления в цепь ротора при данном регулировании скорости приводит к неустойчивой работе привода на малых скоростях, так как увеличение крутизны механической характеристики создает колебания скорости при небольших изменениях момента сопротивления нагрузки. Этот фактор также ограничивает диапазон регулирования скорости вращения.
Регулирование скорости изменением числа пар полюсов находит широкое применение в электроприводах с асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями. Промышленность выпускает их двухскоростными, трехскоростными и четырехскоростными.
Изменение числа пар полюсов наиболее просто достигается при устройстве двух независимых обмоток на статоре — двухскоростные электродвигатели. В практике широко применяют переключение одной статорной обмотки, при котором соотношение числа пар полюсов равняется двум. Например, для отечественных двухскоростных электродвигателей новой серии АО2 существуют следующие соотношения скоростей (синхронных): 3000/1500; 1500/750, 1000/500.

Рис. 3-15. Схемы переключения обмоток статора двухскоростных асинхронных электродвигателей.

У трехскоростного электродвигателя одна обмотка предназначается на две скорости с соотношением 1:2, вторая — на одну скорость; например, для той же серии АО2 имеются следующие скорости: 3000/1500/1000, 1500/750/1000. У четырехскоростного электродвигателя каждая обмотка обеспечивает получение двух скоростей с тем же соотношением 1:2: 500/750/1000/1500.
Приведенные на рис. 3-15 схемы переключения числа пар полюсов применяются в многоскоростных асинхронных электродвигателях отечественного производства. На рис. 3-15, а изображена схема звезда — двойная звезда. Здесь при большем числе полюсов обе части фазной обмотки соединены последовательно, а три фазные обмотки соединены в звезду. При вдвое меньшем числе полюсов половины фазных обмоток соединяются в две параллельно включенные звезды.
На рис. 3-15, б приведена схема треугольник — двойная звезда. Здесь при большем числе полюсов обе части фазной обмотки включены последовательно, а фазные обмотки соединяются треугольником. При вдвое меньшем числе полюсов питающие провода подводятся к серединам сторон треугольника, а его углы соединяются в одной точке. Таким образом получается схема двойной звезды.
В схеме 3-15, а при переключении числа пар полюсов осуществляется регулирование скорости при постоянном моменте. Поэтому такие схемы целесообразно применять в приводах, где в процессе регулирования статический момент остается неизменным (подъемно-транспортные механизмы). Схема 3-15, б иллюстрирует регулирование скорости, которое целесообразно осуществлять при постоянной мощности (многие типы металлорежущих станков).
Регулирование скорости переключением числа пар полюсов дает ступенчатое регулирование. Оно является простым и экономичным; механические характеристики при всех скоростях остаются жесткими. Диапазон регулирования 1:6 (8).
Применение электродвигателей с переключением полюсов целесообразно там, где не требуется плавного регулирования скорости. Широкое использование многоскоростных электродвигателей в металлорежущих станках значительно уменьшило количество механических передач. Этот способ регулирования применяется и в электроприводах торфяных машин.

Рис. 3-16. Схема регулирования скорости асинхронных электродвигателей изменением частоты питающей сети:
РД — рабочие электродвигатели: СГ — синхронный генератор (преобразователь частоты); ДП — электродвигатель постоянного тока; ГП — генератор постоянного тока; АД — асинхронный электродвигатель.
Регулирование скорости асинхронных электродвигателей изменением частоты питающей сети требует специального источника переменного тока с изменяемой частотой. В настоящее время для этой цели наиболее широко используются электромашинные преобразователи. Одна из возможных схем такого преобразователя приведена на рис. 3-16. Система состоит из асинхронного или синхронного электродвигателя, включаемого в сеть промышленной частоты, синхронного генератора и группы асинхронных электродвигателей с частотным регулированием. Регулирование скорости синхронного генератора осуществляется с помощью системы генератор—двигатель.
Приведенное преобразовательное устройство чрезвычайно громоздко, имеет относительно низкий к. п. д. и требует больших капитальных затрат (общая установленная мощность машин в 5 раз превышает суммарную мощность рабочих электродвигателей). Установка такого типа экономически целесообразна только в отдельных случаях (судовые установки, приводы рольгангов в металлургической промышленности).

Поэтому частотное регулирование асинхронных электродвигателей не нашло пока широкого распространения в промышленности, несмотря на его большие достоинства: возможность регулирования «вверх» и «вниз», жесткие механические характеристики при любой скорости, широкий диапазон регулирования — 1:10 (12).

Рис. 3-17. Схема тиристорной установки для частотного регулирования скорости асинхронного электродвигателя:
1 — выпрямитель; 2 — инвертор; 3 — блок управления выпрямителем; 4 — блок управления инвертором.
Частотное регулирование перспективно при использовании статических преобразователей — тиристоров, производство которых .широко развивается. В настоящее время разработано и исследовано много схем статических преобразователей. В большинстве из них происходит двукратное преобразование энергии: вначале ток промышленной частоты преобразуется в постоянный, а затем постоянный ток преобразуется (инвертируется) в трехфазный с переменной частотой. Преобразователь состоит из силового регулируемого выпрямителя, инвертора и системы управления элементами преобразователя. Принципиальная схема статического преобразователя приведена на рис. 3-17. Преобразователи подобного типа могут в будущем найти применение в установках торфяной промышленности.
Регулирование скорости асинхронных, электродвигателей осуществляется также при помощи дросселей насыщения: в цепь статора электродвигателя включаются реактивные сопротивления с переменной индуктивностью.

Рис. 3-18. Схема асинхронного электродвигателя с дросселем насыщения в цепи статора (а) и механические характеристики электродвигателя (б).
Изменение индуктивности реактивных сопротивлений (дросселей) происходит путем изменения величины постоянного тока, протекающего через обмотку управления дросселями (рис. 3-18, а). При разных токах в управляющей обмотке в цепь статора будут вводиться переменные реактивные сопротивления, в результате чего напряжение на зажимах статора электродвигателя при данном токе нагрузки будет снижаться, чем достигается соответствующее изменение скольжения, т. е. скорости вращения (рис. 3-18,б). Достоинством описанного способа является плавное регулирование скорости вращения электродвигателя; недостатком — существенные потери энергии в роторе, уменьшение коэффициента мощности электродвигателя, громоздкость дросселей.
Пуск асинхронных электродвигателей. Существует два основных способа пуска асинхронных электродвигателей: непосредственное (прямое) включение короткозамкнутого электродвигателя в сеть при полном или пониженном напряжении и реостатный пуск. Они широко распространены и имеют ряд видоизменений.
Прямое включение асинхронного короткозамкнутого электродвигателя на полное напряжение сети — самое распространенное среди электродвигателей малой и средней мощности. Его достоинства — простота пуска, надежность, экономичность пусковой операции. Недостатки — большой пусковой ток (5,5—7), малый пусковой момент (1,1—1,5).
Большая величина пускового тока вызывает снижение напряжения в питающей сети, в обмотках трансформатора или генератора, а также нежелательные удары в передаточных устройствах.
Снижение напряжения в питающей сети создает неблагоприятные условия как для пуска данного электродвигателя, так и для работы подключенных электроприемников. Предельная мощность асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, пускаемого прямым включением, зависит от мощности источника питания. При питании от трансформатора силовых и осветительных электроприемников рекомендуется включать электродвигатель, мощность которого не превышает 25% мощности трансформатора по схеме прямого пуска; если трансформатор питает только силовые электроприемники, то мощность электродвигателя может составлять 75% мощности трансформатора. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) разрешают для привода торфяных машин подключать к трансформатору прямым включением короткозамкнутый электродвигатель, равный по мощности трансформатору. Для дизель-электрических установок с синхронными генераторами, имеющих компаундирующие устройства, возможен прямой пуск короткозамкнутого электродвигателя, соизмеримого по мощности с генератором.
При пуске прямым включением может оказаться, что пусковой момент короткозамкнутого электродвигателя недостаточен для разгона. С целью улучшения пусковых характеристик применяют электродвигатели со специальным исполнением клетки ротора. Как уже отмечалось, новая Единая серия асинхронных электродвигателей АО2 имеет модификацию с повышенным пусковым моментом АОП2.
В тех случаях, когда прямое включение короткозамкнутого электродвигателя невозможно от полного напряжения сети, применяют пуск при пониженном напряжении. Возможны следующие способы понижения напряжения на зажимах электродвигателя при пуске: включение в цепь статора активного и реактивного сопротивления; применение понизительного автотрансформатора; переключение обмотки статора со звезды на треугольник. Достоинством перечисленных способов пуска при пониженном напряжении является возможность снижения пускового тока. Однако пусковой момент при этом уменьшается пропорционально квадрату снижения напряжения. Поэтому эти способы пуска могут применяться только там, где пусковой момент значительно меньше номинального, т. е. практически при пуске вхолостую.
Асинхронный электродвигатель с фазным ротором пускается в ход с помощью реостата, вводимого в цепь ротора электродвигателя посредством контактных колец и щеток. Введение сопротивления в цепь ротора позволяет снизить пусковой ток до требуемой величины и увеличить пусковой момент до значения максимального момента. Пуск производится при полностью включенных сопротивлениях реостата. По мере нарастания скорости вращения электродвигателя сопротивление реостата постепенно уменьшается за счет переключения его ступеней. После окончания процесса пуска реостат замыкается накоротко.

Рис. 3-19. Схема пуска (о) и пусковая диаграмма (б) асинхронного электродвигателя с фазным ротором.

В современном автоматизированном электроприводе выведение пусковых сопротивлений осуществляется путем замыкания ступеней пусковых сопротивлений контакторами ускорения (рис. 3-19, а).
Расчет пусковых сопротивлений реостата наиболее просто и удобно осуществляется графическим методом, сущность которого заключается в следующем.
На основании каталожных данных с помощью формул (3-13) и (3-14) строится естественная механическая характеристика электродвигателя (обычно устойчивая ее часть) в любом удобном масштабе (рис. 3-19,б). Затем задаются наибольшим и наименьшим пусковыми моментами. Наибольший пусковой момент Μ1 обычно принимается равным (0,8—0,85) Ммакс. Величина наименьшего пускового момента м 2 должна быть несколько больше момента сопротивления, так как в противном случае электродвигатель не разгонится. Чем ближе м 2 к М1, тем больше среднее значение пускового момента, что нежелательно для ускорения пускового процесса. Но, как следует из пусковой диаграммы рисунка 3-19,б, увеличение м 2 вызывает увеличение числа ступеней сопротивления,

что невыгодно, так как потребует большего количества контакторов ускорения при автоматическом разгоне и большего числа контактов пускового реостата при ручном управлении. Обычно принимают 3—6 пусковых ступеней и из этого условия выбирают м 2 .
Реостатные механические характеристики проводятся на пусковой диаграмме последовательно, начиная с первой нижней. Отрезки аз, аж, ае. пропорциональны сопротивлениям роторной цепи и в масштабе для сопротивлений будут соответствовать сопротивлениям отдельных ступеней пускового реостата. Первой ступени соответствует отрезок аз, второй — аж, третьей — ае и т. д. Отрезок аб будет соответствовать внутреннему сопротивлению цепи ротора Rр. Первая секция пускового реостата определится отрезком жз, вторая — еж, третья — де и т. д. Сопротивление реостата во всех положениях определится отрезком бз.

Как уменьшить частоту вращения электродвигателя

Некоторые ситуации требуют изменения оборотов двигателя от номинальных. Иногда требуется уменьшить обороты электродвигателя, потому что их увеличение негативно сказывается на подшипниковом аппарате. Способы изменения вращения зависят от модели электрической машины.

Характеристики электрических машин отличаются: постоянного и переменного тока, однофазные, трехфазные. Поэтому говорить нужно о каждом случае отдельно.

• Простейший вариант
• В цепи якоря

• Для низкого напряжения

Простейший вариант

Легче всего изменять обороты электродвигателя постоянного тока. Они меняются простым изменением напряжения питания. Причем неважно где: на якоре или на возбуждении, но это касается только маломощных машин с минимальной нагрузкой. В основном управление скоростью вращения производят по цепи якоря. Более того, здесь возможно реостатное регулирование, если мощность мотора небольшая, или есть довольно мощный реостат.

Это самый неэкономичный вариант. Механические характеристики двигателя с независимым возбуждением самые невыгодные из-за больших потерь, результатом чего является падение механической мощности, КПД.

Еще одна возможность – введение реостата в обмотку возбуждения. Рассматривая характеристики двигателя с независимым возбуждением, увидим, что регулирование скорости вращения возможно только в сторону увеличения оборотов. Это происходит ввиду насыщения обмотки.

Итак, реостатное регулирование скорости вращения аппарата независимого возбуждения оправдано в системах с минимальной нагрузкой. Лучше всего, когда работа при таком включении буде периодической.

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 убратькрутящий 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.

От сети

Однофазные электродвигатели переменного тока также позволяют регулировать вращение ротора.

Коллекторные машины

Такие моторы стоят на электродрелях, электролобзиках и другом инструменте. Чтобы уменьшить или увеличить обороты, достаточно, как и в предыдущих случаях, изменять напряжение питания. Для этой цели также есть свои решения.

Конструкция подключается непосредственно к сети. Регулировочный элемент – симистор, управление которого осуществляется динистором. Симистор ставится на теплоотвод, максимальная мощность нагрузки – 600 Вт.

Если есть подходящий ЛАТР, можно все это делать при помощи его.

Двухфазный двигатель

Аппарат, имеющий две обмотки – пусковую и рабочую, по своему принципу является двухфазным. В отличие от трехфазного имеет возможность менять скорость ротора. Характеристика крутящегося магнитного поля у него не круговая, а эллиптическая, что обусловлено его устройством.

Есть две возможности контролирования числа оборотов:

1. Менять амплитуду напряжения питания (Uy);
2. Фазное – меняем емкость конденсатора.

Такие агрегаты широко распространены в быту и на производстве.

Обычные асинхронники

Электрические машины трехфазного тока, несмотря на простоту в эксплуатации, обладают рядом характеристик, которые нужно учитывать. Если просто изменять питающее напряжение, будет в небольших пределах меняться момент, но не более. Чтобы в широких пределах регулировать обороты, необходимо довольно сложное оборудование, которое просто так собрать и наладить сложно и дорого.

Для этой цели промышленностью налажен выпуск частотных преобразователей, помогающих менять обороты электродвигателя в нужном диапазоне.

Асинхронник набирает обороты в согласии с выставленными на частотнике параметрами, которые можно менять в широком диапазоне. Преобразователь – самое лучшее решение для таких двигателей.

Измерения

Понятно, что число оборотов нужно как-то определять. Для этого используют тахометры. Они показывают число вращения на данный момент. Обычным мультиметром просто так измерить скорость не получится, разве что на автомобиле.

Как видно, на электрических машинах можно менять различные параметры, подстраивая их под нужды производства и домашнего хозяйства.

Электрика своими руками

егулировка оборотов электродвигателя часто бывает необходима как в производственных, так и каких то бытовых целях. В первом случае для уменьшения или увеличения частоты вращения применяются промышленные регуляторы напряжения – инверторные частотные преобразователи. А с вопросом, как регулировать обороты электродвигателя в домашних условиях, попробуем разобраться подробнее.

Необходимо сразу сказать, что для разных типов однофазных и трехфазных электрических машин должны применяться разные регуляторы мощности. Т.е. для асинхронных машин применение тиристорных регуляторов, являющихся основными для изменения вращения коллекторных двигателей, недопустимо.

Лучший способ уменьшить обороты вашего устройства – не в регулировке частоты вращения самого движка, а посредством редуктора или ременной передачи. При этом сохранится самое главное – мощность устройства.

Немного теории об устройстве и области применения коллекторных электродвигателей

Электродвигатели этого типа могут быть постоянного или переменного тока, с последовательным, параллельным или смешанным возбуждением ( для переменного тока применяется только первые два вида возбуждения).

Коллекторный электродвигатель состоит из ротора, статора, коллектора и щеток. Ток в цепи, проходящий через соединенные определенным образом обмотки статора и ротора, создает магнитное поле, заставляющее последний вращаться. Напряжение на ротор передается при помощи щеток из мягкого электропроводного материала, чаще всего это графит или медно-графитовая смесь. Если изменить направление тока в роторе или статоре, вал начнет вращаться в другую сторону, причем это всегда делается с выводами ротора, что бы не происходило перемагничивание сердечников.

При одновременном изменении подключения и ротора и статора реверсирования не произойдет. Существуют также трехфазные коллекторные электродвигатели, но это уже совсем другая история.

Электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением

Обмотка возбуждения (статорная) в двигателе с параллельным возбуждением состоит из большого количества витков тонкого провода и включена параллельно ротору, сопротивление обмотки которого намного меньше. Поэтому для уменьшения тока во время запуска электродвигателей мощностью более 1 Квт в цепь ротора включают пусковой реостат. Управление оборотами электродвигателя при такой схеме включения производится путем изменения тока только в цепи статора, т.к. способ понижения напряжения на клеммах очень не экономичен и требует применение регулятора большой мощности.

Если нагрузка мала, то при случайном обрыве обмотки статора при использовании такой схемы частота вращения превысит максимально допустимую и электродвигатель может пойти “вразнос”

Электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения такого электродвигателя имеет небольшое число витков толстого провода, и при ее последовательном включении в цепь якоря ток во всей цепи будет одинаков. Электродвигатели этого типа более выносливы при перегрузках и поэтому наиболее часто встречаются в бытовых устройствах.

Регулировка оборотов электродвигателя постоянного тока с последовательно включенной обмоткой статора может производиться двумя способами:

1. Подключением параллельно статору регулировочного устройства, изменяющего магнитный поток. Однако этот способ довольно сложен в реализации и не применяется в бытовых устройствах.
2. Регулирование (снижение) оборотов с помощью уменьшения напряжения. Этот способ применяется практически во всех электрических устройствах – бытовых приборах, инструменте и т.д.

Электродвигатели коллекторные переменного тока

Эти однофазные моторы имеют меньший КПД, чем двигатели постоянного тока, но из за простоты изготовления и схем управления нашли наиболее широкое применение в бытовой технике и электроинструменте. Их можно назвать “универсальными”, т.к. они способны работать как при переменном, так и при постоянном токе. Это обусловлено тем, что при включении в сеть переменного напряжение направление магнитного поля и тока будет изменяться в статоре и роторе одновременно, не вызывая изменения направления вращения. Реверс таких устройств осуществляется переполюсовкой концов ротора.

Для улучшения характеристик в мощных (промышленных) коллекторных электродвигателях переменного тока применяются дополнительные полюса и компенсационные обмотки. В двигателях бытовых устройств таких приспособлений нет.

Регуляторы оборотов электродвигателя

Схемы изменения частоты вращения электродвигателей в большинстве случаев построены на тиристорных регуляторах, ввиду своей простоты и надежности.

Принцип работы представленной схемы следующий: конденсатор С1 заряжается до напряжения пробоя динистора D1 через переменный резистор R2, динистор пробивается и открывает симистор D2, управляющий нагрузкой. Напряжение на нагрузке зависит от частоты открывания D2, зависящее в свою очередь от положения движка переменного сопротивления. Данная схема не снабжена обратной связью, т.е. при изменении нагрузки обороты также будут меняться и их придется подстраивать. По такой же схеме происходит управление оборотами импортных бытовых пылесосов.

И так, задача понизить частоту,
Двигатель, 2,2 кВт, 380В, 2850 об/мин, звезда. наружу выходят три провода.
Разобрал, изменил подключение на треугольник, подключил на одну фазу. Работает.
Но, желательно было бы понизить обороты, раза в два, тысячи до полторы.
Номинальной мощности мне все равно много, ее падение в два раза не парит ни сколько.

На сколько мне известно, частоту можно изменить основными четырьмя способами:

Изменить напряжение (тут боюсь, 110В его не вытянут)
Редуктор (очень замудренно и сильно увеличивает занимаемую площать)
Изменить кол-во полюсов (внутри только три полюса, подключением обмоток не прокатит)
Изменить частоту питающей сети (само собой, частотники, это дорого)

Об этом лекции можно не копипастить, поиском пользоваться умею.

Смысл в другом. А что, если питание пропустить через диод?
То есть, на одном полюсе урезать частоту?
Были ли у кого-то подобные эксперименты?

Урок 76. ПИД-регулятор скорости вращения двигателя постоянного тока. Проверка работы, настройка на быстродействие и устойчивость.

В уроке настроим ПИД-регулятор, оптимизируем его под разные показатели качества регулирования.

Настройка регулятора – это выбор коэффициентов: пропорционального, интегрального и дифференциального.

В программе они заданы в следующих строках.

#define K_P 0.1 // пропорциональный коэффициент
#define K_I 0.01 // интегральный коэффициент
#define K_D 0.0 // дифференциальный коэффициент

У любого регулятора есть критерии оценки качества регулирования или показатели качества. Основные:

• Быстродействие или скорость регулирования – время уменьшения ошибки рассогласования до допустимой величины.
• Точность – ошибка рассогласования в установившемся режиме.
• Устойчивость – отсутствие колебаний параметра регулирования.

Интегральное звено ПИД-регулятора сводит ошибку рассогласования к 0. Т.е. точность ПИД-регулятора в статическом режиме настроить невозможно. Она определяется только погрешностью измерения и вычисления.

А вот два других критерия качества регулирования противоречат друг другу. При высоком быстродействии, как правило, регулятор обладает низкой устойчивостью. И, наоборот, при высокой устойчивости регулятор работает медленно.

Т.е. ПИД-регулятор может быть настроен:

• на высокое быстродействие;
• на устойчивость к возмущающим воздействиям;
• конечно, может быть и компромиссный вариант.

Теорию автоматического управления (ТАУ) в институте мне преподавал очень квалифицированный, известный в стране специалист Савин Михаил Михайлович. Он, не заглядывая в тетрадки или учебники, выписывал на доске громадные формулы. Значительную часть курса ТАУ Михаил Михайлович посвящал определению устойчивости системы регулирования.

Оказывается устойчивость системы можно рассчитать теоретически. Основным показателем он считал критерий устойчивости Найквиста. Формулируется он так: линейная динамическая система, устойчивая в разомкнутом состоянии, устойчива и в замкнутом состоянии, если амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) разомкнутой системы при изменении частоты от 0 до бесконечности не охватывает на комплексной плоскости точку с координатами (-1, j0).

Попробуйте сообразите, что это такое, посчитайте, постройте АФЧХ. Не говоря о том, что в систему входит двигатель, а его электрические и механические параметры нам неизвестны.

Я к тому, что все будем делать эмпирически, т.е. опытным путем. Михаил Михайлович меня простит.

Программа верхнего уровня для настройки ПИД-регулятора.

Оптимально настроить ПИД-регулятор можно только наблюдая его реакцию на разного рода возмущения. Для этого необходим инструмент – регистратор изменения параметров регулятора в реальном времени.

Я разработал программу верхнего уровня, которая выполняет такие функции.

Установка и запуск программы ничем не отличается от других программ верхнего уровня курса уроков Ардуино.

Загрузить архив PidMotorReg.zip.

Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 60 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

Скопировать папку PidMotorReg в удобное место.

Подключить к компьютеру плату Ардуино с программой регулятора.

Запустить файл PidMotorReg.exe.

При первом запуске, если COM порт задан неверно, появится сообщение.

Открывается основное окно программы. Программа данные считать не может, поэтому отображаются прочерки.

Нажимаете закладку верхнего меню ”Выбор порта”.

Выбираете ваш порт, закрываете окно выбора порта. Может потребоваться перезапустить программу. Номер порта запоминается, больше устанавливать его нет необходимости.

Если все работает нормально, то красный квадратик рядом с надписью ”Обмен” большую часть времени светится зеленым цветом, периодически мигая красным.

Программа отображает основные параметры в реальном времени.

Также каждые 0,2 сек происходит запись параметров в регистратор. Для просмотра необходимо нажать кнопку ”Регистратор”. Откроется окно с диаграммами.

Регистрация продолжается и при открытом окне регистратора. Кривые отрисовываются в реальном времени.

• Синяя кривая – заданная скорость.
• Красная – измеренная скорость.
• Зеленая – ШИМ.

Первые 2 параметра отображаются относительно левой вертикальной оси, а ШИМ – относительно правой.

Чтобы сбросить данные регистратора, надо нажать кнопку ”Сброс”.

Удобно расположить на экране в видимой зоне одновременно основное окно и окно регистратора. Вся информация будет доступна.

Оценка устойчивости регулятора.

Как мы будем оценивать работу регулятора.

В окне регистратора, прежде всего, нас интересуют 2 линии:

• синяя – заданная скорость и
• красная – измеренная скорость.

В идеальном случае они всегда должны совпадать. Но даже при регуляторе, работающем без задержек, двигатель не разгоняется или останавливается мгновенно. Двигатель тоже входит в систему регулирования.

Зеленая линия (ШИМ) позволяет нам оценить, как реагирует сам регулятор. Отставание красной линии от зеленой показывает инерционность двигателя.

Общая задача любого регулирования:

• На систему воздействуют возмущения – внешние воздействия, которые стремятся изменить регулируемый параметр.
• Система возвращает параметр к заданному значению.

Вот и мы при настойке ПИД-регулятора должны формировать возмущения и оценивать, как они отрабатываются системой.

В нашем случае есть 2 типа возмущения:

• входное – изменение заданного значения;
• выходное – изменение механической нагрузки двигателя.

Включение и выключение контроллера внешним сигналом приравнивается к входному возмущению. По сути, заданная скорость изменяется от 0 до заданного значения.

Конечно, есть еще возмущения связанные с изменением температуры окружающей среды, нестабильностью питания двигателя и т.п. Но они незначительны. Мы ими пренебрегаем.

Кстати, если бы двигатель питался от нестабилизированного источника питания, то изменение питающего напряжения было бы реальным возмущением системы. Нам пришлось бы проверять реакцию и на него. Регулятор должен отрабатывать, в том числе и нестабильность питания.

Итак, что мы должны оценивать:

• Отсутствие колебаний в статическом режиме. Прошло достаточное время, система установила регулируемый параметр, но идут колебания.

В принципе если в регуляторе приоритет быстродействие, то колебания в статическом режиме допустимы.

Могут быть затухающие колебания.

• Реакция регулятора на возмущения.

В этом случае на интересует задержка регулирования, т.е. насколько измеренное значение скорости отстает от заданного.

Еще раз повторю, что в эту задержку входит время разгона или торможения двигателя.

Обратите внимание, что на этой диаграмме измеренная скорость плавно приближается к заданной, не перескакивая ее.

А на следующей диаграмме происходит значительный переход через заданное значение. Этот выброс в ТАУ называется перерегулированием.

Допустимо ли перерегулирование – зависит от конкретной задачи. Быстрый регулятор без перерегулирования создать сложно.

Первичная оценка устойчивости регулятора.

Начинаем настраивать наш регулятор. Оценим сначала работу пропорционального звена.

Отключаем интегральную часть, устанавливаем пропорциональный коэффициент 0,1.

#define K_P 0.1 // пропорциональный коэффициент
#define K_I 0.0 // интегральный коэффициент

Регулятор быстро отрабатывает ошибку рассогласования. Обратите внимание, что зеленая линия ШИМ мгновенно реагирует на разницу между заданным и измеренным значением скорости.

В установившемся режиме, при заданной скорости 2000 измеренная скорость равна 1200. Но так и должно быть. Пропорциональный регулятор никогда не отрабатывает ошибку рассогласования полностью. Но ШИМ для этих 1200 об/мин будет сформирован мгновенно. Остальные обороты добавит интегральная частью

Колебания, даже затухающие не возникают. Пропорциональный коэффициент можно увеличивать.

Удивительно, но на моем двигателе колебания появляются при пропорциональном коэффициенте большем 1. Вот диаграмма для K_I=1.5.

Видно, как пошел в разнос ШИМ.

Отключим пропорциональное звено, интегральный коэффициент установим 0,01.

Видно, что в устоявшемся режиме ошибка рассогласования равна 0. Регулятор стал работать точно. Но на изменение заданной скорости появилась задержка, не только измеренной скорости, но и ШИМ.

Окончательная настройка.

Включаем оба звена. Настраиваем регулятор на отсутствие перерегулирования. Я поставил коэффициенты K_P=0,5, K_I=0,01.

Регулятор быстро отрабатывает большую часть изменения скорости, а затем медленно дотягивает красную линию до синей. Надо увеличить интегральный коэффициент. Вот диаграмма для коэффициентов K_P=0,5, K_I=0,05.

Появилось небольшое перерегулирование в нескольких местах, но регулятор стал быстрее компенсировать ошибку рассогласования. Меня такая работа вполне устраивает.

Проверяем реакцию на изменение механической нагрузки.

Пластиковой ручкой отвертки я надавливал на диск двигателя. Видно, что скорость начала падать, ШИМ увеличиваться. Скорость вернулась к заданной. Кривая скорости корявая из-за того, что я не смог обеспечить равномерную механическую нагрузку.

Затем я резко убрал нагрузку, скорость прыгнула до значения 2125 и вернулась к заданной.

В середине диаграммы я сильно надавил на диск, ШИМ возрос до максимального значения 255, но этого не хватило. Мощности двигателя недостаточно для такой механической нагрузки.

У меня все работает прекрасно. На настройку регулятора уходят считанные минуты. Он работает при первых попавшихся коэффициентах. Но не обольщайтесь. У меня двигатель легкий, неинерционный. Для других моторов подбор коэффициентов может быть сложнее.

Игорь проверил работу ПИД-регулятора на своем 500 ваттном двигателе. Вот короткий ролик об этом.

У него тоже все работает. Он уже эксплуатирует регулятор в составе сверлильного станка.

Я еще не написал этот урок, а в комментариях появились советы добавить к устройству защиту по току и температуре. Вполне разумно. Но для не особенно мощных двигателей в качестве защиты по току можно использовать самовосстанавливающиеся PTC-предохранители. Защита по температуре не всегда необходима.

Есть мысли добавить в устройство индикатор, для отображения скорости, реализовать защиту двигателя и выложить в рубрике “Проекты Ардуино”.

Принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя

Трехфазные асинхронные двигатели нашли самое широкое применение в промышленности и других областях. Современное оборудование просто невозможно представить без этих агрегатов. Одной из важнейших составляющих рабочего цикла машин и механизмов является их плавный пуск и такая же плавная остановка после выполнения поставленной задачи. Такой режим обеспечивается путем использования преобразователей частоты. Эти устройства проявили себя наиболее эффективными в больших электродвигателях, обладающих высокой мощностью.

С помощью преобразователей частоты успешно выполняется регулировка пусковых токов, с возможностью контроля и ограничения их величины до нужных значений. Для правильного использования данной аппаратуры необходимо знать принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя. Его применение позволяет существенно увеличить срок службы оборудования и снизить потери электроэнергии. Электронное управление, кроме мягкого пуска, обеспечивает плавную регулировку работы привода в соответствии с установленным соотношением между частотой и напряжением.

Что такое частотный преобразователь

Основной функцией частотных преобразователей является плавная регулировка скорости вращения асинхронных двигателей. С этой целью на выходе устройства создается трехфазное напряжение с переменной частотой.

Преобразователи частоты нередко называются инверторами. Их основной принцип действия заключается в выпрямлении переменного напряжения промышленной сети. Для этого применяются выпрямительные диоды, объединенные в общий блок. Фильтрация тока осуществляется конденсаторами с высокой емкостью, которые снижают до минимума пульсации поступающего напряжения. В этом и заключается ответ на вопрос для чего нужен частотный преобразователь.

В некоторых случаях в схему может быть включена так называемая цепь слива энергии, состоящая из транзистора и резистора с большой мощностью рассеивания. Данная схема применяется в режиме торможения, чтобы погасить напряжение, генерируемое электродвигателем. Таким образом, предотвращается перезарядка конденсаторов и преждевременный выход их из строя. В результате использования частотников, асинхронные двигатели успешно заменяют электроприводы постоянного тока, имеющие серьезные недостатки. Несмотря на простоту регулировки, они считаются ненадежными и дорогими в эксплуатации. В процессе работы постоянно искрят щетки, а электроэрозия приводит к износу коллектора. Двигатели постоянного тока совершенно не подходят для взрывоопасной и запыленной среды.

В отличие от них, асинхронные двигатели значительно проще по своему устройству и надежнее, благодаря отсутствию подвижных контактов. Они более компактные и дешевые в эксплуатации. К основному недостатку можно отнести сложную регулировку скорости вращения традиционными способами. Для этого было необходимо изменять питающее напряжение и вводить дополнительные сопротивления в цепь обмоток. Кроме того, применялись и другие способы, которые на практике оказывались неэкономичными и не обеспечивали качественной регулировки скорости. Но, после того как появился преобразователь частоты для асинхронного двигателя, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне, все проблемы разрешились.

Одновременно с частотой изменяется и подводимое напряжение, что позволяет увеличить КПД и коэффициент мощности электродвигателя. Все это позволяет получить высокие энергетические показатели асинхронных двигателей, продлить срок их эксплуатации.

Принцип действия частотного преобразователя

Эффективное и качественное управление асинхронными электродвигателями стало возможно за счет использования совместно с ними частотных преобразователей. Общая конструкция представляет собой частотно-регулируемый привод, который позволил существенно улучшить технические характеристики машин и механизмов.

В качестве управляющего элемента данной системы выступает преобразователь частоты, основной функцией которого является изменение частоты питающего напряжения. Его конструкция выполнена в виде статического электронного узла, а формирование переменного напряжения с заданной изменяемой частотой осуществляется на выходных клеммах. Таким образом, за счет изменения амплитуды напряжения и частоты регулируется скорость вращения электродвигателя.

Управление асинхронными двигателями осуществляется двумя способами:

• Скалярное управление действует в соответствии с линейным законом, согласно которому амплитуда и частота находятся в пропорциональной зависимости между собой. Изменяющаяся частота приводит к изменениям амплитуды поступающего напряжения, оказывая влияние на уровень крутящего момента, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности агрегата. Следует учитывать зависимость выходной частоты и питающего напряжения от момента нагрузки на валу двигателя. Для того чтобы момент нагрузки был всегда равномерным, отношение амплитуды напряжения к выходной частоте должно быть постоянным. Данное равновесие как раз и поддерживается частотным преобразователем.
• Векторное управление удерживает момент нагрузки в постоянном виде во всем диапазоне частотных регулировок. Повышается точность управления, электропривод более гибко реагирует на изменяющуюся выходную нагрузку. В результате, момент вращения двигателя находится под непосредственным управлением преобразователя. Нужно учитывать, что момент вращения образуется в зависимости от тока статора, а точнее – от создаваемого им магнитного поля. Под векторным управлением фаза статорного тока изменяется. Эта фаза и есть вектор тока осуществляющий непосредственное управление моментом вращения.

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты для асинхронного двигателя в полном объеме выполнял свои функции, его необходимо правильно подключить и настроить. В самом начале подключения в сети перед прибором размещается автоматический выключатель. Его номинал должен совпадать с величиной тока, потребляемого двигателем. Если частотник предполагается эксплуатировать в трехфазной сети, то автомат также должен быть трехфазным, с общим рычагом. В этом случае при коротком замыкании на одной из фаз можно оперативно отключить и другие фазы.

Ток срабатывания должен обладать характеристиками, полностью соответствующими току отдельной фазы электродвигателя. Если частотный преобразователь планируется использовать в однофазной сети, в этом случае рекомендуется воспользоваться одинарным автоматом, номинал которого должен в три раза превышать ток одной фазы. Независимо от количества фаз, при установке частотника, автоматы не должны включаться в разрыв заземляющего или нулевого провода. Рекомендуется использовать только прямое подключение.

При правильной настройке и подключении частотного преобразователя, его фазные провода должны соединяться с соответствующими контактами электродвигателя. Предварительно обмотки в двигателе соединяются по схеме «звезда» или «треугольник», в зависимости от напряжения, выдаваемого преобразователем. Если оно совпадает с меньшим значением, указанным на корпусе двигателя, то применяется соединение треугольником. При более высоком значении используется схема «звезда».

Далее выполняется подключение частотного преобразователя к контроллеру и пульту управления, который входит в комплект поставки. Все соединения осуществляются в соответствии со схемой, приведенной в руководстве по эксплуатации. Рукоятка должна находиться в нейтральном положении, после чего включается автомат. Нормальное включение подтверждается световым индикатором, загорающимся на пульте. Для того чтобы преобразователь заработал, нажимается кнопка RUN, запрограммированная по умолчанию.

После незначительного поворота рукоятки, двигатель начинает постепенно вращаться. Для переключения вращения в обратную сторону, существует специальная кнопка реверса. Затем с помощью рукоятки настраивается нужная частота вращения. На некоторых пультах вместо частоты вращения электродвигателя, отображаются данные о частоте напряжения. Поэтому рекомендуется заранее внимательно изучить интерфейс установленной аппаратуры.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Благодаря частотным преобразователям, работа современных асинхронных двигателей отличается высокой эффективностью, устойчивостью и безопасностью. Это особенно важно, поскольку каждый электродвигатель отличается индивидуальными особенностями режима работы. Поэтому оптимизации параметров питания агрегатов с использованием преобразователей частоты придается большое значение. Когда частотный преобразователь выбирается для каких-либо конкретных целей, в этом случае должны обязательно учитываться его рабочие параметры.

Нормальная работа устройства будет зависеть от типа электродвигателя, его мощности, диапазона, скорости и точности регулировок, а также от поддержания стабильного момента вращения вала. Эти показатели имеют первостепенное значение и должны органично сочетаться с габаритами и формой аппарата. Следует обратить особое внимание на то, как расположены элементы управления и будет ли удобно им пользоваться.

Выбирая устройство, необходимо заранее знать, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Если сеть однофазная, то и преобразователь должен быть таким же. То же самое касается и трехфазных аппаратов. Многое зависит от мощности асинхронных двигателей. Если при запуске на валу необходим высокий пусковой момент, то и частотный преобразователь должен быть рассчитан на большее значение тока.