Схемы управления асинхронными однофазными двигателями

Схемы управления асинхронными однофазными двигателями

Самыми широко применяемыми однофазными асинхронными электродвигателями являются электрические машины с двумя обмотками статора. В цепь одной из обмоток последовательно включен фазосдвигающий элемент – конденсатор. Также электродвигатели такого типа называют конденсаторными. Управление этими электрическими машинами может осуществляться путем изменения величины питающего напряжения или его частоты.

Данный метод основан на изменении разности между скоростями вращения магнитного поля ротора и статора электродвигателя, иначе называемой скольжением двигателя. Применяют этот способ в основном для управления электрическими машинами небольшой мощности, работающими с низкой нагрузкой. При всей простоте и дешевизне схем, используемых для регулировки и управления методом изменения напряжения, имеется ряд общих недостатков:
• дополнительный нагрев обмоток;
• регулировку скорости вращения можно осуществлять только путем снижения питающего напряжения;
• небольшой диапазон регулировки, он составляет не более 2:1;
• необходимость установки электродвигателя с запасом мощности, так как ее величина снижается при уменьшении напряжения питания.
Рассмотрим самые распространенные схемы управления электродвигателями путем уменьшения напряжения.

Тиристорный или симисторный регулятор
В схеме применяют два симметрично подключенных тиристора или симистор, каждый из которых пропускает свой полупериод напряжения. Блок управления осуществляет регулировку закрытия или открытия электронных ключей относительно перехода значений переменного напряжения через ноль, таким образом, на входе не получается чистая синусоида, среднеквадратическое значение напряжения изменяется.

К достоинствам симисторной схемы управления следует отнести:
• малые размеры;
• низкую стоимость;
• простоту конструкции и подключения.
Кроме общих недостатков, присущих схемам управления способом изменения напряжения, симисторные схемы имеют ряд специфических:
• возможность применения только для маломощных двигателей;
• рывки двигателя, треск и шумы при работе;
• попадание на обмотки постоянного напряжения, что вызывает дополнительный их нагрев.

Схема с использованием электронного трансформатора или широтно-импульсного модулятора.
Принцип действия этой схемы основан на изменении пауз между импульсами и их ширины. Чем короче паузы и шире импульсы, тем выше напряжение, подводимое к двигателю и наоборот.

Достоинства применения данной схемы:
• низкое управляющее напряжение;
• небольшие габариты;
• синусоидальная форма выходного напряжения;
• низкая стоимость.
Недостатки:
• требуется размещать устройство в непосредственной близости от двигателя (расстояние не более 5 м).

Метод основан на зависимости скорости вращения ротора от частоты подводимого к двигателю напряжения. При увеличении частоты скорость возрастает и наоборот. Изменение частоты достигается использованием в схеме управления специально разработанных преобразователей частоты (ПЧ). Преимущества данного способа:
• возможность увеличения скорости вращения;
• механические характеристики двигателя не изменяются;
• возможность применения для электрических машин большой мощности;
• широкий диапазон регулировки, для однофазных двигателей он составляет 1:10;
• возможность интеллектуального управления двигателем и другие.
Однофазные асинхронные электродвигатели могут управляться как однофазными преобразователями, так и ПЧ для трехфазных машин. В последнем случае применение трехфазных частотных преобразователей для однофазных машин обусловлено дефицитом специализированных ПЧ на рынке и их высокой стоимостью. Использовать данную схему не рекомендуется, так как требуется вносить изменения в конструкцию электродвигателя, что вызывает нарушения в его работе.

Схема управления с частотным преобразователем во многом идентична схеме широтно-импульсного модулятора. В выходном каскаде 4 транзистора вместо 2-х, а сама схема изменяет частоту выходного напряжения.

Отправить заявку или сообщение Вы можете через форму обратной связи, или позвонить +7 (495) 545-44-32.

Устройство и подключение однофазных электродвигателей 220В

Электродвигатели

Однофазные электродвигатели 220В широко используются в разнообразных бытовых и промышленных устройствах: холодильниках, стиральных машинах, насосах, дрелях, заточных и подобных им обрабатывающих станках. Их технические характеристики несколько уступают свойствам трехфазных двигателей. Существует два наиболее распространенных типа однофазных электродвигателей для сети переменного тока промышленной частоты:

• асинхронные;
• коллекторные.

Первые более просты по своему устройству, но обладают рядом недостатков, главные из которых — трудности с изменением направления и частоты вращения ротора.

Далее рассмотрены однофазные асинхронные электродвигатели и коллекторные двигатели переменного тока.

Однофазные асинхронные электродвигатели

Устройство и принцип действия

Мощность такого однофазного двигателя 220В может в зависимости от конструкции находиться в пределах от 5 Вт до 10 кВт. Его ротор — это обычно короткозамкнутая обмотка («беличья клетка») — медные или алюминиевые стержни, замкнутые с торцов.

Такой однофазный двигатель, как правило, имеет две смещенные на 90° друг относительно друга обмотки. Рабочая (главная) при этом занимает большую часть пазов статора, а пусковая (вспомогательная) — оставшуюся. И однофазным его называют потому, что у него лишь одна рабочая обмотка.

Переменный ток, протекающий по главной обмотке, создает периодически меняющееся магнитное поле. Его можно считать состоящим из двух круговых с одинаковой амплитудой, вращающихся навстречу друг другу.

По закону электромагнитной индукции в замкнутых витках ротора меняющийся магнитный поток создает индукционный ток, взаимодействующий с порождающим его полем. Если ротор неподвижен, моменты действующих на него сил одинаковы, вследствие чего ротор остается неподвижным.

Если же ротор начать вращать, то равенство моментов этих сил нарушится, поскольку скольжение его витков относительно вращающихся магнитных полей станет разным. Как следствие — сила Ампера, действующая на витки ротора со стороны прямого магнитного поля, будет значительно больше, чем со стороны обратного.

Индукционный ток в витках ротора может возникать лишь при пересечении ими силовых линий магнитного поля. А для этого они должны вращаться со скоростью, чуть меньшей, чем частота вращения поля (при одной паре полюсов — 3000 об/мин). Отсюда и название, которое получили такие электродвигатели, асинхронные.

При увеличении механической нагрузки скорость вращения уменьшается, возрастает величина индукционного тока в витках ротора. Как следствие — возрастают и механическая мощность двигателя, и мощность потребляемого им переменного тока.

Схема запуска и подключения

Понятно, что раскручивать вручную ротор при каждом запуске электродвигателя неудобно. Для создания первоначального пускового момента и используется пусковая обмотка. Поскольку она составляет с рабочей обмоткой прямой угол, для создания вращающегося магнитного поля ток в ней должен быть сдвинут по фазе относительно тока в рабочей обмотке тоже на 90°.

Добиться этого можно включением в цепь ее питания фазосмещающего элемента. Резистор или дроссель обеспечить фазовый сдвиг в 90° не могут, поэтому в большинстве ситуаций логично использование конденсатора в качестве фазосмещающего элемента. В этом случае однофазный электродвигатель обладает наилучшими пусковыми свойствами.

Когда фазовращающий элемент является конденсатором, однофазные электродвигатели конструктивно могут быть такими:

• с пусковым конденсатором (рис. а);
• с пусковым и рабочим (рис. б);
• только с рабочим конденсатором (рис. в).

Первый (наиболее распространенный) вариант предусматривает подключение пусковой обмотки с конденсатором ненадолго на время пуска, после чего они отключаются. Реализовать его можно с помощью реле времени, а то и просто за счет замыкания цепи во время нажатия пусковой кнопки. Эта схема запуска характеризуется сравнительно небольшим пусковым током, но в номинальном режиме характеристики невысоки. Причина в том, что поле статора является эллиптическим (в направлении полюсов оно сильнее, чем в перпендикулярном).

Схема с рабочим, постоянно включенным конденсатором лучше работает в номинальном режиме, но имеет посредственные пусковые характеристики. Вариант с пусковым и рабочим конденсатором является промежуточным между двумя описанными выше. Расчет значений их емкостей сравнительно прост: у рабочего 0,75 мкФ на 1 кВт мощности, у пускового — в 2,5 раза больше.

Коллекторный двигатель переменного тока

Рассмотрим коллекторный двигатель переменного тока. Универсальные коллекторные электродвигатели могут питаться от источников как переменного, так и постоянного тока. Они часто используются в электроинструментах, швейных и стиральных машинах, мясорубках — там, где нужен реверс, регулировка частоты вращения ротора или его вращение с частотой более 3000 об/мин.

Обмотки статора и ротора коллекторного электродвигателя соединяются последовательно. К обмоткам ротора ток подводится через щетки, соприкасающиеся с пластинами коллектора, к которым подсоединяются концы обмоток ротора.

Реверс однофазного двигателя с коллектором осуществляется за счет изменения полярности включения в сеть обмоток статора или ротора, а скорость вращения можно регулировать, изменяя величину тока в обмотках.

Основные недостатки такого двигателя:

• высокая стоимость;
• сложность устройства, практическая невозможность самостоятельно осуществить его ремонт;
• значительный уровень шума, трудное управление, создание радиопомех.

Остается добавить, что при использовании устройств, содержащих однофазный электродвигатель, следует самое пристальное внимание уделить выбору его типа, схеме подключения, тому, как правильно осуществить расчет элементов.

Подключение двухскоростного асинхронного двигателя

В те времена, когда преобразователи частоты для асинхронных двигателей были роскошью (более 20 лет назад), в промышленном оборудовании в случае необходимости применялись двигатели постоянного тока, в которых имелась возможность регулировать частоту оборотов.

Способ этот был громоздкий, и наряду с ним использовался ещё один, попроще – применялись двускоростные (многоскоростные) двигатели, в которых обмотки подключаются и переключаются определённым образом по схеме Даландера, что позволяет изменять скорость вращения.

Двигатели постоянного тока с изменением скорости и управлением от электронного блока используются в дорогостоящем промышленном оборудовании.

А вот двухскоростные двигатели встречаются в станках производства СССР 1980-х годов средней ценовой категории. И по подключению лично у меня возникали проблемы, в связи с путаницей и недостатком информации.

Последние примеры – токарный станок спец. исполнения, лесопилка. Подробности будут ниже.

Исполнение обмоток напоминает соединение “треугольником”, в связи с этим переключение может быть ассоциировано со “звездой-треугольником”. И это сбивает с толку.

Схема “Звезда – Треугольник” используется для лёгкого пуска двигателей (при этом скорость в обоих режимах одинакова!), а двухскоростные двигатели с переключением обмоток – для переключения рабочих скоростей.

Существуют двигатели не только с двумя, но и с бОльшим количеством скоростей. Но я буду говорить о том, что лично подключал и держал в руках:

Двухскоростной асинхронный электродвигатель Даландера

Поменьше теории, побольше практики. И как обычно, от простого к сложному.

Двухскоростной асинхронный электродвигатель

Обмотки двухскоростного двигателя выглядят таким образом:

Схема двухскоростного двигателя Даландера

При подключении выводов U1, V1, W1 такого двигателя к трехфазному напряжению он будет включен в “треугольник” на пониженную скорость.

А если выводы U1, V1, W1 замкнуть между собой, а питание подать на выводы U2, V2, W2, то получатся две “звезды” (YY), и скорость будет в 2 раза выше.

Что будет, если обмотки вершин треугольника U1, V1, W1 и середин сторон U2, V2, W2 поменять местами? Я думаю, ничего не изменится, тут дело только в названиях. Хотя, я не пробовал. Кто знает – напишите в комментариях к статье.

Схемы подключения

Кто немного не в курсе, как подключаются к трехфазной сети асинхронные электродвигатели – настоятельно рекомендую ознакомиться с моей статьёй Подключение двигателя через магнитный контактор. Я предполагаю, что читатель знает, как включается электродвигатель, зачем и какая нужна защита двигателя, поэтому в этой статье я эти вопросы опускаю.

В теории всё просто, а на практике приходится поломать голову.

Очевидно, что включение обмоток двигателя Даландера можно реализовать двумя путями – через переключатель и через контакторы.

Переключение скоростей с помощью переключателя

Рассмотрим сначала схему попроще – через переключатель типа ПКП-25-2. Тем более, что только такие принципиальные схемы мне и встречались.

Переключатель должен иметь три положения, одно из которых (среднее) соответствует выключенному двигателю. Про устройство переключателя – чуть позже.

Подключение двухскоростного двигателя. Схема на переключателе ПКП.

Крестиками на пунктирах положения переключателя SA1 отмечены замкнутые состояния контактов. То есть, в положении 1 питание от L1, L2, L3 подается на треугольник (выводы U1, V1, W1). Выводы U2, V2, W2 остаются не подключенными. Двигатель вращается на первой, пониженной скорости.

При переключении SA1 в положение 2 выводы U1, V1, W1 замыкаются друг с другом, а питание подается на U2, V2, W2.

Переключение скоростей с помощью контакторов

Схема включения двигателя на разных скоростях на контакторах

Здесь на первую скорость двигатель включает контактор КМ1, на вторую – КМ2. Очевидно, что физически КМ2 должен состоять из двух контакторов, поскольку необходимо замыкание сразу пяти силовых контактов.

Практическая реализация схемы подключения двухскоростного электродвигателя

На практике мне попадались только схемы на переключателях ПКП-25-2. Это универсальное чудо советской коммутации, у которого может быть миллион возможных сочетаний контактов. Внутри есть кулачок (их тоже несколько вариантов по форме), который можно переставлять.

Это реальная головоломка и ребус, требующий высокой концентрации сознания. Хорошо, что каждый контакт просматривается в небольшую щёлку, и можно посмотреть, когда он замкнут или разомкнут. Кроме того, через эти прорези в корпусе можно чистить контакты.

Количество положений может быть несколько, их количество ограничивается упорами, показанными на фото:

Переключатель пакетный ПКП-25-2

Переключатель ПКП 25. Головоломка на любителя.

Переключатель пакетный ПКП-25-2 – контакты

Практическое применение

Как я уже говорил, такие двигатели мне встречались в советских станках, которые я восстанавливал.

А именно – циркулярный деревообрабатывающий станок ЦА-2А-1, там используется двухскоростной асинхронный двигатель 4АМ100L8/4У3. Его основные параметры – первая скорость (треугольник) 700 об/мин, ток 5,0А, мощность 1,4 кВт, звёзды – 1410 об/мин, ток 5,0 А, мощность 2,4 кВт.

Меня просили сделать несколько скоростей, для разной древесины и для разной остроты циркулярной пилы. Но увы – без преобразователя частоты здесь не обойтись.

Другой старичок – токарный станок спец.исполнения УТ16П, там стоит двигатель 720/1440 об/мин, 8,9/11 А, 3,2/5,3 кВт:

Шильдик двухскоростного электродвигателя 11 кВт токарного станка

Переключение также переключателем, а схема станка выглядит так:

схема электрическая токарного станка

В этой схеме есть ошибка, как раз по теме статьи. Во первых, переключение скоростей осуществляется не реле Р2, а выключателем В2. А второе (и главное) – схема переключения абсолютно не соответствует реальности. И она меня сбила с толку, я пытался подключить по ней. Пока не сотворил вот такую схему:

Реальная схема включения двухскоростного двигателя токарного станка УТ16П

Дополнительно – внешний вид и расположение элементов электросхемы.

схема токарного станка – внешний вид

схема электрическая токарного станка – расположение элементов

Друзья! Кому попадаются такие станки и двигателя, пишите, делитесь опытом, задавайте вопросы, буду рад!

Обновление Март 2017

Выкладываю фото и схемы практического включения двухскоростного электродвигателя.

Двигатель работает на гидростанции. На пониженной скорости он дает малое давление, позволяющее управлять механизмами с гидравлическим приводом более точно. На повышенной скорости – давление возрастает примерно в 2 раза, и скорость перемещения соответственно.

Борно двухскоростного двигателя – на клеммы приходят 6 проводов

Схема двухскоростного двигателя

Двухскоростной двигатель гидростанции

Контакторы двухскоростного двигателя. Левый включает в треугольник (низкая скорость), правые – двойная звезда

Мотор-автоматы. Видно, что ток треугольника – до 8А, ток звезд – до 13А

Схема включения силовой части двигателя Даландера.

Схема включения части управления двухскоростного двигателя Даландера.

Коротко о схеме включения двигателя Даландера.

Двигатель включается через реле времени с задержкой отключения.

Реле времени 215А2 включается сразу, а отключается через 5 секунд. Это нужно, чтобы двигатель и контакторы не дергать по пустякам, и кратковременные остановки гидравлических перемещений не отключали двигатель гидростанции.

Далее реле 261К0 включает режим работы треугольник, реле 261К1 – звёзды.

Видео работы двигателя по схеме Даландера

К сожалению, видео на русском по этой теме нет.