Как можно регулировать скорость вращения ротора в коллекторном электродвигателе

Устройство коллекторных двигателей имеет свои особенности, в частности это относится к такому узлу, как регулятор оборотов коллекторного электродвигателя. Существуют разные системы управления, которые мы рассмотрим ниже.

Реостатные регуляторы оборотов представляют собой систему, состоящую из реостата и сервопривода. С их помощью пассивная нагрузка включается последовательно, а сервопривод механически регулирует сопротивление. После подключения нагрузки излишки электроэнергии преобразуются в тепло. Это самый дешевый и простой вид регулятора, устанавливающийся на маломощных моделях.

К его недостаткам можно отнести:

  • Неоправданные тепловые потери, ведущие к снижению ресурса аккумуляторной батареи.
  • Часто возникающие потери на движущихся контактах реостата.
  • Перегрев конструкции, во избежание которого требуется принудительный отвод тепла.
  • Быстрый износ двигателя.

Поэтому реостатные регуляторы чаще используются в «любительских» устройствах (моделях, самодельных станках и т.д.).

Полупроводниковые регуляторы оборотов применяются чаще, так как энергия аккумуляторов используется более экономно. Импульсный характер подачи питания на двигатель позволяет управлять частотой вращения за счет изменения длительности импульсов. На рынке представлены самые разнообразные виды полупроводниковых регуляторов, включая модели с расширенным функционалом (вентилятором и другими приспособлениями).

Также регулировать обороты можно с помощью:

  • заводских плат от бытовой техники (пылесосов, миксеров и т.п.);
  • ЛАТРов;
  • кнопок от электроинструментов;
  • бытовых регуляторов освещения.

Однако при их применении могут возникать некоторые неудобства. Снижение оборотов двигателя ведет к резкому падению выдаваемой им мощности, поскольку напряжение питания понижается. Это не сказывается на работе маломощных насосов, вентиляторов и другой подобной техники, но для самодельных станков такая схема не годится.

Тахогенератор является более надежным устройством, так как он не позволяет двигателю терять мощность, даже если частота вращения ротора значительно снижается. Обычно тахогенератор устанавливается на заводских моделях моторов. Его задача – сообщение количества оборотов якоря и передача их на плату управления, которая, в свою очередь, устанавливает количество оборотов на необходимом уровне. Существует много схем регулирования оборотов с помощью тахогенератора.

Малогабаритные коллекторные двигатели различаются по размеру, числу максимальных оборотов, показателю энергопотребления, весу и другим характеристикам, что отражается на подборе системы управления. От типа исполнительного устройства, на котором будет использоваться движок, зависит количество функций, выполняемых регулятором оборотов, и их комбинация.

Дополнительные возможности регуляторов оборотов коллекторных электродвигателей

Часто технические условия эксплуатации мотора требуют наличия у регулятора оборотов дополнительных функций, например:

Как увеличить обороты и мощность коллекторного двигателя

  • Реверс. Если транспортное средство должно иметь задний ход, на двигатель устанавливается регулятор с возможностью переполюсовки. Режим реверса на полных оборотах необходим крайне редко, поэтому обычно мотор работает не на полную мощность.
  • Опторазвязка. Эта функция нужна регуляторам, рассчитанным на повышение напряжения. Например, в радиоприемниках питание и силовые цепи разъединяются с помощью гальванической развязки. Таким образом обеспечивается защита чувствительной радиоаппаратуры от импульсных наводок из силовых цепей электродвигателя и регулятора и повышается показатель стабильности ее работы.
  • Тормоз. Многие механизмы должны не только быстро набирать обороты, но и моментально останавливаться. Торможение бывает «жестким» и «мягким». В первом случае регулятор закорачивает обмотку двигателя единовременно, во втором – в импульсном режиме, благодаря чему обороты снижаются плавно.
  • ВЕС-система. Она подходит для механизмов с низковольтным питанием. Будучи встроенной в цепь вторичного питания, система обеспечивает подачу энергии на сервопривод и платы радиоуправления с одной батареи, и необходимость установки добавочной батареи отпадает.

Регуляторы оборотов коллекторного двигателя своими руками.

fon2

Универсальные коллекторные двигатели с последовательным возбуждением (щеточные) на 220 В применяются в различных электроинструментах. Это пылесосы, миксеры, дрели, болгарки и другие устройства. Во время эксплуатации этих инструментов часто возникает потребность их работы с меньшими оборотами электродвигателя.
Предлагается две конструкции регуляторов оборотов коллекторного двигателя.

В первом регуляторе оборотов двигателя плавное регулирование числа оборотов вала коллекторного двигателя с автоматической стабилизацией их при выбранном режиме работы можно осуществлять при помощи простого тиристорного регулятора.

Сперва рассмотрим работу регулятора оборотов без конденсатора С1 .
Основой регулятора является тринистор ( VT1 ), регулируемый фазовым управлением. Коллекторный двигатель включен последовательно тринистору, поэтому питание его осуществляется однополупериодным напряжением.
При вращении двигателя на его клеммах из-за остаточной намагниченности возникает противо-электродвижующая сила (э.д.с.) uд , которая пропорциональна скорости вращения вала. Принцип действия регулятора оборотов коллекторного двигателя основан на сравнении uд с опорным напряжением Uоп , подаваемым на управляющий электрод тринистора с движка потенциометра R2 . В регуляторе вращения осуществляется выделение разностного сигнала uу=Uоп-uд , который используется для фазового управления тринистором, что и обеспечивает возможность регулировки подводимой мощности к электродвигателю.
Благодаря диоду VD1 через резисторы R1 и R2 протекает только положительный полупериод и Uоп достигнет максимального значения тогда, когда амплитуда сети будет наибольшим.
Если остаточная противо-э.д.с. uд двигателя больше, чем величина Uоп (т.е. если скорость вращения превышает некоторое установленное значение), тогда диод VD2 будет закрыт, т.к. потенциал на аноде диода будет меньше чем на катоде ( Uоп-uд ) и сигнал на управляющий электрод тринистора не подается. Тринистор закрыт, питание на двигатель не поступает и скорость вращения уменьшается до тех пор, пока противо-э.д.с. uд не станет меньше Uоп и диод VD2 будет включен в прямом направлении. На управление тринистора поступит отпирающее напряжение и на коллекторный двигатель будет подано питание.
Нужно отметить, что на тринисторе наибольший угол отпирания составляет φ=90 , при котором подводится наименьшая мощность. Если на вал электродвигателя нагрузка увеличивается, тогда скорость вращения двигателя уменьшается и, соответственно, противо-э.д.с. так-же уменьшается. Тринистор отпирается с меньшей задержкой ( φ ) увеличивая подводящую мощность к двигателю.

При малой нагрузке двигателя и при малой его скорости (по схеме движок потенциометра R2 находится в крайне нижнем положении), двигатель за четверть периода ( φ=90 ), в течении которого к нему подводится мощность, может сильно увеличить свою скорость. Понадобится время, чтобы скорость вала снизилась до установленного значения и тиристор открылся. Поэтому нет стабильности заданного режима и появляется «качание» скорости двигателя.
Для стабилизации режима нужно уменьшить интервал времени, в течении которого мощность подается на двигатель, т.е. сделать угол отпирания φ>90 .
Это можно сделать с добавлением в схему конденсатора С1 для создания фазосдвигающей RC цепочки, которая увеличивает угол задержки. В данной схеме эта цепочка состоит из резисторов R1, R2 и конденсатора С1 , напряжение на котором будет сдвинуто на угол, определяемой постоянной времени цепи (R1+R2)C1 и позволяющая изменять ток двигателя от максимального значения почти до нуля.
При замыкании выключателя SA1 можно отключить регулятор оборотов от двигателя.

В регуляторе оборотов коллекторного двигателя применены следующие элементы:
R1=7 кОм мощностью 4Вт (собран из двух параллельно соединенных резисторов 12кОм и 18кОм, тип МЛТ мощностью по 2Вт);
R2=2,2 кОм, потенциометр тип СП, 1Вт; Вторая схема регулятора оборотов коллекторного двигателя собранный на однопереходном транзисторе (ОПТ) VT1 , может применяться как для регулировки скорости вращения вала двигателей и как регулятор мощности нагревательных приборов.

Особенность этого регулятора — стабилизация напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети.
В этой схеме ОПТ применяется в качестве источника управляющих импульсов для фазоимпульсного регулирования. Подробно узнать как работает генератор на ОПТ можно посмотрев ссылку про однопереходной транзистор.

Устройство управления питанием от стабилизатора напряжения ( VD5, VD6 ) обеспечивает стабильность точки открытия тиристора при изменении напряжения в сети. Для того, чтобы стабилизировать напряжение нагрузки, включены рeзисторы R3 и R4 . Резисторы R4 и R5 образует делитель, определяющий междубазовое напряжение на однопереходном транзисторе, а R3 осуществляет подключение напряжения сети.
Например : при повышении напряжения в сети повышается и междубазовое напряжение на транзисторе VT1 . Cледовательно, повышается и пороговое напряжение для его открытия. Это приводит к задержке открытия тиристора и уменьшает напряжение подаваемое в нагрузку, т.е. осуществляется стабилизация в нагрузке.
Поскольку параметры транзистора могут быть значительно отличаться от номинальных значений , сопротивление R3 необходимо подобрать так, чтобы получить стабилизированное выходное напряжение.

Резистор 22 кОм /4Вт можно составить из двух последовательно включенных резисторов по 11кОм/2вт.
Диоды и тиристор можно использовать любые, но не менее чем на 300 вольт и током 10 ампер.
Можно заменить: тиристор — на КУ202Н, диоды — на Д246А, Д247, а стабилитроны — на Д814Г.
Регулятор может работать на нагрузку от 50 до 1200 ВТ, но нужно иметь в виду , что при мощности более 400Вт необходимо принимать меры по охлаждению тринистора и диодов.

Способы регулировки

Принцип действия разных устройств сильно отличается, но выполняют они одну задачу — понизить количество оборотов вала электрической машины.

Ввод сопротивления

С помощью переменных резисторов можно регулировать скорость вращения магнитного поля на единицу электроэнергии. Регулировка скольжения прямо пропорционально меняет и крутящий момент у ротора.

Регулировка оборотов переменными резисторами сопровождается рядом нюансов:

  • С ростом сопротивления уменьшается нагрев проводника.
    Перегрев исключается благодаря сокращению избыточного тепла, что является большим плюсом для моторов с короткозамкнутым ротором в плане аварийности.
  • Характеристики тока не меняются.
    При меньших оборотах мотор продолжит потреблять такой же объем электроэнергии, как и при работе на номинальной мощности.

В результате регулировка скорости вращения сопровождается пропорциональными потерями КПД. Это экономически необоснованно и переменные резисторы используются лишь для краткосрочного понижения оборотов (например, чтобы избежать перегрева оборудования, которому вредна резкая остановка)

Перемычка витков обмотки

Принцип регулировки заключается в сокращении пути для тока по обмотке с помощью подвижного контакта. Простыми словами — происходит принудительное и контролируемое короткое замыкание.

Преимущество такого способа в минимальном шаге изменения оборотов (за счет большого числа витков) и возможности точно регулировать крутящий момент инструмента. Но конструкция агрегата — это большой минус. Подключение контроллера выполняется внутри корпуса электрической машины, которую сложно разобрать и собрать. Перемычка витков имеет особое значение только в долговечных и надежных электродвигателях, которые требуют минимального обслуживания.

За счет малого шага и точной регулировки синусоиды перемычку витков обмотки статора двигателя часто называют автотрансформаторным методом изменения оборотов.

Изменение импульса тока

Ток подается через выпрямительный блок на коллектор управляемых транзисторов, от которых передается обмоткам возбуждения. В отличие от частотного преобразователя, в этом случае понижается напряжение каждого поступившего импульса на конкретный коэффициент. При этом интервал между ними не меняется. Синусоида переменного тока понижается, но не меняет свою форму.

Стоит отметить, сам по себе выпрямитель только повышает или понижает напряжение импульса, но не может регулировать его в обе стороны. Поэтому с ним бывает коллектор из двух транзисторов для регулировки оборотов на повышение и понижение.

Ввод полупроводников

На участке цепи между электродвигателем и питанием подключается меняющий ток тиристор. В одинаковый момент, при поступлении одинакового количества импульсов, тиристор пропускает их определенное число.

Например, для однофазной сети 220В с частотой 50 Гц каждую секунду количество импульсов будет уменьшаться от 50 до N, где N — их количество, которое требуется для установленной скорости вращения. Шагом для уменьшения числа импульсов служит нулевая фаза переменного тока.

В отличие от частотника, тиристор не растягивает паузу между каждым импульсом, а увеличивает период нулевой фазы.

Тиристорный регулятор можно подключить двумя схемами:

  • С встречным расположением пары полупроводников.
    В этом варианте один тиристор работает на понижение оборотов электродвигателя, другой — на повышение.
  • Совместно с симистором.
    При такой схеме единственный тиристор сможет уменьшить отрегулировать скорость вращения вала до требуемого значения. При выходе двигателя на номинальную мощность следует размыкание участка цепи с полупроводником симистором.

Тиристоры позволяют не только регулировать крутящий момент, но и обеспечить плавный пуск электрической машины. Но в этом случае остается проблема падения КПД и экономии расхода при использовании мотора.

Полюсное переключение

Этот метод регулировки предусматривает изменения скорости вращения магнитного поля за счет переключения между обмотками. По-сути не существует однофазных электромоторов с полюсным переключением.

В двухфазных электродвигателях изменение числа оборотов может происходить двумя способами:

  • переключением питания между обмотками с отличным количеством витков;
  • включением в работу определенного числа одинаковых обмоток неявнополюсного статора.

Во втором случае с питанием от однофазной общей сети для получения 1500 об./мин размыкается половина обмоток, а для 1000 об./мин — 2/3 (например, 8 из 12 обмоток). Функцию контроллера выполняет фазный конденсатор.

В трехфазных двигателях со схемой в виде треугольника каждая обмотка получает ток от отдельной фазы. Такие агрегаты могут поддерживать 3 скорости вращения и без регулятора. Достаточно сделать пофазное независимое возбуждение каждой обмотки статора. Но для этого потребуется подключить статор и якорь к отдельному питанию, а также нужен расчет и изготовление нестандартных обмоток.

Частотный преобразователь

Современный регулятор числа оборотов, который сегодня распространен в любых двигателях. Частотный преобразователь управляет широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Если простыми словами — меняется количество импульсов на единицу времени путем увеличения паузы между ними, а не периода нулевой фазы (как с тиристорами).

Современные частотные преобразователи представлены диммерами, которые влияют на ток во всей цепи питания, а нет только на отрезке электродвигателя. Они производятся не только для регулировки оборотов, но еще и управления яркостью освещения в сетях 220 Вольт.

По сравнению с другими регуляторами изменение частоты переменного тока диммером 3 ключевых преимущества:

Другие регуляторы поддерживают эти важные опции по отдельности и не считаются качественными устройствами. Всеми тремя может обеспечить только частотный преобразователь. Поэтому именно он сегодня распространен в качестве регулятора.

Частотное регулирование скорости асинхронных двигателей

Скоростью вращения асинхронных двигателей также можно управлять путем изменения частоты питающего напряжения. С появлением быстропереключаемых транзисторов и тиристоров стало возможным применять электронные инверторы для изменения частоты напряжения, подаваемого на статор.

Такой метод лишен всех недостатков управления напряжением и обладает следующими преимуществами:

  • Сохранение жесткости характеристик на любой скорости независимо от нагрузки.
  • Плавное, бесступенчатое изменение скорости вращения.
  • Возможность регулировки вверх и вниз от синхронной скорости.
  • Небольшие габариты и масса.

Частотные преобразователи не требуют изменения конструкции электродвигателей. Они могут применяться для всех типов электрических машин переменного тока с фазным или короткозамкнутым ротором.

Различают несколько типов ПЧ и методов частотного управления. Рассмотрим наиболее распространенные типы и способы.

Виды преобразователей частоты

Одна из самых первых схем частотных преобразователей – устройства с непосредственной связью с сетью. ПЧ такого типа имеют гальваническую связь с электросетью и обычно построены на базе быстропереключаемых тиристоров. Полупроводниковые элементы включены по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства преобразователей частоты с непосредственной связью с сетью

Устройства с непосредственной связью обеспечивают стабильную работу на малых скоростях двигателей, обладают высоким КПД. Преобразователи также могут обеспечивать возврат электроэнергии в сеть в режиме торможения двигателей. При необходимости мощность устройств возможно увеличить путем подключения дополнительных блоков. К недостаткам устройств относятся: несинусоидальная форма напряжения, возможность регулирования скорости только в меньшую сторону, относительная сложность схемы управления.

Наиболее распространенные в низковольтном приводе преобразователи частоты выполнены на базе схемы двойного преобразования с явно выраженным звеном постоянного тока.

Преобразователи частоты на базе схемы двойного преобразования

Силовая часть схемы состоит:

  • Из диодного трехфазного выпрямителя. Блок обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный.
  • Из звена постоянного тока. Емкостной элемент обеспечивает фильтрацию постоянной составляющей и сглаживание пульсаций, возникающих при работе инвертора.
  • Из инвертора. Функциональный блок на быстропереключаемых транзисторах преобразовывает постоянное напряжение в переменное. Частота задается алгоритмом открытия/ закрытия полупроводниковых элементов и определяется широтно-импульсным модулятором.

Схемы двойного преобразования обеспечивают чистую синусоидальную форму напряжения на выходе, позволяют управлять скоростью выше и ниже синхронной частоты, обеспечивают жесткость характеристик во всем диапазоне. К недостаткам относят некоторую потерю мощности за счет двойного преобразования электроэнергии, сложность конструкции, относительно высокую стоимость.

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.

Управление двигателями постоянного тока. Часть 1

В статье дается краткий обзор и анализ популярных схем, предназначенных для управления коллекторными двигателями постоянного тока, а также предлагаются оригинальные и малоизвестные схемотехнические решения

Как измерить внутреннее сопротивление литиевого аккумулятора

Электродвигатели являются, наверное, одним из самых массовых изделий электротехники. Как говорит нам всезнающая Википедия, электрический двигатель – электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Началом его истории можно считать открытие, которое сделал Майкл Фарадей в далеком 1821 году, установив возможность вращения проводника в магнитном поле. Но первый более-менее практический электродвигатель с вращающимся ротором ждал своего изобретения до 1834 года. Его во время работы в Кёнигсберге изобрел Мориц Герман фон Якоби, более известный у нас как Борис Семенович. Электродвигатели характеризуют два основных параметра – это скорость вращения вала (ротора) и момент вращения, развиваемый на валу. В общем плане оба этих параметра зависят от напряжения, подаваемого на двигатель и тока в его обмотках. В настоящее время имеется достаточно много разновидностей электродвигателей, и поскольку, как заметил наш известный литературный персонаж Козьма Прутков, нельзя объять необъятное, остановимся на рассмотрении особенностей управления двигателями постоянного тока (далее электродвигателями).

К двигателям постоянного тока относятся два типа – это привычные для нас коллекторные двигатели и бесколлекторные (шаговые) двигатели. В первых переменное магнитное поле, обеспечивающее вращение вала двигателя, образуется обмотками ротора, которые запитываются через щеточный коммутатор – коллектор. Оно и взаимодействует с постоянным магнитным полем статора, вращая ротор. Для работы таких двигателей внешние коммутаторы не требуются, их роль выполняет коллектор. Статор может быть изготовлен как из системы постоянных магнитов, так и из электромагнитов. Во втором типе электродвигателей обмотки образуют неподвижную часть двигателя (статор), а ротор сделан из постоянных магнитов. Здесь переменное магнитное поле образуется путем коммутации обмоток статора, которая выполняется внешней управляющей схемой. Шаговые двигатели («stepper motor» в английском написании) значительно дороже коллекторных. Это достаточно сложные устройства со своими специфическими особенностями. Их полное описание требует отдельной публикации и выходит за рамки данной статьи. Для получения более полной информации по двигателям этого типа и их схемам управления можно обратиться, например, к [1].

Коллекторные двигатели (Рисунок 1) более дешевы и, как правило, не требуют сложных систем управления. Для их функционирования достаточно подачи напряжения питания (выпрямленного, постоянного!). Проблемы начинают возникать, когда появляется необходимость в регулировке скорости вращения вала такого двигателя или в специальном режиме управления моментом вращения. Основных недостатков таких двигателей три – это малый момент на низких скоростях вращения (поэтому часто требуется редуктор, а это отражается на стоимости конструкции в целом), генерация высокого уровня электромагнитных и радиопомех (из-за скользящего контакта в коллекторе) и низкая надежность (точнее малый ресурс; причина в том же коллекторе). При использовании коллекторных двигателей необходимо учитывать, что ток потребления и скорость вращения их ротора зависят от нагрузки на валу. Коллекторные двигатели более универсальны и имеют более широкое распространение, особенно в недорогих устройствах, где определяющим фактором является цена.

Управление двигателями постоянного токаУправление двигателями постоянного тока
а)б)

Поскольку скорость вращения ротора коллекторного двигателя зависит, в первую очередь, от подаваемого на двигатель напряжения, то естественным является использование для его управления схем, имеющих возможность установки или регулировки выходного напряжения. Такими решениями, которые можно найти в Интернете, являются схемы на основе регулируемых стабилизаторов напряжения и, поскольку век дискретных стабилизаторов давно прошел, для этого целесообразно использовать недорогие интегральные компенсационные стабилизаторы, например, LM317 [2]. Возможные варианты такой схемы представлены на Рисунке 2.

Схема примитивная, но кажется очень удачной и, главное, недорогой. Посмотрим на нее с точки зрения инженера. Во-первых, можно ли ограничить момент вращения или ток двигателя? Это решается установкой дополнительного резистора. На Рисунке 2 он обозначен как RLIM. Его расчет имеется в спецификации, но он ухудшает характеристику схемы как стабилизатора напряжения (об этом будет ниже). Во-вторых, какой из вариантов управления скоростью лучше? Вариант на Рисунке 2а дает удобную линейную характеристику регулирования, поэтому он и более популярен. Вариант на Рисунке 2б имеет нелинейную характеристику. Но в первом случае при нарушении контакта в переменном резисторе мы получаем максимальную скорость, а во втором – минимальную. Что выбрать – зависит от конкретного применения. Теперь рассмотрим один пример для двигателя с типовыми параметрами: рабочее напряжение 12 В; максимальный рабочий ток 1 А. ИМС LM317, в зависимости от суффиксов, имеет максимальный выходной ток от 0.5 А до 1.5 А (см. спецификацию [2]; имеются аналогичные ИМС и с бóльшим током) и развитую защиту (от перегрузки и перегрева). С этой точки зрения для нашей задачи она подходит идеально. Проблемы скрываются, как всегда, в мелочах. Если двигатель будет выведен на максимальную мощность, что для нашего применения весьма реально, то на ИМС, даже при минимально допустимой разнице между входным напряжением VIN и выходным VOUT, равной 3 В, будет рассеиваться мощность не менее

Таким образом, нужен радиатор. Опять вопрос – на какую рассеиваемую мощность? На 3 Вт? А вот и нет. Если не полениться и рассчитать график нагрузки ИМС в зависимости от выходного напряжения (это легко выполнить в Excel), то мы получаем, что при наших условиях максимальная мощность на ИМС будет рассеиваться не при максимальном выходном напряжении регулятора, а при выходном напряжении равном 7.5 В (см. Рисунок 3), и она составит почти 5.0 Вт!

Рисунок 3.График зависимости мощности, рассеиваемой на ИМС регулятора, от выходного напряжения.

Как видим, получается что-то уже не дешевое, но очень громоздкое. Так что такой подход годится только для маломощных двигателей с рабочим током не более 0.25 А. В этом случае мощность на регулирующей ИМС будет на уровне 1.2 Вт, что уже будет приемлемо.

Выход из положения – использовать для управления метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он, действительно, самый распространенный. Его суть – подача на двигатель промодулированных по длительности однополярных прямоугольных импульсов. Согласно теории сигналов, в структуре такой последовательности имеется постоянная составляющая, пропорциональная отношению τ/T, где: τ – длительность импульса, а T – период последовательности. Вот она-то и управляет скоростью двигателя, который выделяет ее как интегратор в этой системе. Поскольку выходной каскад регулятора на основе ШИМ работает в ключевом режиме он, как правило, не нуждается в больших радиаторах для отвода тепла, даже при относительно больших мощностях двигателя, и КПД такого регулятора несравненно выше предыдущего. В ряде случаев можно использовать понижающие или повышающие DC/DC-преобразователи, но они имеют ряд ограничений, например, по глубине регулировки выходного напряжения и минимальной нагрузке. Поэтому, как правило, чаще встречаются иные решения. «Классическое» схемное решение такого регулятора представлено на Рисунке 4 [3]. Оно использовано в качестве дросселя (регулятора) в профессиональной модели железной дороги.

Рисунок 4.«Классическая» схема управления коллекторным двигателем на основе ШИМ (согласно оригиналу [3]).

На первом операционном усилителе собран генератор, на втором компаратор. На вход компаратора подается сигнал с конденсатора C1, а путем регулирования порога срабатывания формируется уже сигнал прямоугольной формы с нужным отношением τ/T (Рисунок 5).

Управление двигателями постоянного тока
Рисунок 5.Диаграмма управления коллекторным двигателем на основе ШИМ. Верхняя трасса – напряжение на конденсаторе С1; средняя (пересекает верхнюю) – сигнал управления (напряжение на движке резистора RV2); нижняя – напряжение на двигателе.

Диапазон регулировки устанавливается подстроечными резисторами RV1 (быстрее) и RV3 (медленнее), а сама регулировка скорости осуществляется резистором RV2 (скорость). Обращаю внимание читателей, что в Интернете на русскоязычных форумах гуляет похожая схема с ошибками в номиналах делителя, задающего порог компаратора. Управление непосредственно двигателем осуществляется через ключ на мощном полевом транзисторе типа BUZ11 [4]. Особенности этого транзистора типа MOSFET – большой рабочий ток (30 А постоянного, и до 120 А импульсного), сверхмалое сопротивление открытого канала (40 мОм) и, следовательно, минимальная мощность потерь в открытом состоянии.

На что нужно в первую очередь обращать внимание при использовании таких схем? Во-первых, это исполнение цепи управления. Здесь в схеме (Рисунок 4) есть небольшая недоработка. Если со временем возникнут проблемы с подвижным контактом переменного резистора, мы получим полный почти мгновенный разгон двигателя. Это может вывести из строя наше устройство. Какое противоядие? Установить добавочный достаточно высокоомный резистор, например, 300 кОм с вывода 5 ИМС на общий провод. В этом случае при отказе регулятора двигатель будет остановлен.

Еще одна проблема таких регуляторов – это выходной каскад или драйвер двигателя. В подобных схемах он может быть выполнен как на полевых транзисторах, так и на биполярных; последние несравненно дешевле. Но и в первом и во втором варианте необходимо учитывать некоторые важные моменты. Для управления полевым транзистором типа MOSFET нужно обеспечить заряд и разряд его входной емкости, а она может составлять тысячи пикофарад. Если не использовать последовательный с затвором резистор (R6 на Рисунке 4) или его номинал будет слишком мал, то на относительно высоких частотах управления операционный усилитель может выйти из строя. Если же использовать R6 большого номинала, то транзистор будет дольше находиться в активной зоне своей передаточной характеристики и, следовательно, имеем рост потерь и нагрев ключа.

Еще одно замечание к схеме на Рисунке 4. Использование дополнительного диода D2 лишено смысла, так как в структуре транзистора BUZ11 уже имеется свой внутренний защитный быстродействующий диод с лучшими характеристиками, чем предлагаемый. Диод D1 также явно лишний, транзистор BUZ11 допускает подачу напряжения затвор-исток ± 20 В, да и переполюсовка в цепи управления при однополярном питании, как и напряжение выше 12 В, невозможны.

Если использовать биполярный транзистор, то возникает проблема формирования достаточного по величине базового тока. Как известно, для насыщения ключа на биполярном транзисторе ток его базы должен быть, по крайней мере, не менее 0.06 от тока нагрузки. Понятно, что операционный усилитель такой ток может не обеспечить. С этой целью в аналогичном, по сути, регуляторе, который используется, например, в популярном мини-гравере PT-5201 компании Pro’sKit, применен транзистор TIP125, представляющий собой схему Дарлингтона. Тут интересный момент. Эти мини-граверы иногда выходят из строя, но не из-за перегрева транзистора, как можно было бы предположить, а из-за перегрева ИМС LM358 (максимальная рабочая температура +70 °С) выходным транзистором (максимально допустимая температура +150 °С). В изделиях, которыми пользовался автор статьи, он был вплотную прижат к корпусу ИМС и посажен на клей, что недопустимо нагревало ИМС и почти блокировало теплоотвод. Если вам попалась такое исполнение, то лучше «отклеить» транзистор от ИМС и максимально отогнуть. За это know-how автор статьи был премирован компанией Pro’sKit набором инструментов. Как видите все нужно решать в комплексе – смотреть не только на схемотехнику, но и внимательно относится к конструкции регулятора в целом.

Есть еще несколько интересных схем более простых ШИМ-регуляторов. Например, две схемы на одиночном операционном усилителе с драйвером опубликованы в [5] (Одна из них приведена на Рисунке 6а). Есть схемы и на базе популярного таймера серии 555 [6] (Рисунок 6б). Эти дешевые решения не должны вводить вас в заблуждение своей кажущейся простотой. Вспомним А.С. Пушкина: «Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной». Или французов: «За каждое удовольствие нужно платить». Обе эти схемы формируют суррогатный сигнал ШИМ с изменением опорной частоты. Так схемы на ОУ из [5] меняют частоту управления во время регулирования от 170 Гц до 500 Гц, а схема на таймере – от 150 Гц до 1000 Гц, и ее диапазон регулировки (верхний диапазон) ограничен скважностью 9.5. Для некоторых применений это может быть недопустимо, так как на больших частотах двигатель может и не заработать, или не дать нужный момент вращения. Это происходит из-за того, что ток в обмотке двигателя, которая представляет собой индуктивность, устанавливается не мгновенно, а нарастает и спадает по экспоненте. Более корректные схемы на базе таймера и одиночного ОУ приведены на Рисунке 7.

Аналогичные по структуре регуляторы можно построить и на цифровых логических элементах, но они имеют малую нагрузочную способность и требуют отдельного источника питания, поэтому в данной статье не рассматриваются. Применение же таймера 555 интересно тем, что частота генератора, выполненного на его базе, практически не зависит от напряжения питания. Кроме того, большинство ныне выпускаемых зарубежных аналогов, выполненных по биполярной технологии, допускает выходной ток до 200 мА и более. То есть, они могут легко справиться и с емкостью затвора MOSFET и с мощными ключами на биполярных транзисторах. Близкий к таймеру 555 советско-российский аналог – это ИМС (КР)1006ВИ1. Максимальный выходной ток для КР1006ВИ1 и КМОП-версий таймера составляет 100 мА.

Литература:

Разновидности коллекторных электродвигателей и области их применения

По принципу работы их можно разделить на пять основных видов, каждый из которых, можно купить без всяких проблем.

По типу питания:

  • постоянного тока;
  • переменного тока.

По разновидности принципа возбуждения:

  • параллельного возбуждения;
  • последовательного возбуждения;
  • смешанного возбуждения.

Стоит заметить, что в двигателях переменного тока используются только последовательное и параллельное возбуждение. Конструктивно такие электродвигатели состоят из четырёх основных компонентов:

  • статора;
  • ротора;
  • коллектора;
  • токопроводящих щёток.

Электрический ток, проходя через коммутированные обмотки статора и ротора, вызывает возникновение электромагнитного поля, которое, в свою очередь, приводит в движение ротор. Щётки применяются для передачи тока на обмотки ротора. Их изготавливают из мягкого токопроводящего материала. В большинстве случаев это графит или смеси графита с медью.

Если изменить направление течения тока в статоре или роторе, произойдёт реверсирование двигателя. Обычно это делают с обмотками ротора, что позволяет избежать перемагничивания сердечников. В случае изменения тока в обеих катушках – направление вращения двигателя останется прежним.

Наибольшее распространение получили коллекторные электродвигатели переменного тока. Причин такой популярности несколько. К ним можно отнести относительную простоту их изготовления и управления. Также важна их способность работать от переменного и от постоянного тока.

При подключении к источнику питания переменного тока, изменение электромагнитного поля будет происходить одновременно в обеих обмотках двигателя (статоре и роторе), что не приведёт к изменению направления вращения двигателя. Для реверсирования таких моторов делают, переполюсовку обмотки ротора.

Хотя их КПД несколько ниже, чем у собратьев, они широко применяются в массе бытовых приборов: мясорубках, вентиляторах, электроинструменте. Кроме того, стоит упомянуть об отдельном русле их применения. Речь идёт о малогабаритных двигателях для легкомоторных моделей.

Среди моделистов они заслужили всеобщее признание из-за малого потребления электроэнергии, что очень важно по причине ограниченного заряда аккумулятора, и многофункциональности систем их управления. Такой факт резко снижает вес и габариты изделий. Данные системы редко изготавливают вручную, но это с лихвой перекрывается изобилием всевозможных конструкций и модификаций, заводских устройств. Хотя, дешёвым это удовольствие не назовёшь.

По тем же причинам коллекторные электродвигатели пользуются успехом и у многих «кулибиных».

Сегодня довольно популярны коллекторные электродвигатели 220в от стиральных машин-автоматов. Однако, не все торопятся использовать их в своих самодельных конструкциях. И дело не в том, что люди не знают, как подключать такие двигатели, а скорее сомневаются в их поведении под нагрузкой и возможности регулировки оборотов. Если такая возможность есть, то как это отразиться на их мощности? И ещё много других, связанных с дальнейшим применением, и носящим сугубо практичный характер, вопросов.

Разновидностей коллекторных электродвигателей всех трёх систем возбуждения имеется множество. Равно, как и разнообразных схем управления их оборотов. Существует немало регуляторов фабричного изготовления. А на просторах интернета можно найти большое количество различных самодельных схем. В конечном итоге, вам придётся выбирать оптимальный вариант для каждого конкретного случая отдельно, исходя из собственных навыков, финансовых возможностей и параметров имеющегося двигателя.

Все нюансы в одной статье описать невозможно. Поэтому попробуем разобраться с этим вопросом на примере вышеупомянутого типа двигателей, исходя из их относительной простоты и широкой распространённости.

Что касается вопроса мощности, то стандартный электродвигатель от стиральной машины, при штатном количестве оборотов (в среднем около 12000), вам вряд ли удастся остановить или заметно снизить скорость вращения.

Способов управления оборотами коллекторных электродвигателей существует масса. Для этого можно применять:

  • ЛАТРы;
  • заводские платы регулировки оборотов от бытовой техники (миксеры или пылесосы);
  • кнопки от электроинструментов;
  • бытовые регуляторы освещения.

Одним словом — любые устройства, регулирующие напряжение. Однако, у такой системы есть весьма ощутимый изъян. При снижении оборотов, за счёт понижения напряжения питания, резко падает и выдаваемая мощность двигателя. Так, уже при 600 оборотах в минуту вы без особого труда сможете рукой остановить вал мотора. Этот нюанс может не мешать работе, к примеру, при изготовлении регулятора оборотов вентилятора 220в или маломощных насосов. Но при изготовлении самодельных станков, такая схема абсолютно не применима.

В таких случаях можно применить тахогенератор. В упомянутых электродвигателях, он установлен изначально на заводе. Его функция – сообщать количество оборотов якоря двигателя и передавать их на плату управления, которая уже будет устанавливать их на необходимом уровне, с помощью силовых симисторов.

С таким регулятором оборотов электродвигателя не будет теряться мощность даже при значительном снижении частоты вращения ротора. Таких схем существует достаточное количество, а их изготовление в домашних условиях не должно вызвать лишних проблем и финансовых затрат. На каком, из предлагаемых вариантов, регуляторов оборотов остановить свой выбор, зависит только от вас.

Отдельно стоит упомянуть малогабаритные коллекторные двигатели, применяемые в моделизме. Их огромное разнообразие, включая габариты, вес, максимальные обороты и энергопотребление, порождают соответствующее количество систем их управления. В этом случае, количество функций, возлагаемых на регулятор оборотов, значительно возрастает, а их комбинации могут значительно отличаться, в зависимости от типа модели, на которой будут использоваться.

На модельных двигателях, как и на бытовых, и промышленных, применяются несколько вариантов систем управления.

Реостатные регуляторы оборотов коллекторных двигателей

Самый простой вариант — включение пассивной нагрузки последовательно электродвигателю. Такие системы обычно состоят из реостата (переменного резистора) и сервопривода, механически регулирующего сопротивление.

При подключении нагрузки, излишек электроэнергии превращается в тепло. Но такие регуляторы применяются лишь на дешёвых моделях, в которых стоят моторы малой мощности, зато очень важна цена.

Из-за неоправданных тепловых потерь, ресурс аккумуляторной батареи модели заметно снижается. Не улучшают положение и потери на движущихся контактах реостата. А ведь долговечность аккумулятора является одним из основных критериев выбора систем управления оборотами мотора.

Отдельная неприятность — нежелательный перегрев всей конструкции, что не лучшим образом влияет на её долговечность и как следствие, необходимость принудительного отвода тепла. На серьёзные модели такие механически системы управления двигателем давно не устанавливают.

Управление трехфазными двигателями, способы регулирования скорости двигателей

Управление асинхронными двигателями может быть либо параметрическим, т. е. за счет изменения параметров цепей машины, либо от индивидуального преобразователя.

Критическое скольжение слабо зависит от активного сопротивления цепи статора. При введении дополнительного сопротивления в цепь статора значение несколько уменьшается. Максимальный же момент может уменьшиться существенно. В итоге механическая характеристика приобретет вид, показанный на рис. 1.

Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении параметров первичной и вторичной цепи

Рис. 1. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении параметров первичной и вторичной цепи: 1 — естественная, 2 и 3 — при введении добавочного активного и индуктивного сопротивления в цепь статора

Сопоставляя ее с естественной характеристикой двигателя, можно сделать вывод, что введение добавочного сопротивления в цепь статора мало влияет на скорость. При неизменном статическом моменте скорость понизится незначительно. Поэтому данный способ регулирования скорости малоэффективен и в таком простейшем варианте не используется.

Малоэффективно и введение индуктивного сопротивления в цепь статора. Критическое скольжение также несколько уменьшится, а момент двигателя за счет увеличения сопротивления снижается существенно. Соответствующая механическая характеристика представлена на том же рис. 1.

Иногда добавочное сопротивление вводится в цепь статора для ограничения пусковых токов. При этом в качестве дополнительного индуктивного сопротивления обычно применяют дроссели, а активного — тиристоры (рис. 2).

Включение тиристоров в цепь статора

Рис. 2. Включение тиристоров в цепь статора

Следует, однако, иметь в виду, что при этом существенно уменьшается не только критический, но и пусковой момент двигателя (при s = 1), а значит, пуск в этих условиях возможен лишь при малом статическом моменте. Введение добавочного сопротивления в цепь ротора, естественно, возможно лишь для двигателя с фазным ротором.

Добавочное индуктивное сопротивление в цепи ротора оказывает такое же влияние на скорость двигателя, как и введение его в цепь статора.

Практически использование индуктивного сопротивления в цепи ротора крайне затруднено, в связи с тем что оно должно функционировать при переменной частоте — от 50 Гц до нескольких герц, а иногда и долей герца. Для таких условий создать дроссель весьма трудно.

При малой частоте в основном будет сказываться активное сопротивление катушки индуктивности. Исходя из приведенных соображений индуктивное сопротивление в цепи ротора для регулирования скорости никогда не используется.

Наиболее эффективный способ параметрического регулирования скорости — введение добавочного активного сопротивления в цепь ротора. При этом мы получаем семейство характеристик с постоянным максимальным моментом. Эти характеристики используются для ограничения тока и поддержания постоянного момента, а также могут применяться и для управления скоростью.

На рис. 3 показано, как, изменяя r 2, т. е. вводя r доб, можно при некотором статическом моменте изменять скорость в широких пределах — от номинальной до нуля. Однако практически можно регулировать скорость лишь при достаточно больших значениях статического момента.

Механические характеристики асинхронного двигателя при введении добавочного сопротивления в цепь ротора

Рис. 3. Механические характеристики асинхронного двигателя при введении добавочного сопротивления в цепь ротора

При малых значениях (Мо) в режиме, близком к холостому ходу, диапазон регулирования скорости существенно сокращается и для заметного снижения скорости пришлось бы вводить весьма большие добавочные сопротивления.

Следует иметь в виду, что при работе на низких скоростях и при больших статических моментах стабильность скорости будет недостаточна, так как из-за большой крутизны характеристик незначительные флюктуации момента будут вызывать существенные изменения скорости.

Иногда для обеспечения разгона двигателя без последовательного выведения секций реостата параллельно подключают реостат и катушку индуктивности к кольцам ротора (рис. 4).

Параллельное включение добавочного активного и индуктивного сопротивления в цепь ротора асинхронного двигателя

Рис. 4. Параллельное включение добавочного активного и индуктивного сопротивления в цепь ротора асинхронного двигателя

В начальный момент пуска, когда частота тока в роторе велика, ток в основном замыкается через реостат, т. е. через большое сопротивление, чем обеспечивается достаточно высокий пусковой момент. По мере снижения частоты индуктивное сопротивление снижается и ток начинает замыкаться и через индуктивность.

При выходе на рабочие скорости, когда скольжение мало, ток в основном протекает через катушку индуктивности, сопротивление которой при малой частоте определяется электрическим сопротивлением обмотки rоб. Таким образом, при пуске внешнее сопротивление вторичного контура как бы автоматически изменяется от r реост до r об и разгон происходит практически при постоянном моменте.

Параметрическое управление, естественно, связано с большими потерями энергии. Энергия скольжения, которая в виде электромагнитной энергии передается через зазор со статора на ротор и обычно преобразуется в механическую, при большом сопротивлении вторичного контура в основном идет на нагрев этого сопротивления, и при s = 1 вся энергия, передаваемая со статора на ротор, будет расходоваться в реостатах вторичного контура (рис. 5).

Потери во вторичном контуре при регулировании скорости асинхронного двигателя введением добавочного сопротивления в цепь ротора

Рис. 5. Потери во вторичном контуре при регулировании скорости асинхронного двигателя введением добавочного сопротивления в цепь ротора: I — зона полезной мощности, передаваемой на вал двигателя , II — зона потерь в сопротивлениях вторичного контура

Поэтому параметрическое управление в основном используется для кратковременного снижения скорости по ходу технологического процесса, выполняемого рабочей машиной. Лишь в тех случаях, когда процессы управления скоростью сочетаются с пуском и торможением рабочей машины, как, например, в подъемных установках, параметрическое управление с введением добавочного сопротивления в цепь ротора используется как основное средство регулирования скорости.

Регулирование скорости изменением подводимого к статору напряжения

При регулировании скорости асинхронного двигателя изменением напряжения форма механической характеристики при этом сохраняется неизменной, а моменты снижаются пропорционально квадрату напряжения. Механические характеристики при различном напряжении представлены на рис. 6. Как видно, в случае использования двигателей обычного исполнения диапазон регулирования скорости весьма ограничен.

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением напряжения в цепи статора

Рис. 6 . Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением напряжения в цепи статора

Несколько больший диапазон может быть обеспечен с двигателем повышенного скольжения. Однако в этом случае механические характеристики имеют большую крутизну (рис. 7) и устойчивая работа двигателя может быть достигнута лишь при использовании замкнутой системы, обеспечивающей стабилизацию скорости.

При изменении статического момента система регулирования поддерживает заданный уровень скорости и происходит переход с одной механической характеристики на другую. В итоге работа протекает на характеристиках, показанных штриховыми линиями.

Механические характеристики при регулировании напряжения статора в замкнутой системе

Рис. 7. Механические характеристики при регулировании напряжения статора в замкнутой системе

При перегрузке привода двигатель выходит на предельную характеристику а b , соответствующую максимальному возможному напряжению, которое обеспечивает преобразователь, и при дальнейшем росте нагрузки скорость будет снижаться по этой характеристике. При малых нагрузках, если преобразователь не сможет снизить напряжение до нулевого, будет подъем скорости по характеристике ас.

В качестве источника с регулируемым напряжением обычно используют магнитные усилители или тиристорные преобразователи. В случае использования тиристорного преобразователя (рис. 8 ) последний обычно функционирует в импульсном режиме. При этом на зажимах статора асинхронного двигателя поддерживается некоторое среднее напряжение, необходимое для обеспечения заданной скорости.

Схема импульсного управления скоростью асинхронного двигателя

Рис. 8. Схема импульсного управления скоростью асинхронного двигателя

Для регулирования напряжения на зажимах статора двигателя, казалось бы, возможно использование трансформатора или автотрансформатора с секционными обмотками. Однако применение индивидуальных трансформаторных агрегатов связано с очень большими затратами и не обеспечивает нужного качества регулирования, так как в этом случае возможно только ступенчатое изменение напряжения, а ввести в автоматическую систему устройство переключения секций практически невозможно. Иногда автотрансформаторы используются для ограничения пусковых токов мощных двигателей.

Регулирование скорости переключением секций обмоток статора на различное число пар полюсов

Существует ряд производственных механизмов, которые по ходу технологического процесса должны работать на различных уровнях скорости, при этом нет необходимости в плавном регулировании, а достаточно иметь привод с дискретным, ступенчатым, изменением скорости. К подобным механизмам относятся некоторые металло- и деревообрабатывающие станки, подъемники и др.

Ограниченное число фиксированных скоростей вращения может быть обеспечено с помощью многоскоростных короткозамкнутых двигателей, в которых обмотка статора переключается на различное число пар полюсов. Беличья клетка короткозамкнутого двигателя автоматически образует число полюсов, равное числу полюсов статора.

Используется две конструкции двигателей: с несколькими обмотками в каждом пазу статора и с одной обмоткой, секции которой переключаются для получения различного числа пар полюсов.

Многоскоростные двигатели с несколькими независимыми обмотками на статоре по техническим и экономическим показателям уступают многоскоростным однообмоточным. В многообмоточных двигателях неэффективно используется обмотка статора, заполнение паза статора недостаточно, КПД и cos φ ниже оптимальных. Поэтому основное распространение получили многоскоростные однообмоточные двигатели с переключением секций обмотки на различное число пар полюсов.

При переключении секций изменяется распределение МДС в расточке статора. В результате скорость вращения МДС, а следовательно, и магнитного потока тоже изменяется. Наиболее просто осуществляется переключение пар полюсов с отношением 1 : 2. В этом случае обмотки каждой фазы выполняются в виде двух секций. Изменение направления тока в одной из секций позволяет изменить число пар полюсов в два раза.

Рассмотрим схемы обмотки статора двигателя, секции которой переключаются на восемь и четыре полюса. На рис. 9 изображена для простоты обмотка одной фазы. При последовательном соединении двух секций, т. е. при соединении конца первой секции К1 с началом второй Н2, получаем восемь полюсов (рис. 9,а).

Если изменить направление тока во второй секции на обратное, то число полюсов, образуемое обмоткой, уменьшится в два раза и будет равно четырем (рис. 9,б). Направление тока во второй секции может быть изменено переносом перемычки с зажимов К1, Н2 на зажимы К1, К2. Также четыре полюса могут быть получены при параллельном соединении секций (рис. 9, в).

Переключение секций обмотки статора на различное число пар полюсов

Рис. 9. Переключение секций обмотки статора на различное число пар полюсов

Механические характеристики для двухскоростного двигателя с переключением секций обмотки статора представлены на рис. 10.

Механические характеристики асинхронного двигателя при переключении обмотки статора на различное число пар полюсов

Рис. 10. Механические характеристики асинхронного двигателя при переключении обмотки статора на различное число пар полюсов

При переходе от схемы а к схеме б (рис. 9) на обоих уровнях скорости сохраняется постоянная мощность двигателя (рис. 10,а). При использовании второго варианта переключения двигатель способен развивать один и тот же момент. Возможно переключение секций обмотки статора, обеспечивающее соотношение скоростей не только 1 : 2, но и другие. Промышленностью наряду с двухскоростными двигателями выпускаются также трех- и четырехскоростные.

Частотное управление трехфазными двигателями

Как следует из изложенного, регулирование скорости асинхронного двигателя крайне затруднено. Плавное регулирование скорости в широких пределах с сохранением достаточной жесткости характеристик возможно только при частичном управлении. Изменяя частоту питающего тока, а следовательно, скорость вращения магнитного поля, можно регулировать скорость вращения ротора двигателя.

Однако для частотного управления в установке необходим преобразователь частоты, который был бы в состоянии преобразовать ток постоянной частоты питающей сети 50 Гц в ток переменной регулируемой частоты, плавно изменяющейся в широких пределах.

Первоначально были попытки использования электромашинных преобразователей. Однако, чтобы получить ток переменной частоты от синхронного генератора, необходимо вращать его ротор с переменной скоростью. При этом задачи регулирования скорости рабочего двигателя возлагаются на двигатель, приводящий во вращение синхронный генератор.

Коллекторный генератор, который может генерировать ток переменной частоты при постоянной скорости вращения тоже не позволил решить задачу, так как, во-первых, для его возбуждения необходим ток переменной частоты, а во-вторых, как у всех коллекторных машин переменного тока, возникают большие трудности с обеспечением нормальной коммутации на коллекторе.

Практически частотное управление начало развиваться с появлением полупроводниковых приборов. При этом оказалось возможным создать преобразователи частоты управления как установками большой мощности, так и исполнительными двигателями в следящих системах и сервоприводах.

Наряду со сложностью построения преобразователя частоты возникает еще необходимость одновременного управления по двум величинам — частоте и напряжению. При уменьшении частоты с целью снижения скорости равновесие ЭДС и напряжения сети может быть сохранено только за счет увеличения магнитного потока двигателя. При этом магнитная цепь будет насыщаться, а ток статора — интенсивно нарастать по нелинейному закону. В итоге работа асинхронного двигателя в режиме частотного управления при неизменном напряжении оказывается невозможной.

Уменьшая частоту с целью сохранения неизменным магнитного потока, необходимо одновременно снижать и уровень напряжения. Таким образом, при частотном управлении должны использоваться два канала управления: по частоте и по напряжению.

Механические характеристики асинхронного двигателя при питании напряжением регулируемой частоты и постоянном магнитном потоке

Рис. 11. Механические характеристики асинхронного двигателя при питании напряжением регулируемой частоты и постоянном магнитном потоке

Системы частотного управления обычно строятся как системы замкнутые, и дополнительные сведения о них изложены здесь: Частотное регулирование асинхронного двигателя

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Ранее на эту тему: Электропривод

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий