Способы регулирования частоты вращения однофазного двигателя

Подключение однофазного двигателя через частотный преобразователь: освещаем в общих чертах

С все более увеличивающимся ростом автоматизации в бытовой сфере появляется необходимость в современных системах и устройствах управления электродвигателями.

Управление и преобразование частоты в небольших по мощности однофазных асинхронных двигателях, запускаемых в работу с помощью конденсаторов, позволяет экономить электроэнергию и активирует режим энергосбережения на новом, прогрессивном уровне.

Однофазный асинхронный двигатель

Наибольшее применение такие моторы нашли в быту и малом бизнесе. Они необходимы там, где нет трёхфазной сети. Мощность их ограничивается лишь частотой сети. Сами по себе аппараты маломощные, в диапазоне от 500 Ватт до 2 килоВатт.

Принцип работы однофазного двигателя заключается в смещении обмоток в пространстве относительно друг друга. Ключевым моментом является сдвиг фазы в обмотках на 120 градусов. Главным «фазосдвигателем» у нас является конденсатор. Как правило, он подключён последовательно в цепи статорной обмотки.

По конструкции моторы могут различаться. Так что, не к любому можно подключить преобразователь частоты, нужно обращать внимание прежде всего на схему подключения обмоток. Двухфазный двигатель с рабочей и пусковой обмоткой точно не сможет запуститься, совсем другой принцип работы. Мы к этому ещё вернёмся…

Электродвигатель

В статье пойдет речь об однофазных асинхронных электродвигателях, имеющих два вывода питания и питающее напряжение 220 или 380 В при номинальной частоте 50 Гц. Как правило, такие агрегаты имеют в своей схеме пусковой либо фазосдвигающий конденсатор.

Способы подключения мотора

А теперь давайте рассмотрим несколько способов подключений:

• конденсаторный способ;
• частотный способ;
• фазовое управление с помощью симистора;

Какой из способов лучше всего? Знаете, всё зависит от задачи, которую нужно решить… А так на вкус и цвет, сами знаете…

Если вы мало знакомы с преобразователем частоты, можете ознакомиться в статье «Чего вы не знаете о преобразователе частоты?»

Конденсаторный способ подключений

Бюджетное подключение трехфазных моторов к однофазной сети. Просто цепляем конденсатор последовательно в цепи обмотки и превращаем аппарат из трехфазного в однофазный. Вот схема:

Сп — пусковой конденсатор, а Ср — рабочий конденсатор. Как подбирать ёмкость в этом случае я расписывать не буду. В просторах интернета есть полно информации по этому поводу.

Фазовое управление с помощью симистора

Это один из самый старых способов управления. Две обмотки двигателя подключаются параллельно, одна из них с конденсатором. К точкам обмоток соединяем симисторный регулятор. Их актуальность, по-моему мнению, ещё не пропала. Лучше всего использовать для не тяжёлых нагрузок (вентиляторы, насосы).

Важно! Учитывайте, что сим. блоки в основном предназначены для активной нагрузки. Так как мотор — это индуктивная нагрузка, поэтому активный ток делим примерно на 10. Если ток активной нагрузки равен 50, то индуктивный будет 5.

На выходе устройства формируется напряжение сетевой частоты 50 Гц и настраивается среднеквадратичное число. Таким образом мы меняем время открытого состояния симистора за период следования напряжения. Единственный недостаток: момент на валу падает относительно снижения напряжения. Вот вам пример Autonics SPK1:

Входы для регулировки скорости универсальные. Сюда можно подключить и потенциометр 1 кОм, и датчик с токовым сигналом 4-20 мА, и напряжение 0-5 В.

Частотный способ

О популярности преобразователя частоты нет смысла говорить. Так как это устройство давно известно всем. Частотный способ является основным в нашем 21 веке. Скорость регулируется с помощью ШИМ-модуляции. Достаточно сложный девайс, требующий отдельной статьи. По входному напряжению существуют как и 380 В, так и 220В. Но что же получается по выходу?

На рынке есть готовые варианты и на однофазный, и на трёхфазный электродвигатель. Просто нужно подобрать схемное решение.

Но, бывают случаи когда ПЧ с однофазным выходом не по карману. Или у вас на полке лежит трёхфазный ПЧ. Давайте рассмотрим вариант подключения мотора к преобразователю частоты.

Частотный преобразователь

По способу подключения питания на входные клеммы различают однофазные и трехфазные частотники. При этом однофазные частотные преобразователи питаются фазным напряжением 220 В, трехфазные – линейным 380 В. Однако на выходе ПЧ обычно вырабатывается трехфазное напряжение со сдвигом фаз 120°, величина которого ограничена напряжением питания на входе.

Однофазный и трехфазный преобразователи SIEMENS Micromaster 420

В контексте однофазных двигателей преобразователи частоты можно условно разделить на три группы:

1. Преобразователи, специально предназначенные для однофазных двигателей.
2. Преобразователи с опциональной возможностью подключения однофазных двигателей, при этом необходимо использовать соответствующие настройки и схему подключения.
3. Преобразователи без возможности подключения однофазного двигателя.

Мы рассмотрим частотники из второй группы.

Обратите внимание! Не стоит путать преобразователи с однофазным питанием по входу с частотниками, имеющими однофазный выход. Возможны комбинации, когда преобразователь с однофазным питанием имеет на выходе 3 фазы с напряжением 220 В, либо когда ПЧ с трехфазным питанием выдает на однофазный двигатель напряжение 220 или 380 В.

Особенности подключения

Как было сказано выше, не каждый частотный преобразователь может работать с однофазным двигателем, поскольку при его подключении третья (неподключенная) фаза фактически будет в обрыве, что вызовет ошибку. Поэтому необходимо внимательно ознакомиться с документацией к ПЧ — производитель должен явно указать, что имеется возможность подключения и работы однофазной нагрузки.

Поскольку однофазный двигатель содержит конденсатор, при изменении рабочей частоты не удастся обеспечить нужный сдвиг фаз, и двигатель на пониженных частотах (менее 30 Гц) будет перегреваться. Это следует учитывать при выборе диапазона рабочих частот и способа охлаждения привода.

При однофазном подключении двигателя оперативный реверс через панель управления или настройки ПЧ невозможен. Поменять направление вращения можно, изменив схему подключения обмоток внутри двигателя.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Существует несколько способов регулирования скорости вращения однофазного двигателя.

1. Управление скольжением двигателя или изменением напряжения. Способ актуален для агрегатов с вентиляторной нагрузкой, для него рекомендуется использовать двигатели с повышенной мощностью. Недостаток способа – нагрев обмоток двигателя.
2. Ступенчатое регулирование скорости вращения двигателя с помощью автотрансформатора.

Рис.№2. Схема регулировки с помощью автотрансформатора.

Достоинства схемы – напряжение выхода имеет чистую синусоиду. Способность трансформатора к перегрузкам имеет большой запас по мощности.

Недостатки – автотрансформатор имеет большие габаритные размеры.

Использование тиристорного регулятора оборотов двигателя. Применяются тиристорные ключи, подключенные встречно-параллельно.

Рис. №3.Схема тиристорного регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

При использовании для регулирования скорости вращения однофазных асинхронных двигателей, чтобы избежать негативного влияния индукционной нагрузки производят модификацию схемы. Добавляют LRC-цепи для защиты силовых ключей, для корректировки волны напряжения используют конденсатор, минимальная мощность двигателя ограничивается, так гарантируется старт двигателя. Тиристор должен иметь ток выше тока электродвигателя.

Транзисторный регулятор напряжения

В схеме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с применением выходного каскада, построенного на использовании полевых или биполярных IGBT транзисторах.

Рис. №4. Схема использования ШИМ для регулирования однофазного асинхронного электродвигателя.

Частотное регулирование асинхронного однофазного электродвигателя считается основным способом регулирования частоты электродвигателя, мощности, эффективности использования, скорости и показателей энергосбережения.

Рис. №5. Схема управления электродвигателем без исключения из конструкции конденсатора.

Частотный преобразователь: виды, принцип действия, схемы подключения

Частотный преобразователь разрешает своему владельцу снизить энергопотребление и автоматизировать процессы в управлении оборудованием и производством.

Основные компоненты частотного преобразователя: выпрямитель, конденсатор, IGBT-транзисторы, собранные в выходной каскад.

Благодаря способности управлением параметрами выходной частоты и напряжения достигается хороший энергосберегающий эффект. Энергосбережение выражается в следующем:

1. В двигателе поддерживается неизменный текущий момент ращения вала. Это обусловлено взаимодействием выходной частоты инверторного преобразователя с частотой вращения двигателя и соответственно, зависимостью напряжения и крутящего момента на валу двигателя. Значит, что преобразователь дает возможность автоматически регулировать напряжение на выходе при обнаружении превышающего норму значения напряжения с определенной рабочей частотой нужно для поддержания требуемого момента. Все инверторные преобразователи с векторным управлением имеют функцию поддержания постоянного вращающего момента на валу.
2. Частотный преобразователь служит для регулировки действия насосных агрегатов (см. страницу). При получении сигнала, поступающего с датчика давления, частотник снижает производительность насосной установки. При снижении оборотов вращения двигателя уменьшается потребление выходного напряжения. Так, стандартное потребление воды насосом требует 50Гц промышленной частоты и 400В напряжения. Руководствуясь формулой мощности можно высчитать соотношение потребляемых мощностей.

Уменьшая частоту до 40Гц, уменьшается величина напряжения до 250В, означает, что уменьшается количество оборотов вращения насоса и потребление энергии снижается в 2,56 раз.

Рис. №6. Использование частотного преобразователя Speedrive для регулирования насосных агрегатов по систем CKEA MULTI 35.

Для повышения энергетической эффективности использования частотного преобразователя в управлении электродвигателем необходимо сделать следующее:

• Частотный преобразователь должен соответствовать параметрам электродвигателя.
• Частотник подбирается в соответствии с типом рабочего оборудования, для которого он предназначен. Так, частотник для насосов функционирует в соответствии с заложенными в программу параметрами для управления работой насоса.
• Точные настройки параметров управления в ручном и автоматическом режиме.
• Частотный преобразователь разрешает использовать режим энергосбережения.
• Режим векторного регулирования позволяет произвести автоматическую настройку управления двигателем.

Настройка преобразователя частоты

При настройке частотника нужно обратить внимание на следующие моменты:

• По возможности ограничить время разгона и торможения с целью уменьшения нагрева ПЧ и двигателя. Тоже самое касается и количества циклов включения/выключения в единицу времени.
• Выбрать скалярный режим частотного управления.
• Отключить контроль обрыва фаз на выходе ПЧ.
• Перед первым пуском обязательно провести автоматическую настройку (адаптацию) согласно инструкции.

Здесь нужно обратить внимание на один важный момент. Однофазный двигатель имеет КПД ниже, чем трехфазный с теми же параметрами. Это следует учитывать при выборе пары ПЧ/двигатель. Для повышения КПД и уменьшения нагрева можно экспериментально выставить точки на вольт-частотном графике. Как вариант, можно отключить пусковой конденсатор, а выводы от пусковой и рабочей обмоток подключить к выходу трехфазного преобразователя. Далее провести настройку, как указано выше.

Частотное регулирование однофазных асинхронных электродвигателей

Первое на что обращаем внимание при выборе частотника для своего оборудования – это соответствие сетевого напряжения и номинального значения тока нагрузки, на который рассчитан двигатель. Способ подключения выбирается относительно рабочего тока.

Главным в схеме подключения является наличие фазосдвигающего конденсатора, он служит для сдвига напряжения, поступающего на пусковую обмотку. Она служит для пускового включения двигателя, иногда после того, как двигатель заработал, пусковая обмотка вместе с конденсатором отключается, иногда остается включенной.

Преобразователь частоты однофазный

Компактное устройство преобразования частоты служит для управления однофазными электродвигателями для оборудования бытового предназначения. Большинство частотных преобразователей обладает следующими конструктивными возможностями:

1. Большинство моделей использует в своей конструкции новейшие технологии векторного управления.
2. Они обеспечивают улучшенный вращающий момент однофазного двигателя.
3. Энергосбережение введено в автоматический режим.
4. Некоторые модели частотных преобразователей используют съемный пульт управления.
5. Встроенный PLC контроллер (он незаменим для создания устройств сбора и передачи данных, для создания систем телеметрии, объединяет устройства с различными протоколами и интерфейсами связи в общую сеть).
6. Встроенный ПИД регулятор (контролирует и регулирует температуру, давление и технологические процессы).
7. Напряжение выхода регулируется в автоматическом режиме.

Рис.№7. Современный преобразователь Optidrive с основными функциональными особенностями.

Важно: Однофазный преобразователь частоты, питаясь от однофазной сети напряжением 220В, выдает три линейных напряжения, величина каждого из них по 220В. То есть, линейное напряжение между 2 фазами находится в прямой зависимости от величины выходного напряжения самого частотника.

Частотный преобразователь не служит для двойного преобразования напряжения, благодаря наличию в конструкции ШИМ-регулятора, он может поднять величину напряжения не более чем на 10%.

Главная задача однофазного преобразователя частоты – обеспечить питание как одно- так и трехфазного электродвигателя. В этом случае ток двигателя будет соответствовать параметрам подключения от трехфазной сети, и оставаться постоянным

Переделка однофазного двигателя в трехфазный

Нередко однофазный асинхронный двигатель на деле оказывается трехфазным. Его переделка на одну фазу обычно связана с ограничениями по питанию, которое в некоторых локациях может быть только однофазным.

Перед тем, как подключать однофазный двигатель к ПЧ, можно проверить возможность его работы на трех фазах. Для этого нужно вскрыть борно, определить тип двигателя и его исходную схему. Чаще всего выясняется, что привод имеет трехфазное питание с линейным напряжением 220 В и собран по схеме «Треугольник», при этом для обеспечения его работы от одной фазы применяют фазосдвигающий конденсатор. Следовательно, достаточно исключить из схемы конденсатор и запускать двигатель по обычной трехфазной схеме.

Другие полезные материалы:
5 шагов подключения неизвестного электродвигателя
Преимущества векторного управления электродвигателем
Настройка ПЧ для работы на несколько двигателей

Схема подключения однофазного двигателя с помощью однофазного частотного преобразователя без использования конденсатора

Выходное линейное напряжение устройства на каждой фазе равно выходному напряжению частотника, то есть на выходе будет три напряжения линии, каждое по 220В. Для запуска может использоваться только пусковая обмотка.

Рис. №8. Схема присоединения однофазного асинхронного двигателя через конденсатор

Фазосдвигающий конденсатор не может обеспечить равномерный фазовый сдвиг в пределах границ частот инвертора. Частотник обеспечит равномерный сдвиг фаз. Для того, чтобы исключить из схемы конденсатор, нужно:

1. Конденсатор стартера С1 удаляется.
2. Вывод обмотки двигателя присоединяем к точке выхода напряжения частотника (используется прямая проводка).
3. Точка А присоединяется к СА; В соединяется с СВ; W соединяется к СС, таким образом электродвигатель присоединится напрямую.
4. Для включения в обратном направлении (обратная проводка) необходимо В присоединить к СА; А присоединить к СВ; W соединить с СС.

Рис. №9. Схема подключения однофазного асинхронного двигателя без использования конденсатора.

На видео — Частотный преобразователь. Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть 220В.

Частотный преобразователь. Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть 220В.

Источник