Применение регуляторов оборотов электродвигателя на 220 в

Регулятор оборотов электродвигателя необходим для плавного разгона и торможения. Широкое применение получили такие устройства в промышленности. С их помощью изменяют скорость движения лент конвейера, вращения вентиляторов. Двигатели на 12 Вольт используются в системах управления и автомобилях. Все видели переключатели, которыми изменяется скорость вращения вентилятора печки в машинах. Это один из типов регуляторов. Только он не предназначен для плавного запуска. Изменение скорости вращения происходит ступенчато.

Применение частотных преобразователей

В качестве регуляторов оборотов электродвигателей 220В и 380В используются частотные преобразователи. Это высокотехнологичные электронные устройства, которые позволяют кардинально изменить характеристики тока (форму сигнала и частоту). В их основе находятся мощные полупроводниковые транзисторы и широтно-импульсный модулятор. Вся работа прибора управляется блоком на микроконтроллере. Изменение скорости вращения ротора двигателя происходит плавно.

Поэтому частотные преобразователи используются в нагруженных механизмах. Чем медленнее разгон, тем меньшие нагрузки будет испытывать конвейер или редуктор. Все частотники оснащены несколькими степенями защиты – по току, нагрузке, напряжению и прочими. Некоторые модели частотных преобразователей питаются от однофазного напряжения (220 Вольт), делают из него трехфазное. Это позволяет подключать асинхронные моторы дома без использования сложных схем. И не потеряется мощность при работе с таким устройством.

Для каких целей используются регуляторы

В случае с асинхронными двигателями регуляторы оборотов необходимы для:

  1. Существенной экономии электроэнергии. Ведь не в каждом механизме требуется большая скорость вращения мотора – порой ее можно уменьшить на 20-30%, а это позволит сократить расходы на электроэнергию вдвое.
  2. Защиты механизмов и электронных цепей. С помощью преобразователей частоты можно осуществлять контроль температуры, давления и многих других параметров. Если двигатель работает в качестве привода насоса, то в емкости, в которую он накачивает воздух или жидкость, нужно установить датчик давления. И при достижении максимального значения мотор просто отключится.
  3. Совершения плавного пуска. Нет необходимости использовать дополнительные электронные устройства – все можно сделать с помощью изменений настроек частотного преобразователя.
  4. Снижения расходов на техническое обслуживание. При помощи подобных регуляторов оборотов электродвигателей 220В снижается риск выхода из строя привода и отдельных механизмов.

Схема, по которой построены частотные преобразователи, широко распространена во многих бытовых приборах. Нечто подобное можно встретить в источниках бесперебойного питания, сварочных аппаратах, стабилизаторах напряжения, блоках питания компьютеров, ноутбуков, зарядниках телефонов, блоках розжига ламп подсветки современных ЖК-телевизоров и мониторов.

Как работают регуляторы вращения

Можно сделать своими руками регулятор оборотов электродвигателя, но для этого потребуется изучить все технические моменты. Конструктивно можно выделить несколько основных компонентов, а именно:

  1. Электродвигатель.
  2. Микроконтроллерную систему управления и блок преобразователя.
  3. Привод и механизмы, связанные с ним.

В самом начале работы, после подачи напряжения на обмотки, происходит вращение ротора двигателя с максимальной мощностью. Именно эта особенность отличает асинхронные машины от других. К этому прибавляется нагрузка от механизма, который приводится в движение. В итоге на начальном этапе мощность и потребляемый ток возрастают до максимума.

Выделяется очень много тепла. Перегреваются и обмотки, и провода. Применение частотного преобразователя поможет избавиться от этого. Если установить плавный пуск, то до максимальной скорости (которая также регулируется устройством и может быть не 2019 об./мин, а всего 1000) двигатель будет разгоняться не сразу, а на протяжении 10 секунд (каждую секунду по 100-150 оборотов прибавлять). При этом нагрузка на все механизмы и провода уменьшится в разы.

Самодельный регулятор

Самостоятельно можно сделать регулятор оборотов электродвигателя 12В. Для этого потребуется переключатель на несколько положений и проволочные резисторы. С помощью последних меняется напряжение питания (а вместе с ним и частота вращения). Аналогичные системы можно использовать и для асинхронных двигателей, но они менее эффективны. Много лет назад широко применялись механические регуляторы – на основе шестеренчатых приводов или вариаторов. Но они были не очень надежными. Электронные средства намного лучше себя показывают. Ведь они не такие громоздкие и позволяют более тонко настраивать привод.

Для изготовления регулятора вращения электродвигателя потребуется несколько электронных устройств, которые можно либо приобрести в магазине, либо снять со старых инверторных приборов. Неплохие результаты показывает симистор ВТ138-600 в схемах таких электронных устройств. Чтобы произвести регулировку, потребуется включить в схему переменный резистор. С его помощью изменяется амплитуда входящего на симистор сигнала.

Внедрение системы управления

Чтобы улучшить параметры даже самого простого устройства, потребуется в схему регулятора оборотов электродвигателя включить микроконтроллерное управление. Для этого нужно выбрать процессор с подходящим числом входов и выходов – для подключения датчиков, кнопок, электронных ключей. Для экспериментов можно применить микроконтроллер AtMega128 – самый популярный и простой в использовании. В свободном доступе можно найти множество схем с использованием этого контроллера. Самостоятельно их отыскать и применить на практике не составит труда. Чтобы он правильно работал, потребуется в него записать алгоритм – отклики на определенные действия. Например, при достижении температуры в 60 градусов (замер происходит на радиаторе прибора) должно произойти отключение питания.

В заключение

Если решите не делать самостоятельно устройство, а приобрести готовое, то обратите внимание на основные параметры, такие как мощность, тип системы управления, рабочее напряжение, частоты. Желательно произвести расчет характеристик механизма, в котором планируется использовать регулятор напряжения электродвигателя. И не забудьте сопоставить с параметрами частотного преобразователя.

Регулируемый асинхронный привод широко распространен и популярен так, что фактически заменил собой синхронные электродвигатели и привод постоянного тока.

Варианты регулировки скорости электродвигателя включают несколько существующих способов:

  1. Изменение подачи напряжения;
  2. Переключение обмоток асинхронных двигателей;
  3. Частотная регулировка скорости электродвигателя с помощью изменения токовых величин;
  4. Применение электронного коммутатора.

Во многом это произошло благодаря появлению частотных преобразователей, обеспечивающих энергетические и динамические показатели. Использование частотного регулятора скорости считается  самым прогрессивным и востребованным методом, входящим в способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей.

Основное предназначение, которое выполняет частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя основывается на осуществлении питания таким образом, чтобы рабочие характеристики агрегата радикально отличались от обычных параметров, получаемых из сети. При этом напряжение в сети и частота должны остаться неизменными.

Устройство и принцип работы, структура частотного регулятора

Принцип работы частотного регулятора для асинхронного двигателя заключается в питании электродвигателя переменным напряжением с меняющимися по необходимости, параметрами амплитуды и частоты.  При этом поддержка соотношения напряжение/частота остаются четко определенными и неизменными. Генерирование переменного напряжения происходит благодаря силовому электронному преобразователю.

Рис. №1 Принципиальная схема преобразователя частоты.

Принцип работы подразумевает использование широтно-импульсной модуляции. Принцип подразумевает подачу импульсного напряжения на обмотки двигателя с амплитудой равной напряжению, полученному от выпрямителя. Импульсы модулированы по ширине и создают напряжение переменного тока с изменяющейся амплитудой. Наглядным примером могут считаться кривые междуфазного напряжения и тока в одной обмотке двигателя при соединении обмоток треугольником.

Рис. №2 График напряжения на выходе ШИМ и ток в двигательной обмотке при соединении трехфазного асинхронного двигателя в треугольник.

Основные элементы, которые входят в структуру частотного преобразователя

Частотный преобразователь состоит из следующих компонентов:

  1. Мостовой выпрямитель на 1 или 3 фазы, оборудован конденсатором на выходе, является источником постоянного напряжения.
  2. Мостовой инвертор (IGBT) питается постоянным напряжением с помощью широтно-импульсного метода модуляции, служит для генерации напряжения переменного тока с изменяемой амплитудой и частотой.
  3. Модуль управления, который подает команды проводимости на инвертор. Они зависят от сигналов, подаваемых оператором и сведений о результатах измерений электрических величин (сетевое напряжение, нагрузочный ток двигателя).

Структура частотного регулятора

В настоящее время детально разработаны и широко применяются две основные топологии многоуровневых частотных преобразователей. Это каскадные и преобразователи на базе многоуровневых частотных инверторов напряжения.

Рис. №3 Структурная схема частотного преобразователя многоуровневого типа высокого напряжения, построенная на базе IGBT-транзисторов с воздушным или водяным охлаждением.

В состав устройства включен многообмоточный трансформатор. К особенностям схемы относится наличие силовых ячеек с последовательным соединением,  благодаря чему на выходе устройства получается суммарное высокое напряжение. Подобная схема служит для получения формы выходного напряжения практически приближенной к идеальному синусу. Наличие шунтируемых в момент неисправности ячеек обуславливает высокую надежность схемы.

Как продолжение предыдущей схемы рассмотрим схему преобразователя на базе трансформаторного многоуровневого инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией с применением IGBT-модулей. Для устройства характерна фиксированная частота ШИМ – 3кГц. В структуру устройства включены система защиты с использованием микропроцессора.

Рис. 4 Структурная схема преобразователя.

На схеме видно, что все блоки функционально взаимосвязаны. На схеме показано как работает частотный регулятор для асинхронного двигателя, устройство и принцип работы.

В первом блоке находится входной трансформатор, в блоке осуществляется передача электроэнергии от трехфазного высоковольтного источника питания. От многоуровневого трансформатора производится распределение пониженного напряжения в шкаф инвертора на многоуровневый инвертор.

Шкаф инвертора включает в состав многоуровневый трехфазный инвертор, состоящий из ячеек – преобразователей. В каждой находится шестиимпульсный фильтр для выпрямления звена постоянного тока и мостовой инвертор напряжения на IGBT-транзисторах. По схеме происходит выпрямление входного переменного тока, который благодаря инвертору изменяется в переменный ток, обладающий регулируемыми показателями частоты и напряжения.

В шкафу защиты управления находятся микропроцессорный блок, обладающий многофункциональными возможностями и системой питания от ТСН преобразователя, устройство ввода преобразователя и первичные сенсоры, обозначающие режимы работы преобразователя.

Микропроцессор служит для формирования сигналов управления инвертором в зависимости от обозначенного алгоритма работы. Он служит для обработки сведений, собранных с датчиков напряжения и тока. Микропроцессор формирует сигналы для управления защитами и аварийными кнопками управления, корректирует алгоритм управления.

Для передачи сведений и связи используется оптоволоконный кабель. Для бесперебойной работы имеется независимый встроенный источник питания. Редактирование параметров выполняется пультом дистанционного управления.

Для надежного отключения и безопасного проведения различного рода работ преобразователь оборудован линейным разъединителем.

Рис. №5 Обобщенная схема ячейки преобразователя

Источники управляемого переменного напряжения формируют фазу напряжения для выполнения их последовательного соединения. Выходная схема питающей сети асинхронного двигателя происходит по схеме соединения обмоток «Звезда». Напряжение в трехфазном инверторе распределяется по схеме.

Рис. №6  Схема распределения напряжения в инверторе на три фазы.

Частотные преобразователи для однофазного асинхронного электродвигателя

Использование малогабаритных частотных преобразователей применяется при управлении скоростью вращения однофазных двигателей, применяемых в конструкциях бытовых устройств и для производства технологических процессов. Подробней про регулирование однофазного асинхронного двигателя с помощью частотного преобразователя смотрите здесь.

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя  будет необычайно актуальным в схемах управления такими приборами, как кондиционеры воздуха, холодильные камеры, электрические вентиляторы, насосы, все оборудование с использованием асинхронных электродвигателей.

Особенности использования регуляторов скорости для однофазных электродвигателей

В конструкцию частотного регулятора входит несколько элементов, обеспечивающих эффективность работы устройства, к ним относятся:

  1. Встроенный конвертер интерфейсов RS485 (работает опционно);
  2. Встроенный ПЛК контроллер;
  3. Встроенный ПИД-регулятор (формирует сигнал для управления устройством).

К преимущественным особенностям использования регуляторов скорости относятся инновационные технологии векторного управления. Значительная энергосберегающая эффективность – это функция, которая обеспечивается в автоматическом режиме. Управление регулятором скорости можно выполнять с помощью дистанционного пульта управления, минимальное расстояние для управления 5м.

Важно: в конструкции  преобразователя частоты предусмотрена возможность автоматически регулировать выходное напряжение.

Популярные модели регуляторов скорости для однофазного двигателя

Среди многообразия устройств, выполняющих функцию управления электродвигателем, существуют две основные разновидности моделей регуляторов оборотов. Это электронные тиристорные однофазные регуляторы скорости, которые работают за счет плавного изменения напряжения питания. Вторая разновидность моделей регуляторов оборотов – трансформаторный однофазный регулятор скорости. Его работа заключается в изменении положения трехступенчатого кулачкового переключателя, с помощью которого происходит изменение комбинации переключения обмоток.

Частотное управление регулированием скоростью асинхронного электродвигателя  в наше время является техническим стандартом. Использование частотного регулятора вытеснило очень многие способы управления. Симметричное и несимметричное управление напряжением и использование добавочных сопротивлений, изменение числа пар полюсов ушли в прошлое.

Частотник, частотный преобразователь 220 — 380 регулятор оборотов электродвигателя

Все началось с того что меня попросили собрать схему регулятора скорости вращения электродвигателя. Схема есть из интернета, двигатель от старой стиральной машины. Немного подумав, решил взяться за эту работу.
Схема оказалась реализована на специальной микросхеме TDA1085, применяемой в ручном электроинструменте.

Схема регулятора

Двигатель принесли вместе со всеми кишками (проводами). Тип двигателя MCA 38/64 — 148/PH3, со встроенным тахогенератором для обратной связи.

Двигатель

Двигатель, вид сбоку

Составил перечень деталей и пошел по магазинам, почти все что надо было купил.
Методом ЛУТ изготовил плату и все собрал.

Печатная плата со стороны деталей

Печатная плата со стороны дорожек

Рисунок платы, так же был готовый из интернета. В процессе сборки выявились замечания к плате и небольшое ее отличие от прилагаемой схемы. Держатель предохранителя сделал выносным. Если кто то решит повторить, настоятельно рекомендую изменить разводку платы в районе высоковольтных цепей. Сразу предусмотреть установку двух последовательных сопротивлений вместо одного, как нарисовано в схеме. Так же максимально удалить эти цепи от низковольтных. Развернуть симистор к себе передом, а к лесу задом… В смысле чтоб было свободное место с краю платы для радиатора и он не прижимался к низковольтным цепям. Часть компонентов можно спокойно перевести на SMD корпуса.

Провод питания с конденсатором

оставил родной от стиралки, так же как и разъем с проводами на двигателе.

Провод питания с конденсатором

Далее начались испытания и наладка. В первом приближении все заработало сразу. Но регулировалось не очень, пришлось изменить некоторые номиналы резисторов. Это я так понял адаптация под конкретный двигатель.
Вот что в итоге получилось.

Собранное устройство

А как все это хозяйство работает смотрите на видео

После небольшой регулировки все работает без замечаний.

Всем спасибо за внимание.

По просьбе «зрителей» добавляю фото чеков, по которым покупал детали для сборки

Данный регулятор оборотов электродвигателя 220в позволяет изменять частоту оборотов вращения вентилятора либо электродвигателя, рассчитанных на работу от сети 220 вольт.

Достаточно популярным регулятором оборотов для электродвигателей на 220 вольт переменного тока является схема на тиристорах. Типовой схемой является подключение электродвигателя или вентилятора в разрыв анодной цепи тиристора.

Одно не маловажное условие при использовании подобных регуляторов, это надежный контакт во всей цепи. Что нельзя сказать про коллекторные электродвигатели, поскольку у них механизм щеток создает кратковременные обрывы электроцепи. Это существенно влияет на качество работы регулятора.

Описание работы схемы регулятора оборотов

Приведенная ниже схема тиристорного  регулятора оборотов,  как раз разработана для изменения частоты вращения коллекторных электродвигателей (электродрель, фрезер, вентилятор). Первое, что следует отметить, это то, что  двигатель вместе с силовым тиристором VS2 подсоединен в одну из диагоналей диодного моста VD3, на другую же  подается сетевое напряжение 220 вольт.

Помимо этого, данный тиристор контролируется достаточно широкими импульсами, благодаря которым, непродолжительные отключения активной нагрузки, которыми характеризуется работа  коллекторного двигателя,  не  влияют на  устойчивую  работу данной схемы.

Для управления тиристором VS1 на транзисторе VT1, собран генератор импульсов. Питание данного генератор осуществляется трапециевидным напряжением, создающимся в результате ограничения положительных полуволн стабилитроном VD1 имеющих частоту 100 Гц. Конденсатор С1 разряжается через сопротивления R1, R2, R3.  Резистором R1 осуществляется скорость разряда данного конденсатора.

При достижении на конденсаторе напряжения достаточного для открывания транзистора VT1, на управляющий вывод  VS1 поступает положительный импульс. Тиристор открывается и теперь уже на управляющем выводе  VS2 появляется длительный импульс управления. И уже с данного тиристора напряжение, которое фактически и влияет на величину оборотов, подается на двигатель.

Частоту оборотов вращения электродвигателя регулируют резистором R1. Так как в цепь  VS2 подключена индуктивная нагрузка, то возможно спонтанное отпирание тиристора,  даже при отсутствии управляющего сигнала.  Поэтому для предотвращения данного нежелательного эффекта, в схему добавлен диод VD2 который подключается параллельно обмотке возбуждения L1 электродвигателя.

Детали регулятора оборотов вентилятора и электродвигателя

Стабилитрон – можно заменить на другой с напряжением стабилизации в районе 27 – 36В. Тиристоры VS1 – любой маломощный с прямым напряжением более 100 вольт, VS2 — возможно поставить КУ201К, КУ201Л, КУ202М. Диод VD2 – с обратным напряжением не меньше 400 вольт и прямым током более 0,3А. Конденсатор C1 – КМ-6.

Настройка регулятора оборотов

Во время наладки схемы регулятора желательно применить стробоскоп, который позволяет измерить частоту вращения электродвигателя либо стрелочный вольтметр для переменного тока, который подсоединяют параллельно двигателю.

Вращая ручку резистора R1, определяют диапазон изменения напряжения. Путем подбора сопротивления R3 устанавливают данный диапазон в районе от 90 до 220 вольт. В том случае если при минимальных оборотах двигатель вентилятора работает  неустойчиво, то необходимо немного уменьшить сопротивление R2.

Источник: www.stalvit.ru