Устройство управления однофазным асинхронным двигателем

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки — рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

изменения расхода воздуха в системе вентиляции
регулирования производительности насосов
изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

изменение напряжения питания двигателя
изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:
S=(n1-n2)/n2
n1 — скорость вращения магнитного поля
n2 — скорость вращения ротора
При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.
Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.
При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.
Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.
На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.
Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.
Преимущества данной схемы:

неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.
Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).
Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.
Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

низкая стоимость
малая масса и размеры

Недостатки:

можно использовать для двигателей небольшой мощности
при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.
Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.
Плюсы электронного автотрансформатора:

Небольшие габариты и масса прибора
Невысокая стоимость
Чистая, неискажённая форма выходного тока
Отсутствует гул на низких оборотах
Управление сигналом 0-10 Вольт

Слабые стороны:

Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
Все недостатки регулировки напряжением

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.
Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.
Однофазные двигатели могут управляться:

специализированными однофазными ПЧ
трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.
Это модель Optidrive E2
Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.
При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:
Xc=1/2πfC
f — частота тока
С — ёмкость конденсатора
В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:
Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.
Преимущества специализированного частотного преобразователя:

интеллектуальное управление двигателем
стабильно устойчивая работа двигателя
огромные возможности современных ПЧ:

возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
различные выходы
коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
предустановленные скорости
ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

ограниченное управление частотой
высокая стоимость

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:
Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:
Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.
В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.
При работе без конденсатора это приведёт к:

более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
огромный выбор по мощности и производителям
более широкий диапазон регулирования частоты
все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
пульсирующий и пониженный момент
повышенный нагрев
отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями

Однофазный асинхронный электродвигатель

Дмитрий Левкин

Основными компонентами любого электродвигателя являются ротор и статор. Ротор — вращающаяся часть электродвигателя, статор — неподвижная часть электродвигателя, с помощью которого создается магнитное поле для вращения ротора.

Основные части однофазного двигателя: ротор и статор

Статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° относительно друг друга. Основная обмотка называется главной (рабочей) и обычно занимает 2/3 пазов сердечника статора, другая обмотка называется вспомогательной (пусковой) и обычно занимает 1/3 пазов статора.

Двигатель фактически является двухфазным, но так как рабочей является только одна обмотка, электродвигатель называют однофазным.

Ротор обычно представляет из себя короткозамкнутую обмотку, также из-за схожести называемой «беличьей клеткой». Медные или алюминиевые стержни которого с торцов замкнуты кольцами, а пространство между стержнями чаще всего заливается сплавом алюминия. Так же ротор однофазного двигателя может быть выполнен в виде полого немагнитного или полого ферромагнитного цилиндра.

Однофазный двигатель с вспомогательной обмоткой имеет 2 обмотки расположенные перпендикулярно относительно друг друга

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Для того чтобы лучше понять работу однофазного асинхронного двигателя, давайте рассмотрим его только с одним витком в главной и вспомогательной обмотки.

Проанализируем случай с двумя обмотками имеющими по оному витку

Рассмотрим случай когда в вспомогательной обмотки не течет ток. При включении главной обмотки статора в сеть, переменный ток, проходя по обмотке, создает пульсирующее магнитное поле, неподвижное в пространстве, но изменяющееся от +Фmах до -Фmах.

Пульсирующее магнитное поле

Если поместить ротор, имеющий начальное вращение, в пульсирующее магнитное поле, то он будет продолжать вращаться в том же направлении.

Чтобы понять принцип действия однофазного асинхронного двигателя разложим пульсирующее магнитное поле на два одинаковых круговых поля, имеющих амплитуду равную Фmах/2 и вращающихся в противоположные стороны с одинаковой частотой:

где nпр – частота вращения магнитного поля в прямом направлении, об/мин,
nобр – частота вращения магнитного поля в обратном направлении, об/мин,
f1 – частота тока статора, Гц,
p – количество пар полюсов,
n1 – скорость вращения магнитного потока, об/мин

Разложение пульсирующего магнитного потока на два вращающихся

Рассмотрим случай когда ротор, находящийся в пульсирующем магнитном потоке, имеет начальное вращение.

Например, мы вручную раскрутили вал однофазного двигателя, одна обмотка которого подключена к сети переменного тока.

В этом случае при определенных условиях двигатель будет продолжать развивать вращающий момент, так как скольжение его ротора относительно прямого и обратного магнитного потока будет неодинаковым.

Будем считать, что прямой магнитный поток Фпр, вращается в направлении вращения ротора, а обратный магнитный поток Фобр — в противоположном направлении. Так как, частота вращения ротора n2 меньше частоты вращения магнитного потока n1, скольжение ротора относительно потока Фпр будет:

где sпр – скольжение ротора относительно прямого магнитного потока,
n2 – частота вращения ротора, об/мин,
s – скольжение асинхронного двигателя

Прямой и обратный вращающиеся магнитные потоки вместо пульсирующего магнитного потока

Магнитный поток Фобр вращается встречно ротору, частота вращения ротора n2 относительно этого потока отрицательна, а скольжение ротора относительно Фобр

где sобр – скольжение ротора относительно обратного магнитного потока

Согласно закону электромагнитной индукции прямой Фпр и обратный Фобр магнитные потоки, создаваемые обмоткой статора, наводят в обмотке ротора ЭДС, которые соответственно создают в короткозамкнутом роторе токи I2пр и I2обр. При этом частота тока в роторе пропорциональна скольжению, следовательно:

где f2пр – частота тока I2пр наводимого прямым магнитным потоком, Гц

где f2обр – частота тока I2обр наводимого обратным магнитным потоком, Гц

Таким образом, при вращающемся роторе, электрический ток I2обр, наводимый обратным магнитным полем в обмотке ротора, имеет частоту f2обр, намного превышающую частоту f2пр тока ротора I2пр, наведенного прямым полем.

Пример: для однофазного асинхронного двигателя, работающего от сети с частотой f1 = 50 Гц при n1 = 1500 и n2 = 1440 об/мин,

скольжение ротора относительно прямого магнитного потока sпр = 0,04;частота тока наводимого прямым магнитным потоком f2пр = 2 Гц;скольжение ротора относительно обратного магнитного потока sобр = 1,96;частота тока наводимого обратным магнитным потоком f2обр = 98 Гц

Согласно закону Ампера, в результате взаимодействия электрического тока I2пр с магнитным полем Фпр возникает вращающий момент
,

где Mпр – магнитный момент создаваемый прямым магнитным потоком, Н∙м,
сM — постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя

Электрический ток I2обр, взаимодействуя с магнитным полем Фобр, создает тормозящий момент Мобр, направленный против вращения ротора, то есть встречно моменту Мпр:

где Mобр – магнитный момент создаваемый обратным магнитным потоком, Н∙м

Результирующий вращающий момент, действующий на ротор однофазного асинхронного двигателя,

Справка: В следствие того, что во вращающемся роторе прямым и обратным магнитным полем будет наводиться ток разной частоты, моменты сил действующие на ротор в разных направлениях будут не равны. Поэтому ротор будет продолжать вращаться в пульсирующем магнитном поле в том направлении в котором он имел начальное вращение.

При работе однофазного двигателя в пределах номинальной нагрузки, то есть при небольших значениях скольжения s = sпр, крутящий момент создается в основном за счет момента Мпр. Тормозящее действие момента обратного поля Мобр — незначительно.

Это связано с тем, что частота f2обр много больше частоты f2пр, следовательно, индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора х2обр = x2sобр току I2обр намного больше его активного сопротивления.

Поэтому ток I2обр, имеющий большую индуктивную составляющую, оказывает сильное размагничивающее действие на обратный магнитный поток Фобр, значительно ослабляя его.

где r2 — активное сопротивление стержней ротора, Ом,
x2обр — реактивное сопротивление стержней ротора, Ом.

Если учесть, что коэффициент мощности невелик, то станет, ясно, почему Мобр в режиме нагрузки двигателя не оказывает значительного тормозящего действия на ротор однофазного двигателя.

Действие пульсирующего поля на неподвижный ротор

При неподвижном роторе (n2 = 0) скольжение sпр = sобр = 1 и Мпр = Мобр, поэтому начальный пусковой момент однофазного асинхронного двигателя Мп = 0. Для создания пускового момента необходимо привести ротор во вращение в ту или иную сторону. Тогда s ≠ 1, нарушается равенство моментов Мпр и Мобр и результирующий электромагнитный момент приобретает некоторое значение .

Пуск однофазного двигателя. Как создать начальное вращение?

Одним из способов создания пускового момента в однофазном асинхронном двигателе, является расположение вспомогательной (пусковой) обмотки B, смещенной в пространстве относительно главной (рабочей) обмотки A на угол 90 электрических градусов.

Чтобы обмотки статора создавали вращающееся магнитное поле токи IA и IB в обмотках должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга.

Для получения фазового сдвига между токами IA и IB в цепь вспомогательной (пусковой) обмотки В включают фазосмещающий элемент, в качестве которого используют активное сопротивление (резистор), индуктивность (дроссель) или емкость (конденсатор) [1].

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, пусковую обмотку В отключают. Отключение вспомогательной обмотки происходит либо автоматически с помощью центробежного выключателя, реле времени, токового или дифференциального реле, или же вручную с помощью кнопки.

Таким образом, во время пуска двигатель работает как двухфазный, а по окончании пуска — как однофазный.

Подключение однофазного двигателя

С пусковым сопротивлением

Двигатель с расщепленной фазой — однофазный асинхронный двигатель, имеющий на статоре вспомогательную первичную обмотку, смещенную относительно основной, и короткозамкнутый ротор [2].

Однофазный асинхронный двигатель с пусковым сопротивлением — двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки отличается повышенным активным сопротивлением.

Для запуска однофазного двигателя можно использовать пусковой резистор, который последовательно подключается к пусковой обмотки. В этом случае можно добиться сдвига фаз в 30° между токами главной и вспомогательной обмотки, которого вполне достаточно для пуска двигателя. В двигателе с пусковым сопротивлением разность фаз объясняется разным комплексным сопротивлением цепей.

Также сдвиг фаз можно создать за счет использования пусковой обмотки с меньшей индуктивностью и более высоким сопротивлением. Для этого пусковая обмотка делается с меньшим количеством витков и с использованием более тонкого провода чем в главной обмотке.

Отечественной промышленностью изготавливается серия однофазных асинхронных электродвигателей с активным сопротивлением в качестве фазосдвигающего элемента серии АОЛБ мощностью от 18 до 600 Вт при синхронной частоте вращения 3000 и 1500 об/мин, предназначенных для включения в сеть напряжением 127, 220 или 380 В, частотой 50 Гц.

С конденсаторным пуском

Двигатель с конденсаторным пуском — двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки с конденсатором включается только на время пуска.

Среди фазосдвигающих элементов, только конденсатор позволяет добиться наилучших пусковых свойств однофазного асинхронного электродвигателя.

Двигатели в цепь которых постоянно включен конденсатор используют для работы две фазы и называются — конденсаторными. Принцип действия этих двигателей основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Однофазный электродвигатель с экранированными полюсами

Двигатель с экранированными полюсами — двигатель с расщепленной фазой, у которого вспомогательная обмотка короткозамкнута.

Статор однофазного асинхронного двигателя с экранированными полюсами обычно имеет явно выраженные полюса. На явно выраженных полюсах статора намотаны катушки однофазной обмотки возбуждения.

Каждый полюс статора разделен на две неравные части аксиальным пазом. Меньшую часть полюса охватывает короткозамкнутый виток.

Ротор однофазного двигателя с экранированными полюсами — короткозамкнутый в виде «беличьей» клетки.

При включении однофазной обмотки статора в сеть в магнитопроводе двигателя создается пульсирующий магнитный поток. Одна часть которого проходит по неэкранированной Ф', а другая Ф» — по экранированной части полюса.

Поток Ф» наводит в короткозамкнутом витке ЭДС Ek, в результате чего возникает ток Ik отстающий от Ek по фазе из-за индуктивности витка. Ток Ik создает магнитный поток Фk, направленный встречно Ф», создавая результирующий поток в экранированной части полюса Фэ=Ф»+Фk.

Таким образом, в двигателе потоки экранированной и неэкранированной частей полюса сдвинуты во времени на некоторый угол.

Пространственный и временной углы сдвига между потоками Фэ и Ф' создают условия для возникновения в двигателе вращающегося эллиптического магнитного поля, так как Фэ ≠ Ф'.

Пусковые и рабочие свойства рассматриваемого двигателя невысоки. КПД намного ниже, чем у конденсаторных двигателей такой же мощности, что связано со значительными электрическими потерями в короткозамкнутом витке.

Однофазный электродвигатель с асимметричным магнитопроводом статора

Danfoss Drives

Регулировка скорости изменением величины напряжения снижает момент и также увеличивает потери мощности. Регулировка частоты вращения путем изменения числа полюсов осуществляется ступенчато, кроме того, этот способ пригоден только для специальных многоскоростных двигателей с несколькими обмотками неподвижной части.

Асинхронный двигатель – самый распространенный электропривод технологического оборудования. Главная особенность таких электрических машин – постоянная скорость вращения вала. Ее регулировку осуществляют:

Механическим способом. Для этого вал подключают к редукторам, муфтам и другим устройствам.
Путем изменения числа пар полюсов, величины или частоты питающего напряжения обмоток статора.

Механическое регулирование усложняет кинематическую схему электропривода, ведет к потерям мощности и нерациональному расходу электроэнергии.

Наиболее перспективный метод регулирования уголовной скорости ротора – преобразование частоты питающего напряжения. Этот способ обеспечивает сохранение механических характеристик во всем диапазоне и обладает рядом других преимуществ.

Устройство и принцип работы частотного регулятора

Принцип частотного регулирования основан на зависимости угловой скорости вращения ротора от частоты напряжения на обмотках статора. С появлением IGBT-транзисторов и GTO-тиристоров наибольшее распространение получила схема преобразования частоты на базе широтно-импульсного модулятора.

Такие преобразователи частоты состоят:

Из силового выпрямителя с С или LC фильтром для сглаживания пульсаций.
Из инвертора на IGBT-транзисторах для преобразования постоянного напряжения в переменное, заданной частоты и амплитуды.
Из блока управления для генерации отпирающих силовые транзисторы импульсов.

Переменное напряжение выпрямляется и преобразуется в постоянное, затем снова инвертируется в переменное. Частота на силовом выходе ПЧ определяется длительностью отпирающих силовые транзисторы импульсов, поступающих со схемы управления.

Такой способ регулирования позволяет изменять частоту и амплитуду напряжения в силовой цепи электродвигателя, а значит управлять скоростью вращения ротора и моментом на валу электрической машины.

Структура частотного регулятора

Большинство частотных преобразователей для электродвигателей до 690 В выполнены по схеме двухуровневых инверторов напряжения. Они позволяют моделировать напряжение питания необходимой формы, амплитуды частоты.

Такие устройства состоят из неуправляемого выпрямителя, 2-х транзисторных ключей на каждую фазу и конденсатора. Выходное напряжение содержит высшие гармоники, которые сглаживаются индуктивной нагрузкой.

Специальные фильтры применяют относительно редко.

К недостаткам такой схемы является ограничение величины выходного напряжения, которое определяется максимальным напряжением полупроводниковых устройств.

Для высоковольтных приводов используются многоуровневые схемы регулирования. Они состоят из нескольких однофазных инверторов, соединенных последовательно.

Такая схема позволяет избежать резонансов, обеспечивает высокое быстродействие, снижает скорость нарастания напряжения. Такие ПЧ имеют модульную конструкцию. При выходе из строя одной из ячеек, ее легко заменить.

К недостаткам этой схемы относятся необходимость отдельного источника питания для каждого модуля, функции которого выполняет трансформатор специального назначения.

Преобразователи частоты с плавающими конденсаторами позволяют обойтись без входного трансформатора и увеличивать число ячеек в зависимости от требуемой мощности. Такое решение обеспечивает снижение высших гармоник, уменьшает скорость нарастания напряжения.

Для регулировки скорости электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы частыми реверсами применяют инверторы тока. Эти устройства представляют собой управляемый выпрямитель и инвертор на тиристорах.

Для уменьшения помех в цепи нагрузки в схему включается расщепленный индуктивный фильтр. Выходное напряжение таких устройств имеет форму аппроксимированной синусоиды. Для сглаживания его формы обязательно включение перед электродвигателем конденсаторов.

Главное достоинство таких ПЧ – возможность рекуперации электроэнергии обратно в электросеть.

Прямые преобразователи частоты не содержат конденсаторов. Главное их преимущество – небольшие габариты и значительная мощность нагрузки. Такие устройства используются в составе мощных электроприводов работающих на низких скоростях.

ПЧ этого типа выполнены на базе тиристорных преобразователей. На входе прямых ПЧ установлен фазосдвигающий трансформатор, устраняющий низшие гармоники и выполняющий функцию источника питания для каждого преобразователя.

Прямые ПЧ требуют сложной схемы управления.

Состав частотных преобразователей

Кроме выпрямителя, ШИМ-модулятора и инвертора, в состав частотного преобразователя входят:

Устройство для ввода данных и обмена информаций с ПК, другими частотными преобразователями.

Встроенная энергонезависимая память. В этом устройстве фиксируются аварийные отключения, изменения настроек, а также другие данные.
Управляющий контроллер, обеспечивающий реализацию алгоритмов управления, обработку данных с датчиков, защитное отключение при ненормальных режимах работы.
ЭМ-фильтр. Это устройство обеспечивает снижение реактивной высокочастотной составляющей, снижающей качество электроэнергии и отрицательно влияющей на работу электродвигателя.
Вентилятор и радиатор для принудительного охлаждения и отвода тепла силовых транзисторов.
Тормозной прерыватель и другие элементы.

Кроме аппаратной части, преобразователи частоты содержат программное обеспечение. Контроллеры с открытой логикой позволяют вносить изменения в стандартное ПО, поставляемое производителем, и самостоятельно программировать ПЧ.

Однофазные преобразователи частоты

Однофазные асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве приводов насосных агрегатов, вентиляторов, маломощных станков. Для регулирования частоты вращения этих электрических машин применяются 2 основных способа:

Изменение величины напряжения питания.
Изменение частоты питающего напряжения.

Для регулирования питающего напряжения применяются трансформаторные, автотрансформаторные, тиристорные, симисторные и транзисторные преобразователи. Изменение частоты вращения путем регулирования напряжения имеет ряд серьезных недостатков:

Увеличение скольжения и сильный нагрев обмоток статора.
Узкий диапазон регулирования.

Кроме того, постоянная составляющая питающего напряжения на выходе тиристорных и симисторных устройств вызовает увеличение шума при работе, рывки и другие нежелательные явления.

Частотное регулирование лишено этих недостатков. Однофазные ПЧ применяются в холодильном оборудовании, системах вентиляции, бытовых насосах.

https://www.youtube.com/watch?v=eYKlVo72rrM

Такие электроприводы обеспечивают:

Стабильную работу однофазного двигателя при любой частоте вращения.
Снижение потребления электроэнергии.
Возможность автоматической регулировки частоты вращения с обратной связью по изменению одного или нескольких технологических параметров.
Удаленное управление и контроль характеристик.
Защиту от ненормальных режимов работы и коротких замыканий.
Интеллектуальное управление электродвигателем в соответствии с заданным алгоритмом.
Возможность пуска без фазосдвигающего элемента.
Поддержание необходимого момента на валу во всем диапазоне изменения скорости.

Кроме базовых составляющих, в состав однофазного преобразователя частоты входят ПИД-регулятор, ПЛК-контроллер, устройство для обмена данными с удаленным оборудованием, пульт дистанционного управления. При введении дополнительных настроек допустимо применение трехфазного ПЧ для однофазных двигателей переменного тока.

Таким образом, управление однофазными и трехфазными асинхронными электродвигателями путем изменения частоты значительно превосходит метод регулирования величины напряжения, механические способы.

ESQ-A200-2S0015

Частотный преобразователь ESQ-A200-2S0015 1.5кВт 7.5А 200-260В (для однофазного двигателя)

Подробно можно ознакомиться тут: — Инструкция преобразователя частоты ESQ-A200

Преобразователь частоты ESQ-A200 — это преобразователь частоты общего назначения с векторным управлением, предназначенный для управления асинхронными однофазными электродвигателями с конденсаторным пуском.

ESQ-A200 это малогабаритный однофазный частотный преобразователь для управления однофазным асинхронным короткозамкнутым двигателем с конденсатором, предназначен для управления и преобразования частоты в маломощных однофазных асинхронных двигателях с конденсаторным пуском в таких приборах как кондиционеры воздуха, холодильные компрессоры, моечные машины, электровентиляторы, обдувочные аппараты, насосы, механический инструмент и прочее электрооборудование, где используются однофазные асинхронные двигатели.Применяется на однофазных электродвигателях имеющих возможность снятия конденсатора.

Преимущества:- новейшие технологии векторного управления- улучшенный вращательный момент однофазного двигателя и бесперебойное переключение скорости- автоматическая энергосберегающая функция, возможность поддерживать постоянное напряжение на выходе при колебаниях напряжения в источнике питания- съемный пульт управления- встроенный RS485 (опционально)- встроенный ПЛК- встроенный ПИД-регулятор
— автоматическая регулировка выходного напряжения

ESQ-A200 это инвертор для управления однофазного электрического двигателя, поэтому его проводка отличается от проводки инверторов для блоков управления стандартных трёхфазовых электрических двигателей.Управление осуществляется по трем проводам.

Более подробно ознакомиться с характеристиками, подключением и функционалом можно перейдя по ссылке:
— Инструкция по эксплуатации преобразователя частоты ESQ-A200
Схема электрических подключений преобразоватея частоты ESQ-A200

Структура подключения однофазного ассинхронного двигателя без применения преобразователя

Структура подключения однофазного ассинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором к преобразователю частоты

Схема подключения однофазного электродвигателя к преобразователю частоты ESQ-A200

Терминалы инвертора- L1, L2: Вход, подключите к источнику 220В однофазного переменного тока.

— A, B, W: Выход, A,B терминал переменного тока, W обычный вывод (см. рис.2).

Подключение к внутренней схеме двигателя без преобразователя:Ёмкостный однофазный асинхронный двигатель схема внутренних соединений показана на рис.1подключение: L11 основная обмотка двигателя L22 обмотка стартёра, C1 ёмкость стартёра двигателя (конденсатор)
CA, CB ёмкостные выводы, CC обычный вывод для двух контуров.

Подключение двигателя к преобразователю:1. Удалить ёмкость стартёра C1, показанную на рис.12. Подключить инвертор к двигателю (рис.2):- прямая проводка: подсоединить A к CA, B к CB, W к CC, чтобы включить привод в прямом направлении.

— обратная проводка: подсоединить B к CA, A к CB, W к CC, чтобы включить привод в обратном направлении.

Напряжение сети питания, В:	1х220
Напряжение питания двигателя, B:	однофазное
Мощность, кВт:	1,5
Номинальный ток, А:	7,5
Перегрузочная способность,%:	150% в течении минуты
Пусковой момент:	150% от 1 Гц
Характеристика управления:	векторное (без датчика) или U/F
Протокол связи:	Modbus
Тормозной прерыватель:	встроен
Тромозной резистор:	опционален

Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем

Предложение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах, содержащих однофазные асинхронные электродвигатели.

Известен цифровой модулятор для преобразователя частоты асинхронного электродвигателя (патент RU 2216850, МПК Н03К 7/08, Н02М 7/539, Н02Р 7/42, 20.11.

2003), содержащий генератор прямоугольных импульсов, счетчики, триггеры, логические элементы ИЛИ, И, И-НЕ, дешифраторы, формирователь импульсов, сумматоры, регистры, двоично-шестеричный счетчик, схемы ограничения и сброса, входную и выходную шины и шину знака.

Модулятор формирует на фазах асинхронного электродвигателя трехфазную квазисинусоидальную систему напряжений переменной частоты и амплитуды.

Недостаток устройства заключается в большом числе логических элементов, входящих в его состав, что снижает надежность, усложняет настройку и увеличивает стоимость, вес и габариты устройства в целом.

Известно устройство и способ управления бесщеточным двигателем, основанные на широтно-импульсной модуляции (патент US 2013/0033208, МПК Н02Р 6/16, 7.02.2013).

Устройство содержит бесщеточный двигатель, подключенный к блоку задания управляющего сигнала, включающего в себя центральный процессор, цифроаналоговый преобразователь, формирователь регулируемого синусоидального напряжения, генератор несущего пилообразного напряжения, блок формирования ШИМ управляющего сигнала, блок определения полярности и мостовой однофазный инвертор на транзисторах с драйверами во входных цепях.

Недостатком устройства также является большое количество аналоговых, цифро-аналоговых и цифровых элементов, усложняющих и удорожающих его конструкцию, снижающих надежность и увеличивающих вес и габариты.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является мостовой инвертор (патент RU 2223590, Н02М 3/337, 7/219, G05F 1/56, 10.02.

2004), содержащий источник питания АС-DC, однофазный транзисторный мост, шунтированный обратным диодным мостом, к выходу которых подключена первичная обмотка трансформатора, и систему управления в виде широтно-импульсного модулятора, состоящего из двухтактного генератора, генератора пилообразного напряжения, двух разделительных диодов, двух компараторов, логического инвертора и задатчика управляющего напряжения.

Недостаток инвертора заключается в том, что он работает на фиксированной частоте и его нельзя использовать в качестве преобразователя частоты для управления работой электродвигателя. Кроме того, содержащиеся в нем генераторы и компараторы усложняют его конструкцию.

Предлагаемое устройство позволяет простым и надежным способом сформировать ШИМ сигнал управления однофазным инвертором, обеспечивающим плавное регулирование скорости вращения двигателя при поддержании момента близким к постоянной величине (U/f=const).

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для управления однофазным асинхронным электродвигателем, на фиг.2 — временные диаграммы на выходах мультиплексоров MS1, MS2 и старшего разряда счетчика CT(8) при различных величинах управляющего напряжения.

Устройство содержит однофазный выпрямительный мост на диодах 1, 2, 3, 4, диагональ переменного тока которого подключена к питающей сети 5, а диагональ постоянного тока — к конденсатору 6 и к диагонали однофазного транзисторного моста на транзисторах IGBT 7, 8, 9, 10, шунтированного обратным диодным мостом на диодах 11, 12, 13, 14, выход которых соединен с обмотками асинхронного однофазного двигателя 15 (двигатель содержит две параллельно соединенные обмотки, с одной из которых последовательно включен фазосдвигающий конденсатор), драйверы 16, 17, 18, 19, связанные с затворами транзисторов 7, 8, 9, 10, логический инвертор 20 и задатчик 21 управляющего напряжения. Задатчик 21 может быть выполнен в виде потенциометра 22, запитанного от источника 23 постоянного напряжения. Устройство снабжено преобразователем 24 напряжения в частоту, четырехразрядным двоичным счетчиком 25, четырьмя ждущими мультивибраторами 26, 27, 28, 29 и двумя мультиплексорами 30, 31. Выход задатчика 21 подключен к входу преобразователя 24, с выходом которого связаны входы мультивибраторов 26, 27, 28, 29 и счетный вход счетчика 25. Первые три разряда счетчика 25 подсоединены к адресным входам «1, 2, 4» мультиплексоров 30, 31, четвертый разряд — через логический инвертор 20 и непосредственно к входам стробирования S мультиплексоров 30, 31. К первым и восьмым информационным входам («00, 07») мультиплексоров 30, 31 подключен выход мультивибратора 26, ко вторым и седьмым входам («01, 06») — выход мультивибратора 27, к третьим и шестым входам («02, 05») — выход мультивибратора 28, к четвертым и пятым входам («03, 04») — выход мультивибратора 29, а выходы мультиплексоров 30, 31 связаны с попарно соединенными между собой входами драйверов 16, 19 и 17, 18 транзисторов 7, 10 и 8, 9, расположенных в диагональных плечах транзисторного моста. Каждый из мультивибраторов 26, 27, 28, 29 снабжен своими RC-цепями, определяющими длительности формируемых мультивибраторами импульсов — Т1, Т2, Т3, Т4.

Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем работает следующим образом.

При подаче на устройство питающей сети 5 выпрямительный мост на диодах 1, 2, 3, 4 и конденсатор 6 преобразуют переменное входное напряжение в постоянное, запитывающее мосты на транзисторах 7, 8, 9, 10 и диодах 11, 12, 13, 14.

В исходном состоянии движок потенциометра 22 находится в нижнем положении, и управляющее напряжение на выходе задатчика 21 равно нулю. При этом на выходе преобразователя 24 отсутствуют импульсы, на выходах мультивибраторов 26, 27, 28, 29 и мультиплексоров 30, 31 сохраняются низкие потенциалы, транзисторы 7, 8, 9, 10 закрыты и двигатель 15 неподвижен.

При выводе движка потенциометра 22 из нижнего положения вверх на выходе задатчика 21 появляется управляющее напряжение, вызывающее формирование на выходе преобразователя 24 импульсной последовательности, частота которой пропорциональна величине данного напряжения.

С приходом первого импульса счетчик 25 устанавливается в нулевое состояние, и на его выходах устанавливается кодовая комбинация 0000. Под действием «0» со старшего разряда счетчика 25, поступающего через инвертор 20 и непосредственно на входы стробирования S мультиплексоров 30 и 31, разрешается работа первого из них и запрещается работа второго.

Кроме того, под действием логических нулей, поступающих с младших разрядов счетчика 25 на адресные входы мультиплексора 30, он переводится в состояние, при котором с его выходом соединяется первый информационный вход («00»). Одновременно с приходом первого импульса от преобразователя 24 запускаются мультивибраторы 26, 27, 28, 29.

Длительности T1, T2, Т3 и Т4 формируемых ими импульсов увеличиваются при переходе от мультивибратора с меньшим номером к большему и устанавливаются исходя из максимального приближения к классическому ШИМ сигналу во всем заданном диапазоне изменения частоты вращения электродвигателя.

В результате с приходом первого импульса от преобразователя 24 на выход мультиплексора 30 проходит самый короткий (T1) импульс от мультивибратора 26, под действием которого драйверы 16, 19 открывают транзисторы 7, 10, и через обмотки электродвигателя 15 протекает импульс тока.

С поступлением от преобразователя 24 второго импульса на выходах счетчика 25 устанавливается кодовая комбинация 0001, под влиянием которой на выход мультиплексора 30 проходит импульс, формируемый мультивибратором 27. При этом транзисторы 7, 10 открываются на время T2.

Аналогичным образом с приходом третьего импульса транзисторы 7, 10 открываются на время Т3, четвертого и пятого импульсов — на время Т4, шестого импульса — на время Т3, седьмого — на время T2 и восьмого — на время Т1.

В результате через обмотки электродвигателя 15 протекают импульсы тока одной полярности с длительностями, близкими к ШИМ сигналу для первой полуволны синусоиды.

С приходом от преобразователя 24 девятого импульса на выходах счетчика 25 устанавливается кодовая комбинация 1000, под действием которой запрещается работа мультиплексора 30 и разрешается работа мультиплексора 31.

При этом формируемый мультивибратором 26 импульс проходит на выход мультиплексора 31, открывая с помощью драйверов 17, 18 транзисторы 8, 9 и вызывая протекание через обмотки электродвигателя 15 импульса тока длительностью Т1 другой полярности.

Аналогичным образом создаются и последующие импульсы тока данной полярности, формирующие вторую полуволну синусоиды.

При увеличении управляющего напряжения задатчика тока 21 увеличивается частота импульсов на выходе преобразователя 24 и частота огибающей напряжения на выходе транзисторного моста, питающего обмотки электродвигателя 15. В результате увеличивается скорость его вращения.

Вместе с тем уменьшаются паузы между отдельными импульсами, иначе говоря, скважность импульсов, что вызывает увеличение напряжения, прикладываемого к обмоткам электродвигателя 15.

Благодаря этому обеспечивается поддержание отношения напряжения к частоте достаточно близким к постоянной величине.

С учетом того, что для формирования полного периода питающего электродвигатель 15 напряжения требуется шестнадцать импульсов преобразователя 24, его частота (частота коммутации) должна в шестнадцать раз превосходить частоту подаваемого на электродвигатель 15 напряжения.

Так, при требуемом диапазоне регулирования частоты питающего напряжения от 0 до 50 Гц частота преобразователя 24 должна меняться от 0 до 800 Гц. При этом длительности импульсов, формируемых мультивибраторами 26, 27, 28, 29, могут составлять следующие величины: Т1=0,25 мс; Т2=0,6 мс; Т3=0,85 мс; Т4=1,2 мс.

Более точные значения определяются по результатам спектрального анализа полученной ШИМ последовательности.

Для повышения качества питающего электродвигатель 15 напряжения может быть вдвое увеличена частота преобразователя 24 при одновременном увеличении разрядности счетчика 25 и мультиплексоров 30, 31 и удвоении числа мультивибраторов 26, 27, 28, 29.

Устройство реализуется на достаточно простых и широко распространенных микросхемах средней степени интеграции. Преобразователь 24 напряжения в частоту может быть выполнен на микросхеме КР1108ПП1, счетчик 25 — на микросхеме К155ИЕ5, мультиплексоры 30,31 — на микросхемах К155КП7, мультивибраторы 26, 27, 28, 29 — на микросхемах К155АГ3 и инвертор 20 — на микросхеме К155ЛН1.

Рассмотренный принцип формирования управляющего ШИМ сигнала может быть также распространен на преобразователь частоты для трехфазного электродвигателя.

Таким образом, предлагаемое устройство реализует достаточно простой и надежный способ управления однофазным асинхронным электродвигателем, характеризуется малыми весом, габаритами и стоимостью, легко настраивается и обладает универсальностью построения.

Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем, содержащее однофазный выпрямительный мост, диагональ переменного тока которого подключена к питающей сети, а диагональ постоянного тока — к конденсатору и к диагонали однофазного транзисторного моста, шунтированного обратным диодным мостом, выход которых соединен с обмотками однофазного асинхронного двигателя, драйверы, связанные с затворами транзисторов моста, логический инвертор и задатчик управляющего напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено преобразователем напряжения в частоту, четырехразрядным двоичным счетчиком, четырьмя ждущими мультивибраторами и двумя мультиплексорами, причем выход задатчика управляющего напряжения подключен к входу преобразователя напряжения в частоту, с выходом которого связаны входы ждущих мультивибраторов и счетный вход четырехразрядного двоичного счетчика, первые три разряда которого подсоединены к адресным входам мультиплексоров, четвертый разряд — через логический инвертор и непосредственно к входам стробирования соответственно первого и второго мультиплексора, к первым и последним информационным входам которых подключен выход первого ждущего мультивибратора, ко вторым и седьмым входам — выход второго ждущего мультивибратора, к третьим и шестым входам — выход третьего ждущего мультивибратора, к четвертым и пятым входам — выход четвертого ждущего мультивибратора, а выходы мультиплексоров связаны с попарно соединенными между собой входами драйверов транзисторов, расположенных в диагональных плечах транзисторного моста.