Зачастую приходится понижать скорость вращения двигателя, выполняющего определенные задачи в механизме. Уменьшение числа оборотов элеткродвигателя можно добиться с помощью самодельных приборов, управляющих схем стандартного изготовления.
Электродвигатели переменного тока часто используются в деятельности человека, на металлообрабатывающих станках, транспорта, крановых механизмов и другого оборудования. Двигатели превращают энергию переменного тока питания во вращение вала и агрегатов. Используются в основном асинхронные двигатели переменного тока.
Ротор, а также и статор двигателя состоят из катушек провода, уложенного в сердечник, изготовленный из специальной стали. Классификация электродвигателей следует от способа закладки обмотки.
Обмотка из латунных и медных стержней вставляется в сердечник, по краям устанавливаются кольца. Такая катушка провода называется короткозамкнутым (КР) ротором. Электродвигатели небольшой мощности имеют стержни, а также диски, которые были отлиты вместе. Для электродвигателей с мощным моментом детали отливаются отдельно, затем свариваются. Обмотка статора может быть подключена двумя методами: треугольником, звездой.
Фазный ротор состоит из 3-фазной роторной обмотки, подключенной контактными кольцами и щетками к питанию. Обмотка соединена «звездой».
Расчет количества оборотов асинхронного двигателя
Распространенным двигателем на станках и подъемных устройствах является двигатель с короткозамкнутым ротором, поэтому пример для расчета следует брать для него. Сетевое напряжение поступает на статорную обмотку. Обмотки смещены друг от друга на 120 градусов. Возникшее поле электромагнитной индукции возбуждает электрический ток в обмотке. Ротор начинает работать под действием ЭМС.
Основной характеристикой работы двигателя является число оборотов в минуту. Рассчитываем это значение:
n = 60 f / p, обор / мин;
где f – частота сети, герц, р – количество полюсов статора (в парах).
На корпусе электродвигателя имеется табличка с техническими данными. Если ее нет, то можно самому рассчитать число оборотов вала оборудования по другим имеющимся данным. Расчет производится тремя способами.
- Расчет числа катушек, которое сравнивается с нормами для разного напряжения, следует по таблице:
- Расчет скорости работы по шагу диаметра обмотки по формуле:
2 p = Z1 / y, где 2р – количество полюсов, Z1 – число пазов в статоре, у – шаг обмотки.
Выбираем из таблицы подходящие обороты двигателя:
- Высчитываем количество полюсов по параметрам сердечника по формуле:
2p = 0,35 Z1 b / h или 2 p = 0,5 Di / h,
где 2р – количество полюсов, Z1 – число пазов, b – размер зуба, см, h – высота спинки, см, Di – диаметр по зубцам, см.
По результатам расчета и индукции следует число витков обмотки, сравнивается со значениями мотора по паспорту.
Механическая характеристика
Как основная, помогает проводить детальный анализ работы электродвигателя. Она выражает непосредственную зависимость частоты вращения самого ротора от электромагнитного момента n=f (M).
Из графика видно, что на участке 1-3 машина работает устойчиво. 3-4 — непосредственный отрезок неустойчивой работы. Идеальный холостой ход соответствует точке 1.
Точка 2 — номинальный режим работы. Точка 3 — частота вращения достигла критического значения. Пусковой момент Мпуск — точка 4.
Наши читатели рекомендуют! Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют ‘Экономитель энергии Electricity Saving Box’. Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.
Существуют технические способы расчетов и построения механической характеристики с учетом данных паспорта.
В первоначальной точке 1 n0=60f/p (p – количество пар полюсов). Поскольку nн и Mн непосредственно координаты точки 2, расчет номинального момента производится по формуле Mн=9,55*Рн/ nн, где Рн — номинальная мощность. Значение nн указано в паспорте двигателя. В точке 3 Mкр=Mнλ. Пусковой момент в точке 4 Mпуск=Mн*λпуск (значения λ, λпуск — из паспорта).
Механическая характеристика, построенная таким образом, называется естественной. Изменяя другие параметры можно получить искусственную механическую характеристику.
Полученные результаты дают возможность проанализировать и согласовать механические свойства самого двигателя и рабочего механизма.
Как изменить скорость работы двигателя?
Изменять скорость вращающего момента механизма оборудования можно различными способами, например, механическими редукторами с переключением передач, муфтами и другими устройствами. Но это не всегда возможно. Практически используется 7 способов коррекции частоты вращения регулируемых приводов. Все способы разделены на два основных направления.
- Коррекция магнитного поля путем воздействия на частоту тока, уменьшение или увеличение числа пар полюсов, коррекция напряжения. Направление характерно моторам с короткозамкнутым (КР) ротором.
- Скольжение корректируется напряжением питания, добавлением еще одного резистора в цепь схемы ротора, установкой двойного питания, использованием каскада вентилей. Такое направление используется для роторов с фазами.
Регулировка частоты и напряжения с помощью частотного преобразователя, путем создания дополнительной катушки с переключением полюсов пар, являются самыми востребованными способами.
Частотно-регулируемые приводы
В обиход различных сфер промышленности, которые используют насосное, вентиляционное оборудование, конвейерные установки, объекты генерации (ТЭЦ, ГРЭС и т.п.) и др. вошли такие установки, как частотно-регулируемые приводы (ЧРП), также называемые преобразователями частоты (ПЧ). Данные установки и позволяют изменять частоту и амплитуду трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель, за счет чего и достигается гибкое изменение режимов работы управляющих механизмов.
Высоковольтный частотно-регулируемый привод
Конструктив ЧРП
Приведем краткое описание существующих преобразователей частоты.
Конструктивно преобразователь состоит из функционально связанных блоков: блока входного трансформатора (шкаф трансформатора); многоуровневого инвертора (шкаф инвертора) и системы управления и защит с блоком ввода и отображения информации (шкаф управления и защит).
В шкафу входного трансформатора производится передача энергии от трехфазного источника питания входным многообмоточным трансформатором, который распределяет пониженное напряжение на многоуровневый инвертор.
Многоуровневый инвертор состоит из унифицированных ячеек – преобразователей. Количество ячеек определяется конкретным конструктивом и заводом-изготовителем. Каждая ячейка оснащена выпрямителем и фильтром звена постоянного тока с мостовым инвертором напряжения на современных IGBT транзисторах (биполярный транзистор с изолированным затвором). Первоначально выпрямляется входной переменный ток, а затем с помощью полупроводникового инвертора преобразуется в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением.
Полученные источники управляемого переменного напряжения соединяются последовательно в звенья, формируя фазу напряжения. Построение выходной трехфазной системы питания асинхронного двигателя производится включением звеньев по схеме «ЗВЕЗДА».
Система управления защиты располагается в шкафу управления и защиты и представлена многофункциональным микропроцессорным блоком с системой питания от источника собственных нужд преобразователя, устройством ввода-вывода информации и первичными сенсорами электрических режимов работы преобразователя.
Распространенные схемы регуляторов
Существует множество частотных преобразователей для асинхронных двигателей, а также различных регуляторов для них. Самостоятельно возможно изготовить прибор для регулировки частоты, применяя транзисторы или тиристоры. Прибор работает как в быту, так и для станочного оборудования, крановых механизмов, различных регулируемых приводов агрегатов.
Мощный регулятор частоты и напряжения показан на схеме. Прибор плавно изменяет параметры привода, экономит энергию, снижает расходы на обслуживание.
Для применения этой схемы в быту, она сложная. Если использовать симистор рабочим элементом, то схема упрощается, и выглядит иначе.
Регулировка будет происходить работой потенциометра, определяюцим фазу импульса входа, и открывающего симистор.
Эффект эксплуатации станков, обрабатывающих металл, подъемных устройств также следует из вращения двигателя, как и сами его эксплуатационные параметры. В продаже имеется множество приборов для регулировки частоты, однако можно вполне собрать такой прибор собственными силами.
Как выбрать частотный преобразователь?
Если проанализировать цены и функции преобразователей частоты, то можно понять, что по цене определяется количество встроенных функции частотного преобразователя. Дорогие модели обладают большой функциональностью. Но для выбора прибора лучше руководствоваться требуемыми условиями применения.
- Частотники бывают с двумя видами управления: скалярное, векторное. При скалярном управлении прибор действует при определенных значениях выходной разности потенциалов и частотой, работают в примитивных домашних приборах, например, вентиляторах. При векторном управлении сила тока устанавливается достаточно точно.
- При выборе прибора параметры мощности играют определяющую роль. Величина мощности расширяет сферу использования, упрощает обслуживание.
- При выборе устройства учитывается интервал рабочего напряжения сети, что снижает опасность выхода его из строя из-за резких перепадов разности потенциалов. При чрезмерном повышении напряжения конденсаторы сети могут взорваться.
- Частота – немаловажный фактор. Его величина определяется требованиями производства. Наименьшее значение говорит о возможности использования скорости в оптимальном режиме работы. Для получения большего интервала частоты применяют частотники с векторным управлением. В реальности часто используются инверторы с интервалом частот от 10 до 10 Гц.
- Частотный преобразователь, имеющий много разных выходов и входов удобен в пользовании, но стоимость его выше, настройка сложнее. Разъемы частотников бывают трех типов: аналоговые, дискретные, цифровые. Связь обратного вида вводных команд производится через аналоговые разъемы. Цифровые клеммы производят ввод сигналов от датчиков цифрового типа.
- Выбирая модель частотного преобразователя, нужно дать оценку управляющей шине. Ее характеристика подбирается под схему инвертора, что обуславливает число колодок. Наилучшим выбором работает частотник с запасом количества разъемов для дальнейшей модернизации прибора.
- Частотники, выдерживающие большие перегрузки (на 15% выше мощности мотора), при выборе имеют предпочтения. Чтобы не ошибиться при покупке преобразователя частоты, ознакомьтесь с инструкцией. В ней имеются главные параметры эксплуатации оборудования. Если нужен прибор для максимальных нагрузок, то необходимо выбирать частотник, сохраняющий ток на пике работы выше, чем на 10% от номинала.
Движение на малых оборотах с ранним переключением
Зачастую инструктора автошкол и старые водители рекомендуют новичкам ездить «в натяг» – переходить на высшую передачу при достижении 1500–2000 об/мин коленчатого вала. Первые дают советы из соображений безопасности, вторые – по привычке, ведь раньше на машинах стояли низкооборотные моторы. Сейчас подобный режим годится разве что для дизеля, чей максимальный крутящий момент находится в более широком диапазоне оборотов, чем у бензинового двигателя.
Не все автомобили оборудованы тахометрами, поэтому малоопытным водителям при данном стиле езды стоит ориентироваться по скорости движения. Режим с ранним переключением выглядит так: 1-я передача – движение с места, переход на II – 10 км/ч, на III – 30 км/ч, IV – 40 км/ч, V – 50 км/ч.
Подобный алгоритм переключения – признак очень спокойного стиля вождения, дающий несомненное преимущество в безопасности. Минус – в повышении скорости износа деталей силового агрегата и вот почему:
- Масляный насос достигает номинальной производительности начиная с 2500 об/мин. Нагрузка при 1500–1800 оборотах вызывает масляное голодание, особенно страдают шатунные подшипники скольжения (вкладыши) и компрессионные поршневые кольца.
- Условия сжигания топливовоздушной смеси далеки от благоприятных. В камерах, на тарелках клапанов и днищах поршней усиленно откладывается нагар. В процессе работы эта сажа раскаляется и воспламеняет топливо без искры на свече зажигания (эффект детонации).
- Если нужно резко увеличить обороты двигателя при ездес самых «низов», вы нажимаете на акселератор, но разгон остается вялым, пока мотор не достигнет своего крутящего момента. Но как только это происходит, вы включаете высшую передачу и частота вращения коленвала снова падает. Нагрузка большая, смазки недостаточно, помпа слабо перекачивает антифриз, отсюда возникает перегрев.
- Вопреки распространенному мнению, экономия бензина в данном режиме отсутствует. При нажатии на педаль газа топливная смесь обогащается, но сгорает не полностью, значит, расходуется впустую.
Владельцам авто, оснащенных бортовым компьютером, легко убедиться в неэкономичности движения «в натяг». Достаточно включить на дисплее показ мгновенного расхода горючего.
Подобная манера езды усиленно изнашивает силовой агрегат, когда автомобиль эксплуатируется в тяжелых условиях – по грунтовым и проселочным дорогам, с полной загрузкой либо прицепом. Не стоит расслабляться и владельцам авто с мощными моторами объемом 3 л и более, способными резко ускоряться с «низов». Ведь для интенсивного смазывания трущихся деталей двигателя нужно держать минимум 2000 об/мин коленчатого вала.
Как подключить частотный преобразователь
Если кабель для подключения на 220 В с 1-й фазой, применяется схема «треугольника». Нельзя подключать частотник, если выходной ток выше 50% от номинального значения.
Если кабель питания на три фазы 380 В, то делается схема «звезды». Чтобы проще было подключать питание, предусмотрены контакты и клеммы с буквенными обозначениями.
- Контакты R, S, T предназначены для подключения сети питания по фазам.
- Клеммы U , V , W служат соединением электродвигателя. Для реверса достаточно изменить подключение двух проводов между собой.
В приборе должна быть колодка с клеммой подключения к земле. Подробней, как подключить, здесь.
Как обслуживать частотные преобразователи?
Для долгосрочной эксплуатации инвертора требуется контроль за его состоянием и выполнение предписаний по обслуживанию:
- Очищать от пыли внутренние элементы. Можно использовать компрессор для удаления пыли сжатым воздухом. Пылесос для этих целей не подходит.
- Периодически контролировать состояние узлов, производить замену. Срок службы электролитических конденсаторов составляет пять лет, предохранительных вставок – десять лет. Охлаждающие вентиляторы работают до замены 3 года. Шлейфы проводов используются шесть лет.
- Контроль напряжения шины постоянного тока и температура механизмов является необходимым мероприятием. При повышенной температуре термопроводящая паста засыхает и выводит из строя конденсаторы. Каждые 3 года на силовые клеммы наносят слой токопроводящей пасты.
- Условия и режим работы необходимо соблюдать в строгом соответствии. Температура окружающей среды не должна превышать 40 градусов. Пыль и влажность отрицательно влияют на состояние рабочих элементов прибора.
Окупаемость преобразователя частоты
Электроэнергия постоянно дорожает, руководители организаций вынуждены экономить разными путями. В условиях промышленного производства большая часть энергии расходуется механизмами, имеющими электродвигатели.
Изготовители устройств для электротехнических машин и агрегатов предлагают специальные устройства и приборы для управления электромоторами. Такие устройства экономят энергию электрического тока. Они называются инверторами или частотными преобразователями.
Финансовые затраты на покупку частотника не всегда оправдывают экономию средств, так как стоимость их сопоставима со стоимостью сэкономленной энергии. Не всегда привод механизма можно быстро оснастить инвертором. Какие сложности при этом возникают? Разберем способы запуска асинхронных двигателей для пониманию достоинств инверторов.
Виды управления скоростями
Существует несколько видов управления асинхронным электродвигателем, среди которых самым распространенным в последние годы стал метод векторного или векторного бездатчивокового регулирования скорости. Он нередко встречается в частотном преобразователе, который изначально применяет скалярное управление без клемм для присоединения датчика скорости.
Собственно, вид регулирования асинхронного двигателя частотным преобразователем, зависит от класса последнего. А делят регуляторы частоты по нескольким признакам.
- По типу управления – на устройства ручного и автоматического регулирования.
- В зависимости от вида выходной нагрузки частотный преобразователь делится по способу исполнения:
- на устройства для электроприводов насосного и вентиляторного оборудования;
- механизмы для привода общепромышленного назначения;
- частотные преобразователи для электродвигателей, которые эксплуатируются в сложных условиях (с перегрузками).
Частотные преобразователи последних поколений, кроме разных по исполнению вариаций, могут иметь еще и разный набор функций. К последним относятся 2 вида управления (ручной и автоматический) скоростью вращения и его направлением, потенциометр на основной панели, система настройки диапазонов выходных частот (0–800 Гц).
