Как изменить скорость вращения асинхронного двигателя

Содержание

Способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей

Достаточно часто режим работы вспомогательного механизированного оборудования требует понижения штатных частот вращения. Добиться такого эффекта позволяет регулировка оборотов асинхронного двигателя. Как это сделать своими руками (расчет и сборку), используя стандартные схемы управления или самодельные устройства, попробуем разобраться далее.

Реверсивное подключение однофазного асинхронного двигателя своими руками

Перед выбором схемы подключения однофазного асинхронного двигателя важно определить, сделать ли реверс. Если для полноценной работы вам часто нужно будет менять направление вращения ротора, то целесообразно организовать реверсирование с использованием кнопочного поста. Если одностороннего вращения вам будет достаточно, то подойдет самая простая схема без возможности переключения. Но что делать, если после подсоединения по ней вы решили, что направление нужно все же поменять? Однофазный двигатель 220В — как поменять направление вращения?

Как можно регулировать обороты асинхронного двигателя: обзор способов

Благодаря надежности и простоте конструкции асинхронные двигатели (АД) получили широкое распространение. В большинстве станков, промышленном и бытовом оборудовании применяются электродвигатели такого типа. Изменение скорости вращения АД производится механически (дополнительной нагрузкой на валу, балластом, передаточными механизмами, редукторами и т.д.) или электрическими способами. Электрическое регулирование более сложное, но и гораздо более удобное и универсальное.

Способы регулировки АД

Для многих агрегатов применяется именно электрическое управление. Оно обеспечивает точное и плавное регулирование пуска и работы двигателя. Электрическое управление производится за счет:

  • изменения частоты тока;
  • силы тока;
  • уровня напряжения.

В этой статье мы рассмотрим популярные способы, как может осуществляться регулировка оборотов асинхронного двигателя на 220 и 380В.

От чего зависят обороты однофазного асинхронного двигателя. Способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей


Регулятор оборотов с поддержанием мощности — изобретение, которое вдохнет новую жизнь в электроприбор, и он будет работать как только что приобретенный товар. Но стоит помнить о том, что двигатели бывают разных форматов и у каждого своя предельная работа.

Двигатели разные по характеристикам. Это значит то, что та или иная техника работает на разных частотах оборота вала, запускающего механизм. Мотор может быть:

  1. однофазным,
  2. двухфазным,
  3. трехфазным.

В основном трехфазные электромоторы встречаются на заводах или крупных фабриках. В домашних условиях используются однофазные и двухфазные. Данного электричества хватает на работу бытовой техники.

Предлагаем Вашему вниманию познавательную статью о параллельном и последовательном соединении резисторов.

Регулирование скорости с помощью изменения активного сопротивления в цепи ротора

Этот способ регулирования скорости применим в двигателях с фазным ротором. При этом в цепь обмотки ротора включается реостат, которым можно плавно увеличивать сопротивление. С увеличением сопротивления, скольжение двигателя растёт, а скорость падает. Таким образом, обеспечивается регулировка скорости вниз от естественной характеристики.

Недостатком данного способа является его неэкономичность, так как при увеличении скольжения, потери в цепи ротора растут, следовательно, КПД двигателя падает. Плюс к этому, механическая характеристика двигателя становится более пологой и мягкой, из-за чего небольшое изменение момента нагрузки на валу, вызывает большое изменение частоты вращения.

Регулирование скорости данным способом не эффективно, но, несмотря на это применяется в двигателях с фазным ротором.

Однофазный двигатель 220В — постановка задачи

Предположим, что у уже подсоединенного с использованием пускозарядной емкости асинхронного однофазного двигателя изначально вращение вала направлено по часовой стрелке, как на картинке ниже (однофазный двигатель 220В)

Схема подключения однофазного двигателя. Однофазный двигатель 220в

Схема подключения однофазного двигателя

Уточним важные моменты:

  • Точкой А отмечено начало пусковой обмотки, а точкой В – ее окончание. К начальной клемме A подсоединен провод коричневого, а к конечной – зеленого цвета.
  • Точкой С помечено начало рабочей обмотки, а точкой D – ее окончание. К начальному контакту подсоединен провод красного, а к конечному – синего цвета.
  • Направление вращения ротора обозначено с помощью стрелок.

Ставим перед собой задачу – сделать реверс однофазного двигателя без вскрытия его корпуса так, чтобы ротор начал вращаться в другую сторону (в данном примере против движения стрелки часов). Ее можно решить тремя способами. Рассмотрим их подробнее.

Изменение скорости АД с короткозамкнутым ротором

Существует несколько способов:

  1. Управление вращением за счет изменения электромагнитного поля статора: частотное регулирование и изменение числа пар полюсов.
  1. Изменение скольжения электромотора за счет уменьшения или увеличения напряжения (может применяться для АД с фазным ротором).

Частотное регулирование

В данном случае регулировка производится с помощью подключенного к двигателю устройства для преобразования частоты. Для этого применяются мощные тиристорные преобразователи. Процесс частотного регулирования можно рассмотреть на примере формулы ЭДС трансформатора:

Данное выражение означает, что для сохранения постоянного магнитного потока, означающего сохранение перегрузочной способности электромотора, следует одновременно с преобразованием частоты корректировать и уровень питающего напряжения. Если сохраняется выражение, вычисленное по формуле:

то это означает, что критический момент не изменен. А механические характеристики соответствуют рисунку ниже, если вы не понимаете, что значат эти характеристики, то в этом случае регулировка происходит без потери мощности и момента.

Механические характеристики электромотора при регулировании частоты

Достоинствами данного метода являются:

  • плавное регулирование;
  • изменение скорости вращения ротора в большую и меньшую сторону;
  • жесткие механические характеристики;
  • экономичность.

Недостаток один — необходимость в частотном преобразователе, т.е. увеличение стоимости механизма. К слову, на современном рынке представлены модели с однофазным и трёхфазным входом, стоимость которых при мощности 2-3 кВт лежит в диапазоне 100-150 долларов, что не слишком дорого для полноценной регулировки привода станков в частной мастерской.

Переключение числа пар полюсов

Данный метод применяется для многоскоростных двигателей со сложной обмоткой, позволяющей изменять число пар ее полюсов. Самое широкое применение получили двухскоростные, трехскоростные и четырехскоростные АД. Принцип регулировки проще всего рассмотреть на основе двухскоростного АД. В такой машине обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Скорость вращения изменяется при подключении их последовательно или параллельно.

Варианты параллельного и последовательного соединения полуобмоток

В четырехскоростном электродвигателе обмотка выполнена в виде двух независимых друг от друга частей. При изменении числа пар полюсов первой обмотки производится изменение скорости работы электромотора с 3000 до 1500 оборотов в минуту. При помощи второй обмотки производится регулировка вращения 1000 и 500 оборотов в минуту.

При изменении числа пар полюсов происходит и изменение критического момента. Для его сохранения неизменным, требуется одновременно с изменением числа пар полюсов регулировать и питающее напряжение, например, переключением схемы звезда-треугольник и их вариациями.

Достоинства данного метода:

  • жесткие механические характеристики двигателя;
  • высокий КПД.
  • ступенчатая регулировка;
  • большой вес и габаритные размеры;
  • высокая стоимость электромотора.

Что такое асинхронный двигатель?

Электродвигатели переменного тока нашли довольно широкое применение в различных сферах нашей жизнедеятельности, в подъемно транспортном, обрабатывающем, измерительном оборудовании. Они используются для превращения электрической энергии, которая поступает от сети, в механическую энергию вращающегося вала. Чаще всего используются именно асинхронные преобразователи переменного тока. В них частота вращения ротора и статора отличаются. Между этими активными элементами обеспечивается конструктивный воздушный зазор.

И статор, и ротор имеют жесткий сердечник из электротехнической стали (наборного типа, из пластин), выступающий в роли магнитопровода, а также обмотку, которая укладывается в конструктивные пазы сердечника. Именно способ организации или укладки обмотки ротора является ключевым критерием классификации этих машин.

Двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР)

Здесь используется обмотка в виде алюминиевых, медных или латунных стержней, которые вставляются в пазы сердечника и с обеих сторон замыкаются дисками (кольцами). Тип соединения этих элементов зависит от мощности двигателя: для малых значений используют метод совместной отливки дисков и стержней, а для больших – раздельное изготовление с последующей сваркой между собой. Обмотка статора подключается с использованием схем «треугольника» или «звезды».

Двигатель асихронный трехфазный

Двигатели с фазным ротором

К сети подключается трехфазная обмотка ротора, посредством контактных колец на основном валу и щеток. За основу принимается схема «звезда». На рисунке внизу представлена типичная конструкция такого двигателя.

Асинхронный трехфазный двигатель с ротором

Вращательный момент

Этот термин имеет несколько синонимов: момент силы, момент двигателя, Вращательный момент, вертящий момент. Все они используются для обозначения одного показателя, хотя с точки зрения физики эти понятия не всегда тождественны.

Крутящий момент

В целях унификации терминологии были разработаны стандарты, которые приводят все к единой системе. Поэтому в технической документации всегда используются словосочетание «крутящий момент». Он представляет собой векторную физическую величину, которая равна произведению векторных значений силы и радиуса. Вектор радиуса проводится от оси вращения к точке приложенной силы. С точки зрения физики разница между крутящим и вращательным моментом заключается в точке прикладывания силы. В первом случае это внутреннее усилие, во втором — внешнее. Измеряется величина в ньютон-метрах. Однако в формуле мощности электродвигателя крутящий момент используется как основное значение.

Рассчитывается он как

M — крутящий момент, Нм;

F — прикладываемая сила, H;

Для расчета номинального вращающего момента привода используют формулу

Мном = 30Рном ÷ pi × нном, где:

Рном — номинальная мощность электрического двигателя, Вт;

нном — номинальное число оборотов, мин-1.

Соответственно, формула номинальной мощности электродвигателя бедует выглядеть следующим образом:

Рном = Мном * pi*нном / 30.

Обычно все характеристики указаны в спецификации. Но бывает, что приходится работать с совершенно новыми установками, информацию о которых найти очень сложно. Для расчета технических параметров таких устройств берут данные их аналогов. Также всегда известны только номинальные характеристики, которые даются в спецификации. Реальные данные необходимо рассчитывать самостоятельно.

Регулирование скорости двигателя с помощью изменения напряжения питания

Данный способ регулирования можно осуществить, если включить в цепь автотрансформатор, перед статором, после питающих проводов. При этом, если снижать напряжение на выходе автотрансформатора, то двигатель будет работать на пониженном напряжении. Это приведёт к снижению частоты вращения двигателя, при постоянном моменте нагрузки, а также к снижению перегрузочной способности двигателя. Это связано с тем, что при уменьшении напряжения питания, максимальный момент двигателя уменьшается в квадрат раз. Кроме того, этот момент уменьшается быстрее, чем ток в цепи ротора, а значит, растут и потери, с последующим нагревом двигателя.

Способ регулирования изменением напряжения, возможен только вниз от естественной характеристики, так как увеличивать напряжение выше номинального нельзя, потому что это может привести к большим потерям в двигателе, перегреву и выходу его из строя.

Кроме автотрансформатора, можно использовать тиристорный регулятор напряжения.

Регулятор оборотов мощности

Принципы работы

Регулятор оборотов электродвигателя 220 В без потери мощности используется для поддержки первоначальной заданной частоты оборотов вала. Это один из основных принципов данного прибора, который называется частотным регулятором.

С помощью него электроприбор работает в установленной частоте оборотов двигателя и не снижает ее. Также регулятор скорости двигателя влияет на охлаждение и вентиляцию мотора. C помощью мощности устанавливается скорость, которую можно как поднять, так и снизить.

Вопросом о том, как уменьшить обороты электродвигателя 220 В, задавались многие люди. Но данная процедура довольно проста. Стоит только изменить частоту питающего напряжения, что существенно снизит производительность вала мотора. Также можно изменить питание двигателя, задействуя при этом его катушки. Управление электричеством тесно связано с магнитным полем и скольжением электродвигателя. Для таких действий используют в основном автотрансформатор, бытовые регуляторы, которые уменьшают обороты данного механизма. Но стоит также помнить о том, что будет уменьшаться мощность двигателя.

Вариант 2: переподключение пусковой намотки (однофазный двигатель 220В)

Второй способ организовать реверс асинхронного мотора 220 Вольт – поменять местами начало и конец пусковой обмотки. Делается это по аналогии с первым вариантом:

  1. Из четырех проводов, выходящих из коробки мотора, выясните, какие из них соответствуют отводкам пусковой намотки.
  2. Изначально конец В пусковой обмотки соединялся с началом С рабочей, а начало А подключалось к пускозарядному конденсатору. Сделать реверс однофазного двигателя можно, подключив емкость к выводу В, а начало С с началом А.

Переподключение пусковой намотки

Переподключение пусковой намотки

После описанных выше действий получаем схему, как на рисунке выше: точки А и В поменялись местами, значит ротор стал обращаться в противоположную сторону.

Плавный пуск асинхронных электродвигателей

АД кроме безусловных преимуществ, обладают существенными недостатками. Это рывок на старте и большие пусковые токи, в 7 раз превышающие номинальные. Для мягкого старта электродвигателя используются следующие методы:

  • переключение обмоток по схеме звезда – треугольник;
  • включение электродвигателя через автотрансформатор;
  • использование специализированных устройств для плавного пуска.

В большинстве частотных регуляторов есть функция плавного пуска двигателя. Это не только снижает пусковые токи, но и уменьшает нагрузки на исполнительные механизмы. Поэтому регулирование частоты и плавный пуск довольно сильно связаны между собой.

Заключение

На технорынке сегодня предлагаются в большом ассортименте регуляторы и частотные преобразователи для асинхронных электродвигателей переменного тока.

Управление способом варьирования частоты на данный момент – самый оптимальный способ, т. к. он позволяет плавно регулировать скорость асинхронного ЭД в широчайшем диапазоне, без значительных потерь и снижения перегрузочных способностей.

Тем не менее, на основе расчёта, можно самостоятельно собрать простое и эффективное устройство с регулированием оборотов вращения однофазных электродвигателей с помощью тиристоров.

Вариант 3: смена пусковой обмотки на рабочую, и наоборот

Организовать реверс однофазного мотора 220В теми способами, что описаны выше, можно только при условии, что из корпуса выходят отводки от обеих обмоток со всеми началами и концами: А, В, С и D. Но часто встречаются моторы, в которых производитель намеренно оставил снаружи только 3 контакта. Этим он обезопасил устройство от различных «самоделок». Но все же выход есть.

Смена пусковой обмотки на рабочую, и наоборот

Смена пусковой обмотки на рабочую, и наоборот

На рисунке выше изображена схема такого, «проблемного», мотора. У него выходят из корпуса только три провода. Они помечаются коричневым, синим и фиолетовым цветами. Зеленая и красная линии, соответствующие концу В пусковой и началу С рабочей намотки, соединены между собой внутри. Доступ к ним без разборки двигателя мы получить не сможем. Поэтому изменить вращение ротора одним из первых двух вариантов не представляется возможным.

В этом случае поступают так:

  1. Снимают конденсатор с начального вывода А;
  2. Подсоединяют его к конечному выводу D;
  3. От проводов А и D, а также фазы, пускают отводки (можно сделать реверс с использованием ключа).

Схема подключения однофазного двигателя. Однофазный двигатель 220в

Схема подключения однофазного двигателя

Посмотрите на рисунок выше. Теперь, если подключить фазу к отводку D, то ротор вращается в одну сторону. Если же фазный провод перекинуть на ветку A, то можно изменить направление вращения в противоположную сторону. Реверс можно осуществлять, вручную разъединяя и соединяя провода. Облегчить работу поможет использование ключа.

Важно понимать

Важно! Последний вариант реверсивной схемы подключения асинхронного однофазного мотора неправильный. Его можно использовать, только если соблюдаются условия:

  • Длина пусковой и рабочей намоток одинакова;
  • Площадь их поперечного сечения соответствует друг другу;
  • Эти провода изготавливаются из одного и того же материала.

Все эти величины влияют на сопротивление. Оно у обмоток должно быть постоянным. Если вдруг длина или толщина проводов отличаются друг от друга, то после того, как вы организуете реверс, окажется, что сопротивление рабочей намотки станет таким же, как было раньше у пусковой, и наоборот. Это может стать и причиной того, что мотор не сможет запуститься.

Внимание! Даже если длина, толщина и материал обмоток совпадают, работа при измененном направлении вращения ротора не должна быть продолжительной. Это чревато перегревом и выходом из строя двигателя. КПД при этом тоже оставляет желать лучшего.

Осуществить реверс асинхронного мотора 220В просто, если концы обмоток отводятся из корпуса наружу. Сложнее его организовать, когда выводов всего три. Рассмотренный нами третий способ реверсирования подходит только для кратковременного включения двигателя в сеть. Если работа с обратным вращением обещает быть продолжительной, то мы рекомендуем вскрыть коробку для переключения методами, описанными в 1 и 2 варианте: так безопасно для агрегата, и сохраняется КПД.

Как сделать устройство для изменения скорости вращения электродвигателя своими руками

Для регулировки маломощных однофазных АД можно использовать диммеры. Однако этот способ ненадежен и обладает серьезными недостатками: снижением КПД, серьезным перегревом устройства и опасностью повреждения двигателя.

Для надежного и качественного регулирования оборотов электродвигателей на 220В, лучше всего подходит частотное регулирование.

Приведенная ниже схема позволяет собрать частотное устройство для регулировки электромоторов мощностью до 500 Вт. Изменение скорости вращения производится в границах от 1000 до 4000 оборотов в минуту.

Устройство состоит из задающего генератора с изменяемой частотой, состоящего из мультивибратора, собранного на микросхеме К561ЛА7, счетчика на микросхеме К561ИЕ8, полумоста регулятора. Выходной трансформатор Т1 выполняет развязку верхнего и нижнего транзисторов полумоста.

Схема частотного регулятора скорости АД

Демпфирующая цепь С4, R7 гасит всплески напряжения опасные для силовых транзисторов VT3, VT4. Выпрямитель, удвоитель напряжения питающей сети, включает в себя диодный мост VD9, с конденсатором фильтра на которых происходит удвоение напряжения питания полумоста.

Напряжение первичной обмотки: 2х12В, вторичной обмотки 12В. Первичная обмотка трансформатора управления ключами, состоит из 120 витков медного провода сечением 0,7мм, с отводом от середины. Вторичная – две обмотки, каждая по 60 витков повода сечением 0,7 мм.

Вторичные обмотки необходимо максимально надежно заизолировать друг от друга, так как разница потенциалов между ними доходит до 640 В. Подключение выходных обмоток к затворам ключей производится в противофазе.

Вот мы и рассмотрели способы регулировки оборотов асинхронных двигателей. Если возникли вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Типичные схемы регуляторов оборотов

На рынке сегодня есть широкий выбор регуляторов и частотных преобразователей для асинхронных двигателей. Тем не менее, для бытовых нужд подъемного или обрабатывающего оборудования вполне можно сделать расчет и сборку на микросхеме самодельного прибора на базе тиристоров или мощных транзисторов.

Ниже представлен пример схемы достаточно мощного регулятора для асинхронного двигателя. За счет чего можно добиться плавного контроля параметров его работы, снижения энергопотребления до 50%, расходов на техническое обслуживание.

Схема мощного регулятора для асинхронного двигателя

Данная схема является сложной. Для бытовых нужд ее можно значительно упростить, используя в качестве рабочего элемента симистор, например, ВТ138-600. В этом случае схема будет выглядеть следующим образом:

Схема регулятора для асинхронного двигателя с симистром

Обороты электродвигателя будут регулироваться за счет потенциометра, который определяет фазу входного импульса, открывающего симистор.

Как можно судить из информации, представленной выше, от оборотов асинхронного двигателя зависят не только параметры его работы, но и эффективность функционирования питаемого подъемного или обрабатывающего оборудования. В торговой сети сегодня можно приобрести самые разнообразные регуляторы, но также можно совершить расчет и собрать эффективное устройство своими руками.

Двигатели с ротором на фазу и регулирование их скорости оборотов

При этих способах используют изменение скольжения, но варианты тоже могут быть разными.

Регулировка напряжения

Схема подключения 3-х фазного асинхронного привода через реостат или ЛАТР, регулирование оборотов

Асинхронный двигатель подключается с помощью автотрансформатора. При уменьшении напряжения число оборотов, соответственно, станет меньше.

Этот вариант уменьшит перегрузочную способность асинхронного движка. Изменять напряжение можно только в пределах допустимого значения, поскольку выход из этого значение приведёт к поломке электрического двигателя.

Контроль сопротивления в роторе

Подключение реостата к кольцам ротора асинхронного с фазным ротором, регулирование оборотов

Этот вариант подразумевает подключение резисторов к ротору. Это поможет плавно увеличить сопротивление.

Скольжение при этом вырастет, а скорость вращения, наоборот, станет ниже.

Механическая характеристика при изменении активного сопротивления ротора, регулирование оборотов

Плюсом является широкий диапазон регулирования с позиции уменьшения скорости оборотов.

Минусы: низкий коэффициент полезного действия и нестабильные механические характеристики.

Контроль с помощью двойной подпитки

Асинхронного -вентильный каскад, регулирование количества оборотов

Изменяется скольжение, влияющее на количество оборотов в промежуток времени, хотя скорость магнитного поля не изменится. Энергия в такой цепи будет подаваться на обмотки. Сам контроль произойдёт посредством силы скольжения, трансформированного в ротор с добавочной электродвижущей силой.

Такой вариант применим для габаритных машин с самыми мощными двигателями.

Мягкий старт начала работы

У АД есть свои минусы. Например, старт начинается слишком резко, что может привести к поломке в случае, если пусковой ток превысит значение напряжения.

Для того чтобы начать работу более медленно, есть разные варианты:

  • обмотки переключаются по принципу звезды-треугольника;
  • начать работу можно через автоматический трансформатор;
  • для запуска используют специальные устройства.

Сегодня на многих регуляторах частоты присутствует возможность медленного начала раскрутки. Пусковой ток снизится вместе с общей нагрузкой на АД. Частота и начало работы тесно связаны друг с другом.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий