Преобразователь частоты для однофазного двигателя

Однофазные двигатели – тип электрических машин переменного тока. Принцип их действия тот же, что у трехфазных электродвигателей, отличие в том, что питание обмотки от 1 фазы создает пульсирующее магнитное поле. Для пуска однофазных электрических машин требуется дополнительный фазосдвигающий элемент.

Мощность и момент таких двигателей ниже трехфазных аналогов с такими же массо-габаритными характеристиками, сфера применения однфазных приводов:

• Насосные установки небольшой производительности.
• Стиральные машины и другая бытовая техника.
• Электроинструменты и станки.
• Маломощные вентиляторы и компрессоры.
• Другое бытовое и профессиональное оборудование.

В сравнении с трехфазными, однофазные двигатели имеют меньший КПД, сильнее нагреваются и шумят при работе, их применяют при отсутствии 3-фазной сети или в условиях, где нецелесообразно использование трехфазных электрических машин.

Виды однофазных двигателей

Двигатели на 1 фазу различают по способу старта: с конденсаторным пуском и работой через обмотку (CSIR), со стартом через пусковой емкостной элемент и работой через конденсатор (CSCR). Существуют еще 2 вида однофазных электродвигателей: с реостатным пуском (RSIR) и с постоянным разделением емкости (PSC).

Схема двигателей с пусковым конденсатором и 2 обмотками выглядит таким образом:

Емкостной элемент последовательно подключен к пусковой обмотке и вызывает сдвиг фаз между ней и главной обмоткой. Это обеспечивает появление вращающегося магнитного поля и старт двигателя. После разгона конденсатор отключают.

Пусковой момент электродвигателей с конденсаторным пуском и работой через обмотку (CSIR) составляет до 250% от номинального, такие электрические машины допускают старт под нагрузкой и применяют в компрессорах холодильников, в приводе конвейеров.

Двигатели с пусковой и рабочей емкостью (CSCR ) также имеют значительный момент при старте. Благодаря постоянно включенному рабочему конденсатору, обеспечивается постоянный сдвиг фаз между обмотками. За счет этого существенно уменьшается нагрев при длительной работе. Область CSCR двигателей – бытовые насосы, оборудование, рассчитанное на длительный режим работы и высокую нагрузку.

Двигатели RSIR запускаются через пусковую обмотку с большим сопротивлением, обеспечивающую некоторый сдвиг фаз. После разгона коммутирующее устройство отключает ее. Электродвигатели с разделенными обмотками дешевле конденсаторных, однако высокий пусковой ток, небольшой стартовый момент, значительный нагрев ограничивает их применение. Двигатели используют в приводе оборудования, рассчитанного на непродолжительную работу и пуск без нагрузки.

Двигатели с постоянно работающим конденсатором (PSC) приспособлены к длительной работе. Такие электрические машины обладают самым высоким коэффициентом мощности КПД среди однофазных двигателей. Пусковые токи также не велики. К недостаткам двигателей PSC относится небольшой пусковой момент. Область их применения – приводы оборудования с низкоинерционной нагрузкой.

Управление скоростью однофазных двигателей

Существуют несколько способов управления однофазными двигателями. Наибольшее распространение получили методы изменения скорости величиной и частотой напряжения. Регулирование напряжением имеет свои недостатки:

• Избыточный нагрев обмоток из-за повышения скольжения.
• Потеря жесткости механических характеристик на низких скоростях.

Изменение частоты вращения вала возможно в отношении 2:1 к номинальной скорости в сторону снижения. Несмотря на это, регулирование напряжения часто применяют для маломощных электрических машин бытовых приводов.

Самая простая схема – автотрансформаторная. Такой способ позволяет реализовать 2-5 ступенчатое управление скоростью однофазного электропривода.

Автотрансформатор Т1 имеет несколько выводов, соответствующих значению напряжения для каждой скорости двигателя М1. Переключение осуществляется коммутационным аппаратом SW1. К преимуществам схемы относятся возможность выдерживать перегрузки по току и отсутствие искажения формы питающего напряжения. К недостаткам относятся значительные габариты и масса автотрансформатора, а также другие минусы управления напряжением.

Схемы на базе электронных регуляторов напряжения также широко применяют в однофазных приводах небольшой мощности.

Управление осуществляется формированием необходимой величины напряжения путем регулирования момента открытия и закрытия тиристоров. В результате получается напряжение «резанной» формы. Это вызывает дополнительный нагрев, треск, рывки и повышенный шум, увеличение уровня электромагнитных помех. Управление электронными регуляторами напряжения не подходит при длительной работе на низкой скорости, при высоких требованиях ЭМС.

Для частотного управления применяют преобразователи частоты или ПЧ. Для изменения скорости однофазного электродвигателя применяют 2 схемы: одно- или трехфазный ШИМ-инвертор. Первая работает следующим образом: переменное напряжение преобразуется в постоянное, фильтруется на конденсаторе.

Далее преобразуется обратно в переменное на транзисторном инвертере. Широта и скорость отпирающих и запирающих полупроводниковые элементы импульсов подобрана таким образом, чтобы на выходе силовой схемы получалось напряжение заданной частоты.

Частотная регулировка скорости может осуществляется вверх и вниз от номинальной. При этом форма напряжения на выходе инвертора близка и синусоидальной.

К недостаткам однофазного частотного управления относится относительно высокая стоимость преобразователя, невозможность реверсирования без внешней аппаратуры.

Для изменения скорости двигателя в широком диапазоне, применяют специализированные преобразователи частоты на базе 3-фазного ШИМ-инвертора.

Принцип работы устройства аналогичен однофазному аналогу. Схема позволяет осуществлять изменения скорости вращения двигателя в любую сторону в значительном диапазоне и реверсировать двигатель изменением порядка коммутаций транзисторов.

При этом не нужно применять дополнительные электроаппараты.

Рассмотрим подробнее особенности преобразователей частоты для однофазных двигателей, преимущества и недостатки устройств.

Особенности и преимущества частотного управления однофазными двигателями

Частотное управление однофазными электродвигателями лишено недостатков регулирования величиной напряжение. Преобразователи частоты позволяют:

• Изменять скорость выше и ниже от номинальной.
• Осуществлять плавную регулировку.
• Избежать потери жесткости механических характеристик.
• Существенно увеличить диапазон регулирования.

Еще одно достоинство частотных преобразователей для однофазных двигателей на базе схемы двойного преобразования с ШИМ-инвертором – сохранение синусоидальной формы питающего напряжения. Двигатель не испытывает негативного влияния постоянной составляющей, вызывающий нагрев и шум, уровень электромагнитных помех также существенно ниже, чем при использовании электронных регуляторов напряжения.

Современный преобразователь частоты может не только регулировать скорость вращения и момент. Оборудование:

• Выполняет функции автоматического регулирования по ПИ или ПИД закону. Преобразователи частоты содержат контроллер или процессор, который позволяет обрабатывать сигналы обратной связи от датчиков и реализовать управление по заданным алгоритмам.
• Заменяют схемы защиты электродвигателя. Преобразователи частоты отключают двигатель при перегрузках, коротких замыканиях, снижении или увеличении напряжения до недопустимых значений. Возможно также отключение привода по сигналу датчиков технологических параметров.
• Позволяют снизить нагрев и шум при работе однофазного двигателя, улучшить характеристики и облегчить пуск. Частотное управление позволяет частично сгладить недостатки работы электрических машин при пульсирующем магнитом поле, уменьшить ток при пуске, обеспечить необходимый момент на валу и избежать перегрева при длительной работе.

Применение преобразователей частоты позволяет значительно снизить потребляемую мощность при недозагрузке двигателей. В вентиляционных системах экономия может составлять до 70%.

Как выбрать однофазный преобразователь частоты

Преобразователь частоты выбирают при проектировании привода. В случае с однофазным двигателем, прежде всего, необходимо убедиться, что он совместим с оборудованием. Большинство частотных преобразователей на 220 В выполнены по схеме 3-фазного ШИМ-инвертора, такие устройства могут осуществлять управление конденсаторным двигателем по скалярному алгоритму. В таких случаях для улучшения электромагнитной совместимости требуется установка моторного дросселя. При подключении таких преобразователей к двигателям с разделенными обмотками с разным сопротивлением будет срабатывать защита от асимметрии фаз. В таких случаях необходим частотник на базе 1-фазного инвертора. Для изменения направления вращения таких приводов перед преобразователем устанавливают реверсивный магнитный пускатель.

Перед выбором нужно ознакомиться с документами на двигатель, чтобы определить, подходит ли он для подключения к ПЧ без внесений изменений в конструкцию.

Далее подбирают номинальный ток или мощность. Производители рекомендует делать выбор с запасом 20% для преобразователей частоты. При пуске под нагрузкой или высоком пусковом токе требуется выбрать мощность ПЧ на 1 или 2 ступени больше.

Затем выбирают интервал регулирования скорости или момента. Диапазон частот выходного напряжения и величины тока должен отвечать назначению электропривода.

Для однофазных двигателей исполнительных механизмов, другого оборудования, работающего в составе систем автоматизации и контроля, требующего наличия специальных функций нужно предусмотреть наличие нужных опций преобразователей.

Стандартные возможности ПЧ:

• Настройка времени разгона и торможения для электроприводов различного назначения.
• Конфигурируемые унифицированные аналоговые/импульсные/релейные входы и выходы для связи с датчиками или другим оборудованием.
• Функции PLC, ПИ-, ПИД-регулятора для автоматического управления по заданным законам или в соответствии с записанной программой.
• Поддержка протоколов цифровой связи для отправки и приема данных о рабочих параметрах, неисправностях, другой информации, дистанционного изменения настроек с удаленной панели оператора, ПК или другого устройства верхнего уровня.
• Функции защиты от перегрузок, пониженного или повышенного напряжения, других аномальных режимов и аварий.

Далее подбирают характеристики ПЧ в соответствии с условиями эксплуатации и ЭМС. Степень защиты корпуса от пыли и влаги должны отвечать окружающей среде. При этом также учитывают наличие встроенного вентилятора для принудительного охлаждения. Искажение тока и напряжение привода должны отвечать требованиям к электромагнитной совместимости. При необходимости нужно использовать входные и выходные фильтры гармоник и радиопомех.

Применение преобразователей частоты для однофазных двигателей не менее эффективно чем для трехфазных. Частотники позволяют намного расширяют технические возможности электропривода, экономят электроэнергию, снижают вероятность аварий.