Двухскоростной режим односкоростного вентилятора

Как известно, воздух в ванной всегда имеет повышенную влажность. Пары воды чаще всего удаляют с помощью вытяжного вентилятора, который устанавливается на отверстии вентиляционного короба. На рынке представлены специальные влагостойкие вентиляторы для ванной. Чем выше производительность вентилятора, тем быстрее удаляется влага, но и тем выше его шум.

Днем, когда наружный шум выше, шум вытяжного вентилятора неслышен. Тогда его желательно использовать в режиме полных оборотов, чтобы быстро снизить влажность воздуха. В вечернее же время работа вентилятора более заметна. В этом случае его можно перевести в режим пониженных оборотов.

В подобных вентиляторах используется асинхронный двигатель. Частота вращения асинхронного двигателя изменяется путем изменения частоты питающего напряжения. Существует простой способ снижения частоты вращения электродвигателя вентилятора. Этому способствуют два фактора: электродвигатель вентилятора потребляет относительно малую мощность и его механическая нагрузка постоянна. Обороты двигателя проще всего снизить путем понижения питающего напряжения, например, включением балластного реактивного элемента — конденсатора.

Для подбора балластного конденсатора нужно снять зависимость частоты вращения двигателя от питающего напряжения.

В качестве примера на рис. 1 приведена экспериментальная зависимость оборотов двигателя от питающего напряжения для вентилятора типа «Venis Turbo», мощностью 25 Вт и производительностью 250 м 3 /час. Зависимость снята до снижения оборотов в два раза. Обороты измерялись цифровым лазерным бесконтактным тахометром.

Рис. 1. Экспериментальная зависимость оборотов двигателя от питающего напряжения

В таблице даны экспериментальные данные зависимости n = f(U_пит). Зависимость аппроксимирована кубическим полиномом с использованием метода наименьшего квадрата.

Результаты снятия зависимости n = f(U_пит)

Квадратическая и линейная аппроксимирующие функции дают большие погрешности. Это было установлено путем сравнения аппроксимации. Таким образом было установлено, что повышение степени полинома больше 3 не дает никакого преимущества.

Аналитическая аппроксимация имеет вид:

n = 2,3524 · 10 -3 · U 3 _пит — 1,5116 · U 2 _пит + 328,22 · U 3 _пит — 21512 [об/мин,В] (1)

Максимальное отклонение экспериментальных точек составляет 23 об/мин.

Аналитическая аппроксимация обратной функции имеет вид:

n = 6,8928 · 10 -8 · n 3 — 3,5139 · 10 -4 · n 2 + 0,61694 · n — 21,37 [В,об/мин] (2)

Максимальное отклонение экспериментальных точек составляет 3,56 В.

По полученной зависимости определяем обороты n_ном при U_пит1 = 220 В и требуемую величину напряжения питания U_пит2 для получения n_ном/2. В конкретном случае результаты следующие: n_ном = 2584 об/мин (U_пит1= 220 В) и U_пит2 = 140 В для n_ном/2 = =1292 об/мин. Экспериментально, путем подбора балластных конденсаторов, определяем требуемую величину емкости по достижению требуемого напряжения на двигателе. В данном конкретном случае она составила 790 нФ. Данная величина получена путем параллельного соединения нескольких конденсаторов. Из-за разброса параметров двигателей номинал балластного конденсатора может незначительно корректироваться.

Необходимо обратить внимание на одну особенность. Электродвигатель имеет резистивноиндуктивный импеданс. Конденсатор совместно с обмотками двигателя образует последовательный колебательный контур.

На частоте резонанса этого контура возможно появление повышенных напряжений на электродвигателе и конденсаторе, зависящих от добротности контура. При этом возможен пробой конденсатора.

На рис. 2 приведена теоретическая зависимость напряжения питания электродвигателя от емкости конденсатора. При больших значениях емкости напряжение питания стремится к сетевому. При этом кривая круче в области до резонансной частоты. Эта зависимость подсказывает, что подбор емкости конденсатора нужно начинать от малых величин путем их медленного увеличения, а не наоборот!

Рис. 2. Зависимость питающего напряжения на вентиляторе от емкости балластного конденсатора

На рис. 3 приведена принципиальная схема управления вентилятора. Балластная конденсаторная группа C1*, разрядный резистор R1 и схема питания идикации работы на элементах C2, R2, R3, VD1-VD5 находятся внутри пластмассового корпуса вентилятора. Неоновая лампа красного цвета заменена синым светодиодом, лучше ассоциирующимся с воздушным потоком. Цепь R2 R3 C2 является токоограничительной. Мостовые выпрямители (VD1-VD4, VD6-VD9 и VD10-VD13) практически работают в режиме короткого замыкания, поэтому обратное напряжение непроводящих диодов практически отсуствует. Можно применять диоды с U _ОБР вплоть до 50 В.

Рис. 3. Схема управления и сигнализации вентилятора

вентилятору подключена 3-проводная питающая линия. Он управляется двумя переключателями SA1, SA2 на одной панели, с независимым механическим ходом каждой половины, переключатель SA1 только включает/выключает вентилятора, а переключатель SA2 определяет скорость вращения — 50% или 100%. Режим работы вентилятора индицируется синими светодиодами VD15 и VD16. Стабилитрон VD14 защищает диоды VD10. VD13 от пробоя при возможном обрыве проводов, соединяющих диоды VD15, VD16.

В режиме 50% оборотов двигатель питается через балластный конденсатор C1. Светодиод оптрона питается через резистор R5 и мост VD6-VD9. Фототранзистор оптрона шунтирует светодиод VD16, поэтому светится только светодиод VD15.

В режиме 100% оборотов двигатель питается непосредственно светодиод оптрона ток не течет, фототранзистор закрыт и оба светодиода VD15, VD16 светятся.

Все светодиоды можно питать и однополупериодными выпрямителеми, но тогда появляется мерцание и интенсивность свечения ниже.

Для большей безопасности к переключателю SA1 подключен фазный проводник.

Автор: Георги Димитров (г. Варна, Болгария)

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Частотный преобразователь для электродвигателя

Недостатки механического регулирования оборотов ротора электродвигателя

Управление крутящим моментом двигателя посредством механических устройств не снижает пусковой ток двигателя и обладает малым диапазоном регулирования. К тому же, механические устройства – вариаторы при работе испытывают значительные механические нагрузки и подвержены износу. Это обуславливает высокую себестоимость по сравнению с преобразователями частоты, которые лучше адаптированы под частые перегрузки.

Частотные преобразователи подключаются непосредственно к двигателю, что позволяет исключить применение дополнительных механизмов. Также при необходимости преобразователь частоты может временно повысить скорость выше номинальной, в отличие от механического регулирования скорости, которое обычно ограничивает ее диапазон и сужает возможности в выборе режима функционирования электродвигателя.

Технические аспекты применения частотных преобразователей

В настоящее время, асинхронный электродвигатель стал основным устройством в большинстве электроприводов. Все чаще для управления им используется частотный преобразователь – инвертор с ШИМ регулированием. Такое управление дает массу преимуществ, но и создает некоторые проблемы выбора тех или иных технических решений. Попробуем разобраться в них более подробно.

Выбор мощности частотного преобразователя

При выборе мощности частотного преобразователя необходимо основываться не только на мощности электродвигателя, но и на номинальных токах и напряжениях преобразователя и двигателя. Дело в том, что указанная мощность частотного преобразователя относится только к эксплуатации его со стандартным 4-х полюсным асинхронным электродвигателем в стандартном применении.

Реальные приводы имеют много аспектов, которые могут привести к росту токовой нагрузке привода, например, при пуске. В общем случае, применение частотного привода позволяет снизить токовые и механические нагрузки за счет плавного пуска. Например, пусковой ток снижается с 600% до 100-150% от номинального.

Работа привода на пониженной скорости

Необходимо помнить, что хотя частотный преобразователь легко обеспечивает регулирование по скорости 10:1, но при работе двигателя на низких оборотах мощности собственного вентилятора может не хватать. Необходимо следить за температурой двигателя и обеспечить принудительную вентиляцию.

Электромагнитная совместимость

Поскольку частотный преобразователь – мощный источник высокочастотных гармоник, то для подключения двигателей нужно использовать экранированный кабель минимальной длины. Прокладку такого кабеля необходимо вести на расстоянии не менее 100 мм от других кабелей. Это минимизирует наводки. Если нужно пересечь кабели, то пересечение делается под углом 90 градусов.

Питание от аварийного генератора

Плавный пуск, который обеспечивает частотный преобразователь позволяет снизить необходимую мощность генератора. Так как при таком пуске ток снижается в 4-6 раз, то в аналогичное число раз можно снизить мощность генератора. Но все равно, между генератором и приводом должен быть установлен контактор, управляемый от релейного выхода частотного привода. Это защищает частотный преобразователь от опасных перенапряжений.

Питание трехфазного преобразователя от однофазной сети

Трехфазные частотные преобразователи могут быть запитаны от однофазной сети, но при этом их выходной ток не должен превышать 50% от номинального.

Читать еще: Что то свистит двигатель 1zz

Экономия электроэнергии и денег

Экономия происходит по нескольким причинам. Во-первых, за счет роста косинуса фи до значений 0.98, т.е. максимум мощности используется для совершения полезной работы, минимум уходит в потери. Во-вторых, близкий к этому коэффициент получается на всех режимах работы электродвигателя.

Без частотного преобразователя, асинхронные двигатели на малых нагрузках имеют косинус фи 0.3-0.4. В-третьих, нет необходимости в дополнительных механических регулировках (заслонках, дросселях, вентилях, тормозах и т.д.), все делается электронным образом. При таком устройстве регулирования, экономия может достигать 50%.

Синхронизация нескольких устройств

За счет дополнительных входов управления частотного привода можно синхронизировать процессы на конвейере или задавать соотношения изменения одних величин, в зависимости от других. Например, поставить в зависимость скорость вращения шпинделя станка от скорости подачи резца. Процесс будет оптимизирован, т.к. при увеличении нагрузки на резец, подача будет уменьшена и наоборот.

Защита сети от высших гармоник

Для дополнительной защиты, кроме коротких экранированных кабелей, используются сетевые дроссели и шунтирующие конденсаторы. Дроссель, кроме того, ограничивает бросок тока при включении.

Правильный выбор класса защиты

Для безотказной работы частотного привода необходим надежный теплоотвод. Если использовать высокие классы защиты, например IP 54 и выше, то трудно или дорого добиться такого теплоотвода. Поэтому, можно использовать отдельный шкаф с высоким классом защиты, куда ставить модули с меньшим классом и осуществлять общую вентиляцию и охлаждение.

Параллельное подключение электродвигателей к одному частотному преобразователю

С целью снижения затрат, можно использовать один частотный преобразователь для управления несколькими электродвигателями. Его мощность нужно выбирать с запасом 10-15% от суммарной мощности всех электродвигателей. При этом нужно минимизировать длины моторных кабелей и очень желательно ставить моторный дроссель.

Большинство частотных преобразователей не допускают отключение или подключение двигателей с помощью контакторов во время работы частотного привода. Это производится только через команду “стоп” привода.

Задание функции регулирования

Для получения максимальных показателей работы электропривода, таких как: коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, перегрузочная способность, плавность регулирования, долговечность, нужно правильно выбирать соотношение между изменением рабочей частоты и напряжения на выходе частотного преобразователя.

Функция изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки. При постоянном моменте, напряжение на статоре электродвигателя должно регулироваться пропорционально частоте (скалярное регулирование U/F = const). Для вентилятора, например, другое соотношение – U/F*F = const. Если увеличиваем частоту в 2 раза, то напряжение нужно увеличить в 4 (векторное регулирование). Есть приводы и с более сложными функциями регулирования.

Преимущества использования регулируемого электропривода с частотным преобразователем

Кроме повышения КПД и энергосбережения такой электропривод позволяет получить новые качества управления. Это выражается в отказе от дополнительных механических устройств, создающих потери и снижающих надежность систем: тормозов, заслонок, дросселей, задвижек, регулирующих клапанов и т.д. Торможение, например, может быть осуществлено за счет обратного вращения электромагнитного поля в статоре электродвигателя. Меняя только функциональную зависимость между частотой и напряжением, мы получаем другой привод, не меняя ничего в механике.

Изучение документации

Следует заметить, что хотя частотные преобразователи похожи друг на друга и освоив один, легко разобраться с другим, тем не менее, необходимо тщательно изучать документацию. Некоторые производители накладывают ограничения на использование своей продукции, а при их нарушении снимают изделия с гарантии.

Популярные товары

Электродвигатели

Принцип действия

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Обмотка ротора состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (беличья клетка). Обмотка статора (обмотка возбуждения) питается от сети переменным током – образуется вращающееся магнитное поле, которое индуцирует в обмотках ротора ток. На проводники с током обмотки ротора со стороны магнитного поля обмотки возбуждения действуют электромагнитные силы — образуется вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля статора (поэтому электродвигатель и называется асинхронным), в противном случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю и магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и создавать крутящий момент.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Обмотки ротора выводятся на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включается пускорегулирующий реостат. Увеличивая сопротивление реостата в момент пуска, можно увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток.

Синхронные электродвигатели

Обмотка статора (якорная обмотка) питается от сети переменным током – образуется вращающееся магнитное поле. На роторе находится индукторная обмотка, выведенная на контактные кольца. При пуске обмотки ротора закорачиваются накоротко или через реостат, и двигатель разгоняется в асинхронном режиме. После выхода на скорость, близкую к номинальной, индуктор запитывается постоянным током — создаётся постоянное магнитное поле, которое сцепляется с магнитным полем статора и начинает вращаться с ним синхронно (двигатель входит в синхронизм).

Режимы работы асинхронного двигателя

Двигательный

Электродвигатель преобразует электрическую энергию, потребляемую из сети, в механическую.

Генераторный

Асинхронный двигатель переходит в генераторный режим, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля – на валу появляется тормозной момент. В этом режиме электродвигатель преобразовывает механическую энергию в электрическую и отдаёт её в сеть.

Электромагнитного тормоза

Асинхронный двигатель переходит в режим электромагнитного тормоза, если ротор и магнитное поле статора вращаются в разные стороны — на валу появляется тормозной момент, но двигатель при этом продолжает потреблять электроэнергию из сети — вся потребляемая энергия идёт на нагрев двигателя.

Способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя

Реостатное

В цепь ротора (двигателя с фазным ротором) вводятся добавочные сопротивления — механическая характеристика двигателя становится мягче (ухудшается устойчивость работы, увеличивается скольжение), скорость снижается, при этом увеличивается пусковой момент и сохраняется перегрузочная способность.
Недостатки: большие потери на реостате, скорость меняется скачками.

Изменением числа пар полюсов

В многоскоростных двигателях, по-разному коммутируя обмотки статора, можно менять число пар полюсов, а значит и скорость вращения вала, т.к. скорость вращения магнитного поля пропорциональна числу пар полюсов. При этом способе сохраняется КПД и жёсткость механических характеристик, но снижается перегрузочная способность (которую можно сохранить, изменяя напряжение).
Недостатки: ступенчатое регулирование, высокая цена, большие габариты.

Частотное

Для этого способа регулирования применяются преобразователи частоты. Если при изменении частоты сохранять неизменным магнитный поток (а для этого мы должны поддерживать постоянным соотношение U/f), то мы получаем семейство механических характеристик с одинаковой жёсткостью и перегрузочной способностью.
Преимущества: плавность регулирования, отличные экономические характеристики, возможность увеличивать частоту выше 50 Гц (частоты сети).

Как выбрать электродвигатель

Обмотка ротора

Короткозамкнутый ротор (беличья клетка)
Фазный ротор: обмотка ротора выведена на контактные кольца, вращающиеся с валом двигателя. С помощью металлографитовых щёток в цепь ротора включается пуско-регулирующий реостат. С помощью этого реостата можно уменьшить пусковой ток и регулировать скорость вращения вала двигателя.

Обмотка статора, напряжение питания

Обмотка статора может быть соединена по схеме «звезда» или «треугольник».
Если на шильдике двигателя написано: 220/380, D/Y, то это значит, что двигатель можно включать в сеть с U_л = 220 В по схеме «треугольник», а с U_л = 380 В — по схеме «звезда».

Для IEC двигателей стандартное напряжение — 230/400 В, а для отечественных — 220/380 В.

Типоразмер

Типоразмер или габарит (Frame size) — это расстояние в миллиметрах «от пола» до оси вала двигателя. Типоразмеры отечественных двигателей (ГОСТ) и импортных (IEC, NEMA) в общем случае не совпадают: наши двигатели ниже, чем импортные той же мощности.

Материал корпуса (станины)

Алюминий (Aluminium)
Чугун (Cast Iron).

Коэффициент полезного действия (Efficiency)

КПД η равен отношению механической мощности на валу двигателя P₂ к потребляемой из сети электрической мощности P₁.

Выходная мощность меньше входной на величину потерь.

Класс энергоэффективности

EFF1 (High Efficiency motors)
EFF2 (Improved Efficiency motors)
EFF3 (Conventional Efficiency motors).

Монтажное исполнение

Лапы (Foot) литые с корпусом или прикручиваемые
Фланцы (Flange) с врезными отверстиями (малые фланцы) или со сквозными (большие фланцы)
Комбинированные — лапы и фланец.

Читать еще: Что стучит в двигателе d4bh

Класс защиты корпуса двигателя IP

Стандартная степень защиты электродвигателей — IP55.

Скорость вращения

Скорость вращения магнитного поля двигателя (синхронная скорость):
n₁ = 60f / p [об/мин],
где p — число пар полюсов двигателя,
f — частота сети (50 Гц).

2 полюса — 3000 об/мин
4 полюса — 1500 об/мин (стандарт)
6 полюсов — 1000 об/мин
8 полюсов — 750 об/мин
10 полюсов — 600 об/мин
12 полюсов — 500 об/мин.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя меньше скорости вращения магнитного поля:
n₂ = n₁(1 — s),
где s — скольжение.

Многоскоростные электродвигатели — это двигатели, у которых ступенчатое изменение скорости реализовано с помощью переключения числа пар полюсов.

Температура окружающей среды и высота над уровнем моря

При установке двигателя выше 1000 метров над уровнем моря и при эксплуатации при повышенной температуре окружающей среды необходимо учитывать снижение (Derating) мощности двигателя (для этого есть специальные таблицы).

Класс нагревостойкости изоляции

B — 130° С
F — 150° С (достаточно для работы от преобразователя частоты)
H — 180° С

Номинальные характеристики двигателя для всех классов изоляции указываются для температуры охлаждающей среды +40°С.

Режим нагрузки (Duty)

S1 — продолжительный: двигатель работает при установившейся температуре
S2 — кратковременный: двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, но во время остановки успевает полностью охладиться
S3 — повторно-кратковременный: работа с постоянной нагрузкой чередуется с выключениями, при этом двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
S4 — повторно-кратковременный с длительными пусками: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
S5 — повторно-кратковременный с длительными пусками и электрическим торможением: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
S6 — перемежающийся: работа с постоянной нагрузкой чередуется с работой на холостом ходу, при этом двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
S7 — перемежающийся с длительными пусками и торможениями: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
S8 — перемежающийся с периодическим изменением скорости вращения: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры

Тепловая защита двигателя

PTC-термисторы — это резисторы, сопротивление которых мгновенно возрастает при достижении заданной температуры. От 1 до 3 термисторов соединяются последовательно для сигнализации температуры отключения (Trip), например, 155°C. Ещё одна цепочка термисторов может быть настроена на сигнал предупреждения (Alarm), например, 145°C.
PT100 — платиновые датчики температуры обладают высокой стойкостью к окислению и большой точностью измерения. PT100 подключаются по 2-х, 3-х или 4-х проводной схеме (чем больше проводов — тем меньше влияние помех).
От 3 до 6 датчиков PT100 могут устанавливаться в обмотку статора.
Для измерения температуры подшипников могут быть использованы ещё 2 датчика PT100.
KTY — кремниевые термодатчики с положительным коэффициентом сопротивления, характеризуются высокой линейностью характеристики, высоким быстродействием, надёжной твёрдотельной конструкцией и небольшой стоимостью.

Сервис-фактор

Двигатель с сервис-фактором 1.1 может постоянно работать с перегрузкой 10% от номинального выходного момента.

Класс по моменту (Torque class)

Класс по моменту показывает кратность пускового момента (при прямом пуске от сети) при пониженном на 5% напряжении:

Класс 16 — 160%
Класс 13 — 130%
Класс 10 — 100%
Класс 7 — 70%
Класс 5 — 50%

Коэффициент мощности cos φ

Коэффициент мощности (cos φ) равен отношению потребляемой двигателем активной мощности к полной мощности.
Активная мощность расходуется на совершение полезной работы.
Полная мощность равна геометрической сумме активной и реактивной мощности.
Реактивная мощность расходуется на намагничивание двигателя.

Антиконденсационный нагрев

Для того, чтобы перед пуском двигателя в сыром помещении просушить обмотки есть два способа:

Использовать двигатель со специальным встроенным нагревателем
Подать на одну обмотку статора напряжение от 4 до 10% номинального (чтобы пропустить ток от 20 до 30% от номинального), что достаточно для испарения конденсата (применимо не для всех двигателей). Некоторые преобразователи частоты умеют это делать.

Охлаждение

Поверхностное охлаждение (Non-ventilated: вентилятора нет)
Самовентиляция (Self-ventilated: вентилятор на валу двигателя)
Принудительное охлаждение (Forced cooling: независимый вентилятор или жидкостное охлаждение водой или маслом)

Для турбомеханизмов (вентиляторы и насосы, для которых момент на валу пропорционален квадрату скорости), как правило, достаточно самовентиляции.
Двигатели, которые работают от преобразователей частоты с постоянным моментом длительное время на низких скоростях, необходимо или переразмеривать, или обеспечить принудительным охлаждением.

Вентилятор

Пластиковый
Металлический
Металлический с увеличенным моментом инерции

Требования к двигателю при работе от преобразователя частоты

Температурный класс изоляции не ниже F
Возможно принудительная вентиляция (см. выше)
Изолированный подшипник с нерабочей стороны вала (рекомендуется для типоразмеров 225 и выше)

Подшипники

При работе от преобразователя частоты на частотах выше 50 Гц срок службы подшипников уменьшается.

У одних двигателей с рабочей стороны вала установлен плавающий подшипник (Floating bearing), а с нерабочей стороны подшипник зафиксирован (Located bearing). У других — наоборот (для сочленения с редуктором, например).

В стандартном исполнении подшипники подпружинены в аксиальном направлении (вдоль вала) для обеспечения равномерной работы двигателя. У двигателей с радиально-упорными подшипниками такой пружины нет, поэтому радиальное усилие (перпендикулярно валу — от ремня, например) должно быть приложено постоянно, иначе подшипник быстро выйдет из строя.

Смазка

Как правило, для двигателей с типоразмерами до 250, работающих в номинальном режиме, смазка рассчитана на весь срок службы подшипников.
Для пополнения смазки у двигателя должен быть предусмотрен специальный ниппель.

Вал двигателя

У двигателя может быть выведен второй конец вала двигателя, который может передавать как номинальный, так и меньший момент.
Второй конец вала несовместим с такими опциями как: датчик скорости и вентилятор принудительного охлаждения, а, возможно, и с тормозом.

Тормоз

При выборе тормоза необходимо учесть:

Тип:
- статический (удерживающий тормоз срабатывает только при неподвижном вале)
- динамический (можно регулировать момент торможения, меньше изнашивается в случае аварийного торможения)
Максимальную скорость, при которой возможно аварийное торможение
Момент нагрузки
Момент инерции
Число пусков
Напряжение питания: переменное (
220В) или постоянное (=24В)
Скорость срабатывания: тормоз с выключением на DC-стороне срабатывает быстрее (для подъёмника, например), чем тормоз с выключением на AC-стороне (для конвейера)

Датчик скорости

Датчик скорости может находится герметично внутри корпуса (Incapsulated) или снаружи под защитной крышкой.

Как повысить КПД электродвигателя: выбираем оптимальное решение

Несмотря на высокую эффективность современных электромеханических преобразователей, в процессе их работы все же возникают потери магнитной, электрической и механической энергии, сопровождающиеся выделением тепла, усилением шума и вибрации. Это обусловлено трением элементов, перемагничиванием в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя, скачками нагрузок… Можно ли минимизировать эти «утечки», повысив тем самым КПД, и если да, то как этого добиться? Об этом мы и поговорим в данной статье.

Современные подходы к повышению КПД асинхронных двигателей

Согласно общепринятой классификации электрические машины бывают синхронными — с одинаковой частотой вращения ротора и магнитного поля, и асинхронными — в которых магнитное поле вращается с более высокой скоростью, чем ротор. Электродвигатели последнего типа получили более широкое распространение: порядка 90% всех двигателей на планете являются асинхронными. Они применяются во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства и сферы ЖКХ. Такая популярность объясняется тем, что данные механизмы просты в изготовлении, надежны, доступны по цене и не требуют больших эксплуатационных затрат. Кроме того, КПД асинхронного электродвигателя значительно выше, чем синхронного.

Но есть у подобной техники и существенные недостатки. В частности, высокий пусковой ток, недостаточный пусковой момент, несогласованность механического момента на валу привода с механической нагрузкой (что приводит к лавинообразному росту силы тока и избыточным механическим нагрузкам при запуске и снижению КПД в периоды пониженной нагрузки), невозможность точной регулировки скорости работы прибора и т.д. Все эти факторы приводят к тому, что эффективность работы механизма существенно снижается.

Для повышения эффективности работы электропривода необходимо обеспечивать его загрузку на уровне не менее 75%, увеличивать коэффициент мощности, регулировать напряжение и где возможно — частоту подаваемого тока. Реализация этих мер обеспечивается использованием специального оборудования, позволяющего повысить КПД электродвигателя. Однако не во всех случаях возможно или необходимо реализовать их все.

Такие приборы подразделяются на частотные преобразователи, которые изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения, а также устройства плавного пуска, ограничивающее скорость нарастания пускового тока и его максимальное значение. В этой статье мы сравним современные решения для повышения КПД двигателей с позиций эффективности работы и экономической целесообразности.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Одним из наиболее действенных средств повышения эффективности работы электродвигателя является частотный преобразователь, который трансформирует однофазное или трехфазное напряжение с частотой 50 Гц в напряжение с требуемой частотой (обычно от 1 Гц до 300–400 Гц, но иногда и до 3000 Гц) и амплитудой.

Принцип работы преобразователя частоты

«Частотник» (так в профессиональной среде называют преобразователь частоты) состоит из:

Микропроцессора, обеспечивающего управление электронными ключами, а также контроль работы оборудования, его диагностику и защиту.
Схем, функционирующих в режиме ключей и открывающих тиристоры или транзисторы. Несколько более эффективными считаются тиристорные преобразователи частоты, так как они могут работать с высокими напряжениями и токами и имеют КПД до 98%. Однако при не слишком больших мощностях это преимущество практически незаметно.

Существует два класса приборов в зависимости от устройства и принципов работы:

С непосредственной связью.Такие преобразователи представляют собой выпрямители. Система осуществляет отпирание тиристоров и подключение обмотки к сети, в результате чего образуется выходное напряжение с частотой 0–30 Гц и ограниченным диапазоном управления скоростью вращения привода. Такие устройства не могут использоваться при оснащении мощного оборудования, регулирующего множество технологических параметров.
С промежуточным звеном постоянного тока.В подобных аппаратах производится двойное преобразование энергии: входное напряжение выпрямляется, затем фильтруется и сглаживается, а потом при помощи инвертора снова трансформируется в напряжение с необходимой амплитудой и частотой. Подобное преобразование может несколько снижать КПД оборудования, но такие преобразователи частоты имеют широкое применение в силу того, что могут давать на выходе напряжение с высокой частотой.

Наибольшую популярность получили устройства второго типа, обеспечивающие плавную регулировку оборотов двигателей.

Возможности частотных преобразователей

Эффективность того или иного преобразователя во многом зависит от соответствия его функциональных возможностей целям использования. Так, для оснащения электроприводов насосов и вентиляторов используются преобразователи с невысокой перегрузочной способностью и зачастую с U/f-управлением, которые при необходимости могут повышать начальное значение выходного напряжения с целью увеличения момента двигателя на низких частотах.

Более совершенными являются устройства с векторным управлением, которые регулируют не только частоту и амплитуду выходного напряжения, но и фазы тока, протекающего через обмотки статора. Они устанавливаются на прокатные станы, конвейеры, подъемное, упаковочное оборудование и др.

Если необходимо выполнять контролируемое торможение двигателя, используется функция замедления, которая обеспечивают остановку механизма за счет изменения частоты до нужного уровня. Однако, если требуется интенсивное замедление, может понадобиться «частотник», оснащенный встроенными или внешними блоком торможения и тормозным резистором либо рекуперативным блоком торможения. В режиме динамического торможения двигатель переходит в генераторный режим и трансформирует механическую энергию в электрическую, которая возвращается в звено постоянного тока и либо рассеивается в виде тепла на сопротивлении тормозного резистора, либо возвращает энергию в сеть посредством рекуперации. Это решение актуально для станкового и конвейерного оборудования.

Частотный преобразователь с обратной связью позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при переменной нагрузке с более высокой точностью, чем преобразователь без обратной связи, тем самым повышая качество технологического процесса в замкнутых системах. Такие устройства используются в робототехнике, дерево- и металлообработке, в системах высокоточного позиционирования.

Стоимость

В последнее время стоимость «частотников», как бы выразились финансисты, подвержена высокой волатильности — за год–полтора цены увеличились более чем в 2 раза, что объясняется колебаниями валютного курса. Частотные преобразователи российского и зарубежного производства мощностью порядка 90 кВт в январе-феврале 2017 года обходятся покупателям в 375–685 тысяч рублей.

Достоинства и недостатки

Таким образом, преобразователь частоты для асинхронного двигателя, принцип работы которого описан выше, обеспечивает снижение расхода электроэнергии, плавный запуск привода и высокую точность регулировки, увеличивает пусковой момент и стабилизирует скорость вращения при переменной нагрузке. Все это в совокупности позволяет повысить коэффициент полезного действия машины. К недостаткам «частотника» можно отнести его высокую стоимость, а также создание электромагнитных помех в процессе работы.

Устройства плавного пуска: контроллеры-оптимизаторы

Для обеспечения плавного запуска, разгона и остановки электродвигателя используются устройства плавного пуска (УПП). Эти приборы ограничивают скорость увеличения пускового тока в течение определенного времени.

Традиционные устройства плавного пуска не решают задачу повышения КПД. Кроме того, они могут применяться только для управления приводами с небольшой нагрузкой на валу. Однако сегодня существуют разновидности УПП, позволяющие повысить энергоэффективность двигателей путем согласования крутящего момента с моментом нагрузки и, как следствие, снижения потребления электроэнергии на минимальных нагрузках на 30–40% — это контроллеры-оптимизаторы. Последние предназначены для приводов, не нуждающихся в изменении числа оборотов двигателя.

Например, чтобы снизить энергопотребление эскалатора при помощи преобразователя частоты, потребовалось бы уменьшить его скорость, но это невозможно, потому что тогда подъем пассажиров потребует более продолжительного времени. А контроллеры-оптимизаторы позволяют снизить энергопотребление без изменения скорости электропривода в тех случаях, когда он недогружен.

Принцип работы

Контроллеры-оптимизаторы — это регуляторы напряжения питания электродвигателя, осуществляющие контроль за фазами тока и напряжения. Они обеспечивают полное управление приводом на всех этапах работы и защищают его от повышенного и пониженного напряжения, перегрузки, обрыва или нарушения чередования фаз и т.д. Контроллеры-оптимизаторы согласуют значение крутящего механического момента, развиваемого электродвигателем, со значением механического момента нагрузки на его валу за счет изменения напряжения питания двигателя. При этом скорость вращения ротора электродвигателя остается прежней, а коэффициент мощности повышается. Это оборудование является функционально законченным и не требует подключения дополнительных устройств.

При работе привода в режиме динамично меняющихся нагрузок контроллер обеспечивает прекращение отбора мощности из питающей сети в те моменты, когда полупроводниковые переходы тиристоров (управляемых диодов) закрыты, то есть не пропускают электрический ток. Тиристоры открываются при поступлении управляющих импульсов, задержка подачи которых определяется степенью загрузки привода, а закрываются при переходе тока через ноль.

Возможности

Контроллеры-оптимизаторы обеспечивают повышение КПД дробилок, вентиляторов, ленточных транспортеров, обрабатывающих станков, крутильных агрегатов, лебедок и другого оборудования, используемого в промышленности, сельском хозяйстве и сфере ЖКХ. В том числе эти устройства предотвращают перегрузки кронштейнов при запуске мешалок, нейтрализуют гидроудары в трубопроводах, обеспечивают плавный запуск тяжело и очень тяжело нагруженного оборудования, на что не способны обычные устройства плавного пуска, и др.

Стоимость

Контроллеры-оптимизаторы не только обеспечивают повышение КПД оборудования, но и более доступны по цене, чем частотные преобразователи. Так, средняя цена устройства отечественного производства мощностью около 90 кВт в первые месяцы 2017 года составила порядка 92–106 тысяч рублей.

Достоинства и недостатки

Контроллеры-оптимизаторы оперативно реагируют на изменение напряжения, снижают расходы электроэнергии на 30–40%, уменьшают влияние реактивной нагрузки на сеть, повышают КПД привода, позволяют сократить расходы на конденсаторные компенсирующие устройства, продлевают срок службы оборудования и повышают экологичность производства. Кроме того, они отличаются более доступной ценой, нежели преобразователи частоты. Единственным ограничением для применения контроллера является невозможность его использования в тех случаях, когда необходимо изменять скорость вращения электродвигателя.

Выбираем лучшее решение для повышения КПД

Выбор устройства для повышения КПД двигателя того или иного электропривода определяется особенностями работы оборудования. Так, если скорость привода нужно изменять, то единственно возможным решением является покупка преобразователя частоты. Если скорость вращения двигателя менять нельзя или это делать необязательно, то лучшим решением будет использование контроллеров-оптимизаторов, которые имеют более доступную стоимость, чем «частотники».