Регулировка оборотов электродвигателя

Электрическая машина при включении напрямую к источнику питания вращается с одной скоростью, которая не подходит отдельным производственным процессам. Для расширения круга выполняемых задач необходима регулировка оборотов электродвигателя. Эту опция можно задействовать разными устройствами и у каждого свои особенности.

Для чего нужно регулирование

Электродвигатели по умолчанию вращаются с одной постоянной скоростью, которая определяется характеристиками тока. Например, работающие от однофазной сети 220В с частотой 50 Гц асинхронные агрегаты будут вращаться с постоянной скоростью 3000 об./мин.

На практике целесообразнее и выгоднее использовать двигатель для разных однотипных задач. Поэтому применяется регулировка оборотов, которая предусматривает изменение угловой скорости вращения валов или шкивов. Она необходима для работы бытовых стиральных машин, болгарок, насосов, вентиляторов, приборов и электроинструментов в разных скоростных режимах.

С технической стороны регулируемый крутящий момент открывает две возможности:

изменить текущие обороты;
зафиксировать крутящий момент на определенном значении.

На практике же такая опция открывает новые возможности:

Установление оптимальной скорости вращения.
Для насосов и конвейеров можно регулировать подачу вещества, сырья, заготовок в необходимом объеме на единицу времени.
Плавно запускать двигателя.
Постепенное наращивание крутящего момента для выхода на номинальную рабочую мощность. По такому же принципу поддерживается и плавность отключения оборудования.
Экономия электроэнергии.
Возможность регулировать потребляемую мощность путем убавления оборотов электрической машины.
Предотвращение перегрева.
Принудительное понижение скорости вращения в ситуациях, когда при работе на номинальной мощности возникает избыточное тепло или нагрузка (вызванное сторонними причинами, не связанными с исправностью агрегата).

С возможностями регулировки оборотов электродвигатель выполняет более широкий круг задач в технике.

Типы устройств

Регулировка числа оборотов организуется путем включения в цепь дополнительного устройства. По функционированию они делятся на два типа:

Фиксаторы оборотов.
При включении электродвигатель сразу вращается со скоростью, установленной при регулировании. Происходит обычный запуск, но с поддержанием крутящего момента ниже номинального.
Регуляторы.
Могут устанавливать желаемое количество оборотов в пределах диапазона, поддерживаемого агрегатом.

Фиксаторы — это специальные механические устройства — магнитные блокираторы, соединительные муфты. Их задача понизить скорость вращения коллекторного двигателя постоянного тока на конкретный коэффициент. Это простые и дешевые устройства устарели, но их еще применяют, когда необходимо только 2-3 рабочие скорости или аварийное снижение мощности для проверки холостого хода. Современные фиксаторы — это в основном самодельные устройства, которые легко изготовить и подключить.

Регуляторы рассчитаны на задание точной скорости вращения ниже номинальной. Они представлены преимущественно электронными устройствами и целыми системами, влияющими на ток в цепи питания.

Способы регулировки

Принцип действия разных устройств сильно отличается, но выполняют они одну задачу — понизить количество оборотов вала электрической машины.

Ввод сопротивления

С помощью переменных резисторов можно регулировать скорость вращения магнитного поля на единицу электроэнергии. Регулировка скольжения прямо пропорционально меняет и крутящий момент у ротора.

Регулировка оборотов переменными резисторами сопровождается рядом нюансов:

С ростом сопротивления уменьшается нагрев проводника.
Перегрев исключается благодаря сокращению избыточного тепла, что является большим плюсом для моторов с короткозамкнутым ротором в плане аварийности.
Характеристики тока не меняются.
При меньших оборотах мотор продолжит потреблять такой же объем электроэнергии, как и при работе на номинальной мощности.

В результате регулировка скорости вращения сопровождается пропорциональными потерями КПД. Это экономически необоснованно и переменные резисторы используются лишь для краткосрочного понижения оборотов (например, чтобы избежать перегрева оборудования, которому вредна резкая остановка)

Перемычка витков обмотки

Принцип регулировки заключается в сокращении пути для тока по обмотке с помощью подвижного контакта. Простыми словами — происходит принудительное и контролируемое короткое замыкание.

Преимущество такого способа в минимальном шаге изменения оборотов (за счет большого числа витков) и возможности точно регулировать крутящий момент инструмента. Но конструкция агрегата — это большой минус. Подключение контроллера выполняется внутри корпуса электрической машины, которую сложно разобрать и собрать. Перемычка витков имеет особое значение только в долговечных и надежных электродвигателях, которые требуют минимального обслуживания.

За счет малого шага и точной регулировки синусоиды перемычку витков обмотки статора двигателя часто называют автотрансформаторным методом изменения оборотов.

Изменение импульса тока

Ток подается через выпрямительный блок на коллектор управляемых транзисторов, от которых передается обмоткам возбуждения. В отличие от частотного преобразователя, в этом случае понижается напряжение каждого поступившего импульса на конкретный коэффициент. При этом интервал между ними не меняется. Синусоида переменного тока понижается, но не меняет свою форму.

Стоит отметить, сам по себе выпрямитель только повышает или понижает напряжение импульса, но не может регулировать его в обе стороны. Поэтому с ним бывает коллектор из двух транзисторов для регулировки оборотов на повышение и понижение.

Ввод полупроводников

На участке цепи между электродвигателем и питанием подключается меняющий ток тиристор. В одинаковый момент, при поступлении одинакового количества импульсов, тиристор пропускает их определенное число.

Например, для однофазной сети 220В с частотой 50 Гц каждую секунду количество импульсов будет уменьшаться от 50 до N, где N — их количество, которое требуется для установленной скорости вращения. Шагом для уменьшения числа импульсов служит нулевая фаза переменного тока.

В отличие от частотника, тиристор не растягивает паузу между каждым импульсом, а увеличивает период нулевой фазы.

Тиристорный регулятор можно подключить двумя схемами:

С встречным расположением пары полупроводников.
В этом варианте один тиристор работает на понижение оборотов электродвигателя, другой — на повышение.
Совместно с симистором.
При такой схеме единственный тиристор сможет уменьшить отрегулировать скорость вращения вала до требуемого значения. При выходе двигателя на номинальную мощность следует размыкание участка цепи с полупроводником симистором.

Тиристоры позволяют не только регулировать крутящий момент, но и обеспечить плавный пуск электрической машины. Но в этом случае остается проблема падения КПД и экономии расхода при использовании мотора.

Полюсное переключение

Этот метод регулировки предусматривает изменения скорости вращения магнитного поля за счет переключения между обмотками. По-сути не существует однофазных электромоторов с полюсным переключением.

В двухфазных электродвигателях изменение числа оборотов может происходить двумя способами:

переключением питания между обмотками с отличным количеством витков;
включением в работу определенного числа одинаковых обмоток неявнополюсного статора.

Во втором случае с питанием от однофазной общей сети для получения 1500 об./мин размыкается половина обмоток, а для 1000 об./мин — 2/3 (например, 8 из 12 обмоток). Функцию контроллера выполняет фазный конденсатор.

В трехфазных двигателях со схемой в виде треугольника каждая обмотка получает ток от отдельной фазы. Такие агрегаты могут поддерживать 3 скорости вращения и без регулятора. Достаточно сделать пофазное независимое возбуждение каждой обмотки статора. Но для этого потребуется подключить статор и якорь к отдельному питанию, а также нужен расчет и изготовление нестандартных обмоток.

Частотный преобразователь

Современный регулятор числа оборотов, который сегодня распространен в любых двигателях. Частотный преобразователь управляет широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Если простыми словами — меняется количество импульсов на единицу времени путем увеличения паузы между ними, а не периода нулевой фазы (как с тиристорами).

Современные частотные преобразователи представлены диммерами, которые влияют на ток во всей цепи питания, а нет только на отрезке электродвигателя. Они производятся не только для регулировки оборотов, но еще и управления яркостью освещения в сетях 220 Вольт.

По сравнению с другими регуляторами изменение частоты переменного тока диммером 3 ключевых преимущества:

Точная установка числа оборотов.
Можно добиться регулировки крутящий момент с точностью до единиц оборотов.
Экономичное потребление.
Расход электроэнергии снижается прямо пропорционально скорости вращения вала. Выгодное содержание некоторых устройств предусматривает автоматическую регулировку до оптимального значения.
Плавный пуск.
За счет точной регулировки поддерживается медленное нарастание и снижение оборотов до выхода на номинальную мощность или полной остановки.

Другие регуляторы поддерживают эти важные опции по отдельности и не считаются качественными устройствами. Всеми тремя может обеспечить только частотный преобразователь. Поэтому именно он сегодня распространен в качестве регулятора.