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.
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:
На практике же такая опция открывает новые возможности:
С возможностями регулировки оборотов электродвигатель выполняет более широкий круг задач в технике.
Регулировка числа оборотов организуется путем включения в цепь дополнительного устройства. По функционированию они делятся на два типа:
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.
Принцип действия разных устройств сильно отличается, но выполняют они одну задачу — понизить количество оборотов вала электрической машины.
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:
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)
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.
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.
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:
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.
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:
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.
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:
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.