В некоторых проектах в настоящее время можно наблюдать попытки использования часоттных преобразователей для плавного регулирования скорости однофазных асинхронных двигателей с вспомогательной фазой и конденсатором. В этой статье обобщены основные сведения об однофазных асинхронных двигателях и проанализированы характеристики приводов с этими двигателями при использовании частотных преобразователей.
Введение
Благодаря широкому ассортименту непрямых частотных преобразователей с промежуточной цепью постоянного напряжения и выходным инвертором IGBT и благодаря относительно выгодной цене этих устройств проблема возможности эксплуатации привода с плавным регулированием скорости с трехфазным асинхронным двигателем в случаях, когда имеется только однофазная сеть.
В диапазоне мощностей примерно до 5 кВт производители частотных преобразователей предлагают типы с однофазными входными выпрямителями и трехфазными выходами, а в некоторых случаях преобразователи встроены непосредственно в конструкцию двигателя.
Благодаря более выгодным характеристикам трехфазного асинхронного двигателей по сравнению с однофазными, использование однофазных двигателей теряет в этих случаях смысл.
Однако, несмотря на указанные факты, в ряде случаев в технической практике возникает потребность в плавном регулировании скорости однофазного асинхронного двигателя.
Это приводы со специальными однофазными асинхронными двигателями, конструкция которых составляет неотъемлемую часть всего оборудования. Наиболее частым случаем таких устройств являются вентиляционные системы небольшой мощности.
В случае реконструкции или модернизации этих устройств имеет смысл рассмотреть возможность использования преобразователей частоты совместно с однофазными двигателями с целью сохранения механической части устройства.
Использование однофазных асинхронных двигателей
Однофазные асинхронные двигатели обычно используются в случаях, где очевидны преимущества простых, удобных в эксплуатации, надежных и недорогих асинхронных двигателей, но где трехфазная система электропитания недоступна. Обычно это, например, область нерегулируемых приводов бытовой техники (например, холодильников, газонокосилок, в прошлом в значительной степени также стиральных машин). В силу названной области применения это двигатели меньшей мощности, примерно в пределах от десятков ватт до единиц киловатт.
Принцип работы однофазной асинхронной машины и основные характеристики
В отличие от трехфазного асинхронного двигателя создать вращающееся магнитное поле одной обмоткой на статоре асинхронной машины невозможно. Когда на эту единственную обмотку подается однофазное напряжение, создается пульсирующее поле.
Однако это пульсирующее магнитное поле можно разделить на два противоположно вращающихся поля с половиной магнитодвижущей силы. Пульсирующее поле включает в себя составляющую, соответствующую желаемым магнитным и механическим эффектам, и обратную составляющую, действие которой является разрушительным.
Можно отождествить характеристики однофазного асинхронного двигателя с характеристиками фиктивной модели двух асинхронных трехфазных двигателей на общем валу.
Направление вращающихся полей фиктивных двигателей на общем валу противоположно.
В области рабочей - устойчивой части механической характеристики, когда двигатель работает с малым скольжением, преобладает непрерывная составляющая вращающегося поля, т. к. большая часть конечного напряжения машины соответствует наведенному напряжению непрерывной составляющей.
В этом режиме преобладает момент, создаваемый непрерывной составляющей. Влияние малого момента обратной составляющей невелико, но за счет наличия обратной составляющей поля проявляется частичное увеличение машинных потерь.
Осложнением однофазного асинхронного двигателя является пуск, когда моментное действие последовательной и обратной составляющих вращающегося поля равно по величине, но противоположно по направлению.
Пусковой момент однофазного асинхронного двигателя поэтому равен нулю, и с помощью дополнительных мероприятий необходимо обеспечить увеличение пускового момента в нужном направлении до ненулевого значения.
При создании асинхронных двигателей для однофазного питания исходят из того, что вращающееся поле можно получить не только с помощью трехфазной системы, но и с помощью двухфазной системы, когда статор двигателя содержит две обмотки с пространственным сдвигом на 90°.
По этим обмоткам текут токи со сдвигом во времени на 90°. Это представление позволяет решить проблему пуска однофазного двигателя и создает предпосылки для улучшения характеристик крутящего момента в районе номинальной нагрузки.
Однофазный асинхронный двигатель имеет на статоре две обмотки - основную и вспомогательную. Мощность двигателя передается большей частью через основную обмотку, занимающую примерно две трети пазов статора. Основная обмотка питается непосредственно от однофазной сети. Вспомогательная обмотка рассчитана на меньший ток, чем основная обмотка.
Цель состоит в том, чтобы его магнитные эффекты вместе с магнитными эффектами основной обмотки создавали поле, максимально близкое к круговому полю. Однако почти круговое магнитное поле может быть достигнуто в основном только при работе двигателя с номинальной скоростью, в остальных случаях поле деформируется до эллиптического.
При подаче питания на вспомогательную обмотку цель состоит в том, чтобы добиться таких условий, чтобы можно было либо запустить двигатель только в нужном направлении путем достижения ненулевого пускового момента, либо оптимизировать работу даже при номинальной нагрузке, когда ток вспомогательная фаза смещена на 90° по сравнению с током основной фазы. Эффективное магнитное действие основной и вспомогательной фаз в идеале должно быть одинаковым.
Чаще всего необходимый сдвиг фаз вспомогательного фазного тока достигается включением конденсатора последовательно со вспомогательной обмоткой и питанием этой последовательной комбинации от однофазного источника параллельно основной обмотке.
Оптимизация конструкции двигателя, а также выбор величины емкости конденсатора может осуществляться либо с учетом максимально возможного пускового момента, либо с учетом наиболее благоприятных характеристик (момент, потери, КПД, пульсация момента, шума) при работе с определенной, обычно номинальной нагрузкой.
С точки зрения оптимизации конструкции двигателя для обеспечения максимального пускового момента наиболее выгодно, если вспомогательная обмотка имеет небольшое число витков. В этом случае также выгодно выбирать максимально возможную емкость пускового конденсатора.
Специальные электролитические конденсаторы используются только для запуска. После пуска конденсатор отключается, и двигатель работает только от однофазной сети.
Электролитические конденсаторы для этих приложений имеют емкость более 100 мкФ. Для достижения наиболее симметричного поля при работе вокруг номинальной нагрузки целесообразно большее число витков вспомогательной фазы и меньшая емкость конденсатора. Этот вариант в настоящее время более распространен.
Используемые конденсаторы имеют бумажный диэлектрик и постоянно соединены вместе со вспомогательной обмоткой. Емкости конденсаторов, постоянно подключенных вспомогательной обмоткой к источнику питания, обычно составляют десятки мкФ. При их работе постоянно подключенный конденсатор является источником тепловых потерь, возрастающих с увеличением частоты тока, в том числе и под влиянием высших гармоник.
В дополнение к тепловым параметрам конденсатора необходимо обратить внимание на параметры напряжения, поскольку напряжение конденсатора выше, чем напряжение питания.
Оптимизация обмотки и емкости постоянно подключенного конденсатора гарантирует, что при номинальной нагрузке двигателя достигается значительная симметрия вращающегося поля и, следовательно, хороший КПД, низкие потери, низкий уровень шума и хороший коэффициент мощности в этом состоянии, но не при пуске.
Сохранение оптимального состояния двигателя при заданной емкости постоянно подключенного конденсатора обусловлено постоянными действующим значением и частотой питающего напряжения и постоянным моментом нагрузки. При изменении одной из указанных величин векторная диаграмма будет разбалансирована – ток основной и вспомогательной фаз перестанет быть перпендикулярным друг другу, поле в машине деформируется, момент и КПД двигателя уменьшается, а потери и шум увеличиваются.
В некоторых случаях, когда вспомогательная обмотка должна обеспечивать только запуск двигателя, можно увеличить сопротивление вспомогательной обмотки вместо включения конденсатора. Эта концепция менее выгодна, чем конденсаторная коммутация, по размерам и ходу момента, но является конструктивно более простым решением.
В двигателях, предназначенных для резистивного пуска, вспомогательную обмотку часто выполняют из латунной проволоки, и ее сопротивление до пяти раз превышает сопротивление основной обмотки. В то же время вспомогательная обмотка имеет меньшее число витков, чем основная обмотка, благодаря чему при пуске через эту обмотку протекает максимально возможный ток и достигается максимально возможный крутящий момент.
Однако при пуске с резистивной вспомогательной обмоткой невозможно добиться соотношений перпендикулярности токов основной и вспомогательной обмоток. Двигатель, предназначенный для резистивного пуска, не подходит для емкостного пуска и наоборот.
Характеристики однофазного асинхронного двигателя с частотным регулированием
Для поддержания вращающегося поля с минимумом мешающих компонентов, т. е. для достижения оптимальных характеристик однофазного асинхронного двигателя с постоянно подключенным конденсатором необходимо поддерживать сдвиг фаз 90° между токами основной и вспомогательной фаз и поддерживать постоянное соотношение между величинами токов основной и вспомогательной фаз.
При частотном регулировании трехфазного асинхронного двигателя в простейшем случае действующее значение напряжения также изменяется линейно с частотой. Этим достигается постоянный магнитный поток машины и в то же время постоянный максимальный крутящий момент и постоянная жесткость механической характеристики при переменной частоте.
Те же требования и критерии управления применимы и к однофазному асинхронному двигателю. Однако при переменной частоте питания изменение оптимального значения емкости конденсатора, включенного во вспомогательную фазу, становится проблемой.
Если частоту питающего напряжения (и, следовательно, его действующее значение) уменьшить вдвое, то значение оптимальной емкости увеличится до четырехкратного исходного размера.
При нормальной работе частотно-зависимое изменение емкости конденсатора, включенного последовательно со вспомогательной обмоткой, нереально.
Именно поэтому векторная диаграмма двигателя искажается на любой частоте, отличной от номинальной (но и при нагрузке, отличной от номинальной) - токи основной и вспомогательной обмоток перестают быть перпендикулярными друг другу, деформация поля в машине увеличивается, крутящий момент уменьшается, потери и шум двигателя увеличиваются, а КПД снижается.
При уменьшении значения частоты и напряжения значительно уменьшается ток конденсатора и вспомогательной обмотки, а также уменьшается момент.
Ситуация совершенно неудовлетворительна при попытке частотного пуска, т. к. при низкой или нулевой частоте ток вспомогательной обмотки настолько мал, что его моментное влияние незначительно - вспомогательная обмотка в принципе не применяется и однофазный двигатель не может быть запущен с помощью этого способа.
Кроме описанных недостатков у частотно-регулируемого однофазного двигателя есть и другие. В следующих пунктах четко изложены наиболее важные факты, связанные с частотным регулированием однофазных двигателей:
- Однофазные асинхронные двигатели принципиально предназначены для работы в однофазной сети с постоянной частотой и действующим значением напряжения при малопеременной нагрузке. В этом состоянии можно добиться примерно таких же характеристик (момент, КПД, шум), как у трехфазного двигателя с вспомогательной обмоткой, подключенной через конденсатор. При любом отклонении от этого условия характеристики однофазного двигателя значительно ухудшаются.
- В конструкции однофазного асинхронного двигателя не учтена возможность частотного регулирования. Для работы частотно-регулируемых приводов от однофазной сети более выгодным считается применение трехфазных двигателей, питаемых от преобразователей с однофазным вводом. При значительных колебаниях нагрузки, изменении частоты питающей сети или действующего значения напряжения двигатель входит в очень невыгодный режим из-за значительной деформации поля, при котором момент уменьшается, ток, потери и шум увеличиваются, а КПД снижается.
- При попытке увеличения частоты вспомогательная обмотка с последовательным конденсатором вообще не применяется на низких частотах. Пуск должен осуществляться путем увеличения напряжения и частоты до номинального значения, что, однако, требует большей токовой характеристики инвертора. Запуск, когда двигатель сначала раскручивается до полных оборотов, а затем замедляется до необходимой частоты, технически и с точки зрения безопасности не совсем корректен.
- При работе частотно-регулируемого однофазного асинхронного двигателя в классическом включении и при питании от адаптированного преобразователя частоты и при работе от классического преобразователя частоты, где питание основной и вспомогательной обмоток распределено по всем трем выходным фазам, преобразователь требует превышения мощности по току и мощности в каждом случае - однофазный двигатель представляет очень непропорциональную нагрузку на инвертор.
- Ни конденсаторы, ни однофазные двигатели не рассчитаны на работу с импульсным питанием (повышенная нагрузка напряжения на изоляцию двигателя, повышенная нагрузка на диэлектрик конденсатора).
- При питании от инвертора сокращается срок службы как двигателя, так и конденсатора и возрастает риск поломки.
- Комбинация преобразователя частоты и однофазного двигателя с пуском от сопротивления невыгодна из-за худших характеристик этого двигателя, которые еще больше ухудшаются при частотном регулировании.
- Частотно-регулируемый привод с однофазным асинхронным двигателем не имеет технических преимуществ по сравнению с частотно-регулируемым приводом с трехфазным асинхронным двигателем.
Использование частотно-регулируемого однофазного двигателя явно очень невыгодно с точки зрения характеристик крутящего момента, КПД, потребляемого тока и жесткости механических характеристик. В основном этот привод кажется пригодным для использования только в узком диапазоне оборотов, соответствующем частотам от 40 до 50 Гц. Однако даже в этой области характеристики привода с однофазным двигателем значительно хуже, чем с трехфазным двигателем.
В несколько меньшей степени весьма неблагоприятные моментные характеристики однофазных частотно-регулируемых двигателей будут проявляться в приводах устройств с квадратичной или кубической механической характеристикой (например, вентиляторов), где момент нагрузки значительно падает с уменьшением числа оборотов. Однако даже в случае этой нагрузки характеристики привода не оптимальны, и скорость можно регулировать лишь приблизительно в диапазоне от 40 до 50 Гц.
С трехфазным двигателем можно добиться хороших характеристик во всем диапазоне тестируемых частот. Необходимый завышенный номинал инвертора и повышенный риск неисправностей, связанных с протеканием тока конденсатора, который не является чисто синусоидальным, говорят против использования однофазного двигателя. Можно предположить, что необходимость использования конденсатора и завышение габаритов преобразователя также негативно скажется на цене.
Заключение и рекомендации
С учетом вышеизложенного можно констатировать, что в то время, когда частотные преобразователи с однофазным входом и трехфазным выходом широко распространены, использование однофазного частотно-регулируемого асинхронного двигателя не имеет оправдания с технической точки зрения, так как не дает никаких преимуществ по сравнению с приводом с трехфазным асинхронным двигателем, а наоборот значительно ухудшает характеристики привода. Именно поэтому всегда стоит искать способы применения трехфазного двигателя, когда требуется плавное регулирование скорости асинхронного двигателя.