Frekvenční měnič pro jednofázový motor – zapojení, schéma

Jednofázové motory jsou typem střídavých elektrických strojů. Princip jejich činnosti je stejný jako u třífázových elektromotorů, rozdíl je v tom, že napájení vinutí z 1 fáze vytváří pulzující magnetické pole. Pro spuštění jednofázových elektrických strojů je nutný přídavný prvek pro fázový posun.

Výkon a točivý moment těchto motorů jsou nižší než u třífázových analogů se stejnou hmotností a rozměry, rozsah použití jednofázových pohonů je:

• Nízkokapacitní čerpací jednotky.
• Pračky a další domácí spotřebiče.
• Elektrické nářadí a stroje.
• Nízkopříkonové ventilátory a kompresory.
• Ostatní domácí a profesionální vybavení.

Jednofázové motory mají oproti třífázovým motorům nižší účinnost, více se zahřívají a při provozu jsou hlučné, používají se při absenci 3fázové sítě nebo v podmínkách, kdy je použití třífázových elektrických strojů nevhodné .

Typy jednofázových motorů

Motory pro 1 fázi se vyznačují způsobem spouštění: se spouštěním kondenzátoru a provozem přes vinutí (CSIR), se startem přes kapacitní spouštěcí prvek a provozem přes kondenzátor (CSCR). Existují další 2 typy jednofázových elektromotorů: spouštění reostatem (RSIR) a permanentní dělená kapacita (PSC).

Obvod motorů se startovacím kondenzátorem a 2 vinutími vypadá takto:

Kapacitní prvek je zapojen do série se startovacím vinutím a způsobuje fázový posun mezi ním a hlavním vinutím. To zajišťuje vzhled rotujícího magnetického pole a start motoru. Po zrychlení se kondenzátor vypne.

Rozběhový moment elektromotorů s kondenzátorovým startem a provozem přes vinutí (CSIR) je až 250 % jmenovité hodnoty takovéto elektrické stroje umožňují startování pod zatížením a používají se v kompresorech chladniček a v pohonech dopravníků.

Motory se startovací a provozní kapacitou (CSCR) mají také významný rozběhový moment. Díky neustále zapnutému pracovnímu kondenzátoru je zajištěn konstantní fázový posun mezi vinutími. Díky tomu se výrazně snižuje zahřívání při dlouhodobém provozu. Oblastí motorů CSCR jsou čerpadla pro domácnost, zařízení určená pro dlouhodobý provoz a vysoké zatížení.

Motory RSIR se spouštějí přes vysokoodporové spouštěcí vinutí, které poskytuje určitý fázový posun. Po přetaktování jej spínací zařízení vypne. Elektromotory s odděleným vinutím jsou levnější než kondenzátorové motory, ale jejich použití omezuje vysoký startovací proud, nízký startovací moment a značné zahřívání. Motory slouží k pohonu zařízení určeného pro krátkodobý provoz a startování bez zátěže.

Trvale běžící kondenzátorové (PSC) motory jsou určeny pro dlouhodobý provoz. Takové elektrické stroje mají nejvyšší faktor účinnosti mezi jednofázovými motory. Náběhové proudy také nejsou vysoké. Mezi nevýhody motorů PSC patří nízký rozběhový moment. Jejich oblastí použití jsou pohony zařízení s nízkou setrvačností.

Regulace otáček jednofázových motorů

Existuje několik způsobů, jak ovládat jednofázové motory. Nejpoužívanějšími metodami jsou změna rychlosti o velikost a frekvenci napětí. Regulace napětí má své nevýhody:

• Nadměrné zahřívání vinutí v důsledku zvýšeného skluzu.
• Ztráta mechanické tuhosti při nízkých rychlostech.

Změna otáček hřídele je možná v poměru 2:1 k jmenovitým otáčkám směrem ke snížení. Navzdory tomu se regulace napětí často používá u elektrických strojů s nízkým výkonem domácích pohonů.

Nejjednodušší obvod je autotransformátor. Tato metoda umožňuje implementovat 2-5 stupňovou regulaci rychlosti jednofázového elektrického pohonu.

Autotransformátor T1 má několik svorek odpovídajících hodnotě napětí pro každou rychlost motoru M1. Spínání se provádí spínacím zařízením SW1. Mezi výhody obvodu patří schopnost odolávat proudovým přetížením a absence zkreslení průběhu napájecího napětí. Mezi nevýhody patří značné rozměry a hmotnost autotransformátoru a také další nevýhody regulace napětí.

Obvody založené na elektronických regulátorech napětí jsou také široce používány v jednofázových pohonech nízkého výkonu.

Řízení se provádí vytvářením požadované hodnoty napětí regulací otevíracího a zavíracího momentu tyristorů. Výsledkem je „přerušené“ napětí. To způsobuje dodatečné zahřívání, praskání, škubání a zvýšený hluk a zvýšení úrovně elektromagnetického rušení. Řízení elektronickými regulátory napětí není vhodné pro dlouhodobý provoz při nízkých otáčkách, s vysokými požadavky na EMC.

K řízení frekvence se používají frekvenční měniče nebo invertory.

Veda frekvenční měniče – pokročilý produkt, který plně odpovídá požadavkům trhu a poskytuje vysokou spolehlivost, efektivitu a flexibilitu v provozu.

Pro změnu otáček jednofázového elektromotoru se používají 2 obvody: jedno- nebo třífázový PWM měnič. První funguje následovně: střídavé napětí je převedeno na stejnosměrné napětí a filtrováno kondenzátorem.

Poté se převede zpět na proměnnou na tranzistorovém měniči. Šířka a rychlost impulzů odemykajících a zamykajících polovodičové prvky jsou voleny tak, aby na výstupu výkonového obvodu bylo získáno napětí o dané frekvenci.

Nastavení frekvence rychlosti lze provádět nahoru a dolů od jmenovité rychlosti. V tomto případě je tvar napětí na výstupu měniče blízký sinusovému tvaru.

Mezi nevýhody jednofázové frekvenční regulace patří relativně vysoká cena měniče a nemožnost reverzace bez externího zařízení.

Pro změnu otáček motoru v širokém rozsahu se používají specializované frekvenční měniče založené na 3fázovém PWM měniči.

Princip činnosti zařízení je podobný jako u jeho jednofázového protějšku. Obvod umožňuje měnit otáčky motoru v libovolném směru ve významném rozsahu a reverzovat motor změnou pořadí spínacích tranzistorů.

V tomto případě není nutné používat další elektrická zařízení.

Podívejme se blíže na vlastnosti frekvenčních měničů pro jednofázové motory, výhody a nevýhody zařízení.

Vlastnosti a výhody frekvenčního řízení jednofázových motorů

Řízení frekvence jednofázových elektromotorů nemá nevýhody regulace napětí. Frekvenční měniče umožňují:

• Změňte rychlost nad a pod jmenovitou rychlost.
• Proveďte hladké úpravy.
• Zabraňte ztrátě tuhosti a mechanických vlastností.
• Výrazně zvětšete rozsah ovládání.

Další výhodou frekvenčních měničů pro jednofázové motory na bázi dvojitého konverzního obvodu s PWM měničem je zachování sinusového tvaru napájecího napětí. Motor nepociťuje negativní vliv konstantní součásti způsobující zahřívání a hluk, úroveň elektromagnetického rušení je také výrazně nižší než při použití elektronických regulátorů napětí.

Moderní frekvenční měnič dokáže nejen regulovat otáčky a točivý moment. Zařízení:

• Provádí funkce automatického řízení podle zákona PI nebo PID. Frekvenční měniče obsahují regulátor nebo procesor, který umožňuje zpracovávat zpětnovazební signály ze snímačů a realizovat řízení podle zadaných algoritmů.
• Vyměňte ochranné obvody motoru. Frekvenční měniče vypínají motor v případě přetížení, zkratu nebo poklesu či zvýšení napětí na nepřijatelné hodnoty. Pohon je také možné vypnout na základě signálu ze snímačů procesních parametrů.
• Umožňují snížit teplo a hluk při provozu jednofázového motoru, zlepšit výkon a usnadnit startování. Řízení frekvence umožňuje částečně vyhladit nedostatky provozu elektrických strojů v pulzujícím magnetickém poli, snížit rozběhový proud, poskytnout potřebný krouticí moment na hřídeli a zabránit přehřívání při dlouhodobém provozu.

Použití frekvenčních měničů může výrazně snížit spotřebu energie při nízkém zatížení motorů. Ve ventilačních systémech mohou úspory dosahovat až 70 %.

Jak vybrat jednofázový frekvenční měnič

Měnič kmitočtu se volí při návrhu měniče. V případě jednofázového motoru se nejprve musíte ujistit, že je kompatibilní se zařízením. Většina 220 V frekvenčních měničů je navržena podle 3-fázového PWM měniče, taková zařízení mohou řídit kondenzátorový motor pomocí skalárního algoritmu. V takových případech musí být instalována motorová tlumivka, aby se zlepšila elektromagnetická kompatibilita. Při připojení takových měničů k motorům s oddělenými vinutími s různými odpory dojde ke spuštění ochrany proti fázové asymetrii. V takových případech je vyžadován frekvenční generátor založený na 1fázovém měniči. Pro změnu směru otáčení takových pohonů je před měnič instalován reverzibilní magnetický startér.

Před výběrem si musíte přečíst dokumentaci k motoru, abyste zjistili, zda je vhodný pro připojení k měniči, aniž byste museli měnit konstrukci.

Dále vyberte jmenovitý proud nebo výkon. Výrobci doporučují u frekvenčních měničů výběr s marží 20 %. Při spouštění pod zátěží nebo s vysokým rozběhovým proudem je nutné zvolit výkon měniče o 1 nebo 2 stupně vyšší.

Poté zvolte interval řízení otáček nebo točivého momentu. Frekvenční rozsah výstupního napětí a proudu musí odpovídat účelu elektrického pohonu.

Pro jednofázové motory servomotorů a dalších zařízení pracujících jako součást automatizačních a řídicích systémů, které vyžadují speciální funkce, je nutné zajistit potřebné možnosti měničů.

Standardní vlastnosti měniče:

• Nastavení časů zrychlení a zpomalení pro elektrické pohony pro různé účely.
• Konfigurovatelné, jednotné analogové/pulzní/reléové vstupy a výstupy pro komunikaci se senzory nebo jiným zařízením.
• Funkce regulátoru PLC, PI, PID pro automatické řízení podle specifikovaných zákonů nebo v souladu s nahraným programem.
• Podpora digitálních komunikačních protokolů pro odesílání a příjem dat o provozních parametrech, poruchách, dalších informacích, vzdálenou změnu nastavení ze vzdáleného operátorského panelu, PC nebo jiného nadřízeného zařízení.
• Ochranné funkce proti přetížení, nízkému nebo vysokému napětí, jiným abnormálním podmínkám a nehodám.

Dále se zvolí charakteristiky měniče v souladu s provozními podmínkami a EMC. Stupeň ochrany krytu před prachem a vlhkostí musí odpovídat prostředí. To také zohledňuje přítomnost vestavěného ventilátoru pro nucené chlazení. Zkreslení proudu a napětí měniče musí splňovat požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu. V případě potřeby použijte vstupní a výstupní filtry harmonických a rádiových rušení.

Použití frekvenčních měničů u jednofázových motorů není o nic méně efektivní než u třífázových. Frekvenční pohony značně rozšiřují technické možnosti elektrického pohonu, šetří energii a snižují pravděpodobnost nehod.