Инверторный электродвигатель

В последние годы появляется много новых технологий. Одно из последних веяний – инверторный двигатель, который стали ставить в крупной бытовой технике. Обещают при этом достаточно, но всё ли правда.

Что такое инверторный двигатель

Значительная часть техники имеет в своём составе электродвигатели и очень желательно чтобы двигатели имели разную скорость вращения. Этим они обеспечивают разные режимы работы и чем больше различных скоростей, тем лучше. Вообще, скорость двигателя изменять можно двумя способами – изменяя частоту или напряжение. Ранее, до появления инверторных двигателей, её меняли при помощи реостата, то есть изменяли напряжение. Пределы изменений были небольшие и плавной регулировки почти не получалось. Плавно регулировать скорость позволяли только коллекторные двигатели. Но они на больших оборотах имеют малый момент, что ограничивает их применение. К тому же имеют коллектор, так что не слишком долговечны и надёжны.

Основное отличие – возможность регулировать скорость в больших пределах

Пару десятилетий тому назад, с развитием полупроводниковых приборов, активно стали применять частотные преобразователи. Эти устройства позволяют изменять частоту и напряжение в широких пределах, это от 1 Гц до 500 Гц. То есть, инверторный двигатель получает питание не напрямую от сети, а со встроенного в него преобразователя. В зависимости от текущего режима работы он формирует напряжение требуемой частоты и/или уровня. То есть, инверторный двигатель — это, как минимум, два устройства в одном корпусе: частотный преобразователь и сам двигатель.

Инверторными могут быть два типа двигателей: асинхронные и коллекторные постоянного тока. Использование этой технологии позволяет получить широкий диапазон скоростей и возможность точного поддержания скорости. Также, инверторный блок может повышать/понижать напряжение, что позволяет получить требуемый крутящий момент. Всё это, безусловно, в определённых пределах, но общие характеристики инверторных электродвигателей становятся значительно лучше. Правда и цена на них тоже значительно выше, как и сложность управления.

Основные моменты работы преобразователя

Инверторный преобразователь меняет напряжение в несколько этапов:

• Выпрямляет сетевое напряжение, получая постоянное (обычно стоит диодный полумост или мост).
• Из постоянного напряжения формирует двухполюсные импульсы (положительные и отрицательные). Это блок называют инвертором, что и дало название самому принципу, блоку и мотору со встроенным преобразованием.

Вот на этом этапе и формируется требуемая частота и напряжение питания, которое затем и подаётся на двигатель. У некоторых инверторов есть ещё одна ступень преобразования, на которой ступенчатые импульсы превращаются в синусоиду. Так как форма напряжения на работу мотора влияния почти не оказывает, этот блок в инверторных двигателях отсутствует.

Блок схема частотного преобразователя и способ его подключения к двигателю

В «умной» технике, работой которой управляет микропроцессор, он задает параметры напряжения, регулируя скорость вращения в зависимости от программы или от состояния техники. Сам принцип работы двигателя от наличия инвертора не зависит, но этот дополнительный блок дает возможность управлять работой электромотора в широких пределах.

Особенности применения

Частотный преобразователь включают, в основном, с асинхронными двигателями. Они недороги, надёжны, экономичны. Модели с короткозамкнутым ротором бесколлекторные, что делает их ещё более привлекательными. Имеют асинхронные двигатели два недостатка, которые как раз, инвертором и устраняются. Первый существенный недостаток – высокий пусковой ток. Он может быть в 3-7 раз больше номинального. Кроме того, резкий старт с подачей питания 220/380 В ведёт к перегрузке, а значит и к быстрому износу мотора. Установив частотный преобразователь, при пуске переводим переключатель на минимум и постепенно доводим обороты до нужного значения. Пусковой ток при этом минимальный, а разгон плавный. Ни пусковые токи, ни перегрузки не страшны.

Платой за точное регулирование скорости является более сложное управление

Второй отрицательный момент – регулировать скорость вращения ротора в асинхронных двигателях получается слабо, но это без инвертора. Инверторный асинхронный двигатель позволяет изменять скорость от десятков оборотов в минуту, до тысяч. И всё это плавно, без перегрузок.

Но инверторный двигатель значительно дороже «обычного» с точно такими же характеристиками. Дело в дополнительном оборудовании, причём совсем недешёвом, но использование этой технологии имеет свои плюсы.

В кондиционерах

Как работает обычный кондиционер? Компрессор в нём то включается, то выключается. Температура стала на градус выше заданной, компрессор включился, работает пока она не станет на один градус ниже заданного предела. Включается снова, когда температура снова окажется ниже предела. И каждое включение/включение – это стартовый ток, перегрузки.

Как работает кондиционер с инверторным мотором и обычным

Если в кондиционере стоит инверторный преобразователь, он просто задаёт скорость работы компрессора так, чтобы температура сохранялась. Это снижает расход электричества (нет пусковых многократно возросших токов), оборудование работает в щадящем режиме без перегрузок, что продлевает срок эксплуатации.

В стиральных машинах

Используют инверторные моторы и в стиральных машинах. В стиральных машинах «обычного» класса ставят коллекторные электродвигатели. Они могут разгоняться до высоких скоростей (до 10000 об/ми), имеют хороший крутящий момент на больших скоростях. Их минус – повышенный уровень шумов, так как, кроме ремённой передачи шумят еще и сами щётки. Как их не притирай, коллекторный узел всё равно шумит. И чем больше скорость вращения, тем выше уровень шумов. И он имеет высокую тональность, так что с ним достаточно сложно мириться.

Инверторный двигатель имеет небольшой размер и солидную мощность, но так ли важно это в корпусной технике

Последние годы появились стиральные машины с очень низким уровнем шума. В них установлены асинхронные двигатели с инверторным блоком. Раньше асинхронники не использовались, так как максимально могут развивать скорость до 3000 оборотов, что для нормального отжима недостаточно. Этот недостаток удалось обойти используя инвертор на входе. Он позволяет увеличить скорость электродвигателя до солидных величин. В двигателях нового поколения используется особый ротор – цельнолитой, это позволило уменьшить размеры двигателя. А так как в этих моторах нет коллектора и щёток, то и шумят они при работе совсем незначительно. Частотная регуляция скорости вращения позволяет точно контролировать число оборотов.

Если вы готовы платить за тихую работу — пожалуйста

Но платой за всё это является более сложное управление. Для управления инверторным электродвигателем в стиральной машине стоит отдельная плата. И ее стоимость равна 1/3 или 1/4 стоимости всей машины. Вот в этом случае стоит хорошо подумать, стоит ли покупать стиральную машину с инверсионным двигателем или нет. Слишком дорогой ремонт, да и стоимость самого агрегата значительно выше. А то, что на двигатель дают 10 лет гарантии так это не на плату, а на сам мотор. А в плюсах только более тихая работа.

Холодильники и морозильные камеры с инверторными компрессорами

В холодильниках используется такой же способ поддержания температуры, как и в кондиционерах. В камере холодильника расположен термодатчик, который через контакты включает и выключает компрессор. Точность поддержания температуры зависит от типа термодатчика, но обычно составляет несколько градусов, от трех до пяти. При такой работе приличествуют все «прелести»: многократные пусковые токи при включении, скачки напряжения сети, спровоцированные включением/выключением компрессора, шум.

В холодильниках и морозилках применение инверторных двигателей оправдано

Холодильник с инверторным двигателем работает тише, так как нет резкого пуска. Компрессор начинает работать с малых оборотов и постепенно выходит на нормальную скорость. Частота его работы зависит от температуры в камерах, но двигатель останавливается очень редко. Он, то работает на минимальных оборотах и тогда его почти неслышно даже вблизи, то чуть добавляет скорости, и его можно услышать. Этот режим работы более благоприятен для двигателя, он работает без пусковых перегрузок. И как ни странно, потребляют такие моторы меньше электроэнергии, снова-таки за счёт отсутствия пусковых токов. Ведь «обычный» компрессор включается каждые пять-десять минут. Превышение нормативного расхода – 4-8 раз. Вот за счёт этого и достигается экономия. Так что инверторный электродвигатель в холодильнике тоже оправдан, ну и плюсом, идет более тихая работа.

Недостатки инверторных моторов

Основной недостаток инверторных двигателей – их цена. Да, но она оправдана, так как в движке имеются, по сути два устройства, частотный преобразователь (который сам стоит немало) и двигатель. Но технология эта несёт определенные выгоды: снижение расхода электроэнергии за счёт минимизации пусковых токов, более широкий диапазон регулировок скорости, увеличение срока эксплуатации (за счёт отсутствия пусковых перегрузок). Это всё понятно, но есть и минусы и ограничения, о которых не так часто говорят.

Инверторная технология хороша для стабилизации напряжения, попутно она ещё решает другие задачи

• Не все моторы нормально реагируют на работу с низкими оборотами. Если такой режим будет длительным, лучше искать специальные модели под низкие обороты.
• Каждый двигатель имеет максимальную скорость, которую лучше не превышать. Она указана на шильдике двигателя и выше скорость лучше не задавать.
• На максимальных оборотах обычно падает крутящий момент. То есть, с повышением оборотов надо снижать нагрузку.
• При выходе из строя инверторного двигателя ремонт обойдётся дороже, даже если «полетела» часть, с инвертором никак не связанная. Для определения неисправности необходим более квалифицированный специалист (должен же он решить, что инвертор в порядке), а стоимость услуг его выше.

Как видим, инверторный двигатель неидеальное решение, но довольно неплохое. Основной плюс – широкий диапазон регулирования скорости двигателя, точное поддержание этой скорости. Для асинхронных двигателей применение инверторной технологии означает ещё и минимизация пусковых токов и перегрузок. В общем, инверторный двигатель хорош там, где двигатели часто включаются/отключаются. Это холодильники, кондиционеры, станки, транспортёры и другое оборудование, которое ранее работало на асинхронных двигателях.

Не во всей технике установка инвертора необходима

Ещё инверторные двигатели (или частотные преобразователи к обычному двигателю) стоит применять там, где от производительности/скорости зависит эффективность работы. Например, подающие насосы, которые должны поддерживать определённое давление в сети и должны реагировать/плавно изменять скорость. Ещё инверторный двигатель может быть важен в подъёмной технике. Как пример, для откатных или подъёмных ворот. Возможность изменять скорость и развивать хорошее усилие на малых оборотах важно.

Основные соотношения для асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора тока

Автономные инверторы тока служат для преобразования постоянного тока в переменный, регулируемый по частоте, и наряду с инверторами напряжения находят широкое применение для частотного регулирования работы асинхронных двигателей. Автономный инвертор тока (АИТ) в отличие от АИН выполняют на полупроводниковых ключах, обладающих односторонней проводимостью, в качестве которых могут использоваться полностью управляемые ключи (транзисторы, запираемые тиристоры) и обычные тиристоры с дополнительными устройствами конденсаторной коммутации.

Идеализированный АИТ на полностью управляемых ключах — тиристорах VS1 — V\S6 (рис. 6.1, а) — при помощи сглаживающего реактора L_d подключают к источнику напряжения U_d, к его выходам подсоединяют фазы нагрузки — АТД. Включение в цепь постоянного тока сглаживающего реактора L_d придает источнику питания свойства источника тока, что позволяет считать ток l_d = const.

Если тиристоры VS1 — yS6 периодически включать и выключать в соответствии с диаграммой рис. 6.1, б, то ток в нагрузке при соединении фаз двигателя «звездой» будет иметь форму прямоугольных импульсов попеременно положительной и отрицательной полярности длительностью 120° с постоянной амплитудой I_d (рис. 6.1, в). При этом тиристоры VS1 — yS6 выполняют функцию распределения тока I_d по фазам нагрузки.

При протекании тока по фазам двигателя в результате совместного действия токов всех обмоток статора образуется результирующая МДС, которой соответствует результирующий или изображающий вектор тока (рис. 6.2):

где а = е’- 2я ‘ 3 — единичный вектор, смещеиный на угол 2я/3 рад по отношению к действительной оси.

Результирующий вектор тока i_t в системе координат, действительная ось которой совпадает с направлением оси фазы А, представляет собой вектор постоянной амплитуды, занимающий в межкоммутаци-

онные интервалы времени фиксированные положения и поворачивающийся в моменты коммутации на угол л/3. На рис. 6.2 показаны фиксированные положения вектора тока ^ в соответствии с диаграммами фазных токов (см. рис. 6.1, в). Из выражения (6.1) определим

Для определения основных соотношений при питании АТД от АИТ рассмотрим электромагнитные процессы в двигателе при изменении то. ка статора в соответствии с выражением (6.2). Уравнения электрического равновесия для асинхронного двигателя в неподвижных отно. снтельно статора координатных осях имеют вид:

В момент коммутации, когда результирующий вектор ^ скачком перемещается на угол я/3, потокосцеплеиие ротора не изменяется. После коммутации ф*„ (/) изменяется в соответствии с выражением (6.12) и содержит два слагаемых, одно из которых — основное:

Фін (0) е’ 1 -> =Ч>.» (0) е е’“

представляет собой вектор, затухающий с постоянной времени Т_г = = Ь₂/г_г и вращающийся с угловой частотой г »’| + -р 5 -ф*.

где а = (111₂ — ??)/(^1^*) — коэффициент рассеянии.

С учетом выражения (6.13) получим

Напряжение на статоре в интервалах между коммутациями представляет вектор, равномерно вращающийся с угловой скоростью ю, и определяемый в основном последним слагаемым выражения (6.15). так как падение напряжения на активном сопротивлении статора относительно мало, а второе слагаемое ?,о = 0. В моменты комму

тации в соответствии с выражением (6.15) иа обмотке статора возникают перенапряжения, — теоретически с бесконечно большой амплитудой, так как -> fTjj. В дви

гательном режиме (0, >0 и угол ф] 0 и напряжение на входе инвертора положительно. В генераторном режиме е>* я/2 и напряжение Ua ₄ = 0 (режим холостого хода) среднее значение напряжения на входе инвертора U_d = 0. На рис. 6.3 приведены диаграммы токов и напряжений фаз двигателя и напряжения на входе инвертора для трех указанных режимов.

Токи и напряжения для всех фаз совмещены на одной оси, что позволяет наглядно представить характер их изменения для различных режимов. При показанном расположении кривых фазных токов первая гармоника тока фазы А совпадает с током, найденным в соответствии с выражением (6.6). Напряжение фазы А

U A = UА шах COS (о)| /+Ф,).

Напряжение на входе инвертора Ud определяется линейным напряжением фаз, ток которых в рассматриваемый момент не равен нулю. Например, на интервале времени 0 • i1 cos (Wi 1-

Ултпх = УЗ 1/ф_тах-амплитудное значение линейного напряжения.

Рис. 6.3. Диаграммы токов и напряжений фаз асинхронного двигателя и напряжения на входе инвертора

Если определить среднее значение напряжения С1_а на входе инвертора, используя формулу (6.18), то получим результат такой же, как при определении напряжения по формуле (6.17).

Рассмотрение диаграмм, представленных на рис. 6.3, показывает, что при питании АТД от АИТ направление тока инвертора сохраняется независимо от режима работы двигателя, а напряжение при переходе от двигательного режима к генераторному изменяет знак. Вследствие указанной особенности применение АИТ для питания АТД более предпочтительно на ЭПС, получающем питание от контактной сети переменного тока через выпрямитель, так как в этом случае переход в режим рекуперативного торможения является наиболее простым, а сам процесс инвертирования постоянного тока не отличается от аналогичного процесса для ЭПС с коллекторными тяговыми двигателями.

Скачкообразное перемещение вектора тока (, при равномерном вращении вектора потокосцепления приводит к пульсации электромагнитного момента двигателя, мгновенные значения которого можно опоелелить из выоажения

Пульсация электромагнитного момента определяется разностью между максимальным и минимальным его значениями:

Минимальные и максимальные значения момента зависят от сдвига по фазе ф?. Так, если = Мтах cos (я/6-j- Фя),

а при значениях ц>_Е > 5я/6

Максимальное значение момента, если ф_? я/6 в момент времени (о_г( = О

Пульсация электромагнитного момента АТД вызывает пульсации момента на валу двигателя а, значит и силы тяги на ободе колеса. Вследствие большого момента инерции тягового привода, приведенного к валу двигателя, пульсации электромагнитного момента не вызывают пульсаций частоты вращения колесных пар, тем не менее в тяговой передаче наблюдаются вибрации, особенно при малых частотах. Поэтому для уменьшения отрицательного влияния низкочастотных пульсаций момента на тяговую передачу применяют специальные алгоритмы управления тиристорами АИТ.

Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями

Электродинамический тормоз электровозов ЧС2 Т и ЧС200

Рассмотрены устройство и работа основного электронного оборудования, применяемого в электродинамическом (реостатном) тормозе системы «Шкода». Применительно к электродинамическому тормозу электровозов ЧС2 Т и его модификации на скоростном электровозе ЧС200