Контроллер двигателя — это устройство или группа устройств, которые могут координировать работу электродвигателя предопределенным образом . [1] Контроллер двигателя может включать ручные или автоматические средства для запуска и остановки двигателя, выбора прямого или обратного вращения, выбора и регулирования скорости, регулирования или ограничения крутящего момента и защиты от перегрузок и электрических неисправностей. Контроллеры двигателя могут использовать электромеханическое переключение или могут использовать силовые электронные устройства для регулирования скорости и направления двигателя.
Контроллеры двигателей используются как с двигателями постоянного, так и переменного тока. Контроллер включает средства для подключения двигателя к электропитанию, а также может включать защиту от перегрузки для двигателя и защиту от сверхтока для двигателя и проводки. Контроллер двигателя может также контролировать цепь возбуждения двигателя или обнаруживать такие состояния, как низкое напряжение питания, неправильная полярность или неправильная последовательность фаз или высокая температура двигателя. Некоторые контроллеры двигателей ограничивают пусковой ток, позволяя двигателю разгоняться и подключать механическую нагрузку медленнее, чем при прямом подключении. Контроллеры двигателей могут быть ручными, требующими от оператора последовательного переключения пускового переключателя для ускорения нагрузки, или могут быть полностью автоматическими, использующими внутренние таймеры или датчики тока для ускорения двигателя.
Некоторые типы контроллеров двигателей также позволяют регулировать скорость электродвигателя. Для двигателей постоянного тока контроллер может регулировать напряжение, подаваемое на двигатель, или регулировать ток, протекающий в обмотке возбуждения двигателя. Двигатели переменного тока могут иметь слабую или не иметь никакой реакции скорости на регулировку напряжения на клеммах, поэтому контроллеры для переменного тока вместо этого регулируют сопротивление цепи ротора (для двигателей с фазным ротором) или изменяют частоту переменного тока, подаваемого на двигатель, для управления скоростью с помощью силовых электронных устройств или электромеханических преобразователей частоты.
Физическая конструкция и упаковка контроллеров двигателей примерно так же разнообразны, как и сами электродвигатели. Настенный тумблер с подходящими характеристиками может быть всем, что нужно для бытового вентилятора. Электроинструменты и бытовые приборы могут иметь триггерный переключатель, который только включает и выключает двигатель. Промышленные двигатели могут быть более сложными контроллерами, подключенными к системам автоматизации; на заводе может быть большое количество контроллеров двигателей, сгруппированных в центре управления двигателями . Контроллеры для электрических передвижных кранов или электромобилей могут быть установлены на мобильном оборудовании. Самые большие контроллеры двигателей используются с насосными двигателями гидроаккумулирующих электростанций и могут иметь номинальные характеристики в десятки тысяч лошадиных сил (киловатт). [2]
Контроллеры двигателей могут управляться вручную, дистанционно или автоматически. Они могут включать только средства для запуска и остановки двигателя или они могут включать другие функции. [3] [4] [5]
Контроллеры электродвигателей можно классифицировать по типу двигателя, который они должны приводить в действие, например, с постоянными магнитами , сервоприводы , последовательные, с независимым возбуждением и переменного тока .
Контроллер двигателя подключается к источнику питания, например, аккумуляторной батарее или блоку питания, и управляет схемой в виде аналоговых или цифровых входных сигналов.
Небольшой двигатель можно запустить, просто подключив его к источнику питания. Для более крупного двигателя требуется специализированный коммутационный блок, называемый пускателем двигателя или контактором двигателя. При подаче питания прямой пускатель (DOL) немедленно подключает клеммы двигателя напрямую к источнику питания. В двигателях меньших размеров пускатель двигателя представляет собой ручной переключатель; более крупные двигатели или те, которые требуют дистанционного или автоматического управления, используют магнитные контакторы. Очень большие двигатели, работающие от источников питания среднего напряжения (тысячи вольт), могут использовать силовые автоматические выключатели в качестве коммутационных элементов.
Прямой пускатель (DOL) или пускатель через линию подает полное напряжение линии на клеммы двигателя. Это самый простой тип пускателя двигателя. Пускатель двигателя DOL часто содержит защитные устройства (см. ниже), а в некоторых случаях и мониторинг состояния. Меньшие размеры прямых пускателей управляются вручную; более крупные размеры используют электромеханический контактор для переключения цепи двигателя. Существуют также твердотельные прямые пускатели.
Прямой пускатель может использоваться, если высокий пусковой ток двигателя не вызывает чрезмерного падения напряжения в цепи питания. По этой причине максимальный размер двигателя, разрешенный для прямого пускателя, может быть ограничен поставщиком услуг. Например, поставщик услуг может потребовать от сельских потребителей использовать пускатели пониженного напряжения для двигателей мощностью более 10 кВт. [6]
DOL-запуск иногда используется для запуска небольших водяных насосов , компрессоров , вентиляторов и конвейерных лент . В случае асинхронного двигателя, такого как трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором , двигатель будет потреблять высокий пусковой ток, пока не разгонится до полной скорости. Этот пусковой ток обычно в 6-7 раз больше, чем ток полной нагрузки. Чтобы уменьшить пусковой ток, более крупные двигатели будут иметь пускатели с пониженным напряжением или приводы с регулируемой скоростью, чтобы минимизировать провалы напряжения в источнике питания.
Реверсивный пускатель может подключать двигатель для вращения в любом направлении. Такой пускатель содержит две цепи DOL — одну для работы по часовой стрелке, а другую — против часовой стрелки, с механическими и электрическими блокировками для предотвращения одновременного замыкания. [6] Для трехфазных двигателей это достигается путем перестановки проводов, соединяющих любые две фазы. Однофазные двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока часто можно реверсировать, поменяв местами два провода, но это не всегда так.
Пускатели двигателей, отличные от «DOL», подключают двигатель через сопротивление, чтобы уменьшить напряжение, которое катушки двигателя получают при запуске. Сопротивление для этого должно быть подобрано к двигателю, и быстрый источник хорошего сопротивления для использования - это другая катушка в двигателе, то есть последовательно/параллельно. Последовательное соединение обеспечивает более плавный пуск, а затем переключается на параллельное для работы на полной мощности. Когда это делается с трехфазными двигателями, это обычно называется пускателем звезда-треугольник (США: Y-дельта). Старые пускатели звезда-треугольник управлялись вручную и часто включали амперметр, чтобы человек, управляющий пускателем, мог видеть, когда двигатель набирает скорость, по тому факту, что потребляемый им ток перестал уменьшаться. Более современные пускатели имеют встроенные таймеры для переключения со звезды на треугольник и устанавливаются электромонтажником машины. Оператор машины просто нажимает зеленую кнопку один раз, и остальная часть процедуры запуска автоматизирована.
Типичный стартер включает защиту от перегрузки, как электрическую, так и механическую, и защиту от «случайного» запуска — например, если питание было отключено и только что снова включилось. Аббревиатура для этого типа защиты — TONVR — Thermal Overload, No Volt Release. Он настаивает на нажатии зеленой кнопки для запуска двигателя. Зеленая кнопка включает соленоид, который замыкает контактор (т. е. выключатель) для первичного питания двигателя. Он также включает соленоид, чтобы поддерживать питание включенным, когда зеленая кнопка отпущена. При отключении питания контактор размыкается, отключаясь сам и выключая двигатель. Единственный способ запустить двигатель — нажать зеленую кнопку. Контактор может быстро отключиться, если стартер пропустит очень высокий ток из-за электрической неисправности ниже по течению либо в проводке к двигателю, либо внутри двигателя. Защита от тепловой перегрузки состоит из нагревательного элемента на каждом силовом проводе, который нагревает биметаллическую полосу. Чем горячее полоса, тем больше она прогибается до точки, когда она толкает расцепляющую планку, которая отключает питание соленоида контактора, выключая все. Тепловые перегрузки имеют разные диапазоны номиналов, и их следует выбирать в соответствии с двигателем. В пределах диапазона они регулируются, что позволяет установщику правильно настроить их для данного двигателя.
Какой тип для конкретных применений? DOL обеспечивает быстрый запуск, поэтому чаще используется с двигателями меньшего размера. Он также используется в машинах с неравномерной нагрузкой, например, в поршневых компрессорах, где полная мощность двигателя необходима для того, чтобы поршень прошел стадию сжатия — фактическую рабочую стадию. Звезда-треугольник обычно используется с более крупными двигателями или там, где двигатель не нагружен при запуске, имеет очень маленькую или постоянную нагрузку. Он особенно подходит для двигателей, приводящих в движение механизмы с тяжелыми маховиками — для разгона маховиков до того, как механизм будет включен и приведен в движение маховиком.
Устройства плавного пуска или устройства пониженного напряжения подключают двигатель к источнику питания через устройство понижения напряжения и постепенно или ступенчато увеличивают приложенное напряжение. [3] [4] [5] Для обеспечения пуска двигателя с пониженным напряжением можно использовать два или более контакторов. При использовании автотрансформатора или последовательной индуктивности на клеммах двигателя присутствует более низкое напряжение, что снижает пусковой момент и пусковой ток. Как только двигатель достигает некоторой доли своей полной скорости нагрузки, пускатель переключается на полное напряжение на клеммах двигателя. Поскольку автотрансформатор или последовательный реактор переносит большой пусковой ток двигателя только в течение нескольких секунд, устройства могут быть намного меньше по сравнению с оборудованием с постоянным номиналом. Переход между пониженным и полным напряжением может быть основан на прошедшем времени или срабатывать, когда датчик тока показывает, что ток двигателя начал уменьшаться. Автотрансформаторный пускатель был запатентован в 1908 году.
Более крупные 3-фазные асинхронные двигатели могут иметь пониженную мощность внутри двигателя! Двигатель запускается «DOL» с полным напряжением, подаваемым на обмотки возбуждения внешней части двигателя («статор»). Внутренняя часть («ротор») имеет ток, индуцированный в нем, чтобы снова реагировать с магнитным полем, создаваемым статором. Разбивая ротор на части и электрически соединяя эти части с внешними сопротивлениями через контактные кольца и щетки, а также управляющие контакторы, магнитную силу ротора можно изменять, т. е. уменьшать для запуска или работы на малой мощности. Хотя это гораздо более сложный процесс, это означает, что токи (электрические нагрузки), которые переключаются, значительно ниже, чем при снижении мощности на основном питании двигателя.
Третий способ добиться очень плавного прогрессивного старта — окунуть стержни сопротивления в проводящую жидкость (например, ртуть), которая имеет слой изолирующего масла сверху. По мере опускания стержней сопротивление постепенно уменьшается.
Пускатель звезда-треугольник — это еще один тип пускателя пониженного напряжения в асинхронном двигателе. Пускатель звезда-треугольник запустит двигатель с обмоткой статора, соединенной звездой. Когда двигатель достигает примерно 80% от своей полной нагрузки, он начинает работать с обмоткой статора, соединенной треугольником. Пускатели звезда-треугольник бывают двух типов. (1) Ручной пускатель звезда-треугольник, (2) Автоматический пускатель звезда-треугольник.
Ручной пускатель звезда-треугольник в основном состоит из переключателя TPDP, что означает трехполюсный двухпозиционный переключатель. Этот переключатель переключает обмотку статора со звезды на треугольник. Во время пуска обмотка статора подключается в форме звезды. Теперь мы увидим, как пускатель звезда-треугольник уменьшает пусковой ток трехфазного асинхронного двигателя. [7]
Вышеуказанная функция достигается с помощью силового контактора и таймера в автоматическом пускателе звезда-треугольник. Автоматический пускатель звезда-треугольник изготавливается из трех контакторов, таймера и тепловой защиты. Контакторы меньше, чем один контактор, используемый в прямом пускателе, так как они управляют только токами обмотки. Токи через обмотку составляют 1/корень из 3 (58%) тока в линии. Есть два контактора, которые замкнуты во время работы, часто называемые главным контактором и контактором треугольника. Они имеют номинал AC3 при 58% от номинального тока двигателя. Третий контактор — это контактор звезды, который проводит только ток звезды, когда двигатель подключен по схеме звезды. Ток в звезде составляет одну треть тока в треугольнике, поэтому этот контактор может иметь номинал AC3 при одной трети (33%) от номинального тока двигателя. [8]
Переход со звезды на треугольник может быть открытым или закрытым. Во время открытого перехода пускатель двигателя на мгновение отключается от двигателя и снова подключается в конфигурации треугольника. При закрытом переходе переход со звезды на треугольник достигается без отключения двигателя. Для этого требуются дополнительный трехполюсный контактор и три резистора. [9]
Регулируемый привод (ASD) или привод с переменной скоростью (VSD) представляет собой взаимосвязанную комбинацию оборудования, которая обеспечивает средства управления и регулировки рабочей скорости механической нагрузки. Электрический регулируемый привод состоит из электродвигателя и регулятора скорости или преобразователя мощности, а также вспомогательных устройств и оборудования. В общем использовании термин «привод» часто применяется только к регулятору. [4] [5] Большинство современных ASD и VSD также могут осуществлять плавный пуск двигателя. [10]
Интеллектуальный контроллер двигателя (IMC) использует микропроцессор для управления силовыми электронными устройствами, используемыми для управления двигателем. IMC отслеживают нагрузку на двигатель и соответствующим образом согласовывают крутящий момент двигателя с нагрузкой двигателя. Это достигается путем снижения напряжения на клеммах переменного тока и одновременного снижения тока и квар . Это может обеспечить меру повышения энергоэффективности для двигателей, которые работают с небольшой нагрузкой большую часть времени, что приводит к снижению тепла, шума и вибраций, генерируемых двигателем.
Пускатель будет содержать защитные устройства для двигателя. Как минимум, это будет включать тепловое реле перегрузки. Тепловое реле перегрузки предназначено для размыкания пусковой цепи и, таким образом, отключения питания двигателя в случае, если двигатель потребляет слишком много тока от источника в течение длительного времени. Реле перегрузки имеет нормально замкнутый контакт, который размыкается из-за тепла, выделяемого избыточным током, протекающим через цепь. Тепловые реле перегрузки имеют небольшое нагревательное устройство, которое нагревается по мере увеличения рабочего тока двигателя.
Существует два типа реле тепловой перегрузки. В одном типе биметаллическая полоса , расположенная близко к нагревателю, отклоняется по мере повышения температуры нагревателя, пока она механически не заставит устройство отключиться и разомкнуть цепь, отключая питание двигателя в случае его перегрузки. Тепловая перегрузка будет компенсировать кратковременный высокий пусковой ток двигателя, точно защищая его от перегрузки рабочего тока. Катушка нагревателя и действие биметаллической полосы вводят временную задержку, которая дает двигателю время для запуска и установления нормального рабочего тока без отключения тепловой перегрузки. Тепловые перегрузки могут быть сбрасываемыми вручную или автоматически в зависимости от их применения и имеют регулятор, который позволяет им быть точно настроенными на рабочий ток двигателя.
Второй тип реле тепловой перегрузки использует эвтектический сплав , как припой , для удержания подпружиненного контакта. Когда слишком большой ток проходит через нагревательный элемент в течение слишком долгого времени, сплав плавится, и пружина отпускает контакт, размыкая цепь управления и отключая двигатель. Поскольку элементы из эвтектического сплава не регулируются, они устойчивы к случайному вмешательству, но требуют замены элемента нагревательной катушки для соответствия номинальному току двигателя. [6]
Также могут использоваться электронные цифровые реле перегрузки, содержащие микропроцессор , особенно для двигателей с высокой стоимостью. Эти устройства моделируют нагрев обмоток двигателя, контролируя ток двигателя. Они также могут включать в себя функции измерения и связи.
Пускатели, использующие магнитные контакторы, обычно получают питание для катушки контактора от того же источника, что и питание двигателя. Вспомогательный контакт от контактора используется для поддержания катушки контактора под напряжением после подачи команды на пуск двигателя. Если происходит кратковременная потеря напряжения питания, контактор размыкается и не замыкается снова, пока не будет подана новая команда на пуск. Это предотвращает повторный запуск двигателя после сбоя питания. Это соединение также обеспечивает небольшую степень защиты от низкого напряжения питания и потери фазы. Однако, поскольку катушки контактора будут удерживать цепь замкнутой при подаче на катушку всего лишь 80% от нормального напряжения, это не является основным средством защиты двигателей от работы при низком напряжении. [6]
Некоторые устройства могут быть добавлены так, что во время падения напряжения устройство поддерживает ток, достаточный для удерживающей катушки, чтобы удерживать контакты замкнутыми. Схема разработана так, чтобы ток для удерживающей катушки допускал падение напряжения до 15-25%. [11]
После восстановления электропитания (обычно с задержкой от 30 до 60 секунд) автоматически запускаются временные последовательности автоматических перезапусков нескольких двигателей. [12]
Без четко определенного графика любая попытка перезапустить несколько двигателей одновременно может привести к частичному или полному отключению электроэнергии на объекте. [13] [14]
Сервоконтроллеры — это широкая категория управления двигателем. Общие характеристики:
Сервоконтроллеры используют обратную связь по положению для замыкания контура управления. Это обычно реализуется с помощью энкодеров положения , резольверов и датчиков Холла для непосредственного измерения положения ротора .
Другие методы обратной связи по положению измеряют обратную ЭДС в неприводных катушках, чтобы определить положение ротора, или обнаруживают переходный процесс напряжения Kick-Back (всплеск), который генерируется всякий раз, когда питание катушки мгновенно отключается. Поэтому их часто называют методами управления «без датчиков».
Сервопривод может управляться с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). То, как долго импульс остается высоким (обычно от 1 до 2 миллисекунд), определяет , куда двигатель попытается позиционировать себя. Другой метод управления — импульс и направление.
Шаговый двигатель — это синхронный, бесщеточный, многофазный двигатель с большим количеством полюсов. Управление обычно, но не исключительно, осуществляется по открытому контуру, т. е . предполагается, что положение ротора следует за управляемым вращающимся полем. Из-за этого точное позиционирование с шаговыми двигателями проще и дешевле, чем управление с замкнутым контуром.
Современные контроллеры шаговых двигателей управляют двигателем с гораздо более высокими напряжениями, чем номинальное напряжение двигателя, указанное на его паспортной табличке, и ограничивают ток с помощью прерывания. Обычная установка заключается в наличии контроллера позиционирования, известного как индексатор , который посылает импульсы шага и направления в отдельную схему привода с более высоким напряжением, которая отвечает за коммутацию и ограничение тока.
{{cite book}}: CS1 maint: location (link){{cite book}}: CS1 maint: location (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)