Контроллер двигателя — это устройство или группа устройств, которые могут заданным образом координировать работу электродвигателя . [1] Контроллер двигателя может включать в себя ручные или автоматические средства для запуска и остановки двигателя, выбора прямого или обратного вращения, выбора и регулирования скорости, регулирования или ограничения крутящего момента, а также защиты от перегрузок и электрических неисправностей. Контроллеры двигателей могут использовать электромеханическое переключение или устройства силовой электроники для регулирования скорости и направления двигателя.
Контроллеры двигателей используются как с двигателями постоянного, так и с переменным током. Контроллер включает в себя средства для подключения двигателя к источнику электропитания, а также может включать защиту двигателя от перегрузки и защиту двигателя и проводки от перегрузки по току. Контроллер двигателя также может контролировать цепь возбуждения двигателя или обнаруживать такие условия, как низкое напряжение питания, неправильная полярность или неправильная последовательность фаз, а также высокая температура двигателя. Некоторые контроллеры двигателей ограничивают пусковой ток, позволяя двигателю ускоряться и подключать механическую нагрузку медленнее, чем при прямом подключении. Контроллеры двигателя могут быть ручными, требующими от оператора последовательного включения пускового переключателя для ускорения нагрузки, или могут быть полностью автоматическими, используя 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 практически не реагировать по скорости на изменение напряжения на клеммах, поэтому контроллеры 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 электромеханические преобразователи частоты.
Физическая конструкция и упаковка контроллеров двигателей примерно так же разнообразны, как и сами электродвигатели. Настенный тумблер подходящего номинала может оказаться всем, что необходимо для бытового вентилятора. Электроинструменты и бытовая техника могут иметь триггерный переключатель, который только включает и выключает двигатель. Промышленные двигатели могут представлять собой более сложные контроллеры, подключенные к системам автоматизации; На заводе может быть большое количество контроллеров двигателей, сгруппированных в центре управления двигателями . На передвижное оборудование могут быть установлены контроллеры электрических мостовых кранов или электромобилей. Самые большие контроллеры двигателей используются с насосными двигателями гидроаккумулирующих электростанций и могут иметь мощность в десятки тысяч лошадиных сил (киловатт). [2]
Контроллеры двигателей могут управляться вручную, дистанционно или автоматически. Они могут включать в себя только средства запуска и остановки двигателя или могут включать в себя другие функции. [3] [4] [5]
Контроллер электродвигателя можно классифицировать по типу двигателя, который он приводит в действие, например, двигатель с постоянным магнитом , сервопривод , последовательный, с раздельным возбуждением и переменный ток .
Контроллер двигателя подключается к источнику питания, например аккумулятору или источнику питания, а также к схеме управления в виде аналоговых или цифровых входных сигналов.
Небольшой двигатель можно запустить, просто подключив его к источнику питания. Для более крупного двигателя требуется специальный коммутационный блок, называемый пускателем двигателя или контактором двигателя. При подаче питания пускатель прямого действия (DOL) немедленно подключает клеммы двигателя непосредственно к источнику питания. В меньших размерах стартер двигателя представляет собой переключатель с ручным управлением; В более крупных двигателях или двигателях, требующих дистанционного или автоматического управления, используются магнитные контакторы. Очень большие двигатели, работающие от источников питания среднего напряжения (тысячи вольт), могут использовать силовые выключатели в качестве переключающих элементов.
Пускатель прямого включения (DOL) или параллельной линии подает полное сетевое напряжение на клеммы двигателя. Это самый простой тип пускателя двигателя. Пускатель двигателя DOL часто содержит устройства защиты (см. ниже), а в некоторых случаях и устройства контроля состояния. Пускатели прямого действия меньших размеров управляются вручную; В моделях большего размера для переключения цепи двигателя используется электромеханический контактор. Также существуют полупроводниковые пускатели прямого действия.
Пускатель прямого включения можно использовать, если высокий пусковой ток двигателя не вызывает чрезмерного падения напряжения в цепи питания. По этой причине максимальный размер двигателя, разрешенный для пускателя прямого включения, может быть ограничен энергоснабжающей организацией. Например, коммунальное предприятие может потребовать от сельских потребителей использовать пускатели пониженного напряжения для двигателей мощностью более 10 кВт. [6]
Прямой 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 достигнет полной скорости. Этот пусковой ток обычно в 6-7 раз превышает ток полной нагрузки. Чтобы уменьшить пусковой ток, более крупные двигатели будут иметь пускатели пониженного напряжения 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 прямого включения — одну для работы по часовой стрелке, другую для работы против часовой стрелки, с механической и электрической блокировкой для предотвращения одновременного включения. [6] Для трехфазных двигателей это достигается путем замены 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 двигателя, кроме DOL, подключают двигатель через сопротивление, чтобы снизить напряжение, которое катушки двигателя получают при запуске. Сопротивление для этого должно быть подобрано к двигателю - и быстрый источник хорошего сопротивления - это другая катушка в двигателе - то есть последовательно/параллельно. При последовательном включении обеспечивается более плавный пуск, а затем переключение в параллельный режим для работы на полной мощности. Когда это делается с трехфазными двигателями, его обычно называют пускателем звезда-треугольник (США: Y-треугольник). Старые пускатели звезда-треугольник управлялись вручную и часто включали амперметр, чтобы человек, управляющий стартером, мог видеть, когда двигатель набрал скорость, по тому факту, что потребляемый им ток перестал уменьшаться. Более современные пускатели имеют встроенные таймеры переключения со звезды на треугольник и настраиваются электромонтажником машины. Оператор станка просто один раз нажимает зеленую кнопку, и остальная процедура запуска автоматизируется.
Типичный пускатель включает в себя защиту от перегрузки, как электрической, так и механической, а также защиту от «случайного» запуска – если, например, питание было отключено и только что снова включилось. Аббревиатура 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. переключатель), обеспечивая питание двигателя. Он также приводит в действие соленоид, поддерживая подачу питания при отпускании зеленой кнопки. При сбое питания контактор размыкается, отключаясь и двигатель. Единственный способ запустить двигатель – это нажать зеленую кнопку. Контактор может быть быстро отключен пускателем, пропускающим очень большой ток, из-за электрического повреждения после него в проводке двигателя или внутри двигателя. Защита от тепловой перегрузки состоит из нагревательного элемента на каждом силовом проводе, который нагревает биметаллическую полосу. Чем горячее полоса, тем больше она отклоняется до такой степени, что толкает расцепитель, который отключает питание соленоида контактора, отключая все. Тепловые перегрузки имеют разные номинальные значения, и их следует выбирать в соответствии с типом двигателя. В пределах диапазона они регулируются, что позволяет установщику правильно настроить его для данного двигателя.
Какой тип для конкретных приложений? DOL обеспечивает быстрый запуск, поэтому чаще используется с двигателями меньшего размера. Он также используется в машинах с неравномерной нагрузкой, таких как компрессоры поршневого типа, где необходима полная мощность двигателя, чтобы поршень прошел стадию сжатия - фактическую рабочую стадию. Схема «звезда-треугольник» обычно используется с двигателями большей мощности или в тех случаях, когда двигатель при запуске находится без нагрузки, с очень небольшой нагрузкой или с постоянной нагрузкой. Он особенно подходит для двигателей, приводящих в движение машины с тяжелыми маховиками – для разгона маховиков до того, как машина будет включена и приведена в движение маховиком.
Устройства плавного пуска или устройства плавного пуска подключают двигатель к источнику питания через устройство понижения напряжения и повышают подаваемое напряжение постепенно или ступенчато. [3] [4] [5] Для обеспечения запуска двигателя при пониженном напряжении можно использовать два или более контакторов. При использовании автотрансформатора или последовательной индуктивности на клеммах двигателя подается более низкое напряжение, что снижает пусковой момент и пусковой ток. Как только двигатель достигает некоторой части своей скорости при полной нагрузке, стартер переключается на полное напряжение на клеммах двигателя. Поскольку автотрансформатор или последовательный реактор пропускают пусковой ток тяжелого двигателя только в течение нескольких секунд, устройства могут быть намного меньше по сравнению с оборудованием с постоянным номинальным напряжением. Переход между пониженным и полным напряжением может основываться на прошедшем времени или запускаться, когда датчик тока показывает, что ток двигателя начал снижаться. В 1908 году был запатентован автотрансформаторный стартер .
Мощность трехфазных асинхронных двигателей большего размера может быть снижена внутри двигателя! Двигатель запускается «DOL» при подаче полного напряжения на катушки возбуждения внешней части двигателя («статор»). Во внутреннюю часть («ротор») вводится ток, который снова реагирует с магнитным полем, создаваемым статором. Разбивая ротор на части и электрически соединяя эти части с внешними сопротивлениями через контактные кольца и щетки, а также контакторы управления, можно изменять магнитную мощность ротора, то есть уменьшать ее для запуска или работы на малой мощности. Хотя это гораздо более сложный процесс, он означает, что коммутируемые токи (электрические нагрузки) значительно ниже, чем при уменьшении мощности основного питания двигателя.
Третий способ добиться очень плавного плавного пуска — окунуть резистивные стержни в проводящую жидкость (например, ртуть), сверху которой нанесен слой изолирующего масла. По мере опускания стержней сопротивление постепенно снижается.
Стартер звезда-треугольник — это еще один тип пускателя пониженного напряжения в асинхронном двигателе. Пускатель звезда-треугольник запускает двигатель с обмоткой статора, соединенной звездой. Когда двигатель достигнет примерно 80% скорости при полной нагрузке, он начнет работать в обмотке статора, соединенной треугольником. Стартер «Звезда-дельта» бывает двух типов. (1) Ручной пускатель звезда-треугольник, (2) автоматический стартер звезда-треугольник.
Стартер звезда-треугольник с ручным управлением в основном состоит из переключателя TPDP, который означает трехполюсный двухпозиционный переключатель. Этот переключатель меняет обмотку статора со звезды на треугольник. В пусковом состоянии обмотка статора подключается в виде звезды. Теперь мы увидим, как пускатель звезда-треугольник снижает пусковой ток трехфазного асинхронного двигателя. [7]
Вышеуказанная функция достигается за счет использования силового контактора и таймера в автоматическом пускателе звезда-треугольник. Автоматический пускатель звезда-треугольник изготовлен из трех контакторов, таймера и термозащиты. Контакторы меньше, чем одиночный контактор, используемый в пускателях прямого включения, поскольку они контролируют только токи в обмотках. Токи через обмотку составляют 1/корень 3 (58%) тока в линии. Есть два контактора, которые во время работы находятся рядом, их часто называют главным контактором и контактором «треугольник». Это AC3, рассчитанный на 58% номинального тока двигателя. Третий контактор представляет собой контактор звезды, который пропускает ток звезды только тогда, когда двигатель подключен звездой. Ток в звезде составляет одну треть тока в треугольнике, поэтому этот контактор может иметь номинал AC3, равный одной трети (33%) номинала двигателя. [8]
Переход от звезды к треугольнику может быть открытым или закрытым. Во время разомкнутого перехода пускатель двигателя на мгновение отключается от двигателя и снова подключается в схеме треугольника. При закрытом переходе переход от конфигурации звезды к схеме треугольника осуществляется без отключения двигателя. Для этого требуются дополнительный трехполюсный контактор и три резистора. [9]
Регулируемый привод (ПЧД) или регулируемый привод (ЧРП) — взаимосвязанная совокупность оборудования, обеспечивающая средства приведения в движение и регулирования рабочей скорости механической нагрузки. Электрический регулируемый привод состоит из электродвигателя и регулятора скорости или преобразователя мощности, а также вспомогательных устройств и оборудования. В обычном использовании термин «привод» часто применяется только к контроллеру. [4] [5] Большинство современных преобразователей частоты и преобразователей частоты также могут обеспечивать плавный пуск двигателя. [10]
Интеллектуальный контроллер двигателя (IMC) использует микропроцессор для управления силовыми электронными устройствами, используемыми для управления двигателем. IMC контролируют нагрузку на двигатель и соответственно согласовывают крутящий момент двигателя с нагрузкой двигателя. Это достигается за счет снижения напряжения на клеммах переменного тока и одновременного снижения тока и квар . Это может обеспечить определенное повышение энергоэффективности двигателей, которые большую часть времени работают под небольшой нагрузкой, что приводит к меньшему выделению тепла, шума и вибраций, создаваемых двигателем.
Стартер содержит защитные устройства для двигателя. Как минимум это должно включать тепловое реле перегрузки. Тепловая перегрузка предназначена для размыкания пусковой цепи и, таким образом, отключения питания двигателя в случае, если двигатель потребляет слишком большой ток от источника питания в течение длительного времени. Реле перегрузки имеет нормально закрытый контакт, который размыкается из-за тепла, выделяемого чрезмерным током, протекающим через цепь. Тепловые перегрузки имеют небольшое нагревательное устройство, температура которого увеличивается по мере увеличения рабочего тока двигателя.
Существует два типа теплового реле перегрузки. В одном типе биметаллическая полоса , расположенная рядом с нагревателем, отклоняется при повышении температуры нагревателя, пока это не приведет к механическому отключению устройства и размыканию цепи, отключая питание двигателя в случае его перегрузки. Тепловая перегрузка выдерживает кратковременный высокий пусковой ток двигателя, одновременно надежно защищая его от перегрузки по рабочему току. Катушка нагревателя и действие биметаллической пластины создают временную задержку, которая дает двигателю время для запуска и установления нормального рабочего тока без срабатывания тепловой перегрузки. Тепловые перегрузки могут сбрасываться вручную или автоматически в зависимости от их применения и иметь регулятор, который позволяет точно настроить их на рабочий ток двигателя.
Второй тип теплового реле перегрузки использует эвтектический сплав , например припой , для сохранения подпружиненного контакта. Когда слишком большой ток проходит через нагревательный элемент в течение слишком долгого времени, сплав плавится, и пружина освобождает контакт, размыкая цепь управления и отключая двигатель. Поскольку элементы из эвтектического сплава не регулируются, они устойчивы к случайному вмешательству, но требуют замены элемента катушки нагревателя в соответствии с номинальным током двигателя. [6]
Также можно использовать электронные цифровые реле перегрузки, содержащие микропроцессор , особенно для двигателей высокой мощности. Эти устройства моделируют нагрев обмоток двигателя путем мониторинга тока 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 контактора используется для поддержания напряжения на катушке контактора после подачи команды пуска двигателя. Если произойдет кратковременная потеря напряжения питания, контактор разомкнется и не закроется снова, пока не будет подана новая команда пуска. Это предотвращает повторный запуск двигателя после сбоя питания. Такое подключение также обеспечивает небольшую степень защиты от пониженного напряжения питания и потери фазы. Однако, поскольку катушки контактора будут удерживать цепь замкнутой при подаче на катушку всего лишь 80% нормального напряжения, это не является основным средством защиты двигателей от работы при низком напряжении. [6]
Некоторые устройства могут быть добавлены таким образом, чтобы при падении напряжения устройство поддерживало ток, достаточный для того, чтобы удерживающая катушка удерживала контакты в замкнутом состоянии. Схема спроектирована таким образом, чтобы обеспечить подачу тока на катушку удержания при просадках напряжения до 15-25%. [11]
После восстановления электропитания (обычно после задержки от 30 до 60 секунд) автоматически начинаются временные последовательности автоматического перезапуска нескольких двигателей. [12]
Без расписания с последовательностью действий любая попытка перезапустить несколько двигателей одновременно может привести к частичному или полному отключению электроэнергии на всей площадке. [13] [14]
Сервоконтроллеры представляют собой широкую категорию средств управления двигателями. Общие черты:
Сервоконтроллеры используют обратную связь по положению для замыкания контура управления. Обычно это реализуется с помощью энкодеров положения , резольверов и датчиков Холла для непосредственного измерения положения ротора .
Другие методы обратной связи по положению измеряют обратную ЭДС в неведомых катушках, чтобы определить положение ротора, или обнаруживают переходный процесс (всплеск) напряжения обратного отдачи, который генерируется всякий раз, когда питание катушки мгновенно отключается. Поэтому их часто называют «бездатчиковыми» методами управления.
Сервоприводом можно управлять с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Как долго импульс остается высоким (обычно от 1 до 2 миллисекунд) определяет, где двигатель попытается позиционироваться. Другой метод управления – импульсно-направленный.
Шаговый двигатель — это синхронный, бесщеточный, многофазный двигатель с большим количеством полюсов. Управление обычно, но не исключительно, осуществляется в разомкнутом контуре, т.е. предполагается, что положение ротора следует за управляемым вращающимся полем. По этой причине точное позиционирование с помощью шаговых двигателей проще и дешевле, чем управление с обратной связью.
Современные шаговые контроллеры управляют двигателем при гораздо более высоком напряжении, чем номинальное напряжение, указанное на паспортной табличке двигателя, и ограничивают ток за счет прерывания. Обычная установка состоит в том, чтобы иметь контроллер позиционирования, известный как индексатор , посылающий импульсы шага и направления в отдельную схему управления 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)