Двухфазный асинхронный электромотор

[Flash.#13]

А почему собственно мир сошелся на трехфазке? Исторически век назад очень даже существовала категория двухфазных токов и таких же электромоторов. И вот в наш век мосфетов с БП нарисовалась тенденция, большинство современных потребителей уже не требуют переменного тока, лишь остатки содержащие асинхронные моторы, один из популярных - циркуляционный насос котла, что обычно является небольшим однофазным моторчиком мощностью 20...60Вт, и все бы здорово, но иногда электричество пропадет, а с ним и отопление. Стандартное решение это АКБ с синусным инвертором, но сам моторчик будучи однофазным-конденсаторным имеет КПД 0.65, в придачу КПД инвертора, и получаем крайне не эффективное устройство. Конечно существуют BLDC циркуляционные насосы, они эффективны но не популярны, и дороги, впрочем это не наш путь. Наш путь - перемотка в низкое напряжение с постройкой 2ф частотного преобразователя. В качестве опытного макета был выбран прототип на базе древнего патифонного моторчика ЭДГ-2, он легко перематывается, а вот частотник отдельная тема.

Первым делом были замерены изначальные характеристики ЭДГ-2 с работой от сети 220в, интересовали параметры: КПД и тяговые характеристики в диапазоне оборотов. Для замера моторчик был подвешен на подшипниках с упором в весы, торможение вала передавало усилие на весы, что в сочетании с тахометром, и небольшим пересчетом позволило построить примерный график характеристик этого древнего лилипута.



Следующий этап требовал перемотки и сборки тестового двухфазного генератора, несколько драйверов IR2101 под управлением меги8 почти решили эту задачу, почти потому что мега8 все же не очень шустрый чип для таких вещей, но худо бедно завелось.



Синусоподобная ШИМ в колличесвте двух каналов со сдвигом в 90 градусов позволили завести моторчик, далее следовали аналогичные замеры характеристик как и в первом случае:



В результате всего мероприятия были установлены следующие характеристики:



10Вт 1.5мкф это стоковый вариант от сети 220в, два остальных это режимы частотного питания с подстройкой частоты от оборотов 50..30Гц и постоянными 50Гц при напряжении 20в. Какие выводы можно сделать? В двухфазном исполнении моторчик очень даже работоспособен, независимые фазы лучше чем конденсаторный сдвиг. При понижении частоты снижается реактивное сопротивление моторчика, растет ток, в результате получаем повышение мощности с моментом, но и лишний нагрев никуда не денется. КПД ЭДГ-2 очень низкий, между статором и ротором большие зазоры, а еще в конструкции присутствует магнитопровод удерживающий катушки от выпадания, что значительно рассеивает поле перед ротором. Опыт выглядит успешным, следующий этап переделка опытного моторчика насоса котла.

[Николай_С]

Flash.#13 писал(а):

А почему собственно мир сошелся на трехфазке?

Наверное потому, что токи там по каждому проводу меньше, они сбалансированы и можно сэкономить на нейтрали.

[Flash.#13]

Продолжение темы с циркуляционным насосом. Разборка не представилась сложным процессом, высверлив два небольших отверстия на лицевой части крышки удалось без проблем выбить магнитопровод статора, после чего последовала его разборка. Как и ожидалось заводские обмотки мотора изготовлены из алюминия, удалось намерить толщину провода в 0.2мм при заполнении в 300 витков на паз.



Пересчет в 24в под медь выдал провод 0.5мм и 30...35 витков на паз. Перемотка оказалась трудоемким процессом, пришлось изготовить моталку, и проштудировать ряд видео по процедуре, со второго раза что-то получилось не сильно страшное, витки обвязал ниткой, проклеивать тестовый образец не стал, обратная сборка проблем не доставила.



Испытания с замером времени наполнения емкости водой показали что КПД чуть снизился, мощность мотора после перемотки составила 31Вт при питании от 20в, при этом провода 0.5мм в наличии не было и мотал более тонким 0.45мм, заполнение паза магнитопровода оказалось низким, большая половина окна свободна, кажется можно перемотать более толстым проводом, с большим числом витков, но это уже тема будущих доработок. Ориентировочно насос работает на уровне старого 30Вт режима, мосфеты драйвера не греются, посторонних звуков мотор не издает.
Тестовые данные о наполнении из-за тонкого шланга фитинга сильно отличаются от того что будет на более толстой трубе, замер больше наглядный, чем отображающий реальные характеристики.





Николай_С о ЛЭП и силовых линиях производства спору нет, все логично, но для самоделки двухфазный асинхронник дружелюбней, схема намотки проще, мощность кажется та же, программа управляющего драйвера проще, хотя транзисторов получается даже больше, 8шт вместо 6ти, зато нет заморочек со звездо-треугольником и сквозных токов между фазами. Ну вот понравился двухфазный асинхронник

[iddqd]

Судя по фотам тут используется 4 комплекта ключей и управляющих сигналов, как с биполярным шаговиком. А для трехфазника хватило бы и 3 комплектов при прочих равных. На четверть больше силовых компонентов, а преимуществом за это - что? Это на тему почему 3-фазники используют. А так то прикольно развлеклись.

[As]

...Если учесть, что статор вполне позволяет разместить три группы обмоток, для трехфазного включения - действительно, проще было сразу три фазы намотать...

[>TEHb<]

Если уж приспичит, то можно и тут тремя стойками обойтись. А уж сигналы управления с нынешними процессорами и вовсе плодить очень легко.

[Flash.#13]

Рановато мне трехфазку мотать, и мега8 трехфазный синусный контроллер не потянет. Силовая часть действительно состоит из четырех пар ключей, но программная часть проще, две пары ключей работают в синусном режиме, и два других с меандром, а вот для трехфазного частотника необходимы три синусных сигнала, а это STM32 и подобные штуки. А вообще интересно сравнить характеристики двух и трех фазных движков намотанных на одном железе с одинаковым заполнением, ведь у двухфазного мотора нет сквозных токов между катушками, а трехфазный можно по разному коммутировать. Статья вики пишет что они аналогичны, и больше информации не нашел, но не взирая на перерасход компонентов, мотать двухфазный проще, а еще ностальгия по Тесле, ведь в его времена были популярны как раз двухфазные моторы и сети.

[>TEHb<]

Потянет оно всё. Здесь же скалярное управление? СТМ, с каким-нибудь кортексом М4, конечно, круче, но и АВРы не стоит списывать. Разница между двух- и трёхфазным мотором в данном случае в сдвиге фаз, не более. Повторюсь, и в данном случае хватит трёх стоек. Остальное вопрос синтеза сигналов, то есть программный.

[Flash.#13]

Управление по типу скалярного, без обратной связи, и даже без компенсации напряжения при снижении частоты. Возможно еще придем к трехфазке, но для полноценных испытаний нужен донор под перемотку с валом и съем характеристик(патифонный двухфазник там не поможет), и сам частотник переделывать, пока что доволен данным вариантом. Объединять провода у двухфазного вместе стремно, там по графиках токи с КЗ должны быть в определенных местах, да и не жалко эти два транзистора и проводок, это же не участок в тысячи километров, а на столике между платками. Главное что оно работает от постоянного тока с низким напряжением, трансформатор и повышение ненужно, и работает без каких-то явных проблем, можно запитаться от солнечной батареи например либо аккумулятора, и ненужен инвертор.
Еще понравились пусковые характеристики, намного лучше трехфазных моторов в однофазной сети с конденсатором. Эта тема для меня нова, но сразу бросилось в глаза что у двухфазного мотора нет сильного роста тока при пуске, и снижении оборотов, когда на графиках трехфазных моторов пусковые токи больше номинальных в 5...8 раз, хотя мои тесты касаются маломощного одиночного прототипа.

[Flash.#13]

Взвесив все за и против решился тестировать 3ф вариант насоса, этап первый, перемотка статора, вооружись схемой укладки и видео ютуба приступил:



Паз заполнялся точно так же, 35 витков провода 0.45мм, расход меди примерно такой же, только теперь это 3ф намотка. Интересно сравнить отличия с результатами 2ф варианта, потребление, пусковой и рабочий токи и время прокачки жидкости. Сопротивление фаз при новой намотке снизилось, возможно это повлияет на рабоче напряжение и ток, а еще 3ф можно коммутировать треугольником и звездой, осталось подготовить низковольтный частотник.

[Flash.#13]

Синусный вариант от Меги8 низковольтного частотника что-то не завелся, возможно код кривой, а может нарезка ШИМ слабовата по частоте, так и не смог выяснить, токи были низкими и вращение не происходило. Переделал в меандр и провел тесты на нем. Мотать 3Ф сложнее, много концов катушек, больше путаницы, соединил "звездой", чтобы снизить пусковые токи и сделать характеристику более мягкой. В моторчике все те же 35 витков провода 0,45мм на паз, что и в 2Ф варианте. При 12в пусковой ток получился чуть выше чем у 2Ф варианта, 164% для 3Ф против 150% для 2Ф намоток. Замер прокачки воды немного хуже, 5л/Втч против 5.6л/Втч для 2Ф, но при намотке 3Ф варианта лобные доли вышли больше на сантиметр чем нужно, что могло повлечь ухудшение характеристик.
Сложно сказать какой вариант лучше, расход меди одинаковый, для 2Ф проще сама намотка но требуется больше транзисторов управления, мощность 3Ф "звезды" и 2Ф одинаковая, с виду оба работают хорошо.

Последний раз редактировалось Flash.#13 Пт июл 28, 2023 14:42:09, всего редактировалось 1 раз.

[>TEHb<]

соединил "звездой", чтобы снизить пусковые токи и сделать характеристику более мягкой.

токи были низкими и вращение не происходило.

Добавлено after 2 minutes 30 seconds:
На самом деле есть такой метод "форсировать" мотор при низком питающем напряжении, как "обрезание" верхушек синусоиды. То есть синус и хотел бы быть большей амплитуды, но упирается в питание. И всё равно это приводит в итоге к большему эффективному току. Крайний случай такого форсажа это как раз тупо прямоугольный сигнал.

Перед такой работой снимаю шляпу .

[AlexS4]

для таких мощностей, кпд и требований к стартовому моменту думаю допустимо обойтись 2мя транзисторами на 2 обмотки с диодами наглухо рекуперирующими самоиндукцию в ток противоположного направления.
примерно так работают вентиляторы с двухфазным pmm и датчиком холла (компьютерные куллеры итп)

[>TEHb<]

примерно так работают вентиляторы с двухфазным pmm и датчиком холла (компьютерные куллеры итп)

Все, что мне попадались, имели мост на катушке.

[AlexS4]

в микромощных вроде чаще так:

[Олег 8888]

Доброго времени суток. 2 х фазные моторы используются до сих пор с частотниками , имеющие возможность менять скорость по желанию потребителя. Например в пылесосах rainbow . А так же в турбинах газовых котлов, где требуется большая производительность для вытягивания отгоревших газов. На плате установлена логика , то есть нет даже контроллера и прошивки к нему, и на выходе 4 irf840 , для питания всего этого стоит ( если не ошибаюсь) lnk304 или tny, 15 В обеспечивающий.47 Мф,400В,310 В на ключах. И 1 Холла. Когда в мастерской запускал все летало во круг. Так же есть разъём и цепь оптопары, где если ни чего не подключено то обороты максимум.

[74LS00]

В правильном моторе напряжение должно быть на всех катушках, и это не тот случай.
В 1 фазном моторе псковая катушка подталкивающая, но она использована наполовину. Даже если её накачать полностью как она есть, это 75% от максимума мотора. 100% можно выжать только с 2 фаз, кто бы их делал.

Поговаривают что есть автомобильные холодильники с 12в моторами и какойто электроникой.
Посмотреть бы на эту электронику, возможно там реально 2 фазный синусный контролер. ну а может тупо 1 фазный с конденсатором, и экономией провода.
Других упоминаний про 2 фазные моторы не встречал, для розетки есть только конденсаторные, или другие пусковые вроде центробежных с 50% мощностью.

У 3 фазных такой проблемы нет и там 100% мощности в моторе, но только рабочее там тоже 50% или может чуть больше. Вот эти полпроцента и делают 3 фазный мощнее 1 фазного.
В случае с преобразованием из постоянного в переменное, там и вовсе остаётся 30% от тушки.

Чушь это всё, в хорошем моторе на 100% можно использовать только все катушки одновременно. Для этого должно быть 4 полюса которые подключены по 2. Подругому на постоянно токе полную мощность не взять.
Самокатчикам проще выкинуть 1 провод

И похоже шаговые моторы как раз и есть то что могло быть идеальным мотором, но нужно выкинуть магнит

[Муркиз]

50% у трехфазника ??? Это вот для двухфазника в однофазной сети столько будет в лучшем случае.

А у трехфазника в работе в тяжёлом режиме уж не меньше 75% должно быть по условиям остаться на участке скольжения, а в номинале до 95% доходит.

И именно поэтому 3ф вытесняют все больше и больше по мере расширения и удешевления 3ф контроллеров.
И именно поэтому мир сошёлся на трехфазке.

И кстати, переделка 2ф в 3ф малоэффективна без переделки ротора - вращаться хоть и будет, но потери будут большими.

[iddqd]

И все же я не понимаю еще кое-что...
1) Если тока в мотор лезет недостаточно, видимо индуктивность слишком большая? И тогда соединять треугольником было бы лучше? Или я не прав? Нужда делать прямоугольник намекает что индуктивность не пустила ток в обмотку при той частоте PWM.
2) Вообще, одна из функций "быстрого" PWM - регулировка тока в обмотках. И ток будет такой какой PWM задаст. Не понимаю смысл так заморачиваться его уменьшением. Задайте PWM поменьше при раскрутке, все равно насосу стартовый момент не критичен, можно сделать какой-нибудь плавный старт. А вот если достаточно тока на этом напряжении не влазит - какие варианты?!
3) Как я понимаю синус реально важен для больших моторов, особенно на мелких оборотах, там прямоугольная коммутация вызывает нежелательные эффекты, "дергание" которое вызывает шум и скачки момента (особенно в синхронных).

А вот насчет шаговиков - не соглашусь что это идеальные моторы. Они большие и тяжелые для своей мощности, обмотки высокоомные. Их реальный плюс - предсказуемое позиционирование по шагам и некий момент удержания. Трехфазник, особенно синхронный с магнитами в тех же габаритах куда мощнее получается. И кстати 3-фазник с постоянными магнитами на шаговик в чем-то похож. Но управлять им как шаговиком плохо тем же причинам что и шаговиком - шум и скачки момента. По этой же причине шаговиками иногда управляют с микрошагами, реализуя что-то типа синуса. Так шума сильно меньше, если это важно. Мелкие синхронные 3-фазники можно и прямоугольником, крутиться будет, куда ж оно денется? Просто шума от резкой коммутации прибавится.

[сэм]

Что значит" индуктивность большая" ? Она не может быть большой, т.к определяется нагрузкой ( скольжением ротора относительно поля статора) на двигатель. При полном стопе, индуктивность минимальна и определяется полями рассеяния. Вот малая индуктивность может быть, т. к она влияет на ХХ И будет просто греться сердечник, не производя работы