Регулятор оборотов коллекторного двигателя без потерь

Для выполнения многих видов работ по обработке древесины, металла или других типов материалов требуются не высокие скорости, а хорошее тяговое усилие. Правильнее будет сказать — момент. Именно благодаря ему запланированную работу можно выполнить качественно и с минимальными потерями мощности. Для этого в качестве приводного устройства применяются моторы постоянного тока (или коллекторные), в которых выпрямление питающего напряжения осуществляется самим агрегатом. Тогда для достижения требуемых рабочих характеристик необходима регулировка оборотов коллекторного двигателя без потери мощности.

Особенности регулирования скорости

Важно знать, что каждый двигатель при вращении потребляет не только активную, но и реактивную мощность. При этом уровень реактивной мощности будет больше, что связано с характером нагрузки. В данном случае задачей конструирования устройств регулирования скорости вращения коллекторных двигателей является уменьшение разницы между активной и реактивной мощностями. Поэтому подобные преобразователи будут довольно сложными, и самостоятельно их изготовить непросто.

Своими руками можно сконструировать лишь некоторое подобие регулятора, но говорить о сохранении мощности не стоит. Что такое мощность? С точки зрения электрических показателей, это произведение потребляемого тока, умноженное на напряжение. Результат даст некое значение, которое включает активную и реактивную составляющие. Для выделения только активной, то есть сведения потерь к нулю, необходимо изменить характер нагрузки на активную. Такими характеристиками обладают только полупроводниковые резисторы.

Следовательно, необходимо индуктивность заменить на резистор, но это невозможно, потому что двигатель превратится во что-то иное и явно не станет приводить что-либо в движение. Задача регулирования без потерь заключается в том, чтобы сохранить момент, а не мощность: она все равно будет изменяться. Справиться с подобной задачей сможет только преобразователь, который будет управлять скоростью за счёт изменения длительности импульса открытия тиристоров или силовых транзисторов.

Обобщенная схема регулятора

Примером регулятора, который осуществляет принцип управления мотором без потерь мощности, можно рассмотреть тиристорный преобразователь. Это пропорционально-интегральные схемы с обратной связью, которые обеспечивают жесткое регулирование характеристик, начиная от разгона-торможения и заканчивая реверсом. Самым эффективным является импульсно-фазовое управление: частота следования импульсов отпирания синхронизируется с частотой сети. Это позволяет сохранять момент без роста потерь в реактивной составляющей. Обобщенную схему можно представить несколькими блоками:

силовой управляемый выпрямитель;
блок управления выпрямителем или схема импульсно-фазового регулирования;
обратная связь по тахогенератору;
блок регулирования тока в обмотках двигателя.

Перед тем как углубляться в более точное устройство и принцип регулирования, необходимо определиться с типом коллекторного двигателя. От этого будет зависеть схема управления его рабочими характеристиками.

Разновидности коллекторных двигателей

Известно, как минимум, два типа коллекторных двигателей. К первому относятся устройства с якорем и обмоткой возбуждения на статоре. Ко второму можно отнести приспособления с якорем и постоянными магнитами. Также необходимо определиться, для каких целей требуется сконструировать регулятор:

Если необходимо регулировать простым движением (например, вращением шлифовального камня или сверлением), то обороты потребуется изменять в пределах от какого-то минимального значения, неравному нулю, — до максимального. Примерный показатель: от 1000 до 3000 об/мин. Для этого подойдёт упрощённая схема на 1 тиристоре или на паре транзисторов.
Если необходимо управлять скоростью от 0 до максимума, тогда придется использовать полноценные схемы преобразователей с обратной связью и жёсткими характеристиками регулирования. Обычно у мастеров-самоучек или любителей оказываются именно коллекторные двигатели с обмоткой возбуждения и тахогенератором. Таким мотором является агрегат, используемый в любой современной стиральной машине и часто выходящий из строя. Поэтому рассмотрим принцип управления именно этим двигателем, изучив его устройство более подробно.

Конструкция мотора

Конструктивно двигатель от стиральной машины «Индезит» несложен, но при проектировании регулятора управления его скоростью необходимо учесть параметры. Моторы могут быть различными по характеристикам, из-за чего будет изменяться и управление. Также учитывается режим работы, от чего будет зависеть конструкция преобразователя. Конструктивно коллекторный мотор состоит из следующих компонентов:

Якорь, на нем имеется обмотка, уложенная в пазы сердечника.
Коллектор, механический выпрямитель переменного напряжения сети, посредством которого оно передается на обмотку.
Статор с обмоткой возбуждения. Он необходим для создания постоянного магнитного поля, в котором будет вращаться якорь.

При увеличении тока в цепи двигателя, включенного по стандартной схеме, обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. При таком включении мы увеличиваем и магнитное поле, воздействующее на якорь, что позволяет добиться линейности характеристик. Если поле будет неизменным, то получить хорошую динамику сложнее, не говоря уже о больших потерях мощности. Такие двигатели лучше использовать на низких скоростях, так как ими удобнее управлять на малых дискретных перемещениях.

Организовав раздельное управление возбуждением и якорем, можно добиться высокой точности позиционирования вала двигателя, но схема управления тогда существенно усложнится. Поэтому подробнее рассмотрим регулятор, который позволяет изменять скорость вращения от 0 до максимальной величины, но без позиционирования. Это может пригодиться, если из двигателя от стиральной машины будет изготавливаться полноценный сверлильный станок с возможностью нарезания резьбы.

Выбор схемы

Выяснив все условия, при которых будет использоваться мотор, можно начинать изготавливать регулятор оборотов коллекторного двигателя. Начинать стоит с выбора подходящей схемы, которая обеспечит вас всеми необходимыми характеристиками и возможностями. Следует вспомнить их:

Регулирование скорости от 0 до максимума.
Обеспечение хорошего крутящего момента на низких скоростях.
Плавность регулирования оборотов.

Рассматривая множество схем в интернете, можно сделать вывод о том, что мало кто занимается созданием подобных «агрегатов». Это связано со сложностью принципа управления, так как необходимо организовать регулирование многих параметров. Угол открытия тиристоров, длительность импульса управления, время разгона-торможения, скорость нарастания момента. Данными функциями занимается схема на контроллере, выполняющая сложные интегральные вычисления и преобразования. Рассмотрим одну из схем, которая пользуется популярностью у мастеров-самоучек или тех, кто просто хочет с пользой применить старый двигатель от стиральной машины.

Читайте так же:

Фт 11 токарный станок коробка электромуфт регулировка

Всем нашим критериям отвечает схема управления скоростью вращения коллекторным двигателем, собранная на специализированной микросхеме TDA 1085. Это полностью готовый драйвер для управления моторами, которые позволяют регулировать скорость от 0 до максимального значения, обеспечивая поддержание момента за счёт использования тахогенератора.

Особенности конструкции

Микросхема оснащена всем необходимым для осуществления качественного управления двигателем в различных скоростных режимах, начиная от торможения, заканчивая разгоном и вращением с максимальной скоростью. Поэтому ее использование намного упрощает конструкцию, одновременно делая весь привод универсальным, так как можно выбирать любые обороты с неизменным моментом на валу и использовать не только в качестве привода конвейерной ленты или сверлильного станка, но и для перемещения стола.

Характеристики микросхемы можно найти на официальном сайте. Мы укажем основные особенности, которые потребуются для конструирования преобразователя. К ним можно отнести: интегрированную схему преобразования частоты в напряжение, генератор разгона, устройство плавного пуска, блок обработки сигналов Тахо, модуль ограничения тока и прочее. Как видите, схема оснащена рядом защит, которые обеспечат стабильность функционирования регулятора в разных режимах.

На рисунке ниже изображена типовая схема включения микросхемы.

Схема несложная, поэтому вполне воспроизводима своими руками. Есть некоторые особенности, к которым относятся предельные значения и способ регулирования скоростью:

Максимальный ток в обмотках двигателя не должен превышать 10 А (при условии той комплектации, которая представлена на схеме). Если применить симистор с большим прямым током, то мощность может быть выше. Учтите, что потребуется изменить сопротивление в цепи обратной связи в меньшую сторону, а также индуктивность шунта.
Максимальная скорость вращения достигается 3200 об/мин. Эта характеристика зависит от типа двигателя. Схема может управлять моторами до 16 тыс. об/мин.
Время разгона до максимальной скорости достигает 1 секунды.
Нормальный разгон обеспечивается за 10 секунд от 800 до 1300 об/мин.
На двигателе использован 8-полюсный тахогенератор с максимальным выходным напряжением на 6000 об/мин 30 В. То есть он должен выдавать 8мВ на 1 об/мин. При 15000 об/мин на нем должно быть напряжение 12 В.
Для управления двигателем используется симистор на 15А и предельным напряжением 600 В.

Если потребуется организовать реверс двигателя, то для этого придется дополнить схему пускателем, который будет переключать направление обмотки возбуждения. Также потребуется схема контроля нулевых оборотов, чтобы давать разрешение на реверс. На рисунке не указано.

Принцип управления

При задании скорости вращения вала двигателя резистором в цепи вывода 5 на выходе формируется последовательность импульсов для отпирания симистора на определенную величину угла. Интенсивность оборотов отслеживается по тахогенератору, что происходит в цифровом формате. Драйвер преобразует полученные импульсы в аналоговое напряжение, из-за чего скорость вала стабилизируется на едином значении, независимо от нагрузки. Если напряжение с тахогенератора изменится, то внутренний регулятор увеличит уровень выходного сигнала управления симистора, что приведёт к повышению скорости.

Микросхема может управлять двумя линейными ускорениями, позволяющими добиваться требуемой от двигателя динамики. Одно из них устанавливается по Ramp 6 вывод схемы. Данный регулятор используется самими производителями стиральных машин, поэтому он обладает всеми преимуществами для того, чтобы быть использованным в бытовых целях. Это обеспечивается благодаря наличию следующих блоков:

Стабилизатор напряжения для обеспечения нормальной работы схемы управления. Он реализован по выводам 9, 10.
Схема контроля скорости вращения. Реализована по выводам МС 4, 11, 12. При необходимости регулятор можно перевести на аналоговый датчик, тогда выводы 8 и 12 объединяются.
Блок пусковых импульсов. Он реализован по выводам 1, 2, 13, 14, 15. Выполняет регулировку длительности импульсов управления, задержку, формирования их из постоянного напряжения и калибровку.
Устройство генерации напряжения пилообразной формы. Выводы 5, 6 и 7. Он используется для регулирования скорости согласно заданному значению.
Схема усилителя управления. Вывод 16. Позволяет отрегулировать разницу между заданной и фактической скоростью.
Устройство ограничения тока по выводу 3. При повышении напряжения на нем происходит уменьшение угла отпирания симистора.

Использование подобной схемы обеспечивает полноценное управление коллекторным мотором в любых режимах. Благодаря принудительному регулированию ускорения можно добиваться необходимой скорости разгона до заданной частоты вращения. Такой регулятор можно применять для всех современных двигателей от стиралок, используемых в иных целях.

Регулятор частоты вращения двигателя

Регулятор частоты вращения двигателя, стабилизирующий его скорость при изменении нагрузки, существенно повышает эксплуатационные возможности таких бытовых приборов, как электродрель, электропила, кухонный комбайн и г. д. Известен простой и эффективный однополупериодный регулятор коллекторного электродвигателя последовательного возбужде-ния, стабилизирующий скорость вращения за счет обратной связи по величине противо-ЭДС, возникающей на роторе двигателя и зависящей от его нагрузки. К сожалению, такому регулятору свойствен существенный недостаток — в нем используется высокочувствительный тиристор с током открывания менее 100 мкА. Подобрать ему замену практически невозможно. В публикуемой статье автор предлагает свой вариант схемотехнического решения регулятора, в котором сняты ограничения на параметры тиристора. Прежде чем перейти к описанию модернизированного регулятора электропривода, остановимся коротко на принципе действия простого регулирующего устройства [1].

Его принципиальная схема приведена на рис, 1, Это — мост, левое плечо которого образовано делителем напряжения сети R1 — R2C1 —VD1, а правое—тиристором VS1 и двигателем М1. Управляющий переход тиристора включен е диагональ моста. Открывающий тиристор сигнал представляет собой сумму складывающихся в противофаэе сигналов; напряжения сети, устанавливаемого движком резистора R2f и противо-ЭДС с ротора электродвигателя- При неизменности напряжений мост сбалансирован и частота вращения двигателя также не меняется. Увеличение нагрузки на валу двигателя снижает его обороты и уменьшает соответственно величину противо-ЭДС, что приводит к разбалансу моста, В результате сигнал, поступающий на управляющий переход тиристора, возрастает, и в следующем положительном полупериоде он открывается с меньшей задержкой, увеличивая таким образом подводимую к двигателю мощность.

В итоге снижение частоты вращения двигателя из-за увеличения нагрузки оказывается существенно меньшим, чем было бы при отсутствии регулятора. В данном случае регулирование получается весьма устойчивым, так как рассогласование устраняется в каждом положительном полупериоде сетевого напряжения. Более всего эффект стабилизации выражен при малой и средней частотах вращения двигателя. С повышением регулировочного напряжения на резисторе R2 и увеличением числа оборотов двигателя степень поддержания неизменной скорости двигателя ухудшается. Тиристор VS1 в регуляторе выполняет две функции; пороговую по сигналу рассогласования моста и силовую — по коммутируемому току через двигатель. Диоды VD1, VD2 обеспечивают однополупериодный режим работы устройства^ поскольку сравнение напряжений от резистора R2 и противр-ЭДС возможно только при отсутствии тока через двигатель. Конденсатор С1 в делителе напряжения сети расширяет зону регулирования в сторону малых скоростей, а конденсатор С2 в цепи управляющего электрода тиристора понижает чувствительность регулятора к искрению щеток двигателя.

Читайте так же:

Регулировка тормозов на мотоблоке зубр

Однополупериодный режим двигателя приводит к снижению отдаваемой мощности. Для достижения максимальных мощности и скорости следует зашунтировать тиристор, нажав на кнопку SA1. В этом случае на двигатель будут подаваться обе полуволны сетевого напряжения. Как уже указывалось, основной недостаток рассмотренного регулятора состоит в необходимости использования высокочувствительного тиристора с током открывания менее 100 мкА, который практически нечем заменить. Введение транзисторного аналога тиристора позволяет снять ограничения на параметры открывания VS1 при сохранении тех же регулировочных характеристик. Установка стабилитрона в делитель напряжения сети понижает изменения скорости двигателя при колебаниях питающего напряжения.

Схема модернизированного регулятора представлена на рис, 2. Как и рассмотренное выше устройство, регулятор работает только при положительной полуволне сетевого напряхения. Напряжение рассогласования моста через диод VD2 и резистор R10 поступает к переходу база — эмиттер транзистора VT2, Чувствительность данного устройства и качество его регулирования выше, так как напряжение открывания транзисторов существенно меньше* чем у тиристоров. Ток управления по аналогии с регулятором, представленным на рис. 1, выбран равным 0,1 мА путем шунтирования перехода транзистора резистором R7. Если напряжение, поступающее с движка резистора R2, выше напряжения на роторе двигателя, то транзистор VT2 открывается и открывает VT1, Эти приборы образуют аналог тиристора и при включении формируют мощный импульс разрядного тока конденсатора СЗ, который через токоограничивающий резистор R9 поступает на управляющий электрод симистора VS1, Симистор включается, на двигатель подается напряжение, и число его оборотов увеличивается. Если же напряжение на резисторе R2 ниже, чем на роторе двигателя, симистор не включится, число оборотов сократится.

Накопительный конденсатор СЗ заряжается от сети через резистор R5. Стабилитрон VD4 ограничивает напряжение на конденсаторе на уровне, несколько превышающем возможное напряжение открывания симисторов или тиристоров. Кроме того, стабилитрон исключает появление обратного напряжения на транзисторах усилителя. Конденсатор С4, помимо снижения помех от искрения щеток двигателя, выполняет функцию интегрирования в цепи обратной связи. Увеличение его емкости повышает устойчивость регулятора, что бывает нужно в случае плохого контакта щеток, сопровождающегося их сильным искрением, или при установке предельно малых скоростей, когда может возникнуть так называемое «качание» оборотов. Однако следует помнить, что с увеличением емкости конденсатора С4 динамические характеристики привода ухудшаются и качество стабилизации скорости снижается. Постоянная цепи R5C3 такова, что конденсатор СЗ заряжается быстрее заряда конденсатора C4. Это сделано для того, чтобы в любой возможный момент открывания транзистора VT2 на конденсаторе СЗ уже присутствовало рабочее напряжение, необходимое для выработки пускового импульса. Иногда такое условие может быть нарушено при резком разбалансе моста — при заторможенном двигателе (низкое сопротивление ротора) и максимальном напряжении на движке резистора R2 (большой открывающий ток с делителя). В результате транзисторы открываются до завершения зарядки конденсаторе СЗ, напряжение на нем отсутствует, импульс разрядного тока не формируется. Ток, протекающий через резистор R5, достаточен для удержания открытого состояния транзисторов, но мал для включения симистора, и поэтому двигатель не вращается. Подобную возможность можно расценить как положительную, поскольку в этом случае и при заклинивании привода двигатель отключается, Если же она нежелательна, ее устраняют некоторым снижением сопротивлений резисторов R5 — R7 и (или) повышением сопротивления резистора R1. Величина и форма напряжения на резисторе R2 практически не зависят от изменения сетевого напряжения благодаря наличию ограничителя R4 — VD1. В результате колебания питающего напряжения не приводят к нестабильности устанавливаемого фазового угла открывания симистара. Существенно снижается и нестабильность по напряжению сети устанавливаемой скорости двигателя. При неизменном фазовом угле скорость меняется только за счет изменения амплитуды напряжения на двигателе.

Особенность описываемого регулятора заключается в применении симистора. Дело в том, что коммутация максимальной скорости замыканием цепи «анод-катод» предполагает наличие контактов SA1 мгновенного действия с достаточной разрывной мощностью. При ином исполнении контактов в них может возникать искрение или электрическая дуга. Послед няя крайне нежелательна, так как приводит к подгару контактов и печатной платы и, следовательно, пожароопасна. Симис-тор позволяет перенести коммутацию в цепь управляющего электрода, что полностью исключает искрение в контактах, упрощает их конструкцию и привязку к регулировочному резистору R2. При регулировании симистор работает как тиристор, а при замыкании контактов пропускает на двигатель переменный ток. Транзисторы во время открытого состояния симистора блокируются и не функционируют. Показанное на схеме регулятора включение статарной и роторной обмоток оптимально для двигателей с раздельно выведенными концами обмоток. При применении двигателей с внутренним соединением роторной и статорной обмоток их подключают на место показанной на схеме роторной обмотки, а цепь статорной обмотки заменяют перемычкой. Однако из-за наличия статорной обмотки в цепи обратной связи последний вариант регулятора имеет несколько худшие характеристики регулирования скорости. Конденсаторы С2, С6 устраняют помехи, а цепочка R11C5 подавляет искрение щеток. Резистор R1 ограничивает пределы регулирования открытого состояния симистора началом положительного полупериода. При возрастании нагрузки на валу про-тиво-ЭДС двигателя дополнительно сдвигает момент отпирания симистора к началу полупериода относительно положения, задаваемого регулировочным резистором R2 на холостом ходу. Если резистор R1 был выбран на холостом ходу, та под нагрузкой противо-ЭДС как бы переносит момент открывания симистора за начало полупериода. В результате он открывается через период и возникает «провал-(уменьшение) скорости в верхнем положении движка резистора R2, Это явление устраняется увеличением сопротивления резистора R1.

Читайте так же:

Регулировка зажигания иж планета 5 раннее позднее

Во время разработки регулятор испытывался с различными коллекторными электродвигателями: ДК77 (для бытовых электроприборов и электроинструмента), МШ-2 (для швейных машин) и даже с двигателем параллельного возбуждения СЛ261М. Управление такими существенно различными двигателями не потребовало внесения каких-либо изменений в регулятор. При использовании двигателя с параллельным возбуждением следует иметь в виду, что его статорная обмотка должна запитываться от отдельного внешнего источника и притом до подачи напряжения через регулятор на якорь.

Возможности регулятора иллюстрируют нагрузочные характеристики (сплошной линией без VD1, штриховой с VD1), снятые с двигателем ДК77-280-12 при устанавливаемой на холостом ходу скорости 1500 об/мин и различном напряжении сети (рис, 3). Этот двигатель мощностью 400 Вт при скорости 1200 об/мин легко тормозится положенной на его вал рукой вплоть до полной остановки в том случае, если питание на чего подавать через автотрансформатор, устанавливая на холостом ходу ту же скорость 1500 об/мин.

При незначительном усложнении относительно прототипа регулятор совершенно некритичен к разбросу параметров элементов. В качестве симисторов применимы ТС, ТС2, 2ТС112иТС106 на токи 6,3-10-16 А, а также КУ208Г или 2У208Гна 5 А. Можно также использовать тиристоры КУ201Л, 2У201Л, КУ202Н-М, 2У202Н-М, КУ228И и другие при условии установки замыкателя по цепи «анод-катод». Необходимость теплоотвода определяется величиной тока нагрузки. Транзисторы должны допускать ток не ниже 250 мА и напряжение не менее 15В, Функции VT1 могут выполнять КТ350А, КТ209 (А-М), КТ501А, КТ502А (Б-Е), КT661A, КТ681А и другие, a VT2 — КT503A (Б-Е), КТ645А, КТ660А (Б), КТ684А (Б) и другие с аналогичными характеристиками. Диоды могут быть на ток не ниже 10 мА и напряжение не менее 400 В —КД105(Б-Г), КД209 (А-В), КД221 (В-Г), КД226 (В-Д), Д209,Д210,Д211,Д226,Д237(Б-В). Стабилитрон VD1 подойдет на напряжение стабилизации 120. 180 В (КС630А, КС650А, KC680A, 2C920A, 2C950A, 2С980А) и может быть заменен цепочкой последовательно включенных маломощных стабилитронов на суммарное напряжение 150 В. Стабилитрон VD4 — любой маломощ-ный с напряжением стабилизации 9. 11 В, кроме термокомпенсированных. Конденсаторы С1—С4 — керамические КМ, КМ-6, К10-17 или пленочные К73-17. Конденсаторы С5, С6 — К73-17 с номинальным напряжением 630 В (конденсаторы иных типов и К73-17 на меньшее номинальное напряжение использовать нельзя). Постоянные резисторы — МЛТ или любые другие. Резистор R2 — РП1-64А, он может быть заменен любым непроволочным переменным резистором с линейной характеристикой (СПЗ-4М, СПЗ-6, СП3-9 и др.). Выбор резистора с обратнолога-рифмической характеристикой (В) позволит расширить плавность регулирования в зоне малых скоростей двигателя, Подст-роечный резистор R3 — СПЗ-27, СПЗ-38. Его можно заменить подобранным постоянным резистором. Замыкатель максимальной скорости SA1 выполнен в виде подвижного пружинного пластинчатого контакта и неподвижной стойки на плате регулятора. Между резистором R2 и подвижным контактом находится переходная пластмассовая втулка с кулачком, обеспечивающим замыкание подвижного контакта со стойкой в верхнем по схеме положении переменного резистора R2.

При налаживании регулятора движок резистора R2 следует установить в нижнее по схеме положение и подстроенным резистором R3 выставить желаемую минимальную скорость вращения двигателя. Далее, изменяя положение движка резистора R2, следует проверить изменение оборотов от минимальных до максимальных, отсутствие «качания» оборотов на минимальной скорости без нагрузки, отсутствие «провала» в оборотах на максимальной скорости однополупериодного режима под нагрузкой, а также срабатывание контактов максимальной скорости. Качание устраняется увеличением емкости конденсатора С4, а провал — увеличением сопротивления резистора R1, после чего вновь уточняют положение движка резистора R3. В заключение необходимо отметить, что в регуляторах данного типа таходатчи-ксм является исполнительный электродвигатель и напряжение обратной связи определяется остаточной намагниченностью магнитопровода двигателя и стабильностью щеточного контакта. По этой причине качество регулирования напрямую зависит от указанных характеристик применяемого двигателя. Однако предельная простота устройства управления и хорошие нагрузочные характеристики вполне компенсируют этот недостаток.

Регулятор оборотов коллекторного двигателя: устройство и изготовление своими руками

В любом современном электроинструменте или бытовом приборе используется коллекторный двигатель. Это связано с их универсальностью, т. е. способностью работать как от переменного, так и от постоянного напряжения. Ещё одно преимущество заключается эффективном пусковом моменте.

Однако высокая частота оборотов коллекторного двигателя устраивает далеко не всех пользователей. Для плавности пуска и возможности менять частоту вращений был изобретён регулятор, который вполне возможно изготовить своими руками.

Принцип работы и разновидности коллекторных двигателей

Каждый электродвигатель состоит из коллектора, статора, ротора и щёток. Принцип его работы довольно прост:

Ток подаётся на статор и ротор, соединённые друг с другом.
Образуется магнитное поле.
Из-за воздействия магнитного напряжения, ротор начинает вращаться.
Щётки (обычно их изготавливают из графита) передают напряжение на ротор.
При изменении направления тока в статоре или роторе, вращение вала происходит в другую сторону.

Помимо стандартного устройства также существуют:

Электродвигатели последовательного возбуждения — обладают большей устойчивостью к перегрузкам (чаще всего используются в бытовых устройствах).
Изделия параллельного возбуждения — имеют большее количество витков и небольшое сопротивление.
Однофазные двигатели — лёгкость в изготовлении и широкий диапазон для применения, но низкий КПД.

Устройство регулятора

В мире существует множество схем таких устройств. Тем не менее всех их можно разделить на 2 группы: стандартные и модифицированные изделия.

Стандартное устройство

Типичные изделия отличаются простотой в изготовлении идинистора, хорошей надёжностью при изменении оборотов двигателя. Как правило, такие модели основываются на тиристорных регуляторах. Принцип работы подобных схем достаточно прост:

Читайте так же:

Фольксваген жук регулировка клапанов

Заряд идёт на конденсатор.
Через переменный резистор идёт напряжение пробоя Динистор.
Далее он «пробивается».
«Открывается » симистор, который отвечает за нагрузку.
Чем выше будет напряжение, тем чаще будет «открываться симистор».

Таким образом, происходит регулировка оборотов коллекторного двигателя. В большинстве случаев подобную схему используют в зарубежных бытовых пылесосах. Однако следует знать, что такой регулятор оборотов не обладает обратной связью. Поэтому при изменении нагрузки придётся настраивать обороты электродвигателя.

Изменённые схемы

Конечно, стандартное устройство устраивает многих любителей регуляторов оборотов «покопаться» в электронике. Однако, без прогресса и улучшения изделий мы бы до сих пор жили в каменном веке. Поэтому постоянно изобретаются более интересные схемы, которые с удовольствием применяют многие производители.

Чаще всего используются реостатные и интегральные регуляторы. Как понятно из названия, первый вариант основан на реостатной схеме. Во втором же случае применяется интегральный таймер.

Реостатные отличаются эффективностью в смене количества оборотов коллекторного двигателя. Высокая эффективность обусловлена силовыми транзисторами, которые забирают часть напряжения. Таким образом, снижается поступление тока и двигатель работает с меньшим усердием.

Видео: устройство регулятора оборотов с поддержанием мощности

Главный недостаток такой схемы заключается в большом объёме выделяемого тепла. Поэтому для бесперебойной работы, регулятор должен постоянно охлаждаться. Притом охлаждение устройства должно быть интенсивным.

Иной подход реализован в интегральном регуляторе, где за нагрузку отвечает интегральный таймер. Как правило, в подобных схемах используются транзисторы практически любых наименований. Это связано с тем, что в составе имеется микросхема, обладающая большими значениями выходного тока.

Если нагрузка меньше 0,1 ампера, то всё напряжение поступает прямо на микросхему в обход транзисторов. Однако для эффективной работы регулятора необходимо, чтобы на затворе было напряжение 12В. Поэтому электроцепь и напряжение самого питания должно соответствовать этому диапазону.

Обзор типичных схем

Регулировать вращения вала электродвигателя малой мощности можно посредством последовательного соединения резистора питания с отсутствие. Однако у такого варианта имеется очень низкий КПД и отсутствие возможности плавного изменения скорости. Чтобы избежать такой неприятности, следует рассмотреть несколько схем регулятора, которые применяются чаще всего.

Особенности первого варианта:

На ШИМ транзисторе имеется генератор пилообразного напряжения с частотой 150 Гц.
В роли компаратора выступает операционный усилитель.
Для изменения скорости используют переменный резистор, который управляет длительностью импульсов.

Как известно, ШИМ имеет постоянную амплитуду импульсов. Кроме того, амплитуда идентична напряжению питания. Следовательно, электродвигатель не остановится, даже работая на малых оборотах.

Второй вариант аналогичен первому. Единственное отличие, что в качестве задающего генератора используется операционный усилитель. Этот компонент имеет частоту 500 Гц и занимается выработкой импульсов, имеющих треугольную форму. Регулировка также осуществляется переменным резистором.

Как сделать своими руками

Если нет желания тратиться на приобретение готового устройства, его можно изготовить самостоятельно. Таким образом, можно не только сэкономить деньги, но и получить полезный опыт. Итак, для изготовления тиристорного регулятора потребуется:

паяльник (для проверки работоспособности);
провода;
тиристор, конденсаторы и резисторы;
схема.

Как видно по схеме, регулятором контролируется только 1 полупериод. Однако для тестирования работоспособности на обычном паяльнике этого будет вполне достаточно.

Если знаний по расшифровке схемы недостаточно, можно ознакомиться с текстовым вариантом:

Питание от сети идёт на конденсатор.
Конденсатор получает полный заряд и начинает работу.
Нагрузка передаётся на нижний кабель и резисторы.
С положительным контактом конденсатора соединён электрод тиристора.
Один достаточный заряд напряжения
Открывается второй полупроводник.
Тиристор пропускает через себя нагрузку, полученную с конденсатора.
Конденсатор разряжается и повторяет полупериод.

Использование регуляторов позволяет более экономично использовать электродвигатели. В определённых ситуациях такое устройство можно изготовить самостоятельно. Однако для более серьёзных целей (например, контроля оборудования для отопления) лучше приобрести готовую модель. Благо, на рынке есть широкий выбор таких изделий, а цена вполне демократичная.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки — рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

изменения расхода воздуха в системе вентиляции
регулирования производительности насосов
изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

изменение напряжения питания двигателя
изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n₁ — скорость вращения магнитного поля

n₂ — скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Читайте так же:

Базы данных регулировки колес

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

низкая стоимость
малая масса и размеры

Недостатки:

можно использовать для двигателей небольшой мощности
при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Плюсы электронного автотрансформатора:

Небольшие габариты и масса прибора
Невысокая стоимость
Чистая, неискажённая форма выходного тока
Отсутствует гул на низких оборотах
Управление сигналом 0-10 Вольт

Слабые стороны:

Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
Все недостатки регулировки напряжением

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

специализированными однофазными ПЧ
трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

интеллектуальное управление двигателем
стабильно устойчивая работа двигателя
огромные возможности современных ПЧ:
- возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
- многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
- входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
- различные выходы
- коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
- предустановленные скорости
- ПИД-регулятор
Минусы использования однофазного ПЧ:

Регулятор оборотов коллекторного двигателя без потерь