Шим-регуляторы оборотов маломощных коллекторных электродвигателей

Цифровой ШИМ регулятор оборотов коллекторного двигателя.

Производить регулировку скорости вращения вала коллекторного электродвигателя, имеющего малую мощность, можно подсоединяя последовательно в электроцепь его питания резистор. Но данный вариант создает очень низкий КПД, и к тому же отсутствует возможность осуществлять плавное изменение скорости вращения.

Паяльный фен YIHUA 8858

Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…

Основное, что этот способ временами приводит к полной остановке электродвигателя при низком напряжении питания. Регулятор оборотов электродвигателя постоянного тока, описанные в данной статье, не имеют эти недостатки. Данные схемы можно с успехом применять и для изменения яркости свечения ламп накаливания на 12 вольт.

Зачем они нужны


Множество бытовых приборов и электроинструментов не обходятся без коллекторного электродвигателя. Такая популярность подобного электродвигателя обусловлена универсальностью.
Для коллекторного электродвигателя может использование питание от тока постоянного или переменного напряжения. Дополнительным преимуществом является эффективный пусковой момент. При этом работа от постоянного или переменного тока электродвигателя сопровождается высокой частотой оборотом, что подходит далеко не всем пользователям. Чтобы обеспечить более плавный пуск и иметь возможность настраивать частоту вращения, используется регулятор оборотов. Простой регулятор вполне можно изготовить своими руками.

Но прежде чем будет обсуждаться схема, сначала нужно разобраться в коллекторных двигателях.

Коллекторные электродвигатели

Конструкция любого коллекторного двигателя включает несколько основных элементов:

  • Коллектор,
  • Щетки,
  • Ротор,
  • Статор.

Работа стандартного коллекторного электродвигателя основана на следующих принципах.

  1. Осуществляется подача тока от источника напряжения 220в. Именно 220 Вольт является стандартным напряжением бытовой сети. Для большинства приборов с электромоторами более 220 Вольт не требуется. Причем подача тока идет на ротор и статор, которые соединяются один с другим.
  2. В результате подачи тока от источника 220в образуется поле магнитное.
  3. Под воздействием магнитного напряжения начинается вращение ротора.
  4. Щетки осуществляют передачу напряжения непосредственно на ротор устройства. Причем щетки обычно изготавливают на основе графита.
  5. Когда направление тока в роторе или статоре меняется, вал вращается в обратную сторону.

Кроме стандартных коллекторных электродвигателей, существуют другие агрегаты:

  • Электромотор последовательного возбуждения. Их устойчивость к перегрузкам более внушительная. Часто встречаются в бытовых электроприборах,
  • Устройства параллельного возбуждения. У них сопротивление не отличается большими показателями, количество витков существенно больше, чем у аналогов,
  • Однофазный электромотор. Его очень легко изготовить своими руками, мощность на приличном уровне, а вот коэффициент полезного действия оставляет желать лучшего.

Регулировка

Теперь расскажем о том, как можно регулировать обороты коллекторных двигателей. В связи с тем, что скорость вращения мотора просто зависит от величины подаваемого напряжения, то любые средства регулировки, которые способны выполнять эту функцию для этого вполне пригодны.

Перечислим несколько такого рода вариантов для примера:

  1. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
  2. Заводские платы регулировки, используемые в бытовых приборах (можно использовать в частности те, которые применяются в миксерах или в пылесосах).
  3. Кнопки, используемые в конструкции электроинструментах.
  4. Бытовые регуляторы освещения с плавным действием.

Однако, все вышеперечисленные способы имеют очень важный изъян. Вместе с уменьшением оборотов, одновременно уменьшается и мощность работы мотора. В некоторых случаях, его можно остановить даже просто рукой. В некоторых случаях, это может быть приемлемо, но большей частью, это является серьёзным препятствием.

Хорошим вариантом является выполнение регулировки оборотов посредством использования тахогенератора. Его обычно устанавливают на заводе. При отклонениях в скорости вращения мотора, через симисторы в мотор передаётся уже откорректированное электропитание, соответствующее требуемой скорости вращения. Если в эту схему встроить регулировку вращения мотора, то потери мощности здесь происходить не будет.

Как это выглядит конструктивно? Наиболее распространены реостатная регулировка вращения, и сделанная на основе использования полупроводников.

В первом случае, речь идёт о переменном сопротивлении с механической регулировкой. Она последовательно подключается к коллекторному электродвигателю. Недостатком является дополнительное выделение тепла и дополнительная трата ресурса аккумулятора. При таком способе регулировк, происходит потеря мощности вращения мотора. Является дешёвым решением. Не применяется для достаточно мощных моторов по упомянутым причинам.

Во втором случае, при использовании полупроводников, происходит управление мотором путём подачи определённых импульсов. Схема может менять длительность таких импульсов, что в свою очередь, меняет скорость вращения без потери мощности.

Регуляторы оборотов

Теперь возвращаемся к теме регулятора оборотов. Все доступные сегодня схемы можно разделить на две большие категории:

  • Стандартная схема регулятора оборотов,
  • Модифицированные устройства контроля оборотов.

Разберемся в особенностях схем подробнее.

Стандартные схемы

Стандартная схема регулятора коллекторного электромотора имеет несколько особенностей:

  • Изготовить динистор не составит труда. Это важное преимущество устройства,
  • Регулятор отличается высокой степенью надежности, что положительно сказывается в течение его периода эксплуатации,
  • Позволяет комфортно для пользователя менять обороты двигателя,
  • Большинство моделей основаны на тиристорном регуляторе.

Если вас интересует принцип работы, то такая схема выглядит довольно просто.

  1. Заряд тока от источника 220 Вольт идет к конденсатору.
  2. Далее идет напряжение пробоя динистора через переменный резистор.
  3. После этого происходит непосредственно сам пробой.
  4. Симистор открывается. Этот элемент несет ответственность за нагрузку.
  5. Чем выше окажется напряжение, чем чаще будет происходить открытие симистора.
  6. За счет подобного принципа работы происходит регулировка оборотов электродвигателя.
  7. Наибольшая доля подобных схем регулировки электродвигателя приходится на импортные бытовые пылесосы.
  8. Но при использовании стандартной схемы регулятора оборотов важно понимать, что он обратной связью не обладает. И если с нагрузкой произойдут изменения, обороты электродвигателя придется настраивать.

Модифицированная схема

Прогресс не стоит на месте. Несмотря на удовлетворительные характеристики стандартной схемы регулятора оборотов двигателя, усовершенствования никому еще не навредили.

Наиболее часто применяемыми схемами являются две:

  • Реостатная. Из названия становится очевидно, что здесь основой выступает реостатная схема. Такие регуляторы высокоэффективные при смене количества оборотов электродвигателя. Высокие показатели эффективности объясняются использованием силовых транзисторов, отбирающих часть напряжения. Так меньшее количество тока из источника 220 Вольт поступает на двигатель, ему не приходится работать с большой нагрузкой. При этом схема имеет определенный недостаток большое количество выделяемого тепла. Чтобы регулятор работал длительное время, для электроинструмента потребуется активное постоянное охлаждение,
  • Интегральная. Для работы интегрального устройства регулирования используется интегральный таймер, который отвечает за нагрузку на электродвигатель. Здесь могут быть задействованы всевозможные транзисторы. Это обусловлено наличием микросхемы в конструкции с большими параметрами выходного тока. При нагрузке менее 0,1 Ампер, все напряжение идет непосредственно на микросхему, обходя транзисторы. Чтобы регулятор работал эффективно, на затворе требуется наличие напряжения в 12 Вольт. Из этого вытекает, что электрическая цепь и напряжение питания обязаны отвечать данному диапазону.

Простая схема управления двигателем постоянного тока

Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.

Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала. При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет «воспринимать» среднее значение подводимой к нему энергии.

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменением основного магнитного потока

Этот способ регулирования в двигателе независимого возбуждения реализуется посредством реостата rрег в цепи обмотки возбуждения.

Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается по­нижением частоты вращения [см. (29.5)]. При увеличении rрег час­тота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока воз­буждения выражается
регулировочной характеристикой
двигателя n=f(IВ) при и .

Из выражения (29.5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф

частота вращения n увеличивается по гиперболическому закону (рис. 29.5,а). Но одновременно уменьшение
Ф
ведет к рос­ту тока якоря Ia = M/(Cм*Ф). При потоке ток якоря дости­гает значения , т. е. падение напряжения в цепи яко­ря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю . В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума nmax. При дальнейшем уменьшении потока частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока Ia второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя мак­симальная частота вращения nmax во много раз превосходит номи­нальную частоту вращения двигателя nном и является недопусти­мой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата rрег необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допус­тимого значения.

Читайте также  Диаграммы поиска неисправностей проигрывателей cd

Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2—3 раза. Необходимо также следить за надежностью электриче­ских соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Фост, при котором частота враще­ния может достигнуть опасного значения. Вид регулировочных характеристик n = f(Ф) зависит от значе­ния нагрузочного момента M2 на валу двигателя: с ростом M2 мак­симальная частота вращения nmax уменьшается (рис. 29.5, б

Рис. 29.5. Регулировочные характеристики двигателя независимого возбуждения

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф

меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях независимого возбуж­дения ток IВ = (0,01 — 0,07)Iа, а поэтому потери в регулировочном реостате невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет nMAX/nMIN = 2 — 5. Объясняется это тем, что нижний предел частоты вращения обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф

, а верхний предел частоты опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, иска­жающее действие которого при ослаблении основною магнитного потока
Ф
усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня.

ШИМ-регуляторы оборотов маломощных коллекторных электродвигателей

Формирование ШИМ-сигнала

ШИМ-сигнал (PWM) представляет собой последовательность импульсов, частота которых неизменна, а модулируется длительность импульсов. Большинство микроконтроллеров легко справляются с этой задачей, но что делать если нет желания программировать и использовать такое мощное средство для такой простой задачи? В этом случае можно использовать дискретные элементы.

Для начала необходимо сформировать последовательность пилообразных импульсов и подать ее на вход компаратора. На второй вход компаратора подается модулирующий сигнал, например, напряжение с переменного резистора. Если напряжение генератора выше напряжения на втором входе — на выходе напряжение близко к напряжению питания. Если напряжение генератора ниже — на выходе ноль.

На рисунке Uк — напряжение команды (постоянный уровень, заданный переменным резистором), Uген — напряжение генератора, UPWM — ШИМ-сигнал.

Генератор ШИМ сигнала на микроконтроллере с регулируемой скважностью

Это простой ШИМ-генератор работающий от стабилизированного источника питания с напряжением 4,75…5,25 В. На его выходе генерируется прямоугольный сигнал с постоянной частотой 1 Гц, но с регулируемым коэффициентом заполнения в диапазоне 0…100% с шагом 1%, в зависимости от установленных перемычек J1-J7.

Устройство найдет применение в мастерской каждого радиолюбителя, например, при тестировании различных прототипов цифровых схем.

Основой генератора является популярный микроконтроллер ATmega48. Вместо него можно использовать модели ATmega88 или ATmega168, которые отличаются только большим объемом памяти.

Управляющая программа написана на ассемблере и идентична для каждого из упомянутых микроконтроллеров (занимает 2440 байт флэш-памяти). После включения источника питания или сброса микроконтроллера с помощью кнопки S1 управляющая программа конфигурирует вывод PB0 (№ 14) в качестве выхода с низким логическим уровнем (LOW), а все остальные выводы — как входы с высоким логическим уровнем (включены внутренние подтягивающие резисторы).

Паяльная станция 2 в 1 с ЖК-дисплеем

Мощность: 800 Вт, температура: 100…480 градусов, поток возду…

Затем микроконтроллер считывает состояние перемычек J1-J7, которые подключены к контактам PD0…PD6. Если все перемычки открыты (OFF), программа переходит к выполнению цикла, генерирующего сигнал с заполнением 0% (режим 0) и на выходе генератора все еще остается низкое логическое состояние (LOW).

Однако если при помощи перемычек установлено некоторое двоичное значение X = 1…99 (J1 — самый младший бит), то программа переходит к соответствующему циклу (режим X), который выполняется без прерывания.

В каждом таком цикле есть две инструкции, которые переключают состояние выхода PB0 на противоположное. Время между переключениями различается (за исключением 50% заполнения), но их сумма всегда равна 1 секунде. Благодаря этому на выходе генератора получается прямоугольный сигнал с различным заполнением, но всегда с частотой 1 Гц.

Если перемычками установлено двоичное значение X > 99, программа переходит к выполнению цикла, генерирующего 100% сигнал (режим 100), при этом на выходе генератора постоянно высокое логическое состояние (HIGH).

Для правильной работы генератора необходимо использовать кварцевый резонатор Q1 с номинальной частотой 4 МГц, поскольку циклы в управляющей программе написаны именно для этой частоты микроконтроллера.

Резистор R2 и конденсатор C1 образуют низкочастотный фильтр, который подавляет дребезг контактов, возникающий в момент нажатия кнопки S1. Транзисторы VT1 (BC547) и VT2 (BC557) работают в качестве выходного буфера с током до 100 мА.

Все возможные для установки комбинации перемычек J1-J7 и соответствующий им коэффициент заполнения сигнала, приведены в следующей таблице.

После пайки всех элементов убедитесь, что нет коротких замыканий. Подайте питание и запрограммируйте микроконтроллер, используя любой ISP программатор через разъем CON3. Контакты разъема CON3 расположены стандартным образом, рекомендованным Atmel.

При программировании необходимо установить соответствующие fuse и lock биты:

  • FL (Fuse Low): $F7
  • FH (Fuse High): $DF
  • FE (Fuse Extended): $F9 ($FF для ATmega48)
  • LB (Lock Bits): $FF

При таких настройках:

  • используется внешний кварцевый резонатор (биты CKSEL3-0 = 0111);
  • делитель частоты на 8 отключен, что вызывает тактирование микроконтроллера на полной частоте резонатора (CKDIV8 = 1);
  • увеличено время запуска до 65 мс после включения напряжения питания (SUT1-0 = 11);
  • отключена генерация тактовой частоты микроконтроллера на выводе PB0 (CKOUT = 1);
  • включена возможность сброса PC6 (RSTDISBL=1) и программирования через последовательный интерфейс (SPIEN=0).

После программирования микроконтроллера отключите программатор от платы. Затем перемычками J1-J7 установите комбинацию, которая соответствует выбранному коэффициенту заполнения, и нажмите кнопку S1. На выходе генератора должен появиться прямоугольный сигнал с частотой 1 Гц и выбранной скважностью.

(2,6 KiB, скачано: 456)

Печатная плата

Все элементы, кроме резистора R3, предназначены для поверхностного монтажа и располагаются на плате с минимальным размером. R3 расположен на обратной стороне платы. Генераторные схемы очень капризны с точки зрения трассировки печатных плат. Если изменить топологию платы нельзя гарантировать ее работоспособность. Первая версия платы генерировала пилообразное напряжение с очень низкой амплитудой и ее было невозможно использовать.


Плата генератора ШИМ-сигнала


ШИМ-регуляторы оборотов маломощных коллекторных электродвигателей

Регулировать частоту вращения маломощного коллекторного электродвигателя (ЭД) можно, включая последовательно с ним резистор. Однако такой вариант дает низкий КПД, не дает возможности делать плавную регулировку (переменные резисторы в несколько десятков Ом не распространены). Главное, что эта мера иногда приводит к остановке вращения вала: ЭД «зависает» при малом напряжении питания в некотором положении ротора. Регуляторы, приведенные в этой статье, свободны от этих недостатков. Устройство можно применять и для регулировки яркости свечения ламп накаливания.

На рис.1 показана схема одного из регуляторов. На однопереходном транзисторе VT1 выполнен генератор пилообразного напряжения (частота повторения 150 Гц), а операционный усилитель (ОУ) DA1 выполняет функцию компаратора, формирующего ШИМ-последовательность на базе ключевого транзистора VT2. Регулируют частоту вращения потенциометром R5, который изменяет ширину импульсов. В связи с тем, что их амплитуда всегда равна напряжению питания, ЭД никогда не «зависает», к тому же он может вращаться намного медленнее, чем в номинальном режиме.

Вторая схема (рис.2) аналогична предыдущей, но в качестве задающего генератора используется ОУ DA1. Этот ОУ работает как генератор напряжения треугольной формы с частотой повторения 500 Гц. Потенциометром R7 устанавливают частоту вращения.

Интересная схема регулятора, выполненного на интегральном таймере NE555, показана на рис.3. Задающий генератор работает на частоте 500 Гц. Длительность импульсов, а значит, и частоту вращения ЭД можно регулировать в пределах от 2 до 98% периода повторения. Выход генератора через усилитель тока на транзисторе VT1 управляет ЭД М1. Недостатком вышеприведенных схем является отсутствие цепей стабилизации частоты вращения при изменении нагрузки на валу ЭД. Решить эту проблему поможет схема, показанная на рис.4.

Как и большинство подобных устройств, данный регулятор содержит задающий генератор напряжения треугольной формы с частотой повторения 2 кГц на DA1.1.DA1.2, компаратор DA1.3, электронный ключ VT1 и регулятор скважности импульсов (частоты вращения ЭД) R6. Особенность схемы — наличие положительной обратной связи через элементы R12,R11,VD1,C2, DA1.4, стабилизирующей частоту вращения вала М1 при изменении нагрузки. При налаживании с конкретным ЭД резистором R12 подбирают такую глубину ПОС, при которой еще не происходят автоколебания частоты вращения при изменении нагрузки на валу двигателя.

Детали. В приведенных выше схемах можно использовать следующие замены деталей: транзистор КТ117А можно заменить КТ117Б-Г или 2N2646; КТ817Б — КТ815, КТ805; микросхему К140УД7 — К140УД6, КР544УД1 ,ТL071, TL081; таймер NE555 — С555, КР1006ВИ1; микросхему TL074 — TL064, TL084, LM324. Для подключения более мощной нагрузки ключевой транзистор КТ817 можно заменить мощным полевым транзистором, например, IRF3905 или ему подобный. Такой транзистор может коммутировать токи до 50 А.

Читайте также  Iar ewarm. stm32f030f4p6. микроконтроллер отсутствует в списке...

Регулятор оборотов с обратной связью для коллекторных двигателей переменного тока

Большинство мировых производителей профессиональных угловых шлифовальных машинок (болгарок) таких как Bosch, Metabo, Makita, DeWalt и других используют два типа регуляторов оборотов с обратной связью.

С помощью таходатчика

На конце якоря мотора установлен кольцевой магнит с прорезью или срезом, а на плате регулятора установлена ка­тушка индуктивности или датчик Холла. Такой регулятор обес­печивает максимально точную стабилизацию оборотов дви­гателя при изменении нагрузки.

На основе измерения падения напряжения на электро­двигателе

В этом случае измеряется падение напряжения на дви­гателе, и схема управления изменяет длительность открытия силового ключа. Такой регулятор, если он правильно наст­роен, обеспечивает также хорошую стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.

Все промышленные регуляторы, собранные на микро­контроллерах, полностью залитые эпоксидной смолой и в ито­ге они не пригодны для ремонта, а цена за новый регулятор достаточно большая, и составляет примерно 20-30% от сто­имости самого электроинструмента.

В поиске специализированных микросхем для решения данной задачи мне приглянулись регуляторы Phase Control фирмы Atmel. Например, простой вариант регулятора на ми­кросхеме U2008B. Рассмотрим схему регулятора на ИМС U2008B приведенную на рис.1. В данном регуляторе можно использовать обратную связь по току или режим плавного пуска, однако в нём нет защиты от перегрузки. Если исполь­зовать плавный пуск тогда нужны только элементы С1, R4 и перемычку Х1 не ставим, а если нужна обратную связь — тог­да все наоборот.

Так как ИMC U2008B не может одновременно работать в режиме плавного пуска и обратной связи, она не подходит для нашей задачи. На рис.2 пока­зана схема регулятора на микросхеме U2010B, у которой есть обратная связь по току, защи­та от перегрузки и плавный старт одновре­менно. Светодиод D2 индицирует перегрузку электродвигателя. Переключатель SA1 «Mode» обеспечивает возможность выбора действий при перегрузке на двигателе в трех режимах: Положение А — индикация перегрузки и по­следующий сброс на минимальные обороты. Для восстановления рабочих оборотов, необходимо выключить инструмент.

Положение В — индикация перегрузки, по­следующий сброс на минимальные обороты, по­сле снятие нагрузки с инструмента, восста­навливаются установленные обороты, т.е. про­исходит авто старт.

Положение С — только индикация перегруз­ки, без остановки двигателя и защиты.

Подбором ёмкости конденсатора СЗ от 1 до 10 мкФ можно изменять длительность и плав­ность пуска двигателя.

Настройка регулятора.

В техническом описании к ИМС U2010B в схеме подключения обозначено только падение напряжение на R6 в 250 мВ и не указано, ка­ким именно должен быть этот резистор.

Рассчитать сопротивление R6 можно исходя из мощнос­ти двигателя по формуле:

где:
UR6 — напряжение на R6 (250 мВ),
Рдвиг — мощность двигателя,
UПИТ — напряжение питания сети.

Например, для двигателя мощностью 750 Вт рассчитыва­ем: R6= 0,25/(750/220) = 0,07 Ом.

Номиналы резисторов R6 и R11, в зависимости от мощ­ности электродвигателя, приведены в таблице.

R11 Мощность, Вт R6*, Ом Нихром, D 1 мм Нихром, D 0,8 мм R11*, кОм
250 0,22 30 19 180-270
300 0,18 27 17 180-220
550 0,1 25 16 180
700 0,08 20 14 160
850 0,07 17 11 150
1000 0,055 15 10 100-120
1200 0,047 13 9 90-110
1500 0,04 12 8 80-100
1800 0,03 10 7 70-100
2000 0,028 8 6 65-90
2200 0,025 7 5 65-90

Главное правильно подбирать резистор R6 под мощность двигателя. Выше представленная формула правильная, но на практике может потребоваться некоторая коррекция по по­ведению двигателя под нагрузкой. Если резистор великоват, то двигатель довольно резко стартует (т.е. происходит боль­шая компенсация нагрузки, чем надо), а потом отключается, а если резистор будет мал, то не будет обеспечиваться ком­пенсация нагрузки.

В Datasheet к ИМС U2010B ёмкость конденсатора С2 указана 0,01 мкФ, но она рассчитана на 60-герцовую сеть, и при использования ИМС в сети 50 Гц за период выдава­лось несколько импульсов управления. В итоге, обороты эле­ктродвигателя практически не регулировались и двигатель ра­ботал на полную мощность. Для сети с частотой 50 Гц нуж­но ёмкость конденсатора С2 увеличить до 0,015 мкФ.

Первый пуск

Переменный резистор Р1 (регулятор оборотов) нужно установить на минимальные обороты двигателя, по схеме движок потенциометра должен быть повернут в сторону ре­зистора R13. Затем подстроенный резистор R10 (компенса­ция нагрузки) установить в среднее положение, а на место R11 (перегрузка) временно подпаять постоянный резистор сопротивлением 62 кОм. Потом включить регулятор в сеть 220 В / 50 Гц и подстроенным резистором R8 выставить са­мые минимальные обороты двигателя.

Нужно сделать так, чтобы при включении двигатель на­чинал вращаться на минимальных оборотах. Если настроить устройство так, чтобы совсем не было напряжения на элек­тродвигателе, то тогда становится слишком нелинейная за­висимость управления резистором Р1 — при его повороте сначала двигатель не крутится, а потом резко стартует без плавного пуска.

Далее нужно подключить вольтметр с диапазоном изме­рения 300 В к выводам двигателя, включить двигатель и на средних оборотах, зажимая вал или привод двигателя через тряпку рукой, выставить такое положение резистора R10, что­бы обороты электродвигателя не менялись при изменении нагрузки на его валу. Одновременно с этим нужно смотреть на вольтметр, подключенный к двигателю. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя регулятор прибавляет напряжение, и двигатель крутится с одинаковыми оборота­ми, независимо от нагрузки.

И вот в последнюю очередь настраивается резистор R11 (перегрузка). Постоянный резистор номиналом 62 кОм вы­паиваем и вместо него ставим подстроенный или перемен­ный резистор номиналом 220 кОм. На оборотах двигателя чуть больше минимальных, сильно зажимая вал или привод двигателя, стараемся почти заклинить вал двигателя, и по степенно изменяем величину резистора R11, пока не начнет срабатывать защита, и не станет светиться VD2. Затем из­мерьте сопротивление переменного резистора тестером и за­паяйте в устройство соответствующий резистор. В таблице указано приблизительные значения сопротивления R11,

Детали регулятора

Купить микросхемы U2008B, U2010B можно через сайт AliExpress (www.ru.aliexpress.com) в Китае с бесплатной до­ставкой на Украину, а далее посылка бесплатно отправляется через «Укрпочту» в любое почтовое отделение на тер­ритории Украины. Доставка на Украину производится на про­тяжении 25-40 дней. Например, цена 1 шт. микросхемы U2010B зависит от корпуса исполнения, примерно 0,9 USD в корпусе S016 и 1,2 USD в корпусе DIP16, а симистора ВТА24-800 — 0,4 USD.

Печатная плата устройства изготовлена из односторонне­го фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм.

Симистор VS1 лучше использовать с изолированной пло­щадкой под радиатор серии ВТА, например BTA12-800, BTA16-800, BTA24-800, или применить другие. При мощнос­ти двигателя до 400 Вт, VS1 можно не устанавливать на ра­диатор. Все SMD детали типоразмера 1206, их можно запа­ять обычным паяльником с тонким жалом.

Подстроенные резисторы — типа СП3-19а или другой ма­логабаритный. Переменный резистор Р1 любой на 47-50 кОм, можно малогабаритные СП4-1, СП3-9. Резистор R1 мощностью не менее 2 Вт, например, типа MЛT-2 или др. Резистор R6 изготовлен из нихромовой проволоки диаметром 0,7 — 1 мм. Автор использовал нихромовый провод из старого блока сопротивлений для зажигания автомобилей ГАЗ с маркировкой 1402.3729. Все электролитические конденса­торы на напряжение не менее 50 В. Диод D1 — типа 1N4007 или КД208, также можно использовать диод в SMD исполне­нии. Светодиод D2 любой малогабаритний диаметром 3-5 мм красного света. Переключатель SA1 любой малогабаритный 3-х позиционный. Если нужен только один режим перегруз­ки, тогда вместо него можно установить перемычку.

Литература:

  1. Бирюков С. Автомат плавного пуска коллекторных эле­ктродвигателей. // Радио. — 1997. — №7. — С.40-42.

Печатная плата для схемы показанной на рисунке 2:

Автор: Валентин Шипляк, г. Ужгород

Виды и устройство регуляторов оборотов коллекторных двигателей

Коллекторные двигатели часто можно встретить в бытовых электроприборах и в электроинструменте: стиральная машина, болгарка, дрель, пылесос и т. д. Что совсем не удивительно, ведь коллекторные двигатели позволяют получать и высокие обороты, и большой крутящий момент (в том числе высокий пусковой момент) — что и нужно для большинства электроинструментов.

При этом коллекторные двигатели могут питаться как постоянным током (в частности — выпрямленным), так и переменным током от бытовой сети. Для управления скоростью вращения ротора коллекторного двигателя применяют регуляторы оборотов, о них и пойдет речь в данной статье.

Читайте также  Цоколевка распространенных биполярных и полевых транзисторов

Для начала вспомним устройство и принцип работы коллекторного двигателя. Коллекторный двигатель включает в себя обязательно следующие части: ротор, статор и щеточно-коллекторный коммутационный узел. Когда питание подается на статор и на ротор, их магнитные поля начинают взаимодействовать, ротор начинает в итоге вращаться.

Питание на ротор подается через графитовые щетки, плотно прилегающие к коллектору (к ламелям коллектора). Для изменения направления вращения ротора, необходимо изменить фазировку напряжения на статоре или на роторе.

Обмотки ротора и статора могут питаться от разных источников или же могут быть соединены параллельно либо последовательно друг с другом. Так различаются коллекторные двигатели параллельного и последовательного возбуждения. Именно коллекторные двигатели последовательного возбуждения можно встретить в большинстве бытовых электроприборов, поскольку такое включение позволяет получить устойчивый к перегрузкам двигатель.

Говоря о регуляторах оборотов, прежде всего остановимся на самой простой тиристорной (симисторной) схеме (смотрите ниже). Данное решение применяется в пылесосах, стиральных машинах, болгарках, и показывает высокую надежность при работе в цепях переменного тока (особенно от бытовой сети).

Работает данная схема достаточно незатейливо: на каждом периоде сетевого напряжения конденсатор заряжается через резистор до напряжения отпирания динистора, присоединенного к управляющему электроду основного ключа (симистора), после чего симистор открывается и пропускает ток к нагрузке (к коллекторному двигателю).

Регулируя время зарядки конденсатора в цепи управления открыванием симистора, регулируют среднюю мощность подаваемую на двигатель, соответственно регулируют обороты. Это простейший регулятор без обратной связи по току.

Симисторная схема похожа на обычный диммер для регулировки яркости ламп накаливания, обратной связи в ней нет. Чтобы появилась обратная связь по току, например чтобы удерживать приемлемую мощность и не допускать перегрузок, необходима дополнительная электроника. Но если рассмотреть варианты из простых и незатейлевых схем, то за симисторной схемой следует реостатная схема.

Реостатная схема позволяет эффективно регулировать обороты, но приводит к рассеиванию большого количества тепла. Здесь требуется радиатор и эффективный отвод тепла, а это потери энергии и низкий КПД в итоге.

Более эффективны схемы регуляторов на специальных схемах управления тиристором или хотя бы на интегральном таймере. Коммутация нагрузки (коллекторного двигателя) на переменном токе осуществляется силовым транзистором (или тиристором), который открывается и закрывается один или несколько раз в течение каждого периода сетевой синусоиды. Так регулируется средняя мощность, подаваемая на двигатель.

Схема управления питается от 12 вольт постоянного напряжения от собственного источника или от сети 220 вольт через гасящую цепь. Такие схемы подходят для управления мощными двигателями.

Принцип регулирования с микросхемами на постоянном токе — это конечно ШИМ — широтно-импульсная модуляция. Транзистор, например, открывается с строго заданной частотой в несколько килогрец, но длительность открытого состояния регулируется. Так, вращая ручку переменного резистора, устанавливают скорость вращения ротора коллекторного двигателя. Данный метод удобен для удержания малых оборотов коллекторного двигателя под нагрузкой.

Более качественное управление — именно регулировка по постоянному току. Когда ШИМ работает на частоте порядка 15 кГц, регулируя ширину импульсов, управляют напряжением при примерно одном и том же токе. Скажем, регулируя постоянное напряжение в диапазоне от 10 до 30 вольт, получают разные обороты при токе порядка 80 ампер, добиваясь требуемой средней мощности.

Если вы хотите изготовить простой регулятор для коллекторного двигателя своими руками без особых запросов к обратной связи, то можно выбрать схему на тиристоре. Потребуется лишь паяльник, конденсатор, динистор, тиристор, пара резисторов и провода.

Если же нужен более качественный регулятор с возможностью поддержания устойчивых оборотов при нагрузке динамического характера, присмотритесь к регуляторам на микросхемах с обратной связью, способным обрабатывать сигнал с тахогенератора (датчика скорости) коллекторного мотора, как это реализовано например в стиральных машинах.

Коллекторный двигатель: принцип действия и устройство, регуляторы оборотов, контроллер управления на ШИМ tda1085

  1. Коллекторные электродвигатели
  2. Регуляторы оборотов для КД
  3. Особенности бесколлекторного двигателя

В настоящее время коллекторные двигатели получили широкое применение в быту и на производстве. Такие электромеханические устройства могут быть как постоянного, так и переменного тока. В зависимости от их предназначения возникает необходимость в изменении скорости вращения оборотов электродвигателя. С такой задачей может справиться тиристорный регулятор напряжения или симисторный регулятор мощности для электродвигателя.

Коллекторные электродвигатели

Коллекторный двигатель (КД) представляет собой электрическую машину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую и обратно. Классифицируются КД по роду питающего тока, их разделяют на следующие группы:

  • Питание постоянным током. Имеют простую конструкцию, высокий пусковой момент и управляются плавной регулировкой частоты вращения.
  • Универсальные КД можно питать от постоянного и переменного напряжения. Основные достоинства: простота управления, недорогая стоимость и компактность.

КД постоянного тока в зависимости от типа индуктора могут быть на постоянных магнитах или дополнительных катушках возбуждения. Постоянные магниты создают необходимый магнитный поток, способствующий образованию вращающего момента. Двигатели, где применяются катушки возбуждения, различаются по типу обмоток.

Двигатели универсальные состоят из следующих элементов:


  1. Коллектора.
  2. Щеткодержателей для фиксации щёток.
  3. Щёток (графитовых или медно-графитовых), служащих для электрического контакта между статорными обмотками и обмотками якоря.
  4. Статорного сердечника, как правило, состоящего из электротехнической стали.
  5. Обмотки статора.
  6. Вала якоря.

Такого типа КД могут быть с параллельным и последовательным возбуждением.

Универсальные двигатели могут работать также и от переменного напряжения, когда при смене полярности в обмотках возбуждения возникает наводящий ток необходимого направления для реверсирования вращения якоря (аверс/реверс). Для регулировки скорости вращения вала электродвигателя, используются различные электрические схемы регуляторов оборотов коллекторных двигателей.

Регуляторы оборотов для КД

Существует несколько типов управляющих схем для регулировки оборотов коллекторных двигателей. Для маломощных устройств с напряжением питания 12 В (вольт) можно использовать реостат или простейшую схему, собранную на транзисторе, за основу которой можно взять любой компенсационный стабилизатор постоянного тока с регулировкой напряжения.

Для плавной регулировки оборотов якоря более мощного КД необходим тиристорный регулятор напряжения постоянного тока. Для протекания тока через тиристор необходимо на его управляющий электрод подать кратковременный импульс. В зависимости от частоты поданных импульсов создаётся порог открывания тиристора, что изменяет величину напряжения на выходе регулятора оборотов. Частоту импульсов можно изменять, включив в схему регулятора генераторный транзистор, например, КТ117, или собрать схему управления на таймере 555 (КР1006ВИ1 отечественного производства).

Такой регулятор постоянного тока можно использовать только с КД постоянного напряжения. Используя тиристоры в высокоиндуктивной нагрузке, так как они могут не до конца закрыться, чревато для выхода из строя регулятора.


Регулировку рекомендуется производить с помощью регулятора оборотов коллекторного двигателя с обратной связью, который задаёт скорость вращения с помощью формирователя опорного напряжения в схеме. В момент нагрузки скорость вращения снижается, а вместе с ней вращающий момент.

За счёт уменьшения противо-ЭДС между управляющим электродом и катодом тиристора возникшей в двигателе пропорционально увеличится напряжение управления на тиристоре. Увеличение величины напряжения, с малым фазовым углом, открывается тиристор и подаёт на двигатель максимальный ток.

Тиристор подбирается таким образом, чтобы пусковой ток КД не превышал его максимально допустимые параметры. Регулировку можно производить только на КД состоящих из щёточного узла.

Тиристорный регулятор по схематическим соображениям не может регулировать обороты асинхронных электродвигателей.

Особенности бесколлекторного двигателя


С виду бесколлекторный двигатель схож с КД, но по конструктивным особенностям имеется различие из-за отсутствия коллектора и щёток. В бесколлекторном двигателе постоянные магниты расположены вокруг вала, так называемого ротора, а обмотки находятся непосредственно на статоре вокруг ротора и имеют определённое количество пар полюсов, от которых зависит скорость мотора. Некоторые бесколлекторные моторы оснащаются сенсорными датчиками, предназначенными для слежения за положением ротора, и управляются электронными регуляторами скорости, собранными на контроллере.

Основными достоинствами бесколлекторных моторов являются отсутствие искрения щёток, создающих помехи, и отсутствие постоянного трения, повышающего температуру внутри двигателя. Отсутствие изнашивающихся частей — коллектора и щёток — увеличивает срок эксплуатации таких моторов, не считая замены подшипников. К недостаткам можно отнести лишь высокую стоимость изделия.

Особой популярностью пользуются однофазные асинхронные двигатели переменного тока, которые используют в различных станках на производстве, а также в бытовых электроприборах, где необходимо использовать разные скорости вращения. Для этих целей используется симисторный регулятор мощности для электродвигателя.

Регулятор оборотов асинхронного двигателя своими руками можно сделать на ШИМ-контроллере tda1085, который управляет симистором. Контроллер можно использовать для управления стиральной машиной совместно с таходатчиком, который считывает импульсы от тахогенератора. Регулирование оборотов осуществляется без потери мощности и независимо от нагрузки.