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.
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.
Основные функции регулятора оборота
Использование подобных преобразователей позволяет достичь многих целей, а именно:
- возможность ступенчатого разгона и снижения оборотов электродвигателя, что ведет к уменьшению нагрузок и меньшему потреблению электрической энергии;
- можно осуществить плавный запуск, а при мгновенном максимальном разгоне мотор получает сверхвысокие нагрузки, перегрев обмотки и иных приводов;
- как средство дополнительной защиты электронных механизмов;
- сокращение расходов на техобслуживание силовых агрегатов и насосов, так как снижаются риски поломок привода, а также отдельных механизмов.
Без похожих встроенных устройств не обходятся сварочные аппараты, стабилизаторы напряжения, ПК, телевизоры и т.д.
Принцип работы контроллера
Любой регулятор оборотов коллекторного двигателя можно соорудить как в отдельном корпусе, так и вмонтировать в сам инструмент. Автономный вариант дает возможность использовать его, в случае необходимости, с различными инструментами. В любом случае, на принципе функционирования регулятора это не сказывается, т.е.:
- питание от общей сети в 220 Вольт будет направляться на конденсатор;
- происходит полная зарядка конденсатора;
- затем нагрузка будет передаваться на резистор, а также нижний кабель;
- электрод у тиристора (который соединен с «+» на конденсаторе) получит нагрузку;
- начинает передаваться заряд напряжения;
- открывается 2-ой полупроводник;
- тиристор осуществляет пропуск нагрузки, полученной с конденсатора;
- происходит полная разрядка конденсатора;
- повтор полупериода (чем выше напряжение, тем чаще происходит повторение цикла).
Такие самодельные электронные регуляторы оборотов 220В, сделанные своими руками, долговечны, надежны, компактны по своим габаритам, бесшумны, и в то же время дают возможность тонко настроить работу всего привода.
Конструкционные особенности и принцип работы преобразователя частоты
Электронные частотные преобразователи используются для контроля над работой электромоторов как в трехфазной электросети 380B, так и в однофазной на 220В. Их работа базируется на изменении амплитуды и частоты электрического сигнала, что позволяет плавно менять параметры частоты вращения ротора силового агрегата. В основе конструкции большинства подобных устройств, как правило, лежат транзисторы полупроводникового типа с широтно-импульсными модуляторами. Регулировка оборотов осуществляется посредством установленного на микроконтроллере блока управления.
Часто используемые в электроинструменте и бытовой технике моторы постоянного тока коллекторного типа отличаются тем, что при прямом подключении к электросети 220 вольт они начинают выдавать максимальные обороты. Это повышает нагрузку на привод и способствует быстрому его износу. Кроме того, при большой скорости вращения ротора выделяется много тепла, что влечет за собой перегрев рабочих механизмов, оплавление обмоток и кабелей, а также может вызвать короткое замыкание. Поэтому здесь установить регулятор мощности и частоты крайне рекомендуется, даже если контроль над скоростью в техническом процессе и эксплуатации электроустановки не предусмотрен.
Основные детали для сборки
Перед тем, как собрать регулятор, нужно запастись необходимыми элементами и инструментами. Это:
- Достаточный набор проводков.
- Схема (берется из технической литературы либо из интернета).
- Паяльник для работы.
- Конденсаторы, тиристор, резисторы и др.
К вниманию! Качественная регулировка достигается включением в схемы переменных резисторов, обеспечивающих плавное (либо ступенчатое) изменение количества оборотов.
Конструкция и детали
Теперь перейдем к конструкции прибора. Диодные мостики, конденсатор, резистор R2 и диод VD6 устанавливаются на монтажной плате размером 55×35 мм, выполненной из фольгированного ге-тинакса или текстолита толщиной 1…2 мм (рис. 9.7).
В устройстве можно использовать следующие детали. Транзистор — КТ812А(Б), КТ824А(Б), КТ828А(Б), КТ834А(Б,В), КТ840А(Б), КТ847А или КТ856А. Диодные мосты: VD1…VD4 — КЦ410В или КЦ412В, VD6 — КЦ405 или КЦ407 с любым буквенным индексом; диод VD5 — серии Д7, Д226 или Д237.
Переменный резистор — типа СП, СПО, ППБ мощностью не менее 2 Вт, постоянный — ВС, MJIT, ОМЛТ, С2-23. Оксидный конденсатор — К50-6, К50-16. Сетевой трансформатор — ТВЗ-1-6 от ламповых телевизоров, ТС-25, ТС-27 — от телевизора «Юность» или любой другой маломощный с напряжением вторичной обмотки 5…8 В.
Предохранитель рассчитан на максимальный ток 1 А. Тумблер — ТЗ-С или любой другой сетевой. ХР1 — стандартная сетевая вилка, XS1 — розетка.
Все элементы регулятора размещаются в пластмассовом корпусе с габаритами 150x100x80 мм. На верхней панели корпуса устанавливаются тумблер и переменный резистор, снабженный декоративной ручкой. Розетка для подключения нагрузки и гнездо предохранителя крепятся на одной из боковых стенок корпуса.
С той же стороны сделано отверстие для сетевого шнура. На дне корпуса установлены транзистор, трансформатор и монтажная плата. Транзистор необходимо снабдить радиатором с площадью рассеяния не менее 200 см2 и толщиной 3…5 мм.
Рис. Печаная плата мощного регулятора сетевого напряжения 220В.
Регулятор не нуждается в налаживании. При правильном монтаже и исправных деталях он начинает работать сразу после включения в сеть.
Технические характеристики контроллера
В целом, такие самодельные приборы отвечают таким техническим параметрам:
- поддерживаемый диапазон напряжений = 110 − 240 Вольт;
- возможны нагрузки в 2,5 кВт;
- использование рабочей мощности в пределах 300 Вт;
- возможно регулировать обороты в диапазоне от 9 до 99%.
Если после ознакомления со всей информацией появляется вопрос, как сделать регулятор оборотов вашего двигателя, схемы и подсказки специалистов наверняка помогут разобраться в этом не хитром, по сути, деле. Да и способов существует несколько: навесной монтаж, на поверхности печатной либо монтажной платы.
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.
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.
Возможности «слабых» токов
Различные детские игры, робототехника, приусадебная автоматика используют двигатели с малой мощностью, которые работают от источников питания в 12 Вольт. Регулировку скорости вращения в таких устройствах можно сделать, подсоединив последовательно в цепь резистор. Но при этом достигается низкий КПД, и нет возможности плавно менять скорость вращения. Иногда, при низком напряжении, может произойти полная остановка двигателя.
А сделанный своими руками регулятор оборотов на 12В будет полностью соответствовать необходимым характеристикам, хотя включает в себя минимум элементов: транзистор, операционный усилитель, таймер и микросхему.
Обратите внимание!
Мебель из поддонов своими руками (140 фото) — поэтапный мастер-класс со схемами и чертежами, идеи дизайна
- Журнальный столик своими руками — руководство по изготовлению с полным описанием этапов, выбор материалов (120 фото идей)
Корзина для белья своими руками (130 фото идей): пошаговый мастер-класс для изготовления своими руками, выбор материалов, варианты дизайна
Если намечается использовать более сильные нагрузки, можно взять более мощный полевой транзистор или собрать более сложные системы, имеющие повышенную точность регулировки (с таймером).
Различные варианты схем позволяют создавать не только одноканальные, но и двухканальные регуляторы.
ШИМ
Наиболее простой метод регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока основан на использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ или PWM). Суть этого метода заключается в том, что напряжение питания подается на двигатель в виде импульсов. При этом частота следования импульсов остается постоянной, а их длительность может меняться.
ШИМ сигнал характеризуется таким параметром как коэффициент заполнения или Duty cycle. Это величина обратная скважности и равна отношению длительности импульса к его периоду.
D = (t/T) * 100%
На рисунках ниже изображены ШИМ сигналы с различными коэффициентами заполнения.
При таком методе управления скорость вращения двигателя будет пропорциональна коэффициенту заполнения ШИМ сигнала.
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.
Существует много схем для генерации ШИМ сигнала. Одна из самых простых — это схема на основе 555-го таймера. Она требует минимум компонентов, не нуждается в настройке и собирается за один час.
Напряжение питания схемы VCC может быть в диапазоне 5 — 16 Вольт. В качестве диодов VD1 — VD3 можно взять практически любые диоды. Если интересно разобраться, как работает эта схема, нужно обратиться к блок схеме 555-го таймера. Таймер состоит из делителя напряжения, двух компараторов, триггера, ключа с открытым коллектором и выходного буфера.
Вывод питания (VCC) и сброса (Reset) у нас заведены на плюс питания, допустим, +5 В, а земляной (GND) на минус. Открытый коллектор транзистора (вывод DISCH) подтянут к плюсу питания через резистор и с него снимается ШИМ сигнал. Вывод CONT не используется, к нему подключен конденсатор. Выводы компараторов THRES и TRIG объединены и подключены к RC цепочке, состоящей из переменного резистора, двух диодов и конденсатора. Средний вывод переменного резистора подключен к выводу OUT. Крайние выводы резистора подключены через диоды к конденсатору, который вторым выводом подключен к земле. Благодаря такому включению диодов, конденсатор заряжается через одну часть переменного резистора, а разряжается через другую. В момент включения питания на выводе OUT низкий логический уровень, тогда на выводах THRES и TRIG, благодаря диоду VD2, тоже будет низкий уровень. Верхний компаратор переключит выход в ноль, а нижний в единицу. На выходе триггера установится нулевой уровень (потому что у него инвертор на выходе), транзисторный ключ закроется, а на выводе OUT установиться высокий уровень (потому что у него на инвертор на входе). Далее конденсатор С3 начнет заряжаться через диод VD1. Когда она зарядится до определенного уровня, нижний компаратор переключится в ноль, а затем верхний компаратор переключит выход в единицу. На выходе триггера установится единичный уровень, транзисторный ключ откроется, а на выводе OUT установится низкий уровень. Конденсатор C3 начнет разряжаться через диод VD2, до тех пор, пока полностью не разрядится и компараторы не переключат триггер в другое состояние. Далее цикл будет повторяться. Приблизительную частоту ШИМ сигнала, формируемого этой схемой, можно рассчитать по следующей формуле:
F = 1.44/(R1*C1), [Гц]
где R1 в омах, C1 в фарадах. При номиналах указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:
F = 1.44/(50000*0.0000001) = 288 Гц.
Объединим две представленные выше схемы, и мы получим простую схему регулятора оборотов двигателя постоянного тока, которую можно применить для управления оборотами двигателя игрушки, робота, микродрели и т.д.
VT1 — полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2 больше или равно VCC1. Вместо полевого транзистора можно использовать биполярный n-p-n транзистор, транзистор дарлингтона, оптореле соответствующей мощности.
Основные советы мастерам
Перед тем, как подобрать наиболее эффективный вариант регулятора, стоит учесть некоторые подсказки:
- одним из важнейших критериев при выборе является мощность, которая должна превышать либо соответствовать данным на используемом приборе или агрегате;
- для коллекторных двигателей чаще выбирают векторные регуляторы, но скалярные более надежны;
- напряжение должно соответствовать допустимому диапазону;
- проводки выбираются не слишком длинные;
- надежное запаивание мест соединения и хорошая изоляция;
- так как основным предназначением устройства является преобразование частоты, данный аспект выбирается в соответствии с теми или иными техническими требованиями.
Получается, что при старании можно и снизить уровень шума вентилятора у ПК, уменьшив напряжение и число оборотов при помощи транзистора и двух резисторов.
Такая работа по сборке простого контроллера полезна для получения дополнительных полезных навыков, к тому же, поможет сэкономить деньги.
Обратите внимание!
Зеркало с подсветкой своими руками — пошаговый мастер-класс по изготовлению своими руками, фото видов подсветки
- Подставка для цветов своими руками -ТОП-100 фото вариантов подставки, подробная инструкция, схемы и чертежи от мастеров
- Реставрация мебели своими руками: способы реставрации, пошаговый мастер-класс, необходимые инструменты и материалы
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.
