Надежная схема регулятора оборотов коллекторного двигателя без потерь мощности с обратной связью по Тахо

Устройство коллекторного двигателя и регулировка его оборотов. Порядок изготовления регулятора своими руками, схема работы и собранного устройства. Критерии выбора и стоимость.

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.

Устройство

Устройство коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель состоит обычно из ротора (якоря), статора, щёток и тахогенератора:

  1. Ротор — это вращающаяся часть, статор — это внешний магнит.
  2. Щётки, сделанные из графита – это основная часть скользящих контактов, через которую на вращающийся якорь подаётся напряжение.
  3. Тахогенератор – это прибор, который отслеживает характеристики вращения. В случае нарушения равномерности движения, он корректирует поступающее в двигатель напряжение, тем самым делая его более плавным.
  4. Статор может содержать не один магнит, а, например, 2 (2 пары полюсов). Также, вместо статических магнитов, здесь могут быть использованы и катушки электромагнитов. Работать такой мотор может как от постоянного, так и от переменного тока.

Простота регулировки скорости коллекторного двигателя определяется тем, что скорость вращения прямо зависит от величины поданного напряжения.

Кроме этого, важной особенностью является то, что ось вращения непосредственно можно присоединять к вращающемуся инструменты без использования промежуточных механизмов.

Если говорить об их классификации, то можно говорить о:

  1. Коллекторных двигателях постоянного тока.
  2. Коллекторных двигателях переменного тока.

В этом случае, речь идёт о том, каким именно током происходит питание электродвигателей.

Классификация может быть сделана также и по принципу возбуждения двигателя. В устройстве коллекторного двигателя, электрическое питание подаётся и на ротор и на статор двигателя (если в нём используются электромагниты).

Разница состоит в том, как организованы эти подключения.

Тут принято различать:

  • Параллельное возбуждение.
  • Последовательное возбуждение.
  • Параллельно-последовательное возбуждение.

Регулировка оборотов электродвигателей повышает области их применения

Резка металла, камня, дерева, полировка кузова автомобиля, применение алмазных дисков и дисков разных диаметров – все эти работы требуют выбора такой скорости вращения электродвигателя, которая была бы безопасной в работе и не портила обрабатываемый материал.

Для достижения этих целей существуют регуляторы оборотов электродвигателей. Некоторый электроинструмент имеет встроенные регуляторы оборотов, инструмент  эконом-класса регуляторов не имеет, но в технической литературе и во Всемирной паутине есть множество схем и рекомендаций как сделать регулятор оборотов двигателя своими руками.

Обобщенная схема регулятора

Как устроен регуляторПримером 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.

Продлить жизнь двигателя очень просто

Проблемой в любом хозяйстве является срок жизни электрического инструмента. Для продления его применяют плавный запуск  при включении. Эту проблему также решает регулятор оборотов.

Физика процесса такова, что в момент включения двигателя создается мощный импульс пускового тока. Превышающий рабочий ток двигателя, он создает искрение в контакте коллектора со щетками, что вызывает быстрый их износ.

Пусковой ток может привести к сгоранию обмоток двигателя и износу редуктора из-за рывков при пуске. Плавный пуск делает работу с электроинструментом безопасной и сохраняет его исправность.

Регулировка

Коллекторный двигательТеперь 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.

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:

  • Виды регуляторовЕсли 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.

Регулятор для двигателей на 220 Вольт

Регулятор оборотов двигателя, сделанный своими руками, можно вмонтировать в корпус инструмента или сделать в отдельном корпусе, что значительно улучшает удобство и универсальность пользования им. Автономный регулятор можно применять по мере необходимости для различных электроинструментов.

Простейший регулятор оборотов коллекторного двигателя своими руками можно сделать несколькими способами – на печатной плате, навесным монтажом и на монтажной плате.

Основные элементы схемы:

  • симистор BTA 16;
  • динистор DB 3;
  • переменный резистор 500 кОм;
  • постоянный резистор  2 кОм;
  • емкость 100 нФ;
  • фольгированный текстолит или монтажная плата;
  • припой;
  • канифоль;
  • хлорное железо;
  • маркер для лазерных дисков и карандаш.

Отрезать кусок фольгированнго текстолита, необходимого размера, зашкурить, обезжирить и нарисовать схему устройства для последующего травления в хлорном железе.

После травления промыть, просверлить отверстия для пайки элементов схемы, залудить печатные дорожки и площадки, собрать схему.

Вместо печатной платы своего изготовления можно купить готовую монтажную плату.

Установив собранную схему в удобный для эксплуатации корпус, получите сделанный своими руками регулятор оборотов 220в.

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.

Принцип работы двигателяПри 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.

Как изготовить своими руками?

Существуют различные варианты схем регулировки. Приведём один из них более подробно.

Вот схема его работы:

Схема работы регулировки

Первоначально, это устройство было разработана для регулировки коллекторного двигателя на электротранспорте. Речь шла о таком, где напряжение питания составляет 24 В, но эта конструкция применима и для других двигателей.

Слабым местом схемы, которое было определено при испытаниях её работы, является плохая пригодность при очень больших значениях силы тока. Это связано с некоторым замедлением работы транзисторных элементов схемы.

Рекомендуется, чтобы ток составлял не более 70 А. В этой схеме нет защиты по току и по температуре, поэтому рекомендуется встроить амперметр и контролировать силу тока визуально. Частота коммутации составит 5 кГц, она определяется конденсатором C2 ёмкостью 20 нф.

При изменении силы тока, эта частота может изменяться между 3 кГц и 5 кГц. Переменный резистор R2 служит для регулировки тока. При использовании электродвигателя в бытовых условиях, рекомендуется использовать регулятор стандартного типа.

При этом, рекомендуется подобрать величину R1 таким образом, чтобы правильно настроить работу регулятора. С выхода микросхемы, управляющий импульс поступает на двухтактный усилитель на транзисторах КТ815 и КТ816, далее идёт уже на транзисторы.

Печатная плата имеет размер 50 на 50 мм и изготавливается из одностороннего стеклотекстолита:

Печатная плата

На этой схеме дополнительно указаны 2 резистора по 45 ом. Это сделано для возможного подключения обычного компьютерного вентилятора для охлаждения прибора. При использовании в качестве нагрузки электродвигателя, необходимо схему заблокировать блокирующим (демпферным) диодом, который по своим характеристикам соответствует удвоенному значению тока нагрузки и удвоенному значению питающего напряжения.

Работа устройства при отсутствии такого диода может привести к поломке вследствие возможного перегрева. При этом, диод нужно будет поместить на теплоотвод. Для этого, можно воспользоваться металлической пластиной, которая имеет площадь 30 см2.

Регулирующие ключи работают так, что потери мощности на них достаточно малы. В оригинальной схеме, был использован стандартный компьютерный вентилятор. Для его подключения использовалось ограничительное сопротивление 100 Ом и напряжение питания 24 В.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

Собранное устройство

Собранное устройство

При изготовлении силового блока (на нижнем рисунке), провода должны быть присоединены таким образом, чтобы было минимум изгибов тех проводников по которым проходят большие токи.Мы видим, что изготовление такого прибора требует определённых профессиональных знаний и навыков. Возможно, в некоторых случаях имеет смысл воспользоваться покупным устройством.

Стиральная машина – источник творчества

В умелых руках и креативных мозгах часто появляются идеи сделать полезную вещь из того, что иные хозяйки и нерадивые хозяева выбрасывают на помойку.

Стиральные машины – это кладезь деталей, из которых можно сделать много полезных и нужных в хозяйстве вещей. Сверлильный и токарный станок, лебедка, зернодробилка и машинка для резки веток деревьев и т.д.

Везде нужен двигатель с регулируемыми оборотами. Электродвигатель от стиральной машины при некоторой доработке очень подходящая деталь.

Особенность регулировки оборотов двигателя от стиральной машины в том, чтобы, снижая обороты, не снижать мощность двигателя.

Достигается это применением тахогенератора в цепи обратной связи питания двигателя, управляемого микросхемой TDA 1085.

Регулятор оборотов двигателя стиральной машины своими руками можно собрать самому или заказать специалистам, обратившись к источникам в Интернете.

Снижение оборотов работы электродвигателя без применения обратной связи приводит к потере мощности. Проверить это можно опытным путем.

Собрав схему с последовательным включением: сеть, обмотка статора, обмотка якоря, диммер, сеть. Включив в сеть эту схему, и регулируя обороты симисторным диммером, можно заметить, что при воздействии нагрузки двигатель снижает обороты и останавливается.

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.

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.

Критерии выбора и соимость

Для того, чтобы правильно выбрать наиболее подходящий тип регулятора, нужно хорошо представлять себе, какие есть разновидности таких устройств:

  1. Различные типы управления. Может быть векторная или скалярная система управления. Первые применяются чаще, а вторые считаются более надёжными.
  2. Мощность регулятора должна соответствовать максимально возможной мощности мотора.
  3. По напряжению удобно выбирать устройство, имеющее наиболее универсальные свойства.
  4. Характеристики по частоте. Регулятор, который вам подходит, должен соответствовать наиболее высокой частоте, которую использует мотор.
  5. Другие характеристики. Здесь речь идёт о величине гарантийного срока, размерах и других характеристиках.

В зависимости от назначения и потребительских свойств, цены на регуляторы могут существенно различаться.

Большей частью они находятся в диапазоне примерно от 3,5 тысяч рублей до 9 тысяч:

  1. Регулятор оборотов KA-18 ESC, предназначенный для моделей масштаба 1:10. Стоит 6890 рублей.
  2. Регулятор оборотов MEGA коллекторный (влагозащищенный). Стоит 3605 рублей.
  3. Регулятор оборотов для моделей LaTrax 1:18. Его цена 5690 рублей.

Широкие возможности техники слабых токов

В различных поделках для детских игр, робототехники, приусадебной автоматики применяются маломощные двигатели, работающие от 12 Вольтовых источников питания. Скорость вращения этих двигателей в зависимости от областей применения различна.

Регулятор оборотов 12В можно сделать своими руками. От простейших, на транзисторе или кремниевом управляемом выпрямителе (КУВ),  до сложных с повышенной точностью регулировки.

Принцип работы регулятора оборотов на транзисторе заключается в том, что n-p-n транзистор включен последовательно в цепь питания электродвигателя (коллектор к плюсу источника питания, эмиттер к двигателю).

На базу транзистора подается положительный потенциал, регулируемый переменным резистором. Увеличение положительного потенциала на базе транзистора снижает сопротивление перехода коллектор-эмиттер, ток через транзистор и скорость вращения электродвигателя увеличиваются.

И наоборот, снижение потенциала на базе закрывает переход коллектор-эмиттер и скорость вращения двигателя снижается.

Принцип работы регулятора на КУВ заключается в том, что управляющий электрод его подключается к генератору колебаний на полевом транзисторе, частота которого меняется посредством переменного резистора.

Количество включений КУВ определяется частотой колебаний генератора и разгоняет или замедляет двигатель до нужного числа оборотов.

Сложные с повышенной точностью регулирования оборотов 12-вольтового двигателя делают с применением таймера 7555. Принципиальную схему и порядок сборки такого регулятора оборотов можно легко найти в Интернете.

Фото регулятора оборотов своими руками


Помогите сайту, сделайте репост 😉

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...