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.

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.

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.

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.