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.

Как сделать регулятор оборотов коллекторного двигателя 220В своими руками: схемы

Схема регулятора оборотов коллекторного двигателя 220в бывает двух типов стандартная и модифицированная. Все зависит непосредственно от регулятора, который вы используете.

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:

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.

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.

Простой самодельный регулятор

Если вы не хотите покупать готовый регулятор оборотов для двигателя, его вполне можно попробовать изготовить своими руками для контроля мощности устройства.

Это дополнительные навыки для вас и определенная экономия средств для кошелька.

Для изготовления регулятора вам потребуется:

• Набор проводков,
• Паяльник,
• Схема,
• Конденсаторы,
• Резисторы,
• Тиристор.

Монтажная схема будет выглядеть следующим образом.

Согласно представленной схеме, регулятор мощности и оборотов будет контролировать 1 полупериод. Расшифровывается она следующим образом.

1. Питание от стандартной сети 220в поступает на конденсатор. 220 Вольт стандартный показатель бытовых розеток.
2. Конденсатор, получив заряд, вступает в работу.
3. Нагрузка переходит к нижнему кабелю и резисторам.
4. Положительный контакт конденсатора соединяется с электродом тиристора.
5. Идет один достаточный заряд напряжения.
6. Второй полупроводник при этом открывается.
7. Тиристор через себя пропускает полученную от конденсатора нагрузку.
8. Происходит разряжение конденсатора, и полупериод вновь повторяется.

При большой мощности электродвигателя, питающегося от постоянного или переменного тока, регулятор дает возможность применять агрегат более экономично.

Самодельные регуляторы оборотов имеют полное право на свое существование. Но когда речь заходит о необходимости использовать регулятор электродвигателя для более серьезного оборудования, рекомендуется купить готовое устройство. Пусть оно обойдется дороже, но вы будете уверены в работоспособности и надежности агрегата.

ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ КОЛЛЕКТОРНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 230VAC НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ДЕТАЛЯХ

Как известно, коллекторные электродвигатели могут работать как от сети переменного, так и постоянного тока. За эту возможность их часто называют универсальными электродвигателями. Наибольшее распространение для привода различных бытовых электроприборов, которые работают от сети переменного тока (миксеры, швейные машины, пылесосы, электродрели и др.), получили коллекторные электродвигатели последовательного возбуждения.

Для регулирования частоты вращения этих электродвигателей используют схемы двухполупериодного и однополупериодного питания. Схемы двухполупериодного питания отличаются усложненной силовой частью, которая состоит из четырех диодов и тиристора, что увеличивает стоимость, габариты регулятора и снижает надежность его работы. Кроме того, такой регулятор может иметь непростую схему управления силовым тиристором из-за наличия узла обратной связи на оптроне, который устраняет колебания частоты вращения вала двигателя на малой частоте вращения. В регуляторах где электродвигатель с силовым тиристором подключен к выходу выпрямительного моста, т.е. питается выпрямленным двухполупериодным пульсирующим напряжением, без принятия специальных мер электродвигатель может перегреваться, т.к. его обмотки допол­нительно обтекаются током от постоянной составляющей выпрямленного напряжения, которая в π/2 раза меньше амплитуды напряжения питания сети. В этом легко убедиться, включив в сеть переменного тока ( 230 В ) через диоды электромагнитное реле переменного тока с катушкой на напряжение 230 В .

Регулятор, выполненный по однополупериодной схеме питания, содержит всего лишь один силовой элемент — тиристор, т.е. значительно проще, соответственно его стоимость, габариты значительно меньше. Описываемый далее регулятор свободен от отмеченных недостатков. Его принципиальная схема приведена на рисунке ниже.

Предлагаемый регулятор выполнен для сети переменного тока напряжением 230 В , имеет маломощный делитель напряжения, конденсатор, который позволяет устранить « толчки » в работе электродвигателя при вращении вала на низких скоростях, и резистор, повышающий температурную стабильность тиристора. Кроме того, регулятор снабжен стабилизатором напряжения сети для схемы управления тиристором и отличает включением переключателя двухполупериодной работы электродвигателя, которое предпочтительней для индуктивной нагрузки, каковой является электродвигатель.

Резистор R1 и стабилитрон VD2 представляют собою делитель напряжения. Диод VD1 позволяет уменьшить мощность резистора R1 примерно вдвое. К стабилитрону VD2 подключен второй делитель напряжения из резисторов R2, R3, R4 и диода VD3 , в результате напряжение на делителе практически не зависит от колебания напряжения в сети. Диод VD4 предназначен для защиты тиристора VS1 от попадания на управляющий электрод отрицательного потенциала. Тиристор через контакты 1-2 переключателя SA2 соединен последовательно с коллекторным электродвигателем М1 последовательного возбуждения. При переводе переключателя SA2 в положение, при котором замкнуты контакты 1-3 , электродвигатель присоединяется к сети непосредственно, развивая при этом наибольшую мощность и частоту вращения.

Напряжение, снимаемое со второго делителя напряжения, через защитный диод VD4 прикладывается к уп­равляющему электроду тиристора. Регулируют частоту вращения электродвигателя путем перемещения движка потенциометра R3 , что приводит к изменению напряжения на управляющем электроде тиристора. Перемещением движка резистора R3 вверх увеличивается напряжение на управляющем электроде и тиристор открыт большую часть полупериода напряжения сети, соответственно частота вращения электродвигателя увеличивается. При перемещении движка резистора R3 вниз происходит обратный процесс.

Наладка

Наладка регулятора сводится к подбору сопротивления резистора R2 и емкости конденсатора С1 . Для этого вместо электродвигателя включают лампу накаливания мощностью 75-100 Вт и перемещением движка резистора R3 добиваются плавного изменения ее яркости без скачков и сильных миганий, особенно в нижнем положении движка резистора R3 . Если лампа гаснет раньше крайнего нижнего положения движка резистора R3 , то необходимо уменьшить сопротивление резистора R2 , добиваясь таким образом отсутствия свечения лампы в этом положении движка резистора R3 . Конденсатор С1 обеспечивает устойчивую работу электродвигателя на малых оборотах. Для маломощных электродвигателей (мощностью примерно до 300 Вт ) емкость конденсатора должна составлять около 0,5 мкФ . С увеличением мощности электродвигателя емкость конденсатора не­обходимо увеличивать, подбирая ее величину опытным путем до исчезновения « толчков » в работе электродвигателя на низких частотах вращения.

Детали

Все детали регулятора – отечественные, из старых запасов.) В регуляторе использованы резисторы типа МЛТ , конденсатор — МБМ , переменный резистор — СП-5 0,5 Вт , желательно с линейной характеристикой, возможна установка резистора мощностью 0,25 Вт . Диоды серии Д226Б могут быть заменены Д237Б, Д237В или на КД105 с любым буквенным индексом. Стабилитрон Д817Г можно заменить двумя последовательно включенными стабилитронами типа Д817А . Вместо тиристора КУ202Н подойдут КУ202Л , КУ201М с учетом соответствия номинальному току электродвигателя.

К недостаткам данного типа регуляторов следует отнести наличие « мертвой зоны » при регулировании частоты вращения электродвигателя, которая лежит между режимами двухполупериодной и однополупериодной работы при верхнем положении движка резистора R3 , т.е. в этой зоне электродвигатель не регулируется. Так, при испытании регулятора с электродвигателем миксера в двухполупериодном режиме частота вращения выходного вала редуктора составляла 1000 об/мин , при переводе в однополупериодный режим и верхнем положении движка резистора R3 — 800 об/мин . Указанный недостаток во многих случаях может быть несущественным для электробытовых приборов, например, для тех же миксеров, для которых « мертвая зона » не попадает в необходимый диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя и этот недостаток окупается простотой и малой стоимостью схемы.