Качественный и надёжный контроллер скорости вращения для однофазных коллекторных электродвигателей можно сделать на распространённых деталях буквально за 1 вечер. Эта схема имеет встроенный модуль обнаружения перегрузки, обеспечивает мягкий пуск управляемого двигателя и стабилизатор скорости вращения мотора. Работает такой блок с напряжением как 220, так и 110 вольт.
Технические параметры регулятора
- напряжение питания: 230 вольт переменного тока
- диапазон регулирования: 5…99%
- напряжение нагрузки: 230 В / 12 А (2,5 кВт с радиатором)
- максимальная мощность без радиатора 300 Вт
- низкий уровень шума
- стабилизация оборотов
- мягкий старт
- размеры платы: 50×60 мм
Принципиальная электросхема
Схема регулятор мотора на симисторе и U2008
Схема модуля системы регулирования основана на генераторе ШИМ импульсов и симисторе управления мотором — классическая схемотехника для подобных устройств. Элементы D1 и R1 обеспечивают ограничение величины напряжения питания до значения безопасной для питания микросхемы генератора. Конденсатор C1 отвечает за фильтрацию напряжения питания. Элементы R3, R5 и P1 являются делителем напряжения с возможностью его регулирования, который используется для задания величины мощности, подаваемой в нагрузку. Благодаря применению резистора R2, непосредственно входящего в цепь поступления на м/с фазы, внутренние блоки синхронизированы с симистором ВТ139.
Печатная плата
На следующем рисунке показано расположение элементов на печатной плате. Во время монтажа и запуска следует обратить внимание на обеспечение условий безопасной работы — регулятор имеет питание от сети 220В и его элементы непосредственно подключены к фазе.
Увеличение мощности регулятора
В испытательном варианте был применен симистор BT138/800 с максимальным током 12 А, что дает возможность управления нагрузкой более 2 кВт. Если необходимо управление ещё большими токами нагрузки — советуем тиристор установить за пределами платы на большом радиаторе. Также следует помнить о правильном выборе предохранителя FUSE в зависимости от нагрузки.
Кроме управления оборотами электромоторов, можно без каких-либо переделок использовать схему для регулировки яркости ламп.
Схема регулятора, с помощью которой осуществляется изменение частоту оборотов вращения двигателя или вентилятора, рассчитана на работу от сети переменного тока на напряжение 220 вольт.
Двигатель вместе с силовым тиристором VS2 подключен в диагональ диодного моста VD3, на другую же поступает сетевое напряжение переменного тока 220 вольт. Кроме того, этот тиристор осуществляет контроль достаточно широкими импульсами, благодаря чему, непродолжительные обрывы цепи, с которыми работают все коллекторные двигатели, не влияют на устойчивую работу схемы.
Управляет первым тиристором транзистор VT1, подключенный по схеме генератора импульсов. Как только напряжение на конденсаторе станет достаточным для открытия первого транзистора, на управляющий вывод тиристора поступит положительный импульс. Тиристор откроется и теперь уже на втором тиристоре появится длительный управляющий импульс. И уже с него напряжение, которое фактически и влияет на величину оборотов, поступает на двигатель.
Частоту оборотов вращения электродвигателя подстраивают переменным сопротивлением R1. Так как в цепь второго тиристора подсоединена индуктивная нагрузка, то возможно спонтанное открывание тиристора, даже в момент отсутствии управляющего сигнала. Поэтому для блокировки этого, в схему включен диод VD2 который подсоединен параллельно обмотке L1 двигателя.
Во время настройки схемы регулятора оборотов двигателя желательно использовать , которым можно измерить частоту вращения электродвигателя либо обычный стрелочный вольтметр для переменного тока, который подключают параллельно двигателю.
С помощью подбора сопротивления R3 задают диапазон изменения напряжения от 90 до 220 вольт. Если при минимальных оборотах двигатель работает некорректно, то требуется уменьшить номинал резистора R2.
Эта схема хорошо подходит для регулировки скорости вращения вентилятора в зависимости от температуры.
В роли чувствительного элемента используется . В результате его нагревания уменьшается его сопротивление, и поэтому на выходе операционного усилителя, наоборот напряжение увеличивается и через полевой транзистор управляет оборотами вентилятора.
Переменным сопротивлением P1 - можно задать наименьшую скорость вращения вентилятора при наименьшей температуре, а переменным сопротивлением P2 регулируют наибольшую скорость вращения при максимальной температуре.
В нормальных условиях настраиваем резистором P1 минимальные обороты двигателя. Затем нагревают датчик и сопротивлением P2 адают нужную частоту вращения вентилятора.
Схема управляет скоростью вентилятора в зависимости от показаний температур, с помощью обычного с отрицательным температурным коэффициентом.
Схема настолько проста, что в ней присутствует только три радиокомпонента: регулируемый стабилизатор напряжения LM317T и два сопротивления, образующие делитель напряжения. Одно из сопротивлений - термистор с отрицательным ТКС, а другое - обычный резистор. Для упрощения сборки рисунок печатной платы привожу ниже.
В целях экономии, можно оснастить регулятором оборотов типовую болгарку. Такой регулятор для шлифования корпусов различной радиоэлектронной аппаратуры является незаменимым инструментом в арсенале радиолюбителя
Микросхема U2008B является ШИМ-регулятором оборотов коллекторных электродвигателей переменного напряжения. Изготавливается компанией TELEFUNKEN, чаще всего ее можно увидеть в схеме управления электродрелью, шаговой пилы, электролобзика и т.п., а также работает с двигателями от пылесосов, позволяя регулировать тягу. Встроенный контур плавного старта сощественно продлевает срок эксплуатации двигателей. Схемы регулировки на базе этого чипа можно также применять для регулировки мощности, например обогревателей.
Все современные дрели выпускают с встроенными в них регуляторами числа оборотов двигателя, но наверняка, в арсенале каждого радиолюбителя имеется старая советская дрель, у которых изменение числа оборотов не было задумано, что, резко снижает эксплуатационные характеристики.
Регулировать скорость вращения асинхронного безколлекторного двигателя можно с помощью настройки частоты питающего переменного напряжения. Данная схема позволяет регулировать скорость вращения в довольно широком диапазоне - от 1000 до 4000 оборотов в минуту.
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 заряжается через резистор до напряжения отпирания динистора, присоединенного к управляющему электроду основного ключа (симистора), после чего 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 , 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 . 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.
Андрей Повный
При использовании электродвигателя в инструментах, одной из серьёзных проблем является регулировка скорости их вращения. Если скорость недостаточно высока, то действие инструмента является недостаточно эффективным.
Если же она излишне высока, то это приводит не только к существенному перерасходу электрической энергии, но и к возможному пережогу инструмента. При слишком высокой скорости вращения, работа инструмента может стать также менее предсказуемой. Как это исправить? Для этой цели принято использовать специальный регулятор скорости вращения.
Двигатель для электроинструментов и бытовой техники обычно относится к одному из 2 основных типов:
- Коллекторные двигатели.
- Асинхронные двигатели.
В прошлом, вторая из указанных категорий имела наибольшее распространение. Сейчас, примерно 85% двигателей, которые употребляются в электрических инструментах, бытовой или кухонной технике, относятся к коллекторному типу. Объясняется это тем, что они имеют большую степень компактности, они мощнее и процесс управления ими является более простым.
Действие любого электродвигателя построено на очень простом принципе: если между полюсами магнита поместить прямоугольную рамку, которая может вращаться вокруг своей оси, и пустить по ней постоянный ток, то рамка станет поворачиваться. Направление вращения определяется согласно «правилу правой руки».
Эту закономерность можно использовать для работы коллекторного двигателя.
Важным моментом здесь является подключение тока к этой рамке. Поскольку она вращается, для этого используются специальные скользящие контакты. После того, как рамка повернётся на 180 градусов, ток по этим контактам потечёт в обратном направлении. Таким образом, направление вращения останется прежним. При этом, плавного вращения не получится. Для достижения такого эффекта принято использовать несколько десятков рамок.
Устройство
Коллекторный двигатель состоит обычно из ротора (якоря), статора, щёток и тахогенератора:
- Ротор - это вращающаяся часть, статор - это внешний магнит.
- Щётки, сделанные из графита – это основная часть скользящих контактов, через которую на вращающийся якорь подаётся напряжение.
- Тахогенератор – это прибор, который отслеживает характеристики вращения. В случае нарушения равномерности движения, он корректирует поступающее в двигатель напряжение, тем самым делая его более плавным.
- 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:
- Коллекторных двигателях постоянного тока.
- 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
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:
- Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
- Заводские платы регулировки , используемые в бытовых приборах (можно использовать в частности те, которые применяются в миксерах или в пылесосах).
- Кнопки , используемые в конструкции электроинструментах.
- 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 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.
Как изготовить своими руками?
Существуют различные варианты схем регулировки. Приведём один из них более подробно.
Вот схема его работы:
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:
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:
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.
Критерии выбора и соимость
Для того, чтобы правильно выбрать наиболее подходящий тип регулятора, нужно хорошо представлять себе, какие есть разновидности таких устройств:
- Различные типы управления. Может быть векторная или скалярная система управления. Первые применяются чаще, а вторые считаются более надёжными.
- Мощность регулятора должна соответствовать максимально возможной мощности мотора.
- По напряжению удобно выбирать устройство, имеющее наиболее универсальные свойства.
- Характеристики по частоте. Регулятор, который вам подходит, должен соответствовать наиболее высокой частоте, которую использует мотор.
- 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:
- Регулятор оборотов KA-18 ESC , предназначенный для моделей масштаба 1:10. Стоит 6890 рублей.
- Регулятор оборотов MEGA коллекторный (влагозащищенный). Стоит 3605 рублей.
- Регулятор оборотов для моделей LaTrax 1:18. Его цена 5690 рублей.
Прекрасный для самоделок мотор от стиральной машины имеет слишком высокие обороты, и малый ресурс на максимальных оборотах. Поэтому я применяю простой самодельный регулятор оборотов (без потери мощности). Схема опробована и показала прекрасный результат. Обороты регулируются примерно от 600 до max.
Потенциометр электрически изолирован от сети, что повышает безопасность пользования регулятором.
Симистор необходимо поставить на радиатор.
Оптопара (2 шт) практически любая, но EL814 имеет внутри 2 встречных светодиода, и просится в эту схему.
Высоковольтный транзистор можно поставить, например, IRF740 (от БП компьютера), но жалко такой мощный транзистор ставить в слаботочную цепь. Хорошо работают транзисторы 1N60, 13003, КТ940.
Вместо моста КЦ407 вполне подойдет мост из 1N4007, или любой на >300V, и ток >100mA.
Печатка в формате.lay5. Печатка нарисована «Вид со стороны М2 (пайка)», так что при выводе на принтер ее надо зеркалить. Цвет М2 = черный, фон = белый, остальные цвета не печатать . Контур платы (для обрезки) выполнен на стороне М2, и будет указателем границ платы после травления. Перед запайкой деталей его следует удалить. В печатку добавлен рисунок деталей со стороны монтажа для переноса на печатку. Она тогда приобретает красивый и законченный вид.
Регулировка от 600 оборотов подходит для большинства самоделок, но для особых случаев предлагается схема с германиевым транзистором. Минимальные обороты удалось снизить до 200.
Минимальные обороты получил 200 об/мин (170-210, электронный тахометр на низких оборотах плохо меряет), транзистор Т3 поставил ГТ309, он прямой проводимости,и их много. Если поставить МП39, 40, 41, П13, 14, 15, то обороты должны еще снизиться, но уже не вижу надобности. Главное, что таких транзисторов как грязи, в отличие от МП37 (смотри форум).
Плавный пуск прекрасно работает, Правда на валу мотора пусто, но от нагрузки на валу при пуске, подберу R5 при необходимости.
R5 = 0-3к3 в зависимости от нагрузки;; R6 = 18 Ом - 51 Ом - в зависимости от симистора, у меня сейчас этого резистора нет;; R4 = 3к - 10к - защита Т3;; RР1 = 2к-10к - регулятор скорости, связан с сетью, защита от сетевого напряжения оператора обязательна!!!. Есть потенциометры с пластмассовой осью, желательно использовать!!! Это большой недостаток данной схемы, и если нет большой необходимости в малых оборотах, советую использовать V17 (от 600 об/мин).
С2 = плавный пуск, = время задержки включения мотора;; R5 = заряд С2, = наклон кривой заряда, = время разгона мотора;; R7 - время разряда С2 для следующего цикла плавного пуска (при 51к это примерно 2-3 сек)
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| T1 | Симистор | BT139-600 | 1 | В блокнот | ||
| T2 | Динистор | 1 | В блокнот | |||
| VD | Диодный мост | КЦ407А | 1 | В блокнот | ||
| VD4 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | В блокнот | ||
| С2 | Конденсатор | 220 мкФ х 4 В | 1 | В блокнот | ||
| С1 | Конденсатор | 100 нФ х 160 В | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 3.3 кОм 0,5W | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 330 Ом 0,5W | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 470 кОм 0,125W | 1 | В блокнот | ||
| R4 | Резистор | 200 Ом 0,125W | 1 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 200 Ом 0,125W | 1 | В блокнот | ||
| V1 | Оптопара | PC817 | 2 | В блокнот | ||
| T3 | Биполярный транзистор | ГТ309Г | 1 | В блокнот | ||
| C2a | Конденсатор | 47 мкФ х 4 В | 1 |
