Регулятор оборотов электродвигателя: принцип действия. Регулятор оборотов электродвигателя: принцип действия Мощные импульсные регуляторы оборотов двигателя

Электродвигателя необходим для плавного разгона и торможения. Широкое применение получили такие устройства в промышленности. С их помощью изменяют скорость движения вращения вентиляторов. Двигатели на 12 Вольт используются в системах управления и автомобилях. Все видели переключатели, которыми изменяется скорость вращения вентилятора печки в машинах. Это один из типов регуляторов. Только он не предназначен для плавного запуска. Изменение скорости вращения происходит ступенчато.

Применение частотных преобразователей

В качестве регуляторов оборотов и 380В используются частотные преобразователи. Это высокотехнологичные электронные устройства, которые позволяют кардинально изменить характеристики тока (форму сигнала и частоту). В их основе находятся мощные полупроводниковые транзисторы и широтно-импульсный модулятор. Вся работа прибора управляется блоком на микроконтроллере. Изменение скорости вращения ротора двигателя происходит плавно.

Поэтому используются в нагруженных механизмах. Чем медленнее разгон, тем меньшие нагрузки будет испытывать конвейер или редуктор. Все частотники оснащены несколькими степенями защиты - по току, нагрузке, напряжению и прочими. Некоторые модели частотных преобразователей питаются от однофазного делают из него трехфазное. Это позволяет подключать асинхронные моторы дома без использования сложных схем. И не потеряется мощность при работе с таким устройством.

Для каких целей используются регуляторы

В случае с асинхронными двигателями регуляторы оборотов необходимы для:

1. Существенной экономии электроэнергии . Ведь не в каждом механизме требуется большая скорость вращения мотора - порой ее можно уменьшить на 20-30%, а это позволит сократить расходы на электроэнергию вдвое.
2. Защиты механизмов и электронных цепей . С помощью преобразователей частоты можно осуществлять контроль температуры, давления и многих других параметров. Если двигатель работает в качестве привода насоса, то в емкости, в которую он накачивает воздух или жидкость, нужно установить датчик давления. И при достижении максимального значения мотор просто отключится.
3. Совершения плавного пуска . Нет необходимости использовать дополнительные электронные устройства - все можно сделать с помощью изменений настроек частотного преобразователя.
4. Снижения расходов на техническое обслуживание . При помощи подобных регуляторов оборотов электродвигателей 220В снижается риск выхода из строя привода и отдельных механизмов.

Схема, по которой построены частотные преобразователи, широко распространена во многих бытовых приборах. Нечто подобное можно встретить в источниках бесперебойного питания, сварочных аппаратах, стабилизаторах напряжения, блоках питания компьютеров, ноутбуков, зарядниках телефонов, блоках розжига ламп подсветки современных ЖК-телевизоров и мониторов.

Как работают регуляторы вращения

Можно сделать своими руками регулятор оборотов электродвигателя, но для этого потребуется изучить все технические моменты. Конструктивно можно выделить несколько основных компонентов, а именно:

1. Электродвигатель.
2. Микроконтроллерную систему управления и блок преобразователя.
3. Привод и механизмы, связанные с ним.

В самом начале работы, после подачи напряжения на обмотки, происходит вращение ротора двигателя с максимальной мощностью. Именно эта особенность отличает асинхронные машины от других. К этому прибавляется нагрузка от механизма, который приводится в движение. В итоге на начальном этапе мощность и потребляемый ток возрастают до максимума.

Выделяется очень много тепла. Перегреваются и обмотки, и провода. Применение частотного преобразователя поможет избавиться от этого. Если установить плавный пуск, то до максимальной скорости (которая также регулируется устройством и может быть не 1500 об./мин, а всего 1000) двигатель будет разгоняться не сразу, а на протяжении 10 секунд (каждую секунду по 100-150 оборотов прибавлять). При этом нагрузка на все механизмы и провода уменьшится в разы.

Самодельный регулятор

Самостоятельно можно сделать регулятор оборотов электродвигателя 12В. Для этого потребуется переключатель на несколько положений и проволочные резисторы. С помощью последних меняется напряжение питания (а вместе с ним и частота вращения). Аналогичные системы можно использовать и для асинхронных двигателей, но они менее эффективны. Много лет назад широко применялись механические регуляторы - на основе шестеренчатых приводов или вариаторов. Но они были не очень надежными. Электронные средства намного лучше себя показывают. Ведь они не такие громоздкие и позволяют более тонко настраивать привод.

Для изготовления регулятора вращения электродвигателя потребуется несколько электронных устройств, которые можно либо приобрести в магазине, либо снять со старых инверторных приборов. Неплохие результаты показывает симистор ВТ138-600 в схемах таких электронных устройств. Чтобы произвести регулировку, потребуется включить в схему переменный резистор. С его помощью изменяется амплитуда входящего на симистор сигнала.

Внедрение системы управления

Чтобы улучшить параметры даже самого простого устройства, потребуется в схему регулятора оборотов электродвигателя включить микроконтроллерное управление. Для этого нужно выбрать процессор с подходящим числом входов и выходов - для подключения датчиков, кнопок, электронных ключей. Для экспериментов можно применить микроконтроллер AtMega128 - самый популярный и простой в использовании. В свободном доступе можно найти множество схем с использованием этого контроллера. Самостоятельно их отыскать и применить на практике не составит труда. Чтобы он правильно работал, потребуется в него записать алгоритм - отклики на определенные действия. Например, при достижении температуры в 60 градусов (замер происходит на радиаторе прибора) должно произойти отключение питания.

В заключение

Если решите не делать самостоятельно устройство, а приобрести готовое, то обратите внимание на основные параметры, такие как мощность, тип системы управления, рабочее напряжение, частоты. Желательно произвести расчет характеристик механизма, в котором планируется использовать регулятор напряжения электродвигателя. И не забудьте сопоставить с параметрами частотного преобразователя.

Производить регулировку скорости вращения вала коллекторного электродвигателя, имеющего малую мощность, можно подсоединяя последовательно в электроцепь его питания . 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.

Описание 4 схем регуляторов оборотов электродвигателя

Первая схема

Изменяют скорость вращения переменным резистором R5, который меняет длительность импульсов. Так как, амплитуда ШИМ импульсов постоянна и равна напряжению питания электродвигателя, то он никогда не останавливается даже при очень малой скорости вращения.

Вторая схема

Она схожа с предыдущей, но в роли задающего генератора применен операционный усилитель DA1 (К140УД7).

Этот ОУ функционирует как генератор напряжения вырабатывающий импульсы треугольной формы и имеющий частоту 500 Гц. Переменным резистором R7 выставляют частоту вращения электродвигателя.

Третья схема

Она своеобразная, построена на она на . Задающий генератор действует с частотой 500 Гц. Ширина импульсов, а следовательно, и частоту вращения двигателя возможно изменять от 2 % до 98 %.

Слабым местом во всех вышеприведенных схемах является, то что в них нет элемента стабилизации частоты вращения при увеличении или уменьшении нагрузки на валу двигателя постоянного тока. Разрешить эту проблему можно с помощью следующей схемы:

Как и большинство похожих регуляторов, схема этого регулятора имеет задающий генератор напряжения, вырабатывающий импульсы треугольной формы, частота которых 2 кГц. Вся специфика схемы — присутствие положительной обратной связи (ПОС) сквозь элементы R12,R11,VD1,C2, DA1.4, стабилизирующей частоту вращения вала электродвигателя при увеличении или уменьшении нагрузки.

При налаживании схемы с определенным двигателем, сопротивлением R12 выбирают такую глубину ПОС, при которой еще не случаются автоколебания частоты вращения при изменении нагрузки.

Детали регуляторов вращения электродвигателей

В данных схемах возможно применить следующие замены радиодеталей: транзистор КТ817Б — КТ815, КТ805; КТ117А возможно поменять КТ117Б-Г или 2N2646; Операционный усилитель К140УД7 на К140УД6, КР544УД1, ТL071, TL081; таймер NE555 — С555, КР1006ВИ1; микросхему TL074 — TL064, TL084, LM324.

При использовании более мощной нагрузки, ключевой транзистор КТ817 возможно поменять мощным полевым транзистором, например, IRF3905 или ему подобный.

Плавная работа двигателя, без рывков и скачков мощности – это залог его долговечности. Для контроля этих показателей используется регулятор оборотов электродвигателя на 220В, 12 В и 24 В, все эти частотники можно изготовить своими руками или купить уже готовый агрегат.

Зачем нужен регулятор оборотов

Регулятор оборотов двигателя, частотный преобразователь – это прибор на мощном транзисторе, который необходим для того, чтобы инвертировать напряжение, а также обеспечить плавную остановку и пуск асинхронного двигателя при помощи ШИМ. ШИМ – широко-импульсное управление электрическими приспособлениями. Его применяют для создания определенной синусоиды переменного и постоянного тока.

Самый простой пример преобразователя – это обычный стабилизатор напряжения. Но у обсуждаемого прибора гораздо больший спектр работы и мощность.

Частотные преобразователи используются в любом устройстве, которое питается от электрической энергии. Регуляторы обеспечивают чрезвычайно точный электрический моторный контроль, так что скорость двигателя можно изменять в меньшую или большую сторону, поддерживать обороты на нужном уровне и защищать приборы от резких оборотов. При этом электродвигателем используется только энергия, необходимая для работы, вместо того, чтобы запускать его на полной мощности.

Зачем нужен регулятор оборотов асинхронного электродвигателя:

1. Для экономии электроэнергии. Контролируя скорость мотора, плавность его пуска и остановки, силы и частоты оборотов, можно добиться значительной экономии личных средств. В качестве примера, снижение скорости на 20% может дать экономию энергии в размере 50%.
2. Преобразователь частоты может использоваться для контроля температуры процесса, давления или без использования отдельного контроллера;
3. Не требуется дополнительного контроллера для плавного пуска;
4. Значительно снижаются расходы на техническое обслуживание.

Устройство часто используется для сварочного аппарата (в основном для полуавтоматов), электрической печки, ряда бытовых приборов (пылесоса, швейной машинки, радио, стиральной машины), домашнего отопителя, различных судомоделей и т.д.

Принцип работы регулятора оборотов

Регулятор оборотов представляет собой устройство, состоящее из следующих трех основных подсистем:

1. Двигателя переменного тока;
2. Главного контроллера привода;
3. Привода и дополнительных деталей.

Когда двигатель переменного тока запускается на полную мощность, происходит передача тока с полной мощностью нагрузки, такое повторяется 7-8 раз. Этот ток сгибает обмотки двигателя и вырабатывает тепло, которое будет выделяться продолжительное время. Это может значительно снизить долговечность двигателя. Иными словами, преобразователь – это своеобразный ступенчатый инвертор, который обеспечивает двойное преобразование энергии.

В зависимости от входящего напряжения, частотный регулятор числа оборотов трехфазного или однофазного электродвигателя, происходит выпрямление тока 220 или 380 вольт. Это действие осуществляется при помощи выпрямляющего диода, который расположен на входе энергии. Далее ток проходит фильтрацию при помощи конденсаторов. Далее формируется ШИМ, за это отвечает электросхема. Теперь обмотки асинхронного электродвигателя готовы к передаче импульсного сигнала и их интеграции к нужной синусоиде. Даже у микроэлектродвигателя эти сигналы выдаются, в прямом смысле слова, пачками.

Как выбрать регулятор

Существует несколько характеристик, по которым нужно выбирать регулятор оборотов для автомобиля, станочного электродвигателя, бытовых нужд:

1. Тип управления. Для коллекторного электродвигателя бывают регуляторы с векторной или скалярной системой управления. Первые чаще применяются, но вторые считаются более надежными;
2. Мощность. Это один из самых важных факторов для выбора электрического преобразователя частот. Нужно подбирать частотник с мощностью, которая соответствует максимально допустимой на предохраняемом приборе. Но для низковольтного двигатель лучше подобрать регулятор мощнее, чем допустимая величина Ватт;
3. Напряжение. Естественно, здесь все индивидуально, но по возможности нужно купить регулятор оборотов для электродвигателя, у которого принципиальная схема имеет широкий диапазон допустимых напряжений;
4. Диапазон частот. Преобразование частоты – это основная задача данного прибора, поэтому старайтесь выбрать модель, которая будет максимально соответствовать Вашим потребностям. Скажем, для ручного фрезера будет достаточно 1000 Герц;
5. По прочим характеристикам. Это срок гарантии, количество входов, размер (для настольных станков и ручных инструментов есть специальная приставка).

При этом также нужно понимать, что есть так называемый универсальный регулятор вращения. Это частотный преобразователь для бесколлекторных двигателей.

В данной схеме есть две части – одна логическая, где на микросхеме расположен микроконтроллер, а вторая – силовая. В основном такая электрическая схема используется для мощного электрического двигателя.

Видео: регулятор оборотов электродвигателя с ШИро V2

Как сделать самодельный регулятор оборотов двигателя

Можно сделать простой симисторный регулятор оборотов электродвигателя, его схема представлена ниже, а цена состоит только из деталей, продающихся в любом магазине электротехники.

Для работы нам понадобится мощный симистор типа BT138-600, её советует журнал радиотехники.

В описанной схеме, обороты будут регулироваться при помощи потенциометра P1. Параметром P1 определяется фаза входящего импульсного сигнала, который в свою очередь открывает симистор. Такая схема может применяться как в полевом хозяйстве, так и в домашнем. Можно использовать данный регулятор для швейных машинок, вентиляторов, настольных сверлильных станков.

Принцип работы прост: в момент, когда двигатель немного затормаживается, его индуктивность падает, и это увеличивает напряжение в R2-P1 и C3, то в свою очередь влечет более продолжительное открытие симистора.

Тиристорный регулятор с обратной связью работает немного по-другому. Он обеспечивает обратный ход энергии в энергетическую систему, что является очень экономным и выгодным. Данный электронный прибор подразумевает включение в электрическую схемы мощного тиристора. Его схема выглядит вот так:

Здесь для подачи постоянного тока и выпрямления требуется генератор управляющего сигнала, усилитель, тиристор, цепь стабилизации оборотов.

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.

Подключается между источником питания и нагрузкой. Питание может поступать от батареи или AC/DC адаптера соответствующей нагрузки.

Нагрузкой может быть любой двигатель постоянного тока или лампа накаливания. Благодаря импульсной работе (ШИМ), схема работает почти без потери энергии. Транзистор управления не требует радиатора.

Схема регулятора идеально подходит для регулировки оборотов дрели для сверления плат. Во время малых оборотов обеспечивает работу дрели с относительно большим крутящим моментом.

Описание регулятор оборотов электродвигателя

Логические элементы DD1.1, DD1.2 используются в виде классического ШИМ генератора. Резистор R1 выполняет лишь защитную функцию. Частота генератора определяется емкостью С2 или С3 и сопротивлением потенциометра PR1 вместе с R2, R3. Параллельно соединенные логические элементы DD1.3, DD1.4 управляют транзистором MOSFET (VT1).

При использовании в схеме транзистора MOSFET, резистор R4 не нужен и на его место устанавливается перемычка. Данный резистор (R4) предусмотрен только на тот случай, если вместо MOSFET будет установлен транзистор Дарлингтона структуры n-p-n, например, BD649. Тогда для ограничения тока базы резистор R4 должен иметь значение 1к…2,2к.

PR1 позволяет изменять коэффициент заполнения генерируемого сигнала в очень широких пределах, примерно от 1% до примерно 99%. Сигнал с генератора периодически открывает и закрывает транзистор VТ1, а средняя мощность, поступающая на нагрузку (разъем Z2), зависит от коэффициента заполнения сигнала. Таким образом, потенциометр PR1 позволяет осуществить плавную регулировку мощности, подаваемую на нагрузку.

Включенный „наоборот” диод VD4 незаменим при использовании индуктивной нагрузки (например, электродвигатель). Без диода VD4, в момент отключения, на стоке транзистора VT1 могут возникнуть импульсы, значительно превышающие допустимо значение для данного транзистора и это может вывести его из строя.

Благодаря импульсной работе, потери мощности на транзисторе VT1 невелики и поэтому не требует радиатора, даже при токах порядка нескольких ампер, то есть мощности нагрузки до 100 Вт. Следует иметь в виду, что устройство является регулятором мощности, а не стабилизатором оборотов двигателя, поэтому обороты двигателя зависят от его нагрузки.

ВНИМАНИЕ! Схема регулирует мощность в режиме пульсаций, подавая на нагрузку меандр. Такие импульсы могут быть источником электромагнитных помех. Для минимизации помех необходимо использовать по возможности короткие соединения между блоком и нагрузкой.

Соединительный шнур должен иметь вид витой пары (обычные два скрученные между провода). Также рекомендуется дополнительно подключить электролитический конденсатор (набор конденсаторов) емкостью 1000… 10000мк к разъему питания Z1.

В схеме предусмотрен дополнительный конденсатор C3, подключаемый с помощью перемычки J1. Включение этого конденсатора вызывает снижение частоты работы генератора с 700Гц до примерно 25Гц. Это полезно с точки зрения генерируемых электромагнитных помех.

Хотя в некоторых случаях снижение частоты может быть неприемлемо, например, это может привести к заметному мерцанию лампы. Тогда необходимо самостоятельно подобрать оптимальную емкость C3.