Схема регулирования оборотов коллекторного двигателя. Регулятор оборотов коллекторного двигателя: устройство и изготовление своими руками

С проблемой регулировки оборотов электродвигателя приходится сталкиваться довольно часто: это работа с различными электроинструментами, приводами швейных машинок, прочими электроприборами на производстве и в быту. Регулировать обороты с помощью понижения питающего напряжения зачастую не имеет смысла: резко уменьшаются обороты двигателя, он теряет мощность и останавливается. Поэтому оптимальным вариантом для регулирования числа оборотов двигателя является изменение напряжения с применением обратной связи по току нагрузки.

В большинстве случаев в электроинструментах и прочем оборудовании применяются универсальные коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением. Они одинаково хорошо работают как от переменного, так и от постоянного тока. Особенность работы коллекторного электродвигателя заключается в том, что во время коммутации обмоток якоря при размыкании на ламелях коллектора возникают импульсы противо-ЭДС самоиндукции. По амплитуде они равны питающим импульсам, но по фазе – противоположны им. Угол смещения противо-ЭДС зависит как от внешних характеристик двигателя, так и от нагрузки и прочих факторов.

Вредное влияние противо-ЭДС приводит к искрению на коллекторе, а также потере мощности двигателя и дополнительному нагреву его обмоток. Некоторая часть противо-ЭДС гасится с помощью конденсаторов, шунтирующих щеточный узел.

Давайте рассмотрим процессы, которые протекают в режиме регулирования с обратной связью, на примере универсальной схемы (см. рис. 1 ). Опорное напряжение, которое определяет скорость вращения электродвигателя, формируется резистивно-емкостной цепью Р12-КЗ-С2. При увеличении нагрузки скорость вращения падает, при этом снижается и его крутящий момент. При этом уменьшается и противо-ЭДС, возникающая в двигателе и приложенная между катодом и управляющим электродом тиристора VS1. Это приводит к изменению на управляющем электроде тиристора напряжения, которое увеличивается пропорционально тому, как уменьшается противо-ЭДС.

Дополнительное напряжение на управляющем электроде тиристора приводит к его включению при меньшем фазовом угле (угле отсечки) и подаче на двигатель большего тока, что таким образом компенсирует снижение скорости вращения при увеличении нагрузки. Это приводит к наличию на управляющем электроде тиристора баланса импульсного напряжения, которое составлено из напряжения питания и напряжения самоиндукции двигателя.

При необходимости возможно перейти с помощью переключателя SA1 перейти на питание с помощью полного напряжения, без использования регулировки. Подбору тиристора по минимальному току включения необходимо уделить особое внимание, так это позволит обеспечить лучшую стабилизацию скорости вращения двигателя.

Вторая схема включения (см. рис.2 ) рассчитана на работу с более мощными двигателями, которые используются в шлифовальных машинах, деревообрабатывающих станках и дрелях. Принцип регулирования в ней остается прежним. Тиристор в этой схеме необходимо установить на радиатор с площадью не менее 25 кв.см.

При необходимости получения очень малых скоростей вращения или при применении для маломощных двигателей можно применять схему с использованием ИМС (см. рис. 3 ). Она питается от постоянного тока напряжением 12В. В случае питания от более высокого напряжения необходимо применить параметрический стабилизатор с напряжением стабилизации не выше 15В.

Регулировка скорости осуществляется с помощью изменения среднего значения напряжения импульсов, которые подаются на двигатель. С помощью таких импульсов возможно эффективно регулировать очень малые скорости вращения, так как они как бы “подталкивают” ротор двигателя. При повышении скорости вращения двигатель работает обычным образом.

Довольно несложная схема (см. рис. 4 ) предназначена для использования на линии игрушечной железной дороги. Она позволит избежать аварийных ситуаций и предоставит новые возможности при управлении составами. Лампа накаливания, находящаяся во внешней цепи, предохраняет и служит для сигнализирования о коротком замыкании на линии, ограничивая при этом выходной ток.

При необходимости регулирования оборотов двигателей с наличием на валу большого крутящего момента (например, в электролебедке) может пригодиться двухполупериодная мостовая схема, приведенная на рис. 5. Существенным отличием ее от предыдущих схем, где работает только одна полуволна питающего напряжения, является обеспечение полной мощности на двигателе.

Гасящий резистор R2 и диоды VD2 и VD6 используются для подачи питания на схему запуска. Задержка открывания тиристоров по фазе обеспечивается с помощью заряда конденсатора C1 через резисторы R3 и R4 от источника напряжения, уровень которого зависит от стабилитрона VD8. После заряда конденсатора C1 до порога срабатывания однопереходного транзистора VT1, последний открывается и запускает тот тиристор, на аноде которого имеется положительное напряжение. После разряда конденсатора однопереходный транзистор выключается. Номинал резистора R5 определяется желаемой глубиной обратной связи и типом двигателя. Для расчета его величины используется формула:

где Iм - эффективное значение максимального тока нагрузки для данного типа двигателя.

Предложенные схемы легко повторяются, но требуют произвести подбор некоторых элементов в зависимости от характеристик применяемого электродвигателя (к сожалению, практически невозможно найти электродвигатели, идентичные по всем параметрам, даже в пределах одной серии).

Не каждая современная дрель или болгарка оснащена заводским регулятором оборотов, и чаще всего регулировка оборотов не предусмотрена вовсе. Тем не менее, как болгарки, так и дрели построены на базе коллекторных двигателей, что позволяет каждому их владельцу, маломальски умеющему обращаться с паяльником, изготовить собственный регулятор оборотов из доступных электронных компонентов, хоть из отечественных, хоть из импортных.

В данной статье мы рассмотрим схему и принцип работы простейшего регулятора оборотов двигателя электроинструмента, и единственное условие — двигатель должен быть коллекторным — с характерными ламелями на роторе и щетками (которые порой искрят).

Приведенная схема содержит минимум деталей, и подойдет для электроинструмента мощностью до 1,8 кВт и выше, для дрели или болгарки. Похожая схема используется для регулировки оборотов в автоматических стиральных машинах, в которых стоят коллекторные высокоскоростные двигатели, а также в диммерах для ламп накаливания. Подобные схемы, в принципе, позволят регулировать температуру нагрева жала паяльника, электрического обогревателя на базе ТЭНов и т. д.

Потребуются следующие радиоэлектронные компоненты:

Резистор постоянный R1 - 6,8 кОм, 5 Вт.

Переменный резистор R2 - 2,2 кОм, 2 Вт.

Резистор постоянный R3 - 51 Ом, 0,125 Вт.

Конденсатор пленочный C1 - 2 мкф 400 В.

Конденсатор пленочный C2 - 0,047 мкф 400 вольт.

Диоды VD1 и VD2 - на напряжение до 400 В, на ток до 1 А.

Тиристор VT1 - на необходимый ток, на обратное напряжение не менее 400 вольт.

В основе схемы — тиристор. Тиристор представляет собой полупроводниковый элемент с тремя выводами: анод, катод, и управляющий электрод. После подачи на управляющий электрод тиристора короткого импульса положительной полярности, тиристор превращается в диод, и начинает проводить ток до тех пор, пока в его цепи этот ток не прервется или не сменит направление.

После прекращения тока или при смене его направления, тиристор закроется и перестанет проводить ток, пока не будет подан следующий короткий импульс на управляющий электрод. Ну а поскольку напряжение в бытовой сети переменное синусоидальное, то каждый период сетевой синусоиды тиристор (в составе данной схемы) станет отрабатывать строго начиная с установленного момента (в установленной фазе), и чем меньше во время каждого периода тиристор будет открыт, тем ниже будут обороты электроинструмента, а чем, соответственно, дольше тиристор будет открыт, тем выше будут обороты.

Как видите, принцип прост. Но применительно к электроинструменту с коллекторным двигателем, схема работает хитрее, и об этом мы расскажем далее.

Итак, в сеть здесь включены параллельно: измерительная цепь управления и силовая цепь. Измерительная цепь состоит из постоянного и переменного резисторов R1 и R2, из конденсатора C1, и диода VD1. Для чего нужна эта цепь? Это делитель напряжения. Напряжение с делителя, и что важно, противо-ЭДС с ротора двигателя, складываются в противофазе, и формируют импульс для открывания тиристора. Когда нагрузка постоянна, то и время открытого состояния тиристора постоянно, следовательно обороты стабилизированы и постоянны.

Как только нагрузка на инструмент, и следовательно на двигатель, увеличивается, то величина противо-ЭДС уменьшается, поскольку обороты снижаются, значит сигнал на управляющий электрод тиристора возрастает, и открывание происходит с меньшей задержкой, то есть мощность подводимая к двигателю возрастает, увеличивая упавшие обороты. Так обороты сохраняются постоянными даже под нагрузкой.

В результате совместного действия сигналов от противо-ЭДС и с резистивного делителя, нагрузка не сильно влияет на обороты, а без регулятора это влияние было бы существенным. Таким образом при помощи данной схемы достижима устойчивая регулировка оборотов в каждом положительном полупериоде сетевой синусоиды. При средних и малых скоростях вращения этот эффект более выражен.

Однако, при повышении оборотов, то есть при повышении напряжения, снимаемого с переменного резистора R2, стабильность поддержания скорости постоянной снижается.

Лучше на этот случай предусмотреть шунтирующую кнопку SA1 параллельно тиристору. Функция диодов VD1 и VD2 - обеспечение однополупериодного режима работы регулятора, так как напряжения с делителя и с ротора сравниваются лишь в отсутствие тока через двигатель.

Конденсатор C1 расширяет зону регулирования на малых скоростях, а конденсатор C2 снижает чувствительность к помехам от искрения щеток. Тиристор нужен высокочувствительный, чтобы ток менее 100 мкА смог бы его открыть.

Регулировка оборотов двигателя стиральной машины может потребоваться любому домашнему самоделкину, который решит приспособить деталь отслужившей помощницы.

Простое подключение двигателя стиральной машины к питанию не дает много проку, поскольку он выдает сразу максимальные обороты, а ведь многие самодельные приборы требуют увеличения или уменьшения оборотов, причем желательно без потери мощности. В этой публикации мы и поговорим о том, как подключить двигатель от стиралки, и как сделать для него регулятор оборотов.

Сначала подключим

Прежде чем регулировать обороты двигателя стиральной машины, его нужно правильно подключить. Коллекторные двигатели от стиральных машин автомат имеют несколько выходов и многие начинающие самоделкины путают их, не могут понять, как осуществить подключение. Расскажем обо всем по порядку, а заодно и проверим работу электродвигателя, ведь существует же вероятность, что он вовсе неисправен.

К сведению! Таходатчики, имеющие два выхода, легко прозваниваются омметром. А вот аналогичные детали с тремя выходами не звонятся ни по одному направлению.

• Далее берем один провод, идущий от коллектора, и соединяем с одним из проводов катушки.
• Второй провод коллектора и второй провод катушки подключаем к сети 220 В.
• Если нам нужно поменять направление вращения якоря, то мы просто меняем местами подключаемые провода, а именно первый провод коллектора и первый провод катушки включаем в сеть, а вторые провода соединяем между собой.
• Отмечаем ярлычками провода катушки, таходатчика и коллектора, чтобы не перепутать и производим пробный пуск двигателя.

Если пробный запуск прошел успешно, а именно, двигатель плавно набрал обороты без заеданий и рывков, щетки не искрили, можно приступать к подключению двигателя стиральной машины через регулятор оборотов. Существует множество схем подключения двигателя через регулятор, как и схем самого регулятора, рассмотрим два варианта.

Подключим через регулятор напряжения

Простейший вариант регулировки электродвигателя стиральной машины – использование любого регулятора напряжения (диммера, гашетки от дрели и прочего). Смысл регулировки в том, что на двигатель подается сначала максимальное напряжение, и он вращается с максимальной скоростью. Поворачивая тумблер диммера, мы уменьшаем напряжение, и двигатель соответственно начинает снижать обороты. Схема подключения следующая:

• один провод катушки соединяем с одним проводом якоря;
• второй провод катушки подключаем к сети;
• второй провод якоря соединяем с диммером, а второй выход диммера подключаем к сети;
• производим пробный пуск двигателя.

Проверяем, как работает двигатель на минимальной мощности. Вы можете убедиться, что даже на минимальной мощности обороты без нагрузки внушительны, но стоит только прислонить деревянный брусочек к вращающейся оси, и двигатель тут же останавливается. Каков вывод? А вывод таков, что данный способ регулировки оборотов электродвигателя стиральной машины приводит к катастрофической потере мощности при уменьшении напряжения, что неприемлемо, если вы собираетесь делать из двигателя какую-то самоделку.

Важно! При запуске двигателя стиральной машины соблюдайте технику безопасности. Обязательно закрепите двигатель перед пуском, кроме того не стоит прикасаться руками к вращающимся элементам.

Изначально мы ставили задачу научиться своими руками регулировать обороты двигателя стиральной машины без потери или с минимальной потерей мощности, но возможно ли это? Вполне возможно, просто схема подключения несколько усложнится.

Через микросхему

Пришло время вспомнить про таходатчик и его выходы, которые мы на двигателе нашли, но до поры отставили в сторону. Именно таходатчик поможет нам подключить двигатель стиралки и регулировать его обороты без потери мощности. Сам таходатчик управлять двигателем не может, он лишь посредник. Реальное управление должно осуществляться посредством микросхемы, которая соединяется с таходатчиком двигателя, обмоткой и якорем и запитывается от сети 220 В. Принципиальную схему вы можете видеть на рисунке ниже.

Что происходит с двигателем, когда мы подключаем его к сети через эту микросхему? А происходит следующее, мы можем запустить двигатель своими руками на максимальных оборотах, а можем, повернув специальный тумблер обороты уменьшить. Даем внезапную нагрузку двигателю, подставив под вращающийся шкив деревянный брусочек. На долю секунды обороты падают, но потом снова восстанавливаются, несмотря на нагрузку.

Дело в том, что таходатчик определяет понижение оборотов из-за возникшей нагрузки и сразу же подает сигнал об этом на управляющую плату. Микросхема, получив сигнал, автоматически добавляет мощность, выравнивая, таким образом, обороты двигателя. Мечта самоделкина, как говорится, сбылась. При наличии такой схемы подключения из двигателя стиральной машины можно сделать и и дровокол и много других полезных вещей.

Подводя итог нашего повествования, ответим еще на один резонный вопрос, который может возникнуть у читателя: где взять такую плату? Можно собрать на основе схемы и списка деталей, которые мы прилагаем к настоящей статье, а можно заказать в готовом виде у специалистов. Благо в сети предложений на этот счет достаточно. Искать нужно схему TDA 1085.

Во всех современных бытовых электроприборах и электроинструментах широко применяются коллекторные двигатели, которые являются универсальными, поскольку могут работать от постоянного и переменного тока. При сравнительно небольших размерах, они обладают большим пусковым моментом. Коллекторные электродвигатели отличаются плавным пуском и возможностью регулировки количества оборотов двигателя. Для этого существует схема регулятор а оборотов коллекторного двигателя.

Составные части регулятор а

В состав конструкции регулятор а входит интегральная схема. Вся система регулирует обороты электродвигателей работающих от сети с напряжением 220 вольт. Регулятор ы широко применяются в тех электрических инструментах, где постоянно необходима регулировка оборотов установленного в них коллекторного двигателя. В основном, это электродрели, пылесосы и прочие. В регулятор встроен контур, обеспечивающий так называемый мягкий старт, в значительной степени увеличивающий срок эксплуатации электродвигателей. Это устройство успешно используется как регулятор мощности осветительных и обогревательных приборов.

Конструкция регулятор ов

Конструкция регулятор а оборотов имеет несколько видов. В первом случае используется реостатная схема, позволяющая эффективно регулировать число оборотов в коллекторном двигателе. Здесь же применяются силовые транзисторы, забирающие на себя часть напряжения. Однако, на малых и средних оборотах, у этой конструкции низкий коэффициент полезного действия.

Транзисторные балластные ключи рассеивают большое количество тепловой мощности, поэтому они должны очень хорошо охлаждаться. Вся система регулирования скорости от нуля до максимума была разработана с применением импульсной схемы, при которой изменяется ширина поступающих на обмотку импульсов напряжения. Эта схема получила название широтно-импульсной модуляции.

Вторая конструкция также отличается достаточной простотой. Она создана на основе интегрального таймера, получившего широкое распространение. Этот таймер осуществляет нагрузку на затвор, установленный в транзисторе.

В состав схемы включена микросхема с большим значением выходного тока. В связи с этим, могут применяться полевые транзисторы любых наименований. Если ток нагрузки менее 0,1 ампера, то эта нагрузка включается сразу в микросхему, без использования транзисторов. Чтобы канал транзистора был полностью открыт, напряжение на его затворе должно составлять от 12 до 15 вольт, поэтому и напряжение питания должно иметь такое же значение. Обе приведенные схемы позволяют выполнять регулировку оборотов и при напряжении более 12 вольт.

Если регулятор оборотов коллекторного двигателя смонтирован правильно, то ее можно дополнительно не регулировать.

В любом современном электроинструменте или бытовом приборе используется коллекторный двигатель. Это связано с их универсальностью, т. е. способностью работать как от переменного, так и от постоянного напряжения. Ещё одно преимущество заключается эффективном пусковом моменте.

Однако высокая частота оборотов коллекторного двигателя устраивает далеко не всех пользователей. Для плавности пуска и возможности менять частоту вращений был изобретён регулятор , который вполне возможно изготовить своими руками.

Принцип работы и разновидности коллекторных двигателей

Каждый электродвигатель состоит из коллектора, статора, ротора и щёток. Принцип его работы довольно прост:

Помимо стандартного устройства также существуют:

Устройство регулятора

В мире существует множество схем таких устройств. Тем не менее всех их можно разделить на 2 группы: стандартные и модифицированные изделия.

Стандартное устройство

Типичные изделия отличаются простотой в изготовлении идинистора, хорошей надёжностью при изменении оборотов двигателя. Как правило, такие модели основываются на тиристорных регуляторах. Принцип работы подобных схем достаточно прост:

Таким образом, происходит регулировка оборотов коллекторного двигателя. В большинстве случаев подобную схему используют в зарубежных бытовых пылесосах. Однако следует знать, что такой регулятор оборотов не обладает обратной связью. Поэтому при изменении нагрузки придётся настраивать обороты электродвигателя.

Изменённые схемы

Конечно, стандартное устройство устраивает многих любителей регуляторов оборотов «покопаться» в электронике. Однако, без прогресса и улучшения изделий мы бы до сих пор жили в каменном веке. Поэтому постоянно изобретаются более интересные схемы, которые с удовольствием применяют многие производители.

Чаще всего используются реостатные и интегральные регуляторы. Как понятно из названия, первый вариант основан на реостатной схеме. Во втором же случае применяется интегральный таймер.

Реостатные отличаются эффективностью в смене количества оборотов коллекторного двигателя. Высокая эффективность обусловлена силовыми транзисторами, которые забирают часть напряжения. Таким образом, снижается поступление тока и двигатель работает с меньшим усердием.

Видео: устройство регулятора оборотов с поддержанием мощности

Главный недостаток такой схемы заключается в большом объёме выделяемого тепла. Поэтому для бесперебойной работы, регулятор должен постоянно охлаждаться. Притом охлаждение устройства должно быть интенсивным.

Иной подход реализован в интегральном регуляторе, где за нагрузку отвечает интегральный таймер. Как правило, в подобных схемах используются транзисторы практически любых наименований. Это связано с тем, что в составе имеется микросхема, обладающая большими значениями выходного тока.

Если нагрузка меньше 0,1 ампера, то всё напряжение поступает прямо на микросхему в обход транзисторов. Однако для эффективной работы регулятора необходимо, чтобы на затворе было напряжение 12В. Поэтому электроцепь и напряжение самого питания должно соответствовать этому диапазону.

Обзор типичных схем

Регулировать вращения вала электродвигателя малой мощности можно посредством последовательного соединения резистора питания с отсутствие. Однако у такого варианта имеется очень низкий КПД и отсутствие возможности плавного изменения скорости. Чтобы избежать такой неприятности, следует рассмотреть несколько схем регулятора, которые применяются чаще всего.

Как известно, ШИМ имеет постоянную амплитуду импульсов. Кроме того, амплитуда идентична напряжению питания. Следовательно, электродвигатель не остановится, даже работая на малых оборотах.

Второй вариант аналогичен первому. Единственное отличие, что в качестве задающего генератора используется операционный усилитель. Этот компонент имеет частоту 500 Гц и занимается выработкой импульсов, имеющих треугольную форму. Регулировка также осуществляется переменным резистором.

Как сделать своими руками

Если нет желания тратиться на приобретение готового устройства, его можно изготовить самостоятельно. Таким образом, можно не только сэкономить деньги, но и получить полезный опыт. Итак, для изготовления тиристорного регулятора потребуется:

• паяльник (для проверки работоспособности);
• провода;
• тиристор, конденсаторы и резисторы;
• схема.

Как видно по схеме, регулятором контролируется только 1 полупериод. Однако для тестирования работоспособности на обычном паяльнике этого будет вполне достаточно.

Если знаний по расшифровке схемы недостаточно, можно ознакомиться с текстовым вариантом:

Использование регуляторов позволяет более экономично использовать электродвигатели. В определённых ситуациях такое устройство можно изготовить самостоятельно. Однако для более серьёзных целей (например, контроля оборудования для отопления) лучше приобрести готовую модель. Благо, на рынке есть широкий выбор таких изделий, а цена вполне демократичная.