Регулятор оборотов на электродвигатель 220 вольт

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:

1. Коллекторные двигатели.
2. 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:

1. Ротор — это вращающаяся часть, статор — это внешний магнит.
2. Щётки, сделанные из графита – это основная часть скользящих контактов, через которую на вращающийся якорь подаётся напряжение.
3. Тахогенератор – это прибор, который отслеживает характеристики вращения. В случае нарушения равномерности движения, он корректирует поступающее в двигатель напряжение, тем самым делая его более плавным.
4. 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:

1. Коллекторных двигателях постоянного тока.
2. Коллекторных двигателях переменного тока.

В этом случае, речь идёт о том, каким именно током происходит питание электродвигателей.

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:

1. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
2. Заводские платы регулировки, используемые в бытовых приборах (можно использовать в частности те, которые применяются в миксерах или в пылесосах).
3. Кнопки, используемые в конструкции электроинструментах.
4. 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 симисторы 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 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:

1. Различные типы управления. Может быть векторная или скалярная система управления. Первые применяются чаще, а вторые считаются более надёжными.
2. Мощность регулятора должна соответствовать максимально возможной мощности мотора.
3. По напряжению удобно выбирать устройство, имеющее наиболее универсальные свойства.
4. Характеристики по частоте. Регулятор, который вам подходит, должен соответствовать наиболее высокой частоте, которую использует мотор.
5. 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:

1. Регулятор оборотов KA-18 ESC, предназначенный для моделей масштаба 1:10. Стоит 6890 рублей.
2. Регулятор оборотов MEGA коллекторный (влагозащищенный). Стоит 3605 рублей.
3. Регулятор оборотов для моделей LaTrax 1:18. Его цена 5690 рублей.

Motor Control Circuits

Страницы

ШИМ-регулятор 220 В ( IGBT )

Вот уже сделан и проверен первый ШИМ-регулятор на 220 вольт и 10 ампер на микросхеме NE555. Далее по плану надо сделать такой-же простой ШИМ, только с гальванической развязкой между силовой и управляющей частями схемы. А также в качестве силового транзистора попробую использовать транзистор IGBT , а именно широко известный FGA25N120ANTD . Этот ШИМ тоже сделан на микросхеме NE555, а гальваническая развязка сделана на самом известном оптроне PC817 . Питание задающего генератора сделано от отдельного трансформатора, стоит диодный мост VD7 и стабилизатор DA4 LM7809.
Транзисторы FGA25N120ANTD можно купить здесь

В качестве силового транзистора решил попробовать IGBT-транзистор. Есть такие хитрые транзисторы , которые сочетают в себе преимущества биполярных и полевых транзисторов. Выбрал известный транзистор FGA25N120ANTD. Для нормальной работы этому транзистору нужен соответствующий драйвер, который я сделал из транзисторов разной проводимости S8050 и S8550. Максимально допустимые параметры транзистора FGA25N120ANTD – напряжение коллектор-эмиттер 1200 вольт и ток до 25 ампер, что совсем неплохо.

Силовой диодный мость поставил на 25 ампер GBJ2510, диод в обратном включении параллельно нагрузке – это быстродействующий диод с максимальным током до 30 ампер и напряжением 600 вольт RHRP3060 . Питание драйвера силового транзистора сделано по бестрансформаторной схеме – это элементы VD6, VD8, R11, R12, C7, C8 и C9.
Потом провёл небольшие испытания этого ШИМ-регулятора. Сначала подключил активную нагрузку – то есть простую лампочку накаливания, затем подключил коллекторный двигатель от стиральной машины Индезит. В общем первые испытания прошли успешно. Буду дальше развивать этот проект.

Снял видео и разместил его в YouTube –

Нарисовал и проверил предварительную схему с обратной связью от таходатчика.

В общем с обратной связью работает лучше , чем без неё, но хуже чем с Ардуино – нормально работает от 1000 оборотов в минуту.
Сделал ещё один пробный вариант – переделал силовую часть на драйвере TLP250 и добавил защиту по току на компараторе – вот что получилось:

В общем регулятор работает по-лучше чем прошлые варианты. Защита помогает первоначальный бросок тока убрать. Драйвер TLP250 заработал нормально только при напряжении питания 15 вольт.
Снял видео –

Регулятор скорости электродвигателя – вентилятора, насоса и т.д. —предназначен для включения и плавного или ступенчатого изменения параметров вращения одного однофазного мотора или нескольких, если общий потребляемый ими ток не превышает номинального тока регулятора. Подключается в цепь последовательно с двигателем.

Тиристорные регуляторы Elicent (Италия) R10 и R15 (Б9717—Б9720) способны плавно регулировать нагрузки до 1 А и 1,5 А соответственно, при номинальном напряжении 220 В. Имеется возможность предустановки минимальной скорости и плавкий предохранитель. Конструктивно исполнены для скрытого или наружного монтажа. Размеры 110х80х42 и 138х80х42 мм, вес 0,5 кг. Используются только в домашних условиях (защита IP42).

RVS и RVS1 от Elicent (Б9721, Б9722) — пятиступенчатые трансформаторные регуляторы (контроллеры). Защита IP42. Мощность RVS — 100Вт (0,5 А, 220 В), габаритные размеры 118х118х58, вес 0,5 кг. RVS1 — 300 Вт (1,5 А, 220 В), габариты 142х166х88, вес 1,5 кг.

Электронные однофазные аппараты серии REB от Soler & Palau, Испания (Б9701, Б9702, Б9705 — Б9707) предназначены для включения и плавного регулирования скорости вращения
электродвигателя Имеются возможности настройки минимальной скорости, включения ручкой регулирования, фильтрации индустриальных помех и плавкий предохранитель. Цифра в названии означает максимальное значение тока нагрузки, буква N – модификацию с коробом для наружного монтажа, NE — для внутреннего (заподлицо). Номинальное напряжение 220 В. Степень защиты IP44. Габариты REB-1 и REB-2.5 — 80х80х68 мм, REB-5N – 130х130х68 мм.

В регуляторах RMB-1.5 и RMB-3.5 от Soler & Palau (Б9709, Б9710) используется для регулирования напряжения (и соответственно скорости) вентилятора 5-ступенчатый автотрансформатор. Они имеют «автоматическое положение – А», которое позволяет производить включение-отключение посредством внешнего сигнала 230 В от термостата, гигростата, и др. Степень защиты IP44.

Польские DOSPEL (Б9713, Б9714) используются для плавной регулировки реостатом привода до 300 Вт (1,3 А, 220 В) — RN 300 для открытой проводки и RP 300 для скрытой. Есть возможность настройки минимальной скорости, плавкий предохранитель. Размеры: 80х80х50 мм.

Выбор типа регулятора скорости вращения двигателя зависит, прежде всего, от вида и мощности
вентилятора (насоса), необходимо учитывать пусковые токи, также играет роль место и способ монтажа прибора. Кроме того, все двигатели, подключаемые к любому типу регулятора, должны иметь встроенное реле защиты от перегрева, а возможность использования тиристорного (симисторного) регулятора специально оговаривается в паспорте агрегата.

Надо также иметь в виду, что при ступенчатом переключении происходят, хотя и малозаметные, скачки напряжения-скорости. Зато при плавном регулировании любого типа имеет место дополнительный шум двигателя на малых оборотах.

За более подробной информацией обратитесь к нашим техническим консультантам в торговых офисах.