В большинстве современных бытовых и промышленных приборов применяются электрические машины, совершающие какую-либо полезную работу. В качестве рабочего инструмента в них могут выступать самые разнообразные приспособления, которые необходимо вращать с различной скоростью. Для изменения этого параметра используется регулятор оборотов электродвигателя.
Назначение
Технически регулятор оборотов электродвигателя предназначен для изменения количества вращения вала за единицу времени. На этапе разгона корректировка частоты обеспечивает более плавную процедуру, меньшие токи и т.д. В некоторых технологических процессах необходимо регулятор оборотов снижает скорость движения оборудования, изменение подачи или нагнетания сырья и т.д.
Однако на практике данная опция может преследовать и другие цели:
- Экономия затрат электроэнергии – позволяет снизить потери в моменты пуска и остановки вращений мотора, переключения скоростей или регулировки тяговых характеристик. Особенно актуально для часто запускаемых электродвигателей, использующих кратковременные режимы работы.
- Контроль температурного режима, величины давления без установки обратной связи с рабочим элементом или с таковой в асинхронных электродвигателях.
- Плавный пуск – предотвращает бросок тока в момент включения, особенно актуально для асинхронных моторов с большой нагрузкой на валу. Приводит к существенному сокращению токовых нагрузок на сеть и исключает ложные срабатывания защитной аппаратуры.
- Поддержание оборотов трехфазных электродвигателей на требуемой отметке. Актуально для точных технологических операций, где из-за колебаний питающего напряжения может нарушиться качество производства или на валу возникает разное усилие.
- Регулировка скорости оборотов электродвигателя от 0 до максимума или от другой базовой скорости.
- Обеспечения достаточного момента на низких частотах вращения электрической машины.
Возможность реализации тех или иных функций у регуляторов оборотов определяет как принцип их действия, так и схематическое исполнение.
Принцип работы
Для регулировки оборотов может использоваться способ понижения или повышения напряжения, изменение силы тока и частоты, подаваемых в обмотки асинхронных и коллекторных электродвигателей. Поэтому далее рассмотрим варианты частотных преобразователей и регуляторов напряжения.
Среди используемых в промышленной и бытовой сфере следует выделить:
- Введение рабочего сопротивления – реализуется при помощи переменных резисторов, делителей и прочих преобразователей. Хорошо обеспечивает снижение в однофазных двигателях за счет контроля скольжения (разницы между магнитным полем статора и скоростью вращения асинхронных агрегатов). Для этого устанавливаются электродвигатели большей мощности, чтобы на них можно было подавать меньшее напряжение. Соотношение по скорости оборотов будет составлять до 2 раз в сторону уменьшения.
- Автотрансформаторный – выполняется путем перемещения подвижного контакта по обмотке, что снижает или увеличивает скорость вращения электродвигателя. Преимущество такого принципа заключается в четкой синусоиде переменного тока и большой перегрузочной способности.
- Тиристорный или симисторный – изменяет величину питающего напряжения посредством пары встречно включенных тиристоров или совместного включения с симистором. Этот способ применим не только в асинхронных двигателях, но и других бытовых приборах – диммерах, переключателях и т.д.
Рис. 1. Схема тиристорного регулятора
Как видите на схеме, подаваемое на тот же асинхронный однофазный электродвигатель напряжение, проходит через переменный резистор R1 на тиристор D1 и на управляющий электрод симистора T1. Перемещая ручку тиристорного регулятора R1 изменяем и скорость вращения однофазного электродвигателя.
- Транзисторный – позволяет изменять форму подаваемого напряжения за счет преобразования числа импульсов и временной паузы между подаваемым напряжением. Благодаря чему получил название широтно-импульсной модуляции, пример такого регулятора приведена на схеме ниже.
Регулировка оборотов на транзисторах
Здесь питание однофазного асинхронного двигателя производится от линии 220В через выпрямительный блок VD1-4, далее напряжение поступает на эмиттер и коллектор транзисторов VT1 и VT2. Подавая управляющий сигнал на базы этих транзисторов, и регулируют обороты мотора.
- Частотный – преобразует частоту подаваемого напряжения на обмотки однофазного или трехфазного асинхронного электродвигателя. Это наиболее современный способ, ранее он относился к дорогостоящим, но с появлением дешевых высоковольтных полупроводников и микроконтроллеров перешел в разряд наиболее эффективных. Может реализовываться с помощью транзисторов, микросхем или микроконтроллеров, способных уменьшать или увеличивать частоту ШИМ.
Пример частотного регулирования
- Полюсный – позволяет регулировать частоту вращения электродвигателя при переключении количества катушек в фазных обмотках, в результате чего изменяется направление и величина тока, протекающего в каждой из них. Реализуется как за счет намотки нескольких катушек для каждой из фаз, так и одновременным последовательным или параллельным соединением катушек, такой принцип приведен на рисунке ниже.
Регулировка оборотов переключением пар полюсов
Как выбрать?
Конкретная модель регулятора оборотов должна подбираться в соответствии с типом подключаемой электрической машины – коллекторный двигатель, трехфазный или однофазный электродвигатель. В соответствии с чем и подбирается определенный преобразователь частоты вращения.
Помимо этого для регулятора оборотов необходимо выбрать:
- Тип управления – выделяют два способа: скалярный и векторный. Первый из них привязывается к нагрузке на валу и является более простым, но менее надежным. Второй отстраивается по обратной связи от величины магнитного потока и выступает полной противоположностью первого.
- Мощность – должна выбираться не менее или даже больше, чем номинал подключаемого электродвигателя на максимальных оборотах, желательно обеспечивать запас, особенно для электронных регуляторов.
- Номинальное напряжение – выбирается в соответствии с величиной разности потенциалов для обмоток асинхронного или коллекторного электродвигателя. Если вы подключаете к заводскому или самодельному регулятору одну электрическую машину, будет достаточно именно такого номинала, если их несколько, частотный регулятор должен иметь широкий диапазон по напряжению.
- Диапазон частот вращения – подбирается в соответствии с конкретным типом оборудования. К примеру, для вращения вентилятора достаточно от 500 до 1000 об/мин, а вот станку может потребоваться до 3000 об/мин.
- Габаритные размеры и вес – выбирайте таким образом, чтобы они соответствовали конструкции оборудования, не мешали работе электродвигателя. Если под регулятор оборотов будет использоваться соответствующая ниша или разъем, то размеры подбираются в соответствии с величиной свободного пространства.
Подключение
Способ подключения регулятора оборотов электродвигателя будет отличаться в зависимости от его типа и принципа действия. Поэтому в качестве примера мы разберем один из наиболее распространенных частотных регуляторов, которые используются в самых различных сферах.
Перед подключением обязательно ознакомьтесь с заводской схемой. Как правило, вы можете увидеть ее на самом регуляторе оборотов, либо в паспорте устройства:
Схема подключения регулятора
Далее, пользуясь распиновкой, можно определить количество выводов, которые будут использоваться для подключения регулятора электродвигателя к сети. В нашем примере, рассмотрим случай, когда применяется трехпроводная система, значит, понадобится фаза, ноль и земля. На задней панели регулятора это два вывода AC и FG:
Распиновка регулятора
Затем необходимо проверить цветовую маркировку разъема с приведенной схемой и сопоставить ее со всеми элементами электродвигателя, которые будут подключаться в вашем случае. Если какие-то выводы окажутся лишними, их можно закоротить, как показано на рисунке выше.
Проверьте цветовую маркировку
Если все выводы регулятора соответствуют клеммам электродвигателя, можете подсоединять их друг к другу и к сети.
Telegram канал @asutpp_ru
Схема регулятора оборотов двигателя постоянного тока 12В и особенности его работы
Часто при эксплуатации различного оборудования возникает необходимость контролировать скорость оборотов электродвигателя постоянного тока. Для этого используются специальные регуляторы или преобразователи частоты. Простейший регулятор можно сделать своими руками.
В процессе эксплуатации современных электроинструментов и различного оборудования часто возникает необходимость контролировать мощность и скорость вращения двигателей постоянного тока.
Для решения подобных задач принято использовать специальные регуляторы или преобразователи частоты, которые в большом ассортименте сейчас представлены на электротехническом рынке.
Правильно подобранный частотный преобразователь позволяет плавно уменьшать или увеличивать обороты вала и обеспечивает длительную бесперебойную работу механизмов.
Чтобы лучше понять принцип работы регулятора оборотов двигателя постоянного тока, рекомендуется сделать его своими руками. Это вполне по силам даже человеку без глубоких познаний и специализированных навыков в радиоэлектронике.
Для создания самодельного прибора обязательно понадобится схема регулятора на 12В или 24В, оптимально подходящая под особенности и характеристики вашего электромотора, работающего от обычной домашней электросети 220 вольт или же предназначенного для сети с тремя фазами.
Сферы применения и критерии выбора регулятора оборотов
Зачастую регулятор вращения электромоторов необходим для корректной работы:
- промышленных и бытовых электрических приводов;
- электросварочных аппаратов;
- систем отопления и кондиционирования;
- электропечей;
- блоков питания компьютерной техники;
- стабилизаторов напряжения;
- стиральных и швейных машин;
- пылесосов и многого другого.
Выбирая регулятор оборотов двигателя постоянного тока, нужно обращать внимание на особенности устройства и его рекомендуемое применение:
- в электромоторах коллекторного типа чаще используются векторные регуляторы, но скалярные считаются надежнее;
- заявленная мощность контроллера должна соответствовать номинальным характеристикам силового агрегата (даже немного превышать их, чтобы обеспечить более стабильную и безопасную работу системы);
- характеристики напряжения подбираются в пределах допустимого диапазона;
- параметры преобразования частоты вращения должны отвечать техническим требованиям оборудования.
Важно также учитывать габаритные размеры, количество входов/выходов, гарантийный срок эксплуатации и прочее.
Конструкционные особенности и принцип работы преобразователя частоты
Электронные частотные преобразователи используются для контроля над работой электромоторов как в трехфазной электросети 380B, так и в однофазной на 220В.
Их работа базируется на изменении амплитуды и частоты электрического сигнала, что позволяет плавно менять параметры частоты вращения ротора силового агрегата.
В основе конструкции большинства подобных устройств, как правило, лежат транзисторы полупроводникового типа с широтно-импульсными модуляторами. Регулировка оборотов осуществляется посредством установленного на микроконтроллере блока управления.
Часто используемые в электроинструменте и бытовой технике моторы постоянного тока коллекторного типа отличаются тем, что при прямом подключении к электросети 220 вольт они начинают выдавать максимальные обороты. Это повышает нагрузку на привод и способствует быстрому его износу.
Кроме того, при большой скорости вращения ротора выделяется много тепла, что влечет за собой перегрев рабочих механизмов, оплавление обмоток и кабелей, а также может вызвать короткое замыкание.
Поэтому здесь установить регулятор мощности и частоты крайне рекомендуется, даже если контроль над скоростью в техническом процессе и эксплуатации электроустановки не предусмотрен.
Использование самодельного регулятора
Ранее самым распространенным был регулятор двигателя механического типа, где использовался шестеренчатый привод и вариатор.
Но из-за износа механических частей и влияния внешних факторов они достаточно часто выходили из строя и требовали ремонта. Намного лучше зарекомендовали себя электронные устройства, позволяющие плавно или ступенчато повышать напряжение.
Кроме того, они отличаются компактными размерами и возможностью более точной настройки параметров работы электроустановки.
Сделать своими руками простейший регулятор двигателя на 12B постоянного тока не составит особого труда даже при наличии базовых навыков. Для этого достаточно иметь следующие компоненты:
- переключатель на несколько позиций;
- набор резисторов проволочного типа;
- релейный и управляющий блоки.
С помощью резисторов происходит изменение напряжения от источника питания, а следовательно и частота оборотов электромотора. Такой самодельный регулятор двигателя разгоняет его ступенчато методом установки переключателя в соответствующее положение. Его можно эффективно применять для запуска силовых агрегатов асинхронного и контактного типа.
Данное устройство функционирует по следующему принципу:
- напряжение от источника питания подается на конденсатор, который полностью заряжается;
- ток перенаправляется на отходящий провод и резистор;
- подсоединенный к положительному конденсаторному контакту электрод тиристора получает нагрузку;
- после передачи заряда напряжения открывается второй полупроводник;
- поступающая от конденсатора нагрузка пропускается через тиристор и конденсатор разряжается;
- цикл полупериода повторяется.
Если схема регулятора дополнительно содержит симистор или устройство с похожим принципом действия, то изменение мощности напряжения протекает плавно. Это значит, что электромотор будет без рывков и заметных вибраций набирать обороты, постепенно выходя на нужную рабочую мощность. Также для обеспечения более качественной регулировки в схему могут быть включены переменные резисторы.
Регулятор оборотов на ШИМ транзисторе
Процесс регулировки оборотов электромотора малой мощности можно организовать с помощью транзистора ШИМ и последовательно соединенных резисторов от источника питания. Такой способ достаточно легко реализовать самостоятельно, но он отличается низким коэффициентом полезного действия и не дает возможность плавно наращивать или снижать скорость вращения ротора.
Самодельный ШИМ регулятор скорости на транзисторах имеет следующие особенности:
- современные транзисторы широтно-импульсной модуляции содержат 150-герцовый генератор напряжения пилообразного типа;
- в качестве компаратора применяются операционные усилители;
- длительностью импульсов управляет переменный резистор, в результате чего и происходит регулировка скорости.
Амплитуда импульсов транзистора соответствует амплитуде напряжения источника питания. Она ровная и постоянная. Благодаря такому свойству регулировка оборотов электромотора возможна даже при поступлении минимального напряжения на трансформаторную обмотку.
Такой ШИМ регулятор скорости позволяет подключить к транзистору микроконтроллер и таким образом автоматизировать настройку и регулировку работы электропривода.
Также в схему можно включить и другие компоненты, расширяющие функционал и возможности автоматизации электроустановки.
Тиристорная регулировка оборотов электромотора
Менять частоту оборотов вала силового агрегата также позволяет тиристорный регулятор. Его еще называют диммер или фазовый регулятор. При таком способе подключения электромотор подсоединяется или на разрыв сетевого кабеля, или за выпрямительным мостом, питающим анодную тиристорную цепь.
Такой способ управления скоростью двигателя считается достаточно надежным при условии, что в цепи нагрузки не будут возникать нарушения целостности или порядка подключения контактов.
Если через тиристорный регулятор подключить коллекторный электромотор, то щетки могут начать искрить, поскольку ток нагрузки будет поступать импульсно.
Хотя и для управления 12-вольтовыми двигателями постоянного тока коллекторного типа можно приспособить тиристорный регулятор, который будет иметь некоторые особенности:
- электромотор и силовой тиристор подключаются на одну из диагоналей выпрямительного моста, а напряжение от электросети подается на другую диагональ;
- управление тиристорами производится не короткими импульсными сигналами, а с более широким диапазоном, что дает возможность исключить пагубное воздействие на работу регулятора характерных для коллекторных электромоторов кратковременных перепадов нагрузки.
Генератор коротких, вплоть до нескольких миллисекунд, плюсовых импульсов собирается на транзисторе VT1 однопереходного типа. Он предназначен для работы вспомогательного тиристора VS1.
Питающее напряжение трапецеидального вида подается на генератор благодаря ограничению 100-герцовых положительных полуволн напряжения синусоидального типа стабилитроном VD1.
Каждая такая полуволна постепенно заряжает конденсатор С1 через резистивную цепочку R1-R3.
При появлении на конденсаторе напряжения, нужного для открывания транзистора, от резистора R5 на электрод управляющего тринистора VS1 подается положительный импульс, в результате чего происходит раскрытие данного тринистора, а на силовой тринистор VS2 поступает уже более продолжительный, по сравнению с сигналом управления, импульсный сигнал и на электромотор М1 поступает питание.
Регулировка частоты вращения ротора электродвигателя осуществляется с помощью переменного резистора R1, отвечающего за момент открывания силового и управляющего тиристоров, а значит и за мощность нагрузки.
Анод тринистора VS2 в своей цепи имеет индуктивную нагрузку, поэтому возможно самопроизвольное открытие даже без поступления управляющего сигнала.
Чтобы этого не случалось, монтируется диод VD, подключенный параллельно обмотке возбуждения LB.
Внедрение автоматики
Наличие в регуляторах оборотов и преобразователях частоты современного микроконтроллерного управления позволяет улучшить параметры работы привода, а сам мотор может функционировать в полностью автоматическом режиме, когда используемый контроллер плавно или ступенчато изменяет скорость вращения ротора силового агрегата. Сегодня в качестве микроконтроллерного управления используются процессоры, которые имеют различное число выходов и входов. К такому микроконтроллеру можно подключить разного рода электронные ключи и кнопки, всевозможные датчики потери сигнала и прочее.
На современном электротехническом рынке представлен большой ассортимент преобразователей и регуляторов частоты для любой разновидности электромотора.
Но при наличии даже минимальных навыков работы с радиодеталями и умении читать электрические схемы, можно своими руками собрать устройство, которое будет постепенно или ступенчато изменять обороты двигателя.
Дополнительно можно включить в цепь управляющий симисторный реостат и резистор, что даст возможность плавно менять скорость, а наличие микроконтроллерного управления полностью автоматизирует работу электропривода.
Регулятор скорости двигателя постоянного тока
На рисунках ниже изображены ШИМ сигналы с различными коэффициентами заполнения.
При таком методе управления скорость вращения двигателя будет пропорциональна коэффициенту заполнения ШИМ сигнала.
Простая схема управления двигателем постоянного тока
Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.
Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала.
При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет «воспринимать» среднее значение подводимой к нему энергии.
Схема для генерации ШИМ сигнала
Существует много схем для генерации ШИМ сигнала. Одна из самых простых — это схема на основе 555-го таймера. Она требует минимум компонентов, не нуждается в настройке и собирается за один час.
Напряжение питания схемы VCC может быть в диапазоне 5 — 16 Вольт. В качестве диодов VD1 — VD3 можно взять практически любые диоды. Если интересно разобраться, как работает эта схема, нужно обратиться к блок схеме 555-го таймера. Таймер состоит из делителя напряжения, двух компараторов, триггера, ключа с открытым коллектором и выходного буфера.
Вывод питания (VCC) и сброса (Reset) у нас заведены на плюс питания, допустим, +5 В, а земляной (GND) на минус. Открытый коллектор транзистора (вывод DISCH) подтянут к плюсу питания через резистор и с него снимается ШИМ сигнал. Вывод CONT не используется, к нему подключен конденсатор. Выводы компараторов THRES и TRIG объединены и подключены к RC цепочке, состоящей из переменного резистора, двух диодов и конденсатора. Средний вывод переменного резистора подключен к выводу OUT. Крайние выводы резистора подключены через диоды к конденсатору, который вторым выводом подключен к земле. Благодаря такому включению диодов, конденсатор заряжается через одну часть переменного резистора, а разряжается через другую. В момент включения питания на выводе OUT низкий логический уровень, тогда на выводах THRES и TRIG, благодаря диоду VD2, тоже будет низкий уровень. Верхний компаратор переключит выход в ноль, а нижний в единицу. На выходе триггера установится нулевой уровень (потому что у него инвертор на выходе), транзисторный ключ закроется, а на выводе OUT установиться высокий уровень (потому что у него на инвертор на входе). Далее конденсатор С3 начнет заряжаться через диод VD1. Когда она зарядится до определенного уровня, нижний компаратор переключится в ноль, а затем верхний компаратор переключит выход в единицу. На выходе триггера установится единичный уровень, транзисторный ключ откроется, а на выводе OUT установится низкий уровень. Конденсатор C3 начнет разряжаться через диод VD2, до тех пор, пока полностью не разрядится и компараторы не переключат триггер в другое состояние. Далее цикл будет повторяться. Приблизительную частоту ШИМ сигнала, формируемого этой схемой, можно рассчитать по следующей формуле:
- F = 1.44/(R1*C1), [Гц]
где R1 в омах, C1 в фарадах. При номиналах указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:
F = 1.44/(50000*0.0000001) = 288 Гц.
Шим регулятор оборотов двигателя постоянного тока
Объединим две представленные выше схемы, и мы получим простую схему регулятора оборотов двигателя постоянного тока, которую можно применить для управления оборотами двигателя игрушки, робота, микродрели и т.д.
VT1 — полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2 больше или равно VCC1. Вместо полевого транзистора можно использовать биполярный n-p-n транзистор, транзистор дарлингтона, оптореле соответствующей мощности.
У вас недостаточно прав для комментирования.
Регулирование скорости оборотов двигателя постоянного тока
- С точки зрения регулирования скоростью вращения электродвигателей, интересно уравнение для электромеханических характеристик, соответствующее Второму закону Кирхгофа:
- ω = U/C×Φ – ΥЯ /( C×Φ)3×M
- При описании технических характеристик электродвигателя скорость, выражаемая оборотами в минуту, зачастую называется частотой вращения ν по известному соотношению:
- ω = 2p/T = 2pn
Поэтому эти две разноименные величины часто применяются в одном и том же смысле. Скорость w (частота ν) находится в прямой зависимости от напряжения питания U и в обратной от магнитного потока Ф. Исходя из приведенной выше формулы, возникает вывод, что скоростью можно управлять, регулируя сопротивление якоря, магнитный поток и напряжение питания.
Методы регулировки
Итак, различают три основных варианта регулирования скоростью:
- Изменением напряжения сети. Меняя подводимое питание можно управлять частотой вращения двигателя;
- Добавлением пускового реостата в цепь якоря. Регулируя сопротивление, можно уменьшить скорость вращения;
- Управлением магнитного потока. Двигатели с электромагнитами дают возможность регулировать поток путем изменения тока возбуждения. Однако нижний предел ν min ограничен насыщением магнитной цепи двигателя, что не позволяет увеличивать в большой степени магнитный поток.
- К каждому из вариантов соответствует определённая зависимость механических характеристик.
- Методы регулирования применительны к двигателям с различными:
- типами возбуждения;
- величиной мощности.
На практике в современных электрических моторах, в связи с недостатками и ограниченности диапазонов, рассмотренные методы не всегда применяются.
Это еще связано с тем, что машины отличаются довольно небольшими КПД, и к тому же не позволяют плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения.
Электронные же схемы управления с регуляторами частоты, работающими от аккумуляторной батареи на 12 В, напротив, широко используются. Например, они очень актуальны для управления низковольтными электродвигателями 12 вольт в приборах автоматики, детских игрушках, электрических велосипедах, аккумуляторных детских автомобилях.
Принципиальной особенностью метода является то, что ток в цепи якоря и момент, развиваемый электродвигателем, зависят лишь от величины нагрузки на его валу. Регулировка осуществляется с помощью регулятора оборотов электродвигателя.
В течение очень долгого времени тиристорные преобразователи являлись единственным коммерчески доступными регуляторами двигателей. К слову сказать, они по-прежнему самые распространенные на сегодняшний день.
Однако с появлением силовых транзисторов стали наиболее популярными регуляторы оборотов двигателя постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией.
Приведём для примера ниже схему, работающую от источника постоянного тока 12 В.
Схема на практике даёт возможность, к примеру, увеличивать либо уменьшать яркость свечения ламп накаливания на 12 вольт.
Последовательно-параллельное управление используется в ситуациях, когда два или более агрегата постоянного тока соединены механически.
Схема с последовательным соединением электродвигателей, в которой общее напряжение делится на всех, используется для низкоскоростных приложений.
Схема с параллельным соединением машин, имеющих одинаковое напряжение, используется в высокоскоростных применениях.
Заключение
Рассмотренный метод регулировки напряжения сети считается самым эффективным и экономичным вариантом, так как:
- им обеспечивается широкий диапазон изменения скоростей (wmin / wmax) и лучшие энергетические характеристики (КПД);
- он работает без каких-либо потерь мощности в силовой цепи якоря.
Управление осуществляется плавно, и по точности регулировка частоты вращения является весьма высокой.
Регулировка двигателей постоянного тока (ШИМ)
Устройство позволяет регулировать двигатель постоянного тока, и еще использоваться вспомогательным генератором для построения преобразователей. Регулировка частоты в диапазоне 220 Гц … 1700 Гц с возможностью адаптацией к другим значениям и регулировкой рабочего цикла в диапазоне от 0% до 100%.
Все более распространенным стало использование устройств с приводом от двигателей постоянного тока, особенно малой мощности. В домашней мастерской такой регулятор необходим, например, для регулирования вращения миниатюрной дрели, используемой для сверления отверстий в печатных платах.
Скорость вращения можно регулировать величиной напряжения, но чем ниже напряжение, тем ниже скорость вращение и меньше мощность. Сверла меньшего диаметра быстро нагреваются и затупляются при слишком высокой скорости вращения. Приведенное на схеме устройство позволяет плавно регулировать частоту и длительность импульса.
Принципиальная схема управления двигателемПринципиальная схема управления двигателем
Конструкция устройства выполнена на микросхеме SG3525. Это специализированная микросхема генератора ШИМ. Напряжение питания микросхемы варьируется от 8,5В до 35В. В его состав, помимо самого генератора, входят еще несколько дополнительных элементов управления и регулирования.
Сам генератор вырабатывает пилообразные колебания с частотой 100 Гц…400 кГц. Значение частоты определяется RC-элементами. Резистор, в нашем случае это комбинация резистора R6 и потенциометра (P1), подключается к выводу RT (вывод 6), а конденсатор C11 подключается к выводу CT (вывод 5).
Потенциометр изменяет постоянную RC-цепи, и, таким образом, мы регулируем частоту, которая в нашем случае варьируется в диапазоне 220 Гц … 1700 Гц. Это было определено экспериментально на электродвигателе миниатюрной дрели с питанием от 12В под нагрузкой. Между выводом DISC (вывод 7) и выводом CT (вывод 5) находится разрядный резистор R7.
Его значение такое же, как и в базовом включении, рекомендованном производителем. Генератор не работает в режиме обратной связи, поэтому усилитель внутренней ошибки не используется. Его входы (+ V и -V) закорочены на землю, чтобы предотвратить случайное появление любого потенциала.
Ширина импульса регулируется напряжением, подаваемым на вход COMP (вывод 9). Это вывод компаратора. Это напряжение создается за счет напряжения питания на элементах R3, DZ1 и C5. К этому напряжению подключен делитель в виде потенциометра P2 и резистора R10.
Они устанавливают диапазон напряжения от 1В до 4,7В, который охватывает регулировку рабочего цикла от 1% до 99% в зависимости от типа используемых оконечных транзисторов.
Микросхема имеет два независимых выхода, буферизованных драйверами, состоящими из пар дополнительных транзисторов, работающих как симметричные эмиттерные повторители.
Таким образом, выходы были адаптированы для управления транзисторами MOSFET, которые имеют большую входную емкость и требуют быстрой разрядки с высоким током. Ток, который может выдать генератор, составляет 400 мА. Затворы транзисторов могут быть подключены к выходам напрямую, но путем экспериментов и добавления резисторов достигаются лучшие результаты.
Резисторы R8 и R9 снижают значение напряжения практически до нуля. Питание микросхемы осуществляется от одного напряжения, но оно разделено цепью состоящей из фильтров R1, C1 и C3, а также R2 и конденсаторами C2 и C4. Эти фильтры защищают от падения напряжения на выводах VC (вывод 13) VCC (вывод 15). Без этих дополнительных элементов генератор не будет работать должным образом.
С OUTA (вывод 11) и OUTB (вывод 14), как упоминалось ранее, осуществляется управление оконечных транзисторов MOSFET. Наиболее важными параметрами являются напряжение пробоя, ток исток-сток, сопротивление полному открытию и емкость затвора.
Между значением напряжения пробоя и сопротивлением существует некоторая зависимость.
Чем выше напряжение пробоя, тем выше сопротивление, а значит, и мощность потерь, поэтому при подключении устройства мы должны знать его напряжение питания и правильно выбирать транзистор.
В нашем случае транзистор IRFZ44 для низких напряжений питания двигателя, напряжение пробоя которого составляет 50В и сопротивление открытия около 0.
0175 Ом, а для высоких напряжений питания двигателя — транзистор IRF840 с напряжением пробоя 400В и сопротивление около 0,85 Ом.
Выходы транзисторов A и B можно подключить двигатель к питающему напряжению генератора или к внешнему напряжению. Способ подключения показан на рисунке.
Пример подключения двигателяПример подключения двигателя
Как видите, стоки транзисторов закорочены и подключены к одному полюсу двигателя, другой полюс подключен к положительному напряжению питания. Кроме того, к двигателю может быть подключен диод в направлении, противоположном полярности напряжения питания. Он подавляет энергию самоиндукции двигателя.
Для более мощных двигателей и более высоких напряжений питания тип диода следует подбирать индивидуально. Для малой мощности это может быть диод 1N4007. Кроме того, можно попробовать подключить конденсатор емкостью около 100нФ…330нФ напряжением на 400В параллельно диоду, что также подавит энергию самоиндукции.
Генератор формирует сигналы на выходах A и B, сдвинутые на 180 градусов, так что нет возможности одновременного высокого состояния на обоих выходах, поэтому транзисторы управляются поочередно. Короткое замыкание стоков дает возможность получить пробег без мертвых зон, пригодный для управления двигателем с одной катушкой. Формы сигналов представлены на рисунке.
Форма сигналов
Как правило, устройство предназначено для управления двигателями постоянного тока. Его также можно использовать для запуска преобразователей и импульсных источников питания, подключив катушки трансформатора вместо двигателя, поэтому подключение стоков на плате разделено.
Можно управлять трансформатором с двумя катушками. Настройка частоты и рабочего цикла такая же, как и для подключенного двигателя. Изменить рабочую частоту генератора, изменив номинал конденсатора CT. Чем больше емкость, тем ниже частота. Изменяя значение сопротивления в цепи RT, мы можем изменить диапазон настройки.
Вариант печатной платы
Для настройки понадобится, регулируемый источник постоянного напряжения с ограничением тока, осциллограф, двигатель постоянного тока и маломощная лампочка на 12В. Вначале проверяем качество платы на предмет механических повреждений.
Устанавливаем напряжение блока питания на 12В и ограничение тока на 0,5А. Подключаем питание к устройству. Далее измеряем напряжение на контактах 13 (VC) и 15 (VCC) оно должно быть 12В. Включаем питание и поочередно подключаем осциллограф к затворам транзисторов Т1 и Т2.
Мы должны увидеть прямоугольные импульсы.
Регулируя потенциометр P1, мы можем изменять частоту, а P2 — наполнение. Затем подключаем лампочку к контактам, где подключается двигатель, как на рисунке приведенным выше, без диода к питающему напряжению.
Теперь подключаем осциллограф и наблюдаем за работой лампочки относительно земли. При регулировке потенциометрами мы можем наблюдать изменение яркости свечения лампочки.
Затем вместо лампочки подключаем двигатель с включенным параллельно обмотки диодом, меняя ограничение тока блока питания на большее.
Регулируя потенциометры, мы можем наблюдать изменение скорости вращения. Следует помнить, что частота вращения и мощность двигателя также зависят от нагрузки, поэтому регулировка производится в конкретных условиях. Как известно, на транзисторах под нагрузкой мощность выделяется в виде тепла, в зависимости от тока и напряжения питания.
При определенных условиях он довольно большой, и тогда тепло необходимо отводить с помощью радиаторов. Это может быть кусок алюминиевой пластины или подходящий профиль. В случае, когда мы используем суммарную форму волны, это может быть один общий радиатор. Вот на этом все.
Загрузка...
