✅ Регулятор оборотов коллекторного двигателя с поддержанием мощности

При эксплуатации коллекторных электродвигателей нередко возникает необходимость в регулировании оборотов устройства. Важно при этом не снизить общие показатели мотора, чтобы работа не пошла насмарку. Рассмотрим же детально особенности самостоятельного регулирования.

Регулятор по схеме

Силовые агрегаты данного типа активно используются в бытовой электрической технике, инструментах: стиральных машинах, болгарках, пылесосах, дрелях, квадрокоптерах и др. это обусловливается высокой результативностью приборов, которые демонстрируют большое число оборотов и высоким крутящим моментом (также и пусковым). Данных технических характеристик с лихвой хватает на обеспечения работы техники и инструментов на требуемом уровне.

Сами моторы работают от сетей как постоянного, так и переменного токов, от обычных бытовых сетей. Чтобы осуществить управление скоростями оборотов ротора такого двигателя, необходимо использовать специальные регуляторы. При этом потери в мощностях будут минимальными.

Подробнее:

Модуль представляет собой небольшую плату со всеми необходимыми элементами для обвязки и построенную на микросхеме TDA1085c. Необходимым условием для подключения является наличие таходатчика (тахогенератор) , который позволяет обеспечить обратную связь электродвигателя с микросхемой. При нагрузки двигателя, частота оборотов начинает падать, что фиксирует таходатчик, который дает команду микросхеме увеличить напряжение и наоборот, когда нагрузка ослабевает — напряжение на двигатель падает. Таким образом данная конструкция позволяет поддерживать постоянную мощность коллекторного двигателя при изменении частоты вращения ротора.
Данный модуль хорошо подходит к электродвигателю от стиральной машины автомат. В сочетании двух устройств, легко можно сделать своими руками: Токарный станок по дереву, Фрезерный станок, Медогонку, Газонокосилку, Гончарный круг, Дровокол, Наждак, Сверлильный станок, Корморезка и другие устройства где необходимо вращение миханизмов.

Есть вариант на конденсаторном типе питания:

Стоимость данной платы 57,00 BYN .

Подключение

Для подключения коллекторного двигателя к плате управления необходимо р азобраться в распиновке проводов. Стандарный коллекторный двигатель имеет 3 группы контактов: таходатчик, щетки и обмотка статора. Редко, но может присутсвовать и 4 группа контактов термозащиты (провода обычно белого цвета).

Таходатчик: расположен с задней части двигателя с выходящими проводами (меньше по сечению чем остальные). Провода могут прозваниваться мультиметром и могут иметь небольшое сопротивление.

Щетки: провода прозваниваются друг с другом и коллектором двигателя.

Обмотка: провода имеют 2 или 3 вывода (со средней точкой). Провода прозваниваются друг с другом.

При подключении коллекторного двигателя к сети 220 Вольт:

Один конец проводов щетки и обмотки соединяем накоротко (или ставим перемычку в контактную колодку), другой конец проводов подключаем к сети 220В. Направление вращения двигателя будет зависить какой из проводов обмотки будет подключен к сети 220В. Если необходимо изменить направление движения двигателя — поставьте перемычку на другую пару проводов «обмотка-щетка».

При подключении коллекторного двигателя к плате регулятора оборотов:

Проводами которыми подключался двигатель к сети 220В подключаем к клемме «М». К клемме «Тaho» подключаем таходатчик. К клемме «L N» подключаем сетевое питание 220 Вольт. Полярность не имеет значения.

В комплекте идет выключатель (клемма SA). Если выключатель не нужен — поставьте перемычку.

Настройка

На плате предусмотрено 3 типа настройки:

— настройка плавности набора оборотов;

— настройка диапазона регулировки оборотов.

Для надежности в работе и правильности настройки рекомендуется выполнять настройку в следующей последовательности:

1) Н астройка плавности набора оборотов выполняется подстроечным резистором R1, который отвечает за плавность набора оборотов коллекторного двигателя.

2) Настройка таходатчика выполняется подстроечным резистором R3, что позволяет убрать рывки и дерганье в работе двигателя при регулировки скорости вращения.

3) Настройка диапазона регулировки оборотов выполняется подстроечным резистором R2. Настройка позволяет ограничить или увеличить минимальное число оборотов коллекторного двигателя, даже при минимально выкрученном потенциометре.

Подключение реверса

Для подключения реверсного переключателя необходимо убрать перемычку в двигателе (обмотка и щетки). Провода в переключателе разделены тремя парами проводов, одна из которых имеет залуженные концы. Пара с залуженными концами подключается к клемме M. Две оставшиеся пары подключаются к обмотке и щеткам. Какая пара будет подключена к обмотке или щеткам не имеет значения. Полярность подключения не имеет значения.

Пара проводов для подключения к таходатчику двигателя имеет зеленый или черный цвет.

Реверсный переключатель не входит в стандартную комплектацию платы и приобретается отдельно.

Схема подключения реверса к плате:

Плата настраивается и проверяется перед продажей!

Технические характеристики

Регулятор-стабилизатор частоты вращения коллекторного двигателя с МК

В настоящее время наряду с асинхронными и коллекторными двигателями переменного напряжения в быту и на производстве широко используются коллекторные двигатели постоянного тока. Их преимущество обусловлено, в первую очередь, простотой схемы управления, так как здесь нет необходимости использовать дорогостоящие частотные преобразователи.

Небольшой коллекторный двигатель постоянного тока

Для стабилизации частоты вращения таких двигателей можно обойтись без громоздких и сложных в обслуживании систем на основе датчиков положения ротора и тахогенераторов. Кроме того, данные двигатели обеспечивают значительный крутящий момент, при возможности регулирования частоты вращения ротора в широких пределах (от максимальной рабочей частоты, превышающей у некоторых двигателей 5000 об/мин, почти до нуля).

По принципу действия схемы управления коллекторными двигателями постоянного тока можно разделить на две основные группы:

схемы с широтно-импульсным регулированием частоты вращения ротора двигателя;
схемы с фазовым регулированием частоты вращения ротора двигателя.

Принцип действия, заложенный в первую из них, обеспечивает приемлемые параметры. Схема работает на частотах 1…20 кГц, в качестве ключевых элементов здесь используются мощные транзисторы. Однако на практике данная схема не обеспечивает должной надежности из-за неустойчивой работы транзисторов при больших импульсных токах. При перегрузках часто выходят из строя дорогостоящие силовые транзисторы.

Значительно более надежной зарекомендовала себя методика с фазовым управлением частотой вращения, где в качестве регулирующих элементов используются тиристоры. Однако промышленные схемы, в которых используется указанный принцип, достаточно громоздки. В результате анализа некоторых из указанных схем выяснилось, что можно добиться значительного их упрощения без всякого ухудшения технических характеристик устройства. Стабильность частоты вращения двигателя в схеме, показанной на рис.1, не уступает большинству дорогостоящих импортных ШИМ регуляторов, а по надежности значительно превосходит их. Схема предназначена для регулировки оборотов коллекторных двигателей типа КПА, КПК или аналогичных мощностью от 90 до 250 Вт и номинальным напряжением 12…48 В. На практике в данной схеме практически не было случаев выхода из строя полупроводниковых элементов. Даже при установке плавкого предохранителя FU1 на ток, значительно превышающий номинальный в случае перегрузки или заклинивания двигателя, выгорал 5-ваттный резистивный шунт R2. Все остальные элементы схемы при этом сохраняли работоспособность.

Рис. 1

Как уже отмечалось выше, в основу работы схемы, показанной на рис.1, положен принцип фазовой регулировки частоты вращения коллекторного двигателя с использованием обратных связей по току и напряжению. Таким образом, указанная схема позволяет обеспечить стабильные обороты двигателя при значительных колебаниях нагрузки на валу, а также питающего напряжения. Можно реализовать режим, когда при увеличении нагрузки обороты двигателя увеличиваются.

В описываемой конструкции реализовано микропроцессорное управление схемой, однако можно использовать и аналоговое регулирование, с помощью переменного резистора.

На микроконтроллере ATMEGA8515 реализованы следующие функции:

задание частоты вращения двигателя с помощью кнопок «-» и «+»;
отображение установленных значений на двухразрядном семисегментном цифровом индикаторе (значения от 00 до 99);
автоматическое сохранение заданных настроек в энергонезависимую память;
проигрывание мелодии при включении питания;
формирование звуковых сигналов при нажатии кнопок;
автоповтор при длительном удержании кнопок задания.

Выходное напряжение для управления частотой вращения двигателя формируется микроконтроллерной частью схемы посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В устройстве, показанном на рис.1, задействован один канал регулирования, однако благодаря программной реализации ШИМ, при необходимости, число каналов регулирования здесь может быть увеличено до пяти.

Для питания блока стабилизации и самого двигателя использован мощный силовой трансформатор ТР1 с номинальным выходным напряжением 24…48 В и мощностью 200…500 Вт, в зависимости от мощности используемого двигателя. Следует помнить, что при перегрузках коллекторных двигателей их ток может превышать номинальный в несколько раз. Этим следует руководствоваться при выборе трансформатора, он должен иметь как минимум двукратный запас по мощности.

Учитывая, что при перегрузках двигателя напряжение на трансформаторе ТР1 может просаживаться, а пульсации значительно возрастать, с целью повышения надежности контроллерная часть устройства запитана от отдельного блока питания на трансформаторе ТР2 с номинальным выходным напряжением 12… 15 В и мощностью около 5 Вт. Напряжение, снимаемое с этого трансформатора, выпрямляется диодным мостом VD2 и поступает на интегральный стабилизатор DA2, обеспечивающий выходное напряжение 5 В, необходимое для питания контроллера DA3.

Силовая часть схемы питается выпрямленным пульсирующим напряжением 24…48 В, снимаемым с диодного моста VD1. Стабилизированное сглаженное напряжение для питания ОУ DA1 формируется стабилизатором, собранным на транзисторе VT1, резисторах R3, R7, R19, конденсаторах С4, С6, С10 и стабилитроне VD7. Диод VD4 разделяет пульсирующее напряжение, необходимое для работы тиристора VS1, и сглаженное — стабилизатора напряжения. Светодиод HL1 служит для индикации подачи напряжения питания и работоспособности стабилизатора.

Опорное напряжение для цепи задания скорости вращения двигателя формирует стабилитрон VD8. Напряжение, задающее скорость вращения двигателя, снимается с резистора R21 и через фильтр на элементах R22, С8, R24 поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1 (вывод 3), где складывается с напряжением обратной связи по току. Данное напряжение снимается с резистивного шунта R2 и через делитель на резисторах R4, R6 и фильтр R8, С7, R20 поступает на указанный вход ОУ. Элементы VD5, VD6, R5 служат для ограничения напряжения токовой обратной связи до необходимого уровня.

На инвертирующем входе 2 ОУ DA1 напряжение, снимаемое через резисторы R25, R31, R32 с якоря двигателя М, суммируется с опорным напряжением, поступающим со стабилитрона VD8 через резисторы R29, R30.

Напряжение с выхода интегратора DA1 управляет формирователем импульсов на однопереходном транзисторе VT6, определяющем угол открытия тиристора VS1. Таким образом осуществляется фазовое регулирование частоты вращения ротора двигателя с обратными связями по току и напряжению. Для управления тиристором VS1, используется импульсный трансформатор ТРЗ, включенный в цепи формирователя импульсов (C11, VT6, R38, R39,VD9).

После сборки устройства и проверки правильности монтажа необходимо через разъем XS1 подключить к схеме программатор и прошить контроллер DA3.

Фьюзы контроллера настраивают на работу от внутреннего RC-генератора частотой 8 МГц, включают детектор снижения напряжения (B0D) и устанавливают напряжение контроля — 4,3 В. Полная конфигурация фьюзов в программе CodeVisionAVR показана на рис.2.

Рис. 2.

Настройка

Отладку схемы начинают с проверки работоспособности контроллерной части. Для этого, не вставляя предохранитель FU1, подключают устройство к сети, при этом на индикаторах HL2-HL3 должны отобразиться нули, а в динамике ВА1 проиграться мелодия. При каждом нажатии кнопки SA2 значения на индикаторе должны увеличиваться на единицу (при нажатии на SA1 — соответственно уменьшаться), а в динамике раздаваться звуковой сигнал. При длительном удержании любой из кнопок должен начаться автоповтор. Далее проверяют работу формирователя ШИМ, для этого, подключив вольтметр в точку соединения элементов 05, R9, R10, убеждаются, что напряжение здесь плавно изменяется от 0 до 5 В (при изменении значений на индикаторах от 0 до 99 соответственно).

Перед настройкой силовой части прибора необходимо организовать стенд, позволяющий оперативно контролировать частоту вращения ротора двигателя и менять нагрузку на валу. Наиболее простым и удобным таходатчиком может служить обычная универсальная магнитная головка от кассетного магнитофона, отработавшая свой ресурс. Ее фиксируют на расстоянии нескольких миллиметров от вала двигателя. На валу надежно закрепляют (например, с помощью изоленты) небольшой кусочек магнита, чтобы он пересекал магнитный зазор головки при вращении вала двигателя. Выходные контакты головки подключают к осциллографу. Изменение нагрузки на валу для двигателей мощностью до 200 Вт можно производить, прижимая к нему кусок плотной резины. Кроме того, для настройки необходим регулируемый источник переменного напряжения 24…48 В.

Перед настройкой силовой части устройства вместо постоянного резистора R4 устанавливают подстроечный (для двигателей КПА-563, КПК-564 или аналогичных — 470 Ом при напряжении питания 42 В). Движок подстроечного резистора R9 устанавливают в среднее положение. Вставив предохранитель FU1 в гнездо, можно приступать к отладке. При включении питания на индикаторах HL2-HL3 должны отобразиться заданные ранее значения, также должен засветиться индикатор HL1, сигнализирующий о нормальной работе схемы стабилизатора.

С помощью кнопки SA1 задают нулевое напряжение на выходе формирователя ШИМ, установив значение «00». После подачи напряжения питания, подстроечным резистором R29 добиваются полной остановки якоря двигателя и отсутствия на нем напряжения. Затем, изменяя положение движка подстроечного резистора R21, добиваются начала вращения вала двигателя. Далее нажатием кнопок устанавливают на цифровом индикаторе значение «50» и, добившись устойчивого положения сигнала на экране осциллографа, нагружают вал двигателя. Изменением сопротивления резистора R4 добиваются постоянства оборотов двигателя (сигнал на экране осциллографа не должен «уплывать») при изменении нагрузки на валу. Далее выпаивают подстроечный резистор R4, измеряют установленное на нем значение сопротивления и вместо него впаивают постоянный резистор, соответствующего номинала. Желаемый диапазон регулировки оборотов двигателя, при изменении значений от «00» до «99», устанавливают подстроечным резистором R9.

Для настройки узла стабилизации по напряжению входное напряжение схемы с помощью ЛАТРА уменьшают на 10…20% и вращением подстроечного резистора R25 добиваются сохранения стабильности оборотов двигателя. После вновь устанавливают нулевые значения на индикаторе и подстроечным резистором R21 добиваются требуемых начальных оборотов двигателя.

Детали

В качестве диодного моста VD1 можно применить любой с подходящим током на напряжение не менее 100 В. Диодный мост VD2 на ток 0,5…1 А.

В качестве двигателей кроме КПА, КПТ можно использовать самые разнообразные коллекторные двигатели (например, автомобильные от стеклоочистителей) на напряжение 12…48 В, какс постоянными магнитами, так и с независимой обмоткой возбуждения (ОВ). В этом случае ОВ подключается непосредственно к выходу диодного моста VD1. При использовании двигателей на 12 В напряжение на трансформаторе ТР1 может быть уменьшено до 24 В.

Трансформатор ТР1 можно использовать ТПП-321, 322 с типовым выходным напряжением 42 В, либо изготовить самостоятельно с учетом вышеуказанного. В качестве трансформатора ТРЗ вместо МИТ-4 можно использовать практически любой подходящий импульсный трансформатор, предназначенный для управления тиристорами или симисторами.

Отечественный тиристор VS1 допустимо заменить импортным ВТ152 в пластмассовом корпусе, радиатор к нему выбирают исходя из максимальных токов нагрузки.

Резистивный шунт R2 с номинальным сопротивлением 0,1…0,15 Ом мощностью не менее 5 Вт.

Индикаторы HL2-HL3 можно применить любые спаренные с общим анодом. Динамическая головка ВА1 малогабаритная, подходящая по громкости.

Программа для микроконтроллера ()

Автор: Виктор Тушнов, г. Луганск

Источник: Радиоаматор №2, 2015

Регулятор оборотов коллекторного двигателя от стиральной машины

Прекрасный для самоделок мотор от стиральной машины имеет слишком высокие обороты, и малый ресурс на максимальных оборотах. Поэтому я применяю простой самодельный регулятор оборотов (без потери мощности). Схема опробована и показала прекрасный результат. Обороты регулируются примерно от 600 до max.

Потенциометр электрически изолирован от сети, что повышает безопасность пользования регулятором.

Симистор необходимо поставить на радиатор.

Оптопара (2 шт) практически любая, но EL814 имеет внутри 2 встречных светодиода, и просится в эту схему.

Высоковольтный транзистор можно поставить, например, IRF740 (от БП компьютера), но жалко такой мощный транзистор ставить в слаботочную цепь. Хорошо работают транзисторы 1N60, 13003, КТ940.

Вместо моста КЦ407 вполне подойдет мост из 1N4007, или любой на >300V, и ток >100mA.

Печатка в формате .lay5. Печатка нарисована «Вид со стороны М2 (пайка)», так что при выводе на принтер ее надо зеркалить. Цвет М2 = черный, фон = белый, остальные цвета не печатать. Контур платы (для обрезки) выполнен на стороне М2, и будет указателем границ платы после травления. Перед запайкой деталей его следует удалить. В печатку добавлен рисунок деталей со стороны монтажа для переноса на печатку. Она тогда приобретает красивый и законченный вид.

Продлить жизнь двигателя очень просто

Проблемой в любом хозяйстве является срок жизни электрического инструмента. Для продления его применяют плавный запуск при включении. Эту проблему также решает регулятор оборотов.

Физика процесса такова, что в момент включения двигателя создается мощный импульс пускового тока. Превышающий рабочий ток двигателя, он создает искрение в контакте коллектора со щетками, что вызывает быстрый их износ.

Пусковой ток может привести к сгоранию обмоток двигателя и износу редуктора из-за рывков при пуске. Плавный пуск делает работу с электроинструментом безопасной и сохраняет его исправность.

Как сделать регулятор оборотов коллекторного двигателя?

При использовании электродвигателя в инструментах, одной из серьёзных проблем является регулировка скорости их вращения. Если скорость недостаточно высока, то действие инструмента является недостаточно эффективным.

Если же она излишне высока, то это приводит не только к существенному перерасходу электрической энергии, но и к возможному пережогу инструмента. При слишком высокой скорости вращения, работа инструмента может стать также менее предсказуемой. Как это исправить? Для этой цели принято использовать специальный регулятор скорости вращения.

Двигатель для электроинструментов и бытовой техники обычно относится к одному из 2 основных типов:

Коллекторные двигатели.
Асинхронные двигатели.

В прошлом, вторая из указанных категорий имела наибольшее распространение. Сейчас, примерно 85% двигателей, которые употребляются в электрических инструментах, бытовой или кухонной технике, относятся к коллекторному типу. Объясняется это тем, что они имеют большую степень компактности, они мощнее и процесс управления ими является более простым.

Действие любого электродвигателя построено на очень простом принципе: если между полюсами магнита поместить прямоугольную рамку, которая может вращаться вокруг своей оси, и пустить по ней постоянный ток, то рамка станет поворачиваться. Направление вращения определяется согласно «правилу правой руки».

Эту закономерность можно использовать для работы коллекторного двигателя.

Важным моментом здесь является подключение тока к этой рамке. Поскольку она вращается, для этого используются специальные скользящие контакты. После того, как рамка повернётся на 180 градусов, ток по этим контактам потечёт в обратном направлении. Таким образом, направление вращения останется прежним. При этом, плавного вращения не получится. Для достижения такого эффекта принято использовать несколько десятков рамок.

Как правильно подключить регулятор оборотов к электродвигателю

Регулятор скорости вращения двигателя может понадобится, если вы собираете станок или пытается усовершенствовать заводской. Неправильное подключение чревато падением мощности или даже поломкой мотора. Ниже вы узнаете, как установить и собрать регулятор оборотов с поддержанием мощности.

Схема регулятора оборотов для электродвигателя

Конечно, регулятор оборотов электродвигателя на 220в можно купить в магазине, но:

В магазинах сложно найти платы для сетевого напряжения (основная часть рынка – регуляторы до 35 вольт).
Те, что продаются для сетевых двигателей имеют посредственное качество. Мощность и скорость они не поддерживают, поэтому для станков (например, токарного) они не подходят в принципе.
Промышленные контроллеры с поддержанием скорости и мощности очень дороги, и купить их сложно.

Почему бы тогда не собрать? Все детали продаются в любом радиомагазине, к тому же программировать или прошивать ничего не понадобится, хоть и понадобится микросхема.

Технические характеристики контроллера

Схема будет иметь следующие характеристики:

Рабочее напряжение – от 110 до 230 вольт.
Возможности регулировки – 9 – 99%. В целом, этот показатель зависит от выбранного димера.
Нагрузка – до 2,5 киловатт.
Рабочая мощность – 300 ватт без радиатора. Если установить хорошее охлаждение, можно ее увеличить на 20-25%.

Эта схема регулятора оборотов коллекторного двигателя на 220в достаточно тихая и имеет плавный пуск. Собрать же ее достаточно просто.

Простейшая схема регулятора

Ориентируйтесь на эту схему. Чтобы уменьшить обороты электродвигателя, необходим ШИМ модулятор, он же симистор. Это микросхема, которая модулирует ШИМ-сигнал, позволяющий задать собственное частоту.

В этой схеме роль модулятора играет микросхема U2008B. Это недорогая плата предназначена специально для регулировки оборотов асинхронного двигателя.

Как пишет Сайт компании электрические системы, также понадобится диод и резистор, чтобы снизить напряжение. На схеме они изображены со знаками D1 и R1. Также, чтобы отфильтровать поступающее электричество, необходим силовой конденсатор, обозначенный С1.

Р1, R5 и R3 – это делители напряжения, предназначенные для регулирования напряжения. Второй резистор необходим, чтобы синхронизировать внутренние блоки двигателя с симистором.

Чтобы частотный регулятор был безопасным, рекомендуется установить обычный плавкий предохранитель на 1,5 ампера.

Если вы хотите сделать профессиональную плату, возьмите эту схему для печати:

Останется только перенести ее на фольгированный текстолит и вытравить. Посмотреть инструкцию можно здесь. Цена вопроса такого регулятора – 200 рублей.

Заводские регуляторы

В некоторых случаях выгоднее взять регулятор оборотов коллекторного или асинхронного двигателя, если вы собираетесь модернизировать промышленное оборудование.

Наиболее распространенные модели:

1 Motor Speed Controller 400W. Недорогой (1300 рублей) ШИМ регулятор с простым управлением. На главной панели есть кнопка включения/выключения и 10 ступенчатый диммер. Обладает высокой производительностью и способен управлять двигателями до 400 ватт. Внутри присутствует хорошая система охлаждения и защиты. Для него ниже будет описана инструкция подключения.

2 KLS 4000-A1. Пожалуй, один из мощнейших китайских регуляторов вращения. Подключения, как такового, не требует. Достаточно вставить вилку в розетку на корпусе. Присутствует экран, где отображаются частота оборотов в минуту. Пожалуй, это наиболее удобный способ регулировки оборотов коллекторного двигателя без потери мощности. Цена начинается от 2400 рублей из Китая. В России продается с наценкой в 1,5 раза.

Устройство

Коллекторный двигатель состоит обычно из ротора (якоря), статора, щёток и тахогенератора:

Ротор — это вращающаяся часть, статор — это внешний магнит.
Щётки, сделанные из графита – это основная часть скользящих контактов, через которую на вращающийся якорь подаётся напряжение.
Тахогенератор – это прибор, который отслеживает характеристики вращения. В случае нарушения равномерности движения, он корректирует поступающее в двигатель напряжение, тем самым делая его более плавным.
Статор может содержать не один магнит, а, например, 2 (2 пары полюсов). Также, вместо статических магнитов, здесь могут быть использованы и катушки электромагнитов. Работать такой мотор может как от постоянного, так и от переменного тока.

Простота регулировки скорости коллекторного двигателя определяется тем, что скорость вращения прямо зависит от величины поданного напряжения.

Кроме этого, важной особенностью является то, что ось вращения непосредственно можно присоединять к вращающемуся инструменты без использования промежуточных механизмов.

Если говорить об их классификации, то можно говорить о:

Коллекторных двигателях постоянного тока.
Коллекторных двигателях переменного тока.

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

Разница состоит в том, как организованы эти подключения.

Тут принято различать:

Параллельное возбуждение.
Последовательное возбуждение.
Параллельно-последовательное возбуждение.

Особенности регулирования скорости

Важно знать, что каждый двигатель при вращении потребляет не только активную, но и реактивную мощность. При этом уровень реактивной мощности будет больше, что связано с характером нагрузки. В данном случае задачей конструирования устройств регулирования скорости вращения коллекторных двигателей является уменьшение разницы между активной и реактивной мощностями. Поэтому подобные преобразователи будут довольно сложными, и самостоятельно их изготовить непросто.

Своими руками можно сконструировать лишь некоторое подобие регулятора, но говорить о сохранении мощности не стоит. Что такое мощность? С точки зрения электрических показателей, это произведение потребляемого тока, умноженное на напряжение. Результат даст некое значение, которое включает активную и реактивную составляющие. Для выделения только активной, то есть сведения потерь к нулю, необходимо изменить характер нагрузки на активную. Такими характеристиками обладают только полупроводниковые резисторы.

Следовательно, необходимо индуктивность заменить на резистор, но это невозможно, потому что двигатель превратится во что-то иное и явно не станет приводить что-либо в движение. Задача регулирования без потерь заключается в том, чтобы сохранить момент, а не мощность: она все равно будет изменяться. Справиться с подобной задачей сможет только преобразователь, который будет управлять скоростью за счёт изменения длительности импульса открытия тиристоров или силовых транзисторов.

Регулировка

Теперь расскажем о том, как можно регулировать обороты коллекторных двигателей. В связи с тем, что скорость вращения мотора просто зависит от величины подаваемого напряжения, то любые средства регулировки, которые способны выполнять эту функцию для этого вполне пригодны.
Перечислим несколько такого рода вариантов для примера:

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
Заводские платы регулировки, используемые в бытовых приборах (можно использовать в частности те, которые применяются в миксерах или в пылесосах).
Кнопки, используемые в конструкции электроинструментах.
Бытовые регуляторы освещения с плавным действием.

Однако, все вышеперечисленные способы имеют очень важный изъян. Вместе с уменьшением оборотов, одновременно уменьшается и мощность работы мотора. В некоторых случаях, его можно остановить даже просто рукой. В некоторых случаях, это может быть приемлемо, но большей частью, это является серьёзным препятствием.

Хорошим вариантом является выполнение регулировки оборотов посредством использования тахогенератора. Его обычно устанавливают на заводе. При отклонениях в скорости вращения мотора, через 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.

Частотная регулировка

Для решения этой задачи применяются частотные преобразователи (драйверы, инверторы), которые присоединяются к прибору. Они обеспечивают выпрямление напряжения, поступающего от источника. Агрегаты внутри формируют напряжение и частоты на необходимых уровнях. Далее осуществляется подача этих параметров на эл двигатель.

Стабилизация коллекторного двигателя 12вВсе характеристики, необходимые для регулирования работы, частотник рассчитывает сам, ориентируясь на внутренние алгоритмы, которые установлены производителем.

Из преимуществ такого способа стоит выделить:

быстрое достижение плавности регулировки частот оборотов электрического мотора;
возможность изменения скоростей и направлений вращения моторов;
требуемые параметры поддерживаются самостоятельно;
экономические выгоды.

Из слабых сторон стоит выделить обязательность наличия преобразователя, который нужно приобретать отдельно. Но, справедливости ради отметим, что цена на частотники невысокая и они легко впишутся в бюджет любого дома, хозяйства, предприятия.

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.

Особенности конструкции

Микросхема оснащена всем необходимым для осуществления качественного управления двигателем в различных скоростных режимах, начиная от торможения, заканчивая разгоном и вращением с максимальной скоростью. Поэтому ее использование намного упрощает конструкцию, одновременно делая весь привод универсальным, так как можно выбирать любые обороты с неизменным моментом на валу и использовать не только в качестве привода конвейерной ленты или сверлильного станка, но и для перемещения стола.

Характеристики микросхемы можно найти на официальном сайте. Мы укажем основные особенности, которые потребуются для конструирования преобразователя. К ним можно отнести: интегрированную схему преобразования частоты в напряжение, генератор разгона, устройство плавного пуска, блок обработки сигналов Тахо, модуль ограничения тока и прочее. Как видите, схема оснащена рядом защит, которые обеспечат стабильность функционирования регулятора в разных режимах.

На рисунке ниже изображена типовая схема включения микросхемы.

Схема несложная, поэтому вполне воспроизводима своими руками. Есть некоторые особенности, к которым относятся предельные значения и способ регулирования скоростью:

Максимальный ток в обмотках двигателя не должен превышать 10 А (при условии той комплектации, которая представлена на схеме). Если применить симистор с большим прямым током, то мощность может быть выше. Учтите, что потребуется изменить сопротивление в цепи обратной связи в меньшую сторону, а также индуктивность шунта.
Максимальная скорость вращения достигается 3200 об/мин. Эта характеристика зависит от типа двигателя. Схема может управлять моторами до 16 тыс. об/мин.
Время разгона до максимальной скорости достигает 1 секунды.
Нормальный разгон обеспечивается за 10 секунд от 800 до 1300 об/мин.
На двигателе использован 8-полюсный тахогенератор с максимальным выходным напряжением на 6000 об/мин 30 В. То есть он должен выдавать 8мВ на 1 об/мин. При 15000 об/мин на нем должно быть напряжение 12 В.
Для управления двигателем используется симистор на 15А и предельным напряжением 600 В.

Если потребуется организовать реверс двигателя, то для этого придется дополнить схему пускателем, который будет переключать направление обмотки возбуждения. Также потребуется схема контроля нулевых оборотов, чтобы давать разрешение на реверс. На рисунке не указано.

Критерии выбора и соимость

Для того, чтобы правильно выбрать наиболее подходящий тип регулятора, нужно хорошо представлять себе, какие есть разновидности таких устройств:

Различные типы управления. Может быть векторная или скалярная система управления. Первые применяются чаще, а вторые считаются более надёжными.
Мощность регулятора должна соответствовать максимально возможной мощности мотора.
По напряжению удобно выбирать устройство, имеющее наиболее универсальные свойства.
Характеристики по частоте. Регулятор, который вам подходит, должен соответствовать наиболее высокой частоте, которую использует мотор.
Другие характеристики. Здесь речь идёт о величине гарантийного срока, размерах и других характеристиках.

В зависимости от назначения и потребительских свойств, цены на регуляторы могут существенно различаться.

Большей частью они находятся в диапазоне примерно от 3,5 тысяч рублей до 9 тысяч:

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

Обобщенная схема регулятора

Примером регулятора, который осуществляет принцип управления мотором без потерь мощности, можно рассмотреть тиристорный преобразователь. Это пропорционально-интегральные схемы с обратной связью, которые обеспечивают жесткое регулирование характеристик, начиная от разгона-торможения и заканчивая реверсом. Самым эффективным является импульсно-фазовое управление: частота следования импульсов отпирания синхронизируется с частотой сети. Это позволяет сохранять момент без роста потерь в реактивной составляющей. Обобщенную схему можно представить несколькими блоками:

силовой управляемый выпрямитель;
блок управления выпрямителем или схема импульсно-фазового регулирования;
обратная связь по тахогенератору;
блок регулирования тока в обмотках двигателя.

Перед тем как углубляться в более точное устройство и принцип регулирования, необходимо определиться с типом коллекторного двигателя. От этого будет зависеть схема управления его рабочими характеристиками.

Виды двигателей и принцип работы

Двигатели делятся на три типа: коллекторный, асинхронный и бесколлекторный. В большинстве электроинструментов стоит первый тип. Этот электродвигатель имеет довольно компактный размер. Его мощность значительно выше, чем у асинхронного, а цена довольно низкая. Что касается асинхронных, то этот тип в основном используется в металлообрабатывающей отрасли, а также широкое распространение они получили в угледобывающих шахтах. Довольно редко их можно встретить в быту.

Бесколлекторный электродвигатель используется там, где нужны большие обороты, точное позиционирование и малые размеры. Например, в различной медицинской технике, авиамоделировании. Принцип работы довольно прост. Если рамку прямоугольной формы, которая имеет ось вращения, поместить между плюсами постоянного магнита, то она начнет вращаться. Направление зависит от направления тока в рамке. В составе этого типа присутствуют якорь и статор. Якорь вращается, а статор стоит неподвижно. Как правило, на якоре стоит не одна рамка, а 4,5 или более.

Асинхронный двигатель работает по другому принципу. Благодаря эффекту переменного магнитного поля в статорных катушках он приводится во вращение. Если углубиться в курс физики, то можно вспомнить, что вокруг проводника, через который проходит ток, создается своеобразное магнитное поле, заставляющее вращаться ротор.

Принцип работы бесколлекторного типа основан на включении обмоток так, чтобы магнитные поля статора и ротора были ортогональны друг другу, а вращающий момент регулируется специальным драйвером.

Регулировка оборотов электродвигателей повышает области их применения

Резка металла, камня, дерева, полировка кузова автомобиля, применение алмазных дисков и дисков разных диаметров – все эти работы требуют выбора такой скорости вращения электродвигателя, которая была бы безопасной в работе и не портила обрабатываемый материал.

Для достижения этих целей существуют регуляторы оборотов электродвигателей. Некоторый электроинструмент имеет встроенные регуляторы оборотов, инструмент эконом-класса регуляторов не имеет, но в технической литературе и во Всемирной паутине есть множество схем и рекомендаций как сделать регулятор оборотов двигателя своими руками.

Устройство коллекторного двигателя

Коллекторный электродвигатель состоит из статора и ротора. Ротором называется часть, которая

вращается, а статор является неподвижным. Еще одной составляющей электродвигателя являются графитовые щетки, по которым ток течет к якорю. В зависимости от комплектации могут присутствовать датчики Холла, которые дают возможность плавного запуска и регулировки оборотов. Чем выше подаваемое напряжение, тем выше обороты. Этот тип может работать как от переменного, так и от постоянного тока.

По классификации коллекторные двигатели можно разделить на те, что работают от переменного и от постоянного тока. Их также можно разделить по типу возбуждения обмотки: двигатели с параллельным, последовательным и смешанным (параллельно-последовательным) возбуждением.

Основные функции регулятора оборота

Использование подобных преобразователей позволяет достичь многих целей, а именно:

возможность ступенчатого разгона и снижения оборотов электродвигателя, что ведет к уменьшению нагрузок и меньшему потреблению электрической энергии;
можно осуществить плавный запуск, а при мгновенном максимальном разгоне мотор получает сверхвысокие нагрузки, перегрев обмотки и иных приводов;
как средство дополнительной защиты электронных механизмов;
сокращение расходов на техобслуживание силовых агрегатов и насосов, так как снижаются риски поломок привода, а также отдельных механизмов.

Без похожих встроенных устройств не обходятся сварочные аппараты, стабилизаторы напряжения, ПК, телевизоры и т.д.

Типы регулировки

Существует довольно много вариантов регулировки оборотов. Вот основные из них:

Блок питания с регулировкой выходного напряжения.
Заводские устройства регулировки, которые идут изначально с электромотором.
Регуляторы на кнопочном управлении и стандартные регуляторы, которые просто ограничивают напряжение.

Эти типы регулировки плохи тем, что с уменьшением или увеличением напряжения падает и мощность. В некоторых электроинструментах это допустимо, но, как показывает практика, в большинстве случаев это является неприемлемым из-за сильного падения мощности и, соответственно, КПД.

Наиболее приемлемым вариантом будет регулятор на основе симистора или тиристора. Мало того что такой регулятор не уменьшает мощность при уменьшении напряжения, он еще и позволяет осуществлять более плавный пуск и регулировку оборотов. К тому же такую схему можно сделать своими руками. Ниже изображен регулятор оборотов с поддержанием мощности. Схема собрана на базе симистора BTA 41 800 В.

Все номиналы электроэлементов обозначены на схеме. Это схема после сборки, работает довольно стабильно и обеспечивает плавную регулировку коллекторного двигателя. При уменьшении выходного напряжения мощность не уменьшается, что является весомым плюсом.

При желании можно собрать регулятор оборотов коллекторного двигателя 220 В своими руками. Эта схема собрана на базе симистора ВТА26−600, который предварительно необходимо установить на радиатор, так как при нагрузке этот элемент довольно сильно греется.

К готовой схеме возможно подключить электромотор, мощность которого не превышает 4 кВт.

Схема выглядит следующим образом.

Она успешно справится с регулировкой таких электроинструментов, как дрель, болгарка, циркулярка, лобзик. При желании можно использовать схему в качестве регулятора мощности ТЭН-ов, обогревателей и в качестве диммера. К минусам можно отнести невозможность регулировки мощности приборов, которые питаются от постоянного тока.

Основные советы мастерам

Перед тем, как подобрать наиболее эффективный вариант регулятора, стоит учесть некоторые подсказки:

одним из важнейших критериев при выборе является мощность, которая должна превышать либо соответствовать данным на используемом приборе или агрегате;
для коллекторных двигателей чаще выбирают векторные регуляторы, но скалярные более надежны;
напряжение должно соответствовать допустимому диапазону;
проводки выбираются не слишком длинные;
надежное запаивание мест соединения и хорошая изоляция;
так как основным предназначением устройства является преобразование частоты, данный аспект выбирается в соответствии с теми или иными техническими требованиями.

Получается, что при старании можно и снизить уровень шума вентилятора у ПК, уменьшив напряжение и число оборотов при помощи транзистора и двух резисторов.

Такая работа по сборке простого контроллера полезна для получения дополнительных полезных навыков, к тому же, поможет сэкономить деньги.

Обратите внимание!

Зеркало с подсветкой своими руками — пошаговый мастер-класс по изготовлению своими руками, фото видов подсветки
Подставка для цветов своими руками -ТОП-100 фото вариантов подставки, подробная инструкция, схемы и чертежи от мастеров
Реставрация мебели своими руками: способы реставрации, пошаговый мастер-класс, необходимые инструменты и материалы

Регуляторы мощности постоянного тока

Иногда возникает потребность в регулировке оборотов коллекторного двигателя постоянного тока.

Если потребитель не имеет большой мощности, то возможно последовательно подсоединить переменный резистор, но тогда КПД такого регулятора резко упадет. Существуют схемы, при помощи которых возможно довольно плавно регулировать обороты, не уменьшая КПД. Такой регулятор подойдет для изменения яркости различных ламп, напряжения питания, не превышающего 12 В. Эта схема также выполняет роль стабилизатора частоты вращения, при изменении механической нагрузки на вал обороты остаются неизменными.

Эта схема регулятора оборотов двигателя постоянного тока 12 В вполне подойдет для регулировки и стабилизации оборотов двигателей с током, не превышающим 5 А. В эту схему входит драйвер на биполярных транзисторах и таймер 7555, что обеспечивает стабильную работу и плавную скорость регулировки. Цена на детали довольно низкая, а это является несомненным плюсом. Можно также собрать регулятор оборотов электродвигателя 12 В своими руками.

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.

Особенности первого варианта:

На ШИМ транзисторе имеется генератор пилообразного напряжения с частотой 150 Гц.
В роли компаратора выступает операционный усилитель.
Для изменения скорости используют переменный резистор, который управляет длительностью импульсов.

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.

Конструкция мотора

Конструктивно двигатель от стиральной машины «Индезит» несложен, но при проектировании регулятора управления его скоростью необходимо учесть параметры. Моторы могут быть различными по характеристикам, из-за чего будет изменяться и управление. Также учитывается режим работы, от чего будет зависеть конструкция преобразователя. Конструктивно коллекторный мотор состоит из следующих компонентов:

Якорь, на нем имеется обмотка, уложенная в пазы сердечника.
Коллектор, механический выпрямитель переменного напряжения сети, посредством которого оно передается на обмотку.
Статор с обмоткой возбуждения. Он необходим для создания постоянного магнитного поля, в котором будет вращаться якорь.

При увеличении тока в цепи двигателя, включенного по стандартной схеме, обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. При таком включении мы увеличиваем и магнитное поле, воздействующее на якорь, что позволяет добиться линейности характеристик. Если поле будет неизменным, то получить хорошую динамику сложнее, не говоря уже о больших потерях мощности. Такие двигатели лучше использовать на низких скоростях, так как ими удобнее управлять на малых дискретных перемещениях.

Организовав раздельное управление возбуждением и якорем, можно добиться высокой точности позиционирования вала двигателя, но схема управления тогда существенно усложнится. Поэтому подробнее рассмотрим регулятор, который позволяет изменять скорость вращения от 0 до максимальной величины, но без позиционирования. Это может пригодиться, если из двигателя от стиральной машины будет изготавливаться полноценный сверлильный станок с возможностью нарезания резьбы.

Регулятор для двигателей на 220 Вольт

Регулятор оборотов двигателя, сделанный своими руками, можно вмонтировать в корпус инструмента или сделать в отдельном корпусе, что значительно улучшает удобство и универсальность пользования им. Автономный регулятор можно применять по мере необходимости для различных электроинструментов.

Простейший регулятор оборотов коллекторного двигателя своими руками можно сделать несколькими способами – на печатной плате, навесным монтажом и на монтажной плате.

Основные элементы схемы:

симистор BTA 16;
динистор DB 3;
переменный резистор 500 кОм;
постоянный резистор 2 кОм;
емкость 100 нФ;
фольгированный текстолит или монтажная плата;
припой;
канифоль;
хлорное железо;
маркер для лазерных дисков и карандаш.

Отрезать кусок фольгированнго текстолита, необходимого размера, зашкурить, обезжирить и нарисовать схему устройства для последующего травления в хлорном железе.

После травления промыть, просверлить отверстия для пайки элементов схемы, залудить печатные дорожки и площадки, собрать схему.

Вместо печатной платы своего изготовления можно купить готовую монтажную плату.

Установив собранную схему в удобный для эксплуатации корпус, получите сделанный своими руками регулятор оборотов 220в.