Регулятор скорости коллекторного двигателя

Регулятор скорости коллекторного двигателя

Вы можете приобрести готовое устройство (без шунта, и переменного резистора) . Для заказа нажмите на кнопку или направьте заказ на почту sales@digect.ru.

Регулятор скорости коллекторного двигателя с компенсацией нагрузки и защитой от перегрузки предназначен для изменения скорости вращения двигателя. При включении обеспечивая плавный старт при этом скорость вращения двигателя стабилизируется в независимости от нагрузки на валу двигателя (константная электроника).

Регулятор выполнен на ИМС U2010B и подойдет для большинства электроинструмента (болгарки, торцовки, фрезеры и т.п), оснащенного коллекторным двигателем (двигатель со «щетками») мощностью не более 2200 Вт.

Особенности подключения

Как было сказано выше, не каждый частотный преобразователь может работать с однофазным двигателем, поскольку при его подключении третья (неподключенная) фаза фактически будет в обрыве, что вызовет ошибку. Поэтому необходимо внимательно ознакомиться с документацией к ПЧ — производитель должен явно указать, что имеется возможность подключения и работы однофазной нагрузки.

Поскольку однофазный двигатель содержит конденсатор, при изменении рабочей частоты не удастся обеспечить нужный сдвиг фаз, и двигатель на пониженных частотах (менее 30 Гц) будет перегреваться. Это следует учитывать при выборе диапазона рабочих частот и способа охлаждения привода.

При однофазном подключении двигателя оперативный реверс через панель управления или настройки ПЧ невозможен. Поменять направление вращения можно, изменив схему подключения обмоток внутри двигателя.

Регулятор оборотов

Понадобился регулятор оборотов коллекторного двигателя. Регулятор оборотов на Ардуино с поддержанием оборотов. Двигатель от стиральной машинки-автомата.

В схеме были сделаны небольшие изменения. Кое что выкинул. Некоторые компоненты заменены другими. Были добавлены 2 аналоговых входа, на них можно повесить датчик температуры и следить за температурой двигателя, и радиатора на котором сидит симистор управляющий двигателем.

Если вы выполняете кратковременные работы, то датчик температуры и не нужен. Ну а если двигатель будет много работать, то неплохо с помощью датчика, Ардуино следило за температурой, и при перегреве отключало двигатель пока тот не остынет.

На этом двигателе уже присутствует тахогенератор, но в моем случае он не работает — вышел из строя. Вместо тахогенератора буду устанавливать датчик холла. Выкидываем катушку нерабочего тахогенератора, оставляем только магнит на валу. Устанавливаю датчик холла на электродвигатель.

Схема регулятора оборотов будет содержать в себе:

• Ардуино Нано
• Блок настроек, и управления оборотами
• Силовая часть
• Датчика скорости
• Защита (реле)
• Дополнительные входы и выходы

Ардуино Нано будет контролировать и управлять силовой частью

• А0 — регулировка оборотов двигателя
• А1 — настройка минимальных оборотов двигателя
• А2 — настройка максимальных оборотов двигателя
• А3 — выход управления симистором
• А4 — дополнительный аналоговый вход (не задействован)
• А5 — выход управления реле
• А6 — дополнительный аналоговый вход (не задействован)
• А7 — разгон или плавный старт
• D2 — сигнал перехода через ноль
• D4 — дополнительный выход
• D6, D7 — тахогенератор
• D8 — датчик холла

Блок настроек, и управления оборотами

Силовая часть будет управлять двигателем. Разъем Р1 — для подключении к сети 220В. Р3 — для установки перемычки в зависимости от блока питания.

При установке блока питания с выходным напряжением 5 вольт, на разъеме Р3 нужно установить перемычку на контакты 2 и 3. При выходном напряжении блока питания 7-12 вольт перемычку устанавливаем на контакты 1 и 2.

Не забывайте, при выборе блока питания нужно учитывать, что реле питается выходным напряжением с блока питания. Поэтому выбирайте блок питания и реле на одно напряжение.

На выводы 220V0 И 220V1, подается сетевое напряжение 220 Вольт.

Схема будет питаться импульсным блоком питания с выходным напряжением 5 вольт. Импульсный блок питания, возьмём уже готовый. Так же схему можно питать от 7 до 12 вольт. На плате есть перемычка переключения напряжения 5/12v. Так же можно питать схему и зарядным от телефона, только проверьте выходное напряжение, там не должно быть выше 5 вольт.

При установки перемычки на 5 вольт напряжение поступает напрямую на шину +5 вольт. Реле надо будет установить на 5 вольт.

При установки перемычки на 12 вольт напряжение поступает на вход Ардуино Vin. В этом случае можно питать схему напряжением 7-12 вольт. но и реле должно быть на такое напряжение, какое выходит с блока питания.

Датчик скорости в двух исполнения. На тахогенераторе или на датчике холла.

Схема разрабатывалась так, что бы обороты можно было считывать с тахогенератора, уже установленные на двигателях машинок-автоматов. Разъем Р4 служит для подключения тахогенератора.

А так же при отсутствии или неисправности тахогенератора можно заменить на датчик холла.

Реле служит защитой от пробоя симистора. Когда симистор пробивает, двигатель будет выходить на максимальные обороты, и это очень опасно . А что бы этого не случилось, контроллер отслеживает частоту вращения двигателя, и при превышении установленных оборотов реле отключает двигатель. Как обороты упадут ниже нормы, реле включится. Разъем Р7 — для подключения коллекторного электродвигателя.

Дополнительные входы и выходы

Иногда к устройству охота еще что нибудь прикрутить для удобства. Здесь добавлен дополнительный выход, он сейчас на плате указан как светодиод LED1. этот выход можно использовать под свои нужды. Можно пустить этот выход для управления вентилятором охлаждения двигателя и тд.

Еще есть два дополнительных аналоговых входа, которые тоже можно задействовать как писал выше, например контролировать температуру двигателя и симистора.

Верхний слой печатной платы

В конце статьи находится архив со всеми файлами для повторения данного проекта

Настройка регулятора

Настройка не сложная, поэтапная, так же можно протестировать все узлы регулятора на правильную работу.

Электросхема регулировка оборотов двигателя коллекторного с тахогенератором

Смотрите также

Метаматериал для усиления магнитных полей

Электрическое моноколесо — транспорт будущего!

Неодимовые магниты

Коллекторные двигатели часто можно встретить в бытовых электроприборах и в электроинструменте: стиральная машина, болгарка, дрель, пылесос и т. д. Что совсем не удивительно, ведь коллекторные двигатели позволяют получать и высокие обороты, и большой крутящий момент (в том числе высокий пусковой момент) — что и нужно для большинства электроинструментов.

При этом коллекторные двигатели могут питаться как постоянным током (в частности — выпрямленным), так и переменным током от бытовой сети. Для управления скоростью вращения ротора коллекторного двигателя применяют регуляторы оборотов, о них и пойдет речь в данной статье.

Для начала вспомним устройство и принцип работы коллекторного двигателя. Коллекторный двигатель включает в себя обязательно следующие части: ротор, статор и щеточно-коллекторный коммутационный узел. Когда питание подается на статор и на ротор, их магнитные поля начинают взаимодействовать, ротор начинает в итоге вращаться.

Питание на ротор подается через графитовые щетки, плотно прилегающие к коллектору (к ламелям коллектора). Для изменения направления вращения ротора, необходимо изменить фазировку напряжения на статоре или на роторе.

Обмотки ротора и статора могут питаться от разных источников или же могут быть соединены параллельно либо последовательно друг с другом. Так различаются коллекторные двигатели параллельного и последовательного возбуждения. Именно коллекторные двигатели последовательного возбуждения можно встретить в большинстве бытовых электроприборов, поскольку такое включение позволяет получить устойчивый к перегрузкам двигатель.

Говоря о регуляторах оборотов, прежде всего остановимся на самой простой тиристорной (симисторной) схеме (смотрите ниже). Данное решение применяется в пылесосах, стиральных машинах, болгарках, и показывает высокую надежность при работе в цепях переменного тока (особенно от бытовой сети).

Работает данная схема достаточно незатейливо: на каждом периоде сетевого напряжения конденсатор заряжается через резистор до напряжения отпирания динистора, присоединенного к управляющему электроду основного ключа (симистора), после чего симистор открывается и пропускает ток к нагрузке (к коллекторному двигателю).

Регулируя время зарядки конденсатора в цепи управления открыванием симистора, регулируют среднюю мощность подаваемую на двигатель, соответственно регулируют обороты. Это простейший регулятор без обратной связи по току.

Симисторная схема похожа на обычный диммер для регулировки яркости ламп накаливания, обратной связи в ней нет. Чтобы появилась обратная связь по току, например чтобы удерживать приемлемую мощность и не допускать перегрузок, необходима дополнительная электроника. Но если рассмотреть варианты из простых и незатейлевых схем, то за симисторной схемой следует реостатная схема.

Реостатная схема позволяет эффективно регулировать обороты, но приводит к рассеиванию большого количества тепла. Здесь требуется радиатор и эффективный отвод тепла, а это потери энергии и низкий КПД в итоге.

Более эффективны схемы регуляторов на специальных схемах управления тиристором или хотя бы на интегральном таймере. Коммутация нагрузки (коллекторного двигателя) на переменном токе осуществляется силовым транзистором (или тиристором), который открывается и закрывается один или несколько раз в течение каждого периода сетевой синусоиды. Так регулируется средняя мощность, подаваемая на двигатель.

Схема управления питается от 12 вольт постоянного напряжения от собственного источника или от сети 220 вольт через гасящую цепь. Такие схемы подходят для управления мощными двигателями.

Принцип регулирования с микросхемами на постоянном токе — это конечно ШИМ — широтно-импульсная модуляция. Транзистор, например, открывается с строго заданной частотой в несколько килогрец, но длительность открытого состояния регулируется. Так, вращая ручку переменного резистора, устанавливают скорость вращения ротора коллекторного двигателя. Данный метод удобен для удержания малых оборотов коллекторного двигателя под нагрузкой.

Более качественное управление — именно регулировка по постоянному току. Когда ШИМ работает на частоте порядка 15 кГц, регулируя ширину импульсов, управляют напряжением при примерно одном и том же токе. Скажем, регулируя постоянное напряжение в диапазоне от 10 до 30 вольт, получают разные обороты при токе порядка 80 ампер, добиваясь требуемой средней мощности.

Регулятор оборотов коллекторного двигателя на TDA1085:

Если вы хотите изготовить простой регулятор для коллекторного двигателя своими руками без особых запросов к обратной связи, то можно выбрать схему на тиристоре. Потребуется лишь паяльник, конденсатор, динистор, тиристор, пара резисторов и провода.

Если же нужен более качественный регулятор с возможностью поддержания устойчивых оборотов при нагрузке динамического характера, присмотритесь к регуляторам на микросхемах с обратной связью, способным обрабатывать сигнал с тахогенератора (датчика скорости) коллекторного мотора, как это реализовано например в стиральных машинах.

Двухфазный асинхронный двигатель

Создать вращающееся магнитное поле можно и при использовании двухфазных обмоток. Для обеспечения работоспособности схемы фазы обмоток необходимо расположить с 90˚ смещением друг от друга. При их питании токами, которые смещены по фазе на 90˚, возникает вращающееся магнитное поле, как и в трехфазной машине.

Асинхронный двухфазный электродвигатель приводится в движение за счет токов, образуемых при взаимодействии результирующего поля с роторными стержнями. Он ускоряется до того момента, пока не будет достигнута предельная скорость его вращения. Для питания такого двигателя от электросети однофазного тока необходимо создать сдвиг по фазе на одной из обмоток. Для этого применяются конденсаторы необходимой ёмкости.

На сегодняшний день все большее применение находят двухфазные асинхронных двигатели с полым алюминиевым ротором. Вращение ему придают вихревые токи, образованные внутри цилиндра, при взаимодействии с вращающимся магнитным полем.

Инерционный момент ротора наделяет двигатель хорошими характеристиками для использования в некоторых специализированных отраслях, как, например, системы, регулирующие работу мостовых и компенсационных схем. Одна из обмоток в них подключается к питающей сети через конденсатор, а через вторую проходит управляющее напряжение.

Вариант 2: переподключение пусковой намотки

Второй способ организовать реверс асинхронного мотора 220 Вольт – поменять местами начало и конец пусковой обмотки. Делается это по аналогии с первым вариантом:

1. Из четырех проводов, выходящих из коробки мотора, выясните, какие из них соответствуют отводкам пусковой намотки.
2. Изначально конец В пусковой обмотки соединялся с началом С рабочей, а начало А подключалось к пускозарядному конденсатору. Сделать реверс однофазного двигателя можно, подключив емкость к выводу В, а начало С с началом А.

После описанных выше действий получаем схему, как на рисунке выше: точки А и В поменялись местами, значит ротор стал обращаться в противоположную сторону.

Регулировка оборотов двухфазного двигателя

Стиральные машины, со временем, выходят из строя или морально устаревают. Как правило,
основой любой стиралки есть ее электродвигатель, который может найти свое применение и
после разборки стиралки на запчасти.

Мощность таких двигателей, как правило не меньше 200 Вт, а порой и куда больше, скорость
оборотов вала может доходить и до 11 000 оборотов в минуту что вполне может подойти для использование такого двигателя в хозяйственных или мелких промышленных нуждах.

Вот лишь несколько идей удачного применения электродвигателя от стиралки:

• Точильный («наждачный») станок для заточки ножей и мелкого домашнего и садового инструмента.Двигатель устанавливают на прочном основание, а на вал закрепляют точильный камень или наждачный круг.

• Вибростол для производства декоративной плитки, тротуарной плитки или других бетонных изделий где необходимо уплотнение раствора и удаление от туда воздушных пузырей. А возможно вы занимаетесь производством силиконовых форм, для этого также нужен вибростол.

• Вибратор для усадки бетона. Самодельные конструкции которых полно в интернете, вполне могут быть реализованы с применением небольшого двигателя от стиральной машинки.

• Бетономешалка. Вполне подойдет такой двигатель и для небольшой бетономешалки. После небольшой переделки, можно использовать и штатный бак от стиральной машинки.

• Ручной строительный миксер. С помощью такого миксера можно замешивать штукатурные смеси, плиточный клей, бетон.

• Газонокосилка. Отличный вариант по мощности и габаритам для газонокосилки на колесах. Подойдет любая готовая платформа на 4-х колесах с закрепленным в центре двигателем с прямым приводом на «ножы» которые будут находится снизу. Высоту газона можно регулировать посадкой, например, поднимая или опуская колеса на шарнирах по отношению к основной платформе.

• Мельница для измельчения травы и сена или зерна. Особенно актуально для фермеров и людей занимающихся разведением домашней птицы и другой живности. Также можно делать заготовки корма на зиму.

Вариантов применения электромотора может быть очень много, суть процесса заключается в возможности вращать на высоких оборотах разные механизмы и приспособления. Но какой бы механизм сконструировать вы б не собирались, все равно вам нужно будит правильно
подключить двигатель от стиральной машинки.

Виды двигателей

В стиральных машинках разных поколений и стран производства, могут быть и разные типы
электродвигателей. Как правило это один из трех вариантов:

Асинхронный.
В основном это все трехфазные двигатели, могут быть и двухфазными но это большая редкость.
Такие двигатели просты в своей конструкции и обслуживанию, в основном все сводится к смазке подшипников. Недостатком есть большой вес и габариты при небольшом КПД.
Такие двигатели стоят в старинных, маломощных и недорогих моделях стиральных машин.

Коллекторный.
Двигатели которые пришли на смену большим и тяжелым асинхронным устройствам.
Такой двигатель может работать как от переменного так и от постоянного тока, на практике он будет вращаться даже от автомобильного аккумулятора на 12 вольт.
Двигатель может вращаться в нужную нам сторону, для этого нужно всего лишь сменить полярность подключения щеток к обмоткам статора.
Высокая скорость вращения, плавное изменение оборотов изменением прилагаемого напряжения, небольшие размеры и большой пусковой момент — вот лишь небольшая часть преимуществ такого типа двигателей.
К недостаткам можно отнести износ коллекторного барабана и щеток и повышенный нагрев при не столь продолжительной работе. Также необходима более частая профилактика, например чистка коллектора и замена щеток.

Инверторный (бесколлекторный)
Инновационный тип двигателей с прямым приводом и небольшими габаритами при довольно не малой мощности и высоком КПД.
В конструкции двигателя все так же присутствует статор и ротор, однако количество соединительных элементов сведено к минимуму. Отсутствие элементов подверженных быстрому износу, а так же низкий уровень шума.
Такие двигателя стоят в последних моделях стиральных машин и их производство требует сравнительно больше затрат и усилий что конечно же влияет на цену.

Схемы подключения

Тип двигателя с пусковой обмоткой (старые/дешевые стиралки)

Для начала нужен тестер или мультиметр. Нужно найти две соответствующие друг другу пары выводов.
Щупами тестера, в режиме прозвонки или сопротивления, нужно отыскать два провода которые между собой прозваниваются, остальные два провода автоматически будут парой второй обмотки.

Дальше следует выяснить, где у нас пусковая, а где – рабочая обмотки. Нужно замерить их сопротивление: более высокое сопротивление укажет на пусковую обмотку (ПО), которая создает начальный крутящий момент. Более низкое сопротивление укажет нам на обмотку возбуждения (ОВ) или другими словами — рабочую обмотку, создающую магнитное поле вращения.

Вместо контактора «SB» может стоять неполярный конденсатор малой емкости (около 2-4 мкФ)
Как это обустроено в самой стиралке для удобства.

Если же двигатель будет запускаться без нагрузки, то есть, не будит на его валу шкива с нагрузкой в момент запуска, то такой двигатель может запускаться и сам, без конденсатора и кратковременной «запитки» пусковой обмотки.

Если двигатель сильно перегревается или греется даже без нагрузки непродолжительное время, то причин может быть несколько. Возможно изношены подшипники или уменьшился зазор между статором и ротором в следствие чего они задевают друг друга. Но чаще всего причиной может быть высокая емкость конденсатора, проверить несложно — дайте поработать двигателю с отключенным пусковым конденсатором и сразу все станет ясно. При необходимости емкость конденсатора лучше уменьшить до минимума при котором он справляется с запуском электродвигателя.

В кнопке контакт «SB» строго должен быть не фиксируемым, можно попросту воспользоваться кнопкой от дверного звонка, в противном случае пусковая обмотка может сгореть.

В момент запуска кнопку «SB» зажимают до момента раскрутки вала на полную (1-2 сек.), дальше кнопка отпускается и напряжение на пусковую обмотку не подается. Если необходим реверс — нужно сменить контакты обмотки.

Иногда в такого двигателя может быть не четыре, а три провода на выходе, в таком случае две обмотки уже соединены в средней точке между собой, как показано в схеме.
В любом случае разбирая старую стиралку, можно присмотреться как там был подключен в ней ее двигатель.

Когда возникает необходимость реализовать реверс или сменить направления вращения двигателя с пусковой обмоткой, можно подключить по следующей схеме:

Коллекторный тип двигателя (современные, стиралки автомат с вертикальной загрузкой)

Как правило это коллекторные двигатели без пусковой обмотки, которые не нуждаются и в пусковом конденсаторе, такие двигатели работают и от постоянного тока и от переменного.

Такой двигатель может иметь около 5 — 8 выводов на клемном устройстве, но для работы двигателя вне стиральной машинки, они нам не понадобятся. В первую очередь нужно исключить ненужные контакты тахометра. Сопротивления обмоток тахометра составляет примерно 60 — 70 Ом.

Также могут быть выведены и выводы термозащиты, которые встречаются редко, но они нам так же не понадобятся, это как правило нормально замкнутый или разомкнутый контакт с «нулевым» сопротивлением.

Дальше подключаем напряжение к одному из выводов обмотки. Второй ее вывод соединяют с
первой щеткой. Вторая щетка подключается к оставшемуся 220-вольтовому проводу. Двигатель должен заработать и вращаться в одну сторону.

Чтобы изменить направление движения двигателя, подключение щеток следует поменять местами: теперь первая будет включена в сеть, а вторая соединена с выходом обмотки.

Такой двигатель можно проверить автомобильным аккумулятором на 12 вольт, не боясь при этом «спалить» его из за того что неправильно подключили, спокойно можно и
«поэкспериментировать» и с реверсом и посмотреть как двигатель работает на малых оборотах от низкого напряжения.

Подключая к напряжению 220 вольт, имейте в виду что двигатель резко запустится с рывком,
поэтому лучше его закрепить неподвижно чтоб он не повредил и не замкнул провода.

О том как подключить трехфазные асинхронные двигатели к обычной бытовой сети 220 вольт, довольно подробно можно узнать в статье — «Подключение трехфазного двигателя»

Регулятор оборотов

Если возникает необходимость регулирования количества оборотов, можно воспользоваться
бытовым регулятором освещения (диммером).Но для этой цели нужно подбирать такой диммер который по мощности будет с запасом больше мощности двигателя, или же потребуется доработка, можно из той же стиральной машинки извлечь симистор с радиатором и впаять его на место маломощной детали в конструкции регулятора освещения. Но здесь уже нужно иметь навыки работы с электроникой.

Если же вам удастся найти специальны диммер для подобных электродвигателей то это будет
самым простым решением. Как правило их можно подыскать в точках продажа систем вентиляции и используются они для регулировки оборотов двигателей приточных и вытяжных систем вентиляции.