Mazda4you.ru

Мазда №4
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Стабилизатор частоты вращения

Стабилизатор частоты вращения

Cтабилизатор частоты вращения — регулятор с положительной обратной связью по току. Информацию о частоте вращения коллекторного двигателя можно извлечь из потребляемого им тока. Этот ток содержит переменную составляющую, первая гармоника которой имеет частоту, равную частоте вращения двигателя, умноженную на число пластин коллектора. Двигатели, которые чаще всего применяются в магнитофонах, имеют три пластины коллектора. Поэтому эта частота равна утроенной частоте вращения двигателя. Именно на этом принципе и построен описываемый регулятор.

Принципиальная схема стабилизатора частоты вращения

Для получения сигнала обратной связи в цепь питания двигателя включен датчик тока R1. Ток, потребляемый двигателем, создает на этом резисторе падение, которое имеет переменную составляющую около 100 мВ peak-to-peak (график 1). Основная гармоника выделяется с помощью простейшего ФНЧ R2C1 и через разделительный конденсатор C2 поступает на вход усилителя, собранного на ОУ U1A. Коэффициент усиления задан резисторами R4R5 так, чтобы усилитель работал в режиме ограничения. На его выходе формируетя практически прямоугольный сигнал с частотой, равной утроенной частоте вращения двигателя (график 2). Этот сигнал дифференцируется с помощью цепочки C3R6R7R8 (график 3). Отрицательный выброс ограничивается диодом VD1. Далее сигнал поступает на компаратор, в роли которого использован ОУ U1B. Опорное напряжение задается с помощью делителя R9R10. На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы постоянной длительности (график 4). Постоянная составляющая такой импульсной последовательности пропорциональна частоте следования импульсов, т.е. частоте вращения двигателя. Импульсная последовательность интегрируется с помощью цепочек R11R12C5 и R13C6. Постоянное напряжение, пропорциональное частоте вращения, поступает на пропорционально-интегрирующий регулятор, собранный на ОУ U1C. Для получения образцового напряжения применен регулируемый стабилитрон U2. Нужную частоту вращения устанавливают регулировкой этого напряжения с помощью переменного резистора R19. Выход ОУ U1C умощнен комплементарным эмиттерным повторителем на транзисторах VT1VT2. Казалось бы, направление тока питания двигателя всегда одно и то же и достаточно было бы одиночного эмитерного повторителя, который обеспечивал бы вытекающий ток. Но на самом деле с двухтактным эмиттерным повторителем гораздо лучше поведение системы во время переходных процессов (при пуске двигателя или при резких колебаниях нагрузки на валу).

Форма сигналов в контрольных точках

Нужно отдельно остановиться на проблеме устойчивости системы автоматического регулирования. В данной ситуации дело усложняется тем, что на устойчивость влияют и механические параметры системы, которые количественно учесть очень трудно. Поэтому в некоторых случаях придется подобрать АЧХ регулятора с помощью элементов R16C7 или даже ограничить коэффициент усиления, включив параллельно этой цепочке резистор. Подбор нужно вести по критерию устойчивости регулятора как в установившемся режиме, так и во время переходных процессов. Для этого нужно с помощью осциллографа контролировать напряжение питания двигателя. При включении оно должно плавно достичь номинального значения, причем без колебательного процесса. Если при работающем я такждвигателе изменить нагрузку на валу, напряжение питание должно принять новое значение без колебательного процесса.

Полную версию этой статьи можно найти в журнале «Схемотехника», №4 за 2001 год. Автор — Л.Ридико

Универсальный двигатель

Конструкция универсального коллекторного электродвигателя не имеет принципиальных отличий от конструкции коллекторного электродвигателя постоянного тока с обмотками возбуждения, за исключением того, что вся магнитная система (и статор, и ротор) выполняется шихтованной и обмотка возбуждения делается секционированной. Шихтованная конструкция и статора, и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные магнитные потери.

Универсальный двигатель

Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе электродвигателя от сетей постоянного и переменного тока [2].

Схема универсального двигателя

Универсальный коллекторный электродвигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением.

В настоящее время универсальные коллекторные электродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением .

Таким образом, результирующий электромагнитный момент при работе двигателя от сети переменного тока пульсирует. Пульсации электромагнитного момента практически не нарушают работу двигателя. Объясняется это тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента () и большом моменте инерции якоря вращение последнего оказывается равномерным.

Управление универсальным электродвигателем

    Способы подключения универсального электродвигателя к сети питания:

    • симисторный
    • транзисторный

    Особенности универсального двигателя

    Коэффициент полезного действия универсального двигателя при его работе от сети переменного тока более низкий, чем при его работе от сети постоянного тока. Другой недостаток универсального двигателя — тяжелые условия коммутации, вызывающие интенсивное искрение на коллекторе при включении двигателя в сеть переменного тока. Этот недостаток объясняется наличием трансформаторной связи между обмотками возбуждения и якоря, что ведет к наведению в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС, ухудшающей процесс коммутации в двигателе.

    Наличие щеточно-коллекторного узла является причиной ряда недостатков универсальных коллекторных двигателей, особенно при их работе на переменном токе (искрение на коллекторе, радиопомехи, повышенный шум, невысокая надежность). Однако эти двигатели по сравнению с асинхронными и синхронными при частоте питающего напряжения f = 50 Гц позволяют получать частоту вращения до 10 000 об/мин и более (наибольшая синхронная частота вращения при f = 50 Гц равна 3000 об/мин) [3].

    Области использования

    Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без использования дополнительных преобразовательных устройств, он получил широкое применение в таких домашних приборах как пылесосы, блендеры, фены и др. Так же универсальный электродвигатель широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.

    Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения ранее он широко использовался в стиральных машинах. Сейчас благодаря развитию преобразовательной техники более широкое использование получают бесщеточные электродвигатели (СДПМ, АДКР) скорость вращения которых регулируется изменением частоты напряжения питания.

    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.

    Коллекторный двигатель

    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. Особенно вас должны интересовать схемы, которые работают без потери мощности

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

    1. Коллекторные двигатели.
    2. Асинхронные двигатели.

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

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

    Эту закономерность можно использовать для работы коллекторного двигателя.

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

    Устройство

    Устройство коллекторного двигателя

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

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

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

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

    Если говорить об их классификации, то можно говорить о:

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

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

    Разница состоит в том, как организованы эти подключения.

    Тут принято различать:

    • Параллельное возбуждение.
    • Последовательное возбуждение.
    • Параллельно-последовательное возбуждение.

    Регулировка

    Коллекторный двигатель

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

    Перечислим несколько такого рода вариантов для примера:

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

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

    Хорошим вариантом является выполнение регулировки оборотов посредством использования тахогенератора. Его обычно устанавливают на заводе. При отклонениях в скорости вращения мотора, через симисторы в мотор передаётся уже откорректированное электропитание, соответствующее требуемой скорости вращения. Если в эту схему встроить регулировку вращения мотора, то потери мощности здесь происходить не будет.

    Как это выглядит конструктивно? Наиболее распространены реостатная регулировка вращения, и сделанная на основе использования полупроводников.

    В первом случае, речь идёт о переменном сопротивлении с механической регулировкой. Она последовательно подключается к коллекторному электродвигателю. Недостатком является дополнительное выделение тепла и дополнительная трата ресурса аккумулятора. При таком способе регулировк, происходит потеря мощности вращения мотора. Является дешёвым решением. Не применяется для достаточно мощных моторов по упомянутым причинам.

    Во втором случае, при использовании полупроводников, происходит управление мотором путём подачи определённых импульсов. Схема может менять длительность таких импульсов, что в свою очередь, меняет скорость вращения без потери мощности.

    Как изготовить своими руками?

    Существуют различные варианты схем регулировки. Приведём один из них более подробно.

    Вот схема его работы:

    Схема работы регулировки

    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:

    Печатная плата

    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:

    Собранное устройство

    Собранное устройство

    При изготовлении силового блока (на нижнем рисунке), провода должны быть присоединены таким образом, чтобы было минимум изгибов тех проводников по которым проходят большие токи.Мы видим, что изготовление такого прибора требует определённых профессиональных знаний и навыков. Возможно, в некоторых случаях имеет смысл воспользоваться покупным устройством.

    Критерии выбора и соимость

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

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

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

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

    Общие сведения об электрических машинах — Изменение скорости вращения путем изменения первичного напряжения и другие

    Скорость вращения двигателя можно регулировать путем изменения (уменьшения) напряжения на его зажимах. Это основано на зависимости M = f(s) (185), которую, предполагая постоянными параметры двигателя и неизменной частоту приложенного напряжения в пределах по s<sKр, можно записать в виде M = c1U1s. Отсюда следует, что при постоянном моменте па валу двигателя скольжение s меняется при изменении напряжения в соответствии с зависимостью

    На рисунке 176 даны кривые вращающих моментов двигателя при различных значениях первичного напряжения; если скольжение s1 соответствует работе двигателя при напряжении.

    Рис. 176. Механические характеристики асинхронного двигателя при различных величинах напряжения.

    Как видно, диапазон регулирования скорости вращения, равной (1—s), весьма невелик. Расширение диапазона регулирования получается при более пологих механических характеристиках, то есть в двигателях с большим значением sK. Но следует помнить, что потери, возникающие во вторичной цепи, равны мощности скольжения [см. формулу (159)]. К недостаткам относится также и то, что при
    снижении напряжения пропорционально его квадрату падает перегрузочная способность двигателя. К достоинствам этого способа относятся возможность применения его к короткозамкнутым двигателям, плавное регулирование скорости вращения, простота и надежность в работе. Напряжение на зажимах двигателя при неизменном напряжении сети изменяют при помощи установленных между сетью и статором двигателя регулируемого автотрансформатора или управляемых дросселей насыщения. При изменении значения постоянного тока подмагничивания индуктивное сопротивление дросселей изменяется, что вызывает изменение напряжения на зажимах двигателя.
    Ухудшение охлаждения самовентилируемых двигателей при снижении скорости вращения приводит к необходимости повышать номинальную мощность двигателя (увеличивать габарит регулируемого двигателя по сравнению с нерегулируемым). Степень завышения мощности зависит от формы механической характеристики двигателя (ее пологости в области рабочих режимов), вида статической нагрузки и диапазона регулирования.
    Выбор электродвигателя по мощности, дросселей насыщения или автотрансформатора для регулируемого привода представляет собой самостоятельный вопрос, рассматриваемый в курсах электропривода и в периодической литературе.
    Способы регулирования скорости вращения изменением напряжения перспективны прежде всего для приводов с вентиляторной характеристикой момента, механизма или постоянным моментом, но при малом диапазоне регулирования. Такие приводы достаточно распространены в сельскохозяйственном производстве.
    Метод регулирования скорости вращения изменением напряжения применяется также для двигателей с фазным ротором, причем в этом случае для получения более пологих механических характеристик двигателя в цепь ротора включают добавочные сопротивления.

    Другие способы регулирования скорости вращения

    Рассмотренные способы регулирования скорости вращения можно отнести к наиболее распространенным. Из возможных других можно назвать способ регулирования скорости вращения двигателя с фазным ротором при включении в цепь ротора индуктивных сопротивлений, наглухо присоединенных к цепи ротора и размещенных на одном валу с ним (двигатель Розова, рис. 178), а также способ импульсного регулирования. При импульсном регулировании непрерывно включают двигатель в сеть и отключают его от сети или при помощи контактора К шунтируют сопротивления, включенные между сетью и статором двигателя (рис. 179).
    Двигатель с индуктивными сопротивлениями в роторе
    Рис. 178. Двигатель с индуктивными сопротивлениями в роторе:
    а — электрическая схема; б — внешний вид; в — конструкция индуктивного сопротивления; 1 — катушка; 2 — корпус диска; 3 — крышка.

    Рис. 179. Схема импульсного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя.

    В зависимости от частоты и продолжительности импульсов двигатель работает с некоторой приблизительно постоянной скоростью вращения. Регулирование сопряжено с ухудшением энергетических показателей, сопровождается толчками токов и применяется только для двигателей весьма малой мощности.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Читать еще:  Как регулировать клапана мотоблок урал
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector