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.
На рисунке отчетливо видно, что для перемещения ротора нужно выполнить необходимую коммутацию, но и регулировать обороты не представляется возможным. Тем не менее бесколлекторный двигатель может очень быстро набирать обороты.
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.
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.
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.
Асинхронный двигатель и регулятор оборотов
Как правило, этот тип применяется на различных производствах, начиная от шахт и заканчивая металлообрабатывающими отраслями. Например, в угольных шахтах для плавного пуска конвейерных лент используется пускатель АПМ, в который встроено устройство на тиристорах, позволяющее плавно запустить конвейер. Асинхронный однофазный двигатель применяется также в автомобилях, вентиляторах печек, двигателях, которые приводят в движение дворники, бытовых вентиляторах, питающихся от напряжения 220 В. В машине двигатели работают от постоянного напряжения 12 вольт, но плавный запуск в них не предусмотрен.
Для регулировки оборотов асинхронного двигателя применяются так называемые частотные преобразователи. Эти преобразователи позволяют кардинально менять форму и частоту сигнала. Как правило, такие преобразователи собраны на базе мощных полупроводниковых транзисторов и импульсных модуляторов, а всеми элементами управляет ШИМ-контроллер.
Следует помнить: чем плавней разгон двигателя, тем меньше он испытывает перегрузок. Это касается редукторов, конвейеров, мощных насосов, лифтов. Вот одна схема регулятора оборотов асинхронного двигателя 220 В.
С помощью этой схемы можно регулировать обороты двигателей, мощность которых не превышает 1 тыс. При сборке этой схемы есть нюансы, которые необходимо учесть:
- Тип соединения «треугольник».
- Необходим драйвер трехфазного моста IR2133.
- Микроконтроллер AT90SPWM3B.
- Для прошивки микроконтроллера необходим программатор.
- Мощные транзисторы IRG4BC30W или их аналоги.
- ЖК-дисплей в качестве индикатора.
- Импульсный блок питания, который можно купить или собрать собственноручно.
Из-за значительного нагрева диодный мост и силовые транзисторы необходимо установить на радиатор. Если предполагается подключение двигателя мощностью до 400 Вт, то термодатчик ставить необязательно, а для управления можно использовать опторазвязку.
Чтобы увеличить срок службы различных видов двигателей, рекомендуется пользоваться регуляторами оборотов, решающими большое количество проблем.
Назначение регуляторов скорости для однофазных электродвигателей INNOCONT FS-02
Регулятор FS-02 это компактное устройство для ручного управления скоростью вращения маломощных однофазных асинхронных двигателей.
В регуляторе оборотов однофазного асинхронного двигателя в качестве датчика обратной связи могут быть использованы тахогенераторы, встроенные в электродвигатели серии МС. Сам регулятор имеет достаточно компактный корпус, который очень удобен для монтирования на панель или дверцу шкафа. Конденсатор, который обеспечивают сдвиг фаз, для пуска двигателя встроен в регулятор.
Преимущества регулятора оборотов INNOCONT FS-02
Регуляторы скорости вращения однофазного электродвигателя FS-02 имеют следующие преимущества:
- Управление осуществляется с помощью встроенного микропроцессорного модуля.
- Встроенная функция ПИД-регулирование для плавной работы электродвигателя.
- Пусковой конденсатор встроен в регулятор.
- Удобная и простая панель управления для пуска, останова и изменения скорости вращения двигателя.
- Защита от резкой блокировки вала и кратковременных перегрузок.
- Съемная клеммная колодка упрощает подключение и эксплуатацию регулятора.
- Компактный корпус.
Принцип работы регулятора скорости INNOCONT FS-02
Принцип регулирования оборотов однофазного асинхронного двигателя в устройствах FS-02 основывается на изменении питающего напряжения электродвигателя. Тем самым двигатель может иметь скорость от нулевой до номинальной, то есть от 0 до 100%.
Действие данного метода регулирования основывается на изменении скольжения электродвигателя: увеличением или уменьшением разности между скоростями вращения магнитного поля и ротора.
Габаритные размеры
Габаритные размеры регулятора однофазного двигателя приведены далее:
Отлично подходит для монтажа на панелях или дверцах шкафов управления.
Применение регулятора оборотов INNOCONT FS-02
Регуляторы оборотов однофазного электродвигателя работают со следующими мощностями:
Регуляторы оборотов FS-02 совместно с маломощными двигателями могут иметь следующие применения:
- Различные вытяжки – для управления вентиляторами;
- Шлейф машинки и прочее подобное оборудование;
- Лабораторные установки – небольшие насосы для перекачки жидкости, всасывающие установки.
Документация
Для более подробного ознакомления с размерами и техническими параметрами регулятора оборотов однофазного асинхронного двигателя FS-02 от INNOCONT вы можете воспользоваться следующей документацией:
- Каталог регуляторов скорости INNOCONT FS-02
- Руководство по эксплуатации
- Каталог по приводной технике
Виды и критерии выбора
Для выбора регулятора нужно руководствоваться определенными характеристиками для конкретного случая. Среди всех критериев можно выбрать следующие:
- По типу управления. Для двигателей коллекторного типа применяются регуляторы с векторной или скалярной системой управления.
- Мощность является основным параметром, от которого нужно отталкиваться.
- По диапазону U.
- По диапазону частот. Нужно выбирать модель, которая соответствует требованиям пользователя для конкретного случая.
- Прочие характеристики, в которые включены гарантия, габариты, комплектация.
Кроме того, регулятор подбирается мощнее, чем сам электродвигатель по формуле: Pрег = 1,3 * Pдвиг (Pрег, Pдвиг — мощность регулятора и двигателя соответственно). Его нужно выбирать на разные диапазоны U, так как универсальность играет важную роль.
Устройство на тиристорах
В этой модели, представленной на схеме 1, применяются 2 тиристора, включенных встречно-параллельно, хотя их можно заменить одним симистором.
Схема 1 — Тиристорная регулировка оборотов коллекторного двигателя без потери мощности.
Эта схема производит регулирование с помощью открытия или закрытия тиристоров (симистора) при фазовом переходе через нейтраль. Для корректного управления коллекторным двигателем применяют следующие способы модификации схемы 1:
- Установка защитных LRC-цепей, состоящих из конденсаторов, резисторов и дросселей.
- Добавление на входе емкости.
- Использование тиристоров или симистора, ток которых превышает номинальное значение силы тока двигателя в диапазоне от 3..8 раз.
Этот тип регуляторов имеет достоинства и недостатки. К первым относятся низкая стоимость, маленький вес и габариты. Ко вторым следует отнести следующие:
- применение для моторов небольшой мощности;
- происходит шум и рывки мотора;
- при использовании схемы на симисторах происходит попадание постоянного U на двигатель.
Этот тип регулятора ставится в вентиляторы, кондиционеры, стиральные машины и электродрели. Отлично выполняет свои функции, несмотря на недостатки.
Транзисторный тип
Еще одним названием регулятора транзисторного типа является автотрансформатор или ШИМ-регулятор (схема 2). Он изменяет номинал U по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при помощи выходного каскада, в котором применяются транзисторы типа IGBT.
Схема 2 — Транзисторный ШИМ-регулятор оборотов.
Коммутация транзисторов происходит с высокой частотой и благодаря этому можно изменить ширину импульсов. Следовательно, при этом изменится и значение U. Чем длиннее импульс и короче паузы, тем выше значение U и наоборот. Положительные аспекты применения этой разновидности следующие:
- Незначительный вес прибора при низких габаритах.
- Довольно низкая стоимость.
- При низких оборотах отсутствие шума.
- Управление за счет низких значений U (0..12 В).
Основной недостаток применения заключается в том, что расстояние до электромотора должно быть не более 4 метров.
Регулирование за счет частоты
Регулирование оборотов моторов различных типов за счет частоты получило широкое применение. Частотное преобразование занимает лидирующую позицию на рынке сбыта устройств-регуляторов оборотов и осуществления плавного пуска. Благодаря своей универсальности возможно влиять на мощность, производительность и скорость любого устройства с электродвигателем. Эти устройства применяются для однофазных и трехфазных двигателей. Применяются такие виды частотных преобразователей:
- Специализированные однофазные.
- Трехфазные без конденсатора.
Для регулирования оборотов используется конденсатор, включенный с обмотками однофазного двигателя (схема 3). Этот преобразователь частоты (ПЧ) имеет емкостное R, которое зависит от частоты протекающего переменного тока. Выходной каскад такого ПЧ выполнен на IGBT-транзисторах.
Схема 3 — Частотный регулятор оборотов.
У специализированного ПЧ есть свои преимущества и недостатки. Преимуществами являются следующие:
- Управление АД без участия человека.
- Стабильность.
- Дополнительные возможности.
Существует возможность управлять работой электромотора при определенных условиях, а также защита от перегрузок и токов КЗ. Кроме того, возможно расширять функционал при помощи подключения цифровых датчиков, мониторинга параметров работы и использования PID-регулятора. К минусам можно отнести ограничения при управлении частотой и довольно высокую стоимость.
Для трехфазных АД применяются также устройства регулирования частоты (схема 4). Регулятор имеет на выходе три фазы для подключения электромотора.
Схема 4 — ПЧ для трехфазного двигателя.
У этого варианта тоже есть свои сильные и слабые стороны. К первым можно отнести следующие: низкую стоимость, выбор мощности, широкий диапазон частотной регуляции, а также все преимущества однофазных преобразователей частоты. Среди всех отрицательных сторон можно выделить основные: предварительный подбор и нагрев при пуске.
Изготовление своими руками
Если нет возможности, а также желания приобретать регулятор заводского типа, то можно собрать его своими руками. Хотя регуляторы типа » tda1085 » зарекомендовали себя очень хорошо. Для этого нужно детально ознакомиться с теорией и приступить к практике. Очень популярны схемы симисторного исполнения, в частности регулятор оборотов асинхронного двигателя 220в (схема 5). Сделать его несложно. Он собирается на симисторе ВТ138, хорошо подходящем для этих целей.
Схема 5 — Простой регулятор оборотов на симисторе.
Этот регулятор может быть использован и для регулировки оборотов двигателя постоянного тока 12 вольт, так как является довольно простым и универсальным. Обороты регулируются благодаря изменению параметров Р1, определяющему фазу входящего сигнала, который открывает переход симистора.
Принцип работы прост. При запуске двигателя происходит его затормаживание, индуктивность изменятся в меньшую сторону и способствует увеличению U в цепи «R2—>P1—>C2». При разряде С2 симистор открывается в течение некоторого времени.
Существует еще одна схема. Она работает немного по-другому: путем обеспечения хода энергии обратного типа, которое является оптимально выгодным. В схему включен довольно мощный тиристор.
Схема 6 — Устройство тиристорного регулятора.
Схема состоит из генератора сигнала управления, усилителя, тиристора и участка цепи, выполняющего функции стабилизатора вращения ротора.
Наиболее универсальной схемой является регулятор на симисторе и динисторе (схема 7). Он способен плавно убавить скорость вращения вала, задать реверс двигателю (изменить направление вращения) и понизить пусковой ток.
Принцип работы схемы:
- С1 заряжается до U пробоя динистора D1 через R2.
- D1 при пробитии открывает переход симистора D2, который отвечает за управление нагрузкой.
Напряжение при нагрузке прямо пропорционально зависит от частотной составляющей при открытии D2, зависящего от R2. Схема применяется в пылесосах. Она содержит универсальное электронное управление, а также способность простого подключения питания 380 В. Все детали следует расположить на печатной плате, изготовленной по лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Подробно с этой технологии изготовления плат можно ознакомиться в интернете.
Таким образом, при выборе регулятора оборотов электродвигателя возможна покупка заводского или изготовление своими руками. Самодельный регулятор сделать достаточно просто, так как при понимании принципа действия устройства можно с легкостью собрать его. Кроме того, следует соблюдать правила безопасности при осуществлении монтажа деталей и при работе с электричеством.
