Схема регулятора оборотов двигателя постоянного тока 12В и особенности его работы

Часто при эксплуатации различного оборудования возникает необходимость контролировать скорость оборотов электродвигателя постоянного тока. Для этого используются специальные регуляторы или преобразователи частоты. Простейший регулятор можно сделать своими руками.

В процессе эксплуатации современных электроинструментов и различного оборудования часто возникает необходимость контролировать мощность и скорость вращения двигателей постоянного тока. Для решения подобных задач принято использовать специальные регуляторы или преобразователи частоты, которые в большом ассортименте сейчас представлены на электротехническом рынке. Правильно подобранный частотный преобразователь позволяет плавно уменьшать или увеличивать обороты вала и обеспечивает длительную бесперебойную работу механизмов.

Чтобы лучше понять принцип работы регулятора оборотов двигателя постоянного тока, рекомендуется сделать его своими руками. Это вполне по силам даже человеку без глубоких познаний и специализированных навыков в радиоэлектронике. Для создания самодельного прибора обязательно понадобится схема регулятора на 12В или 24В, оптимально подходящая под особенности и характеристики вашего электромотора, работающего от обычной домашней электросети 220 вольт или же предназначенного для сети с тремя фазами.

Сферы применения и критерии выбора регулятора оборотов

Зачастую регулятор вращения электромоторов необходим для корректной работы:

• промышленных и бытовых электрических приводов;
• электросварочных аппаратов;
• систем отопления и кондиционирования;
• электропечей;
• блоков питания компьютерной техники;
• стабилизаторов напряжения;
• стиральных и швейных машин;
• пылесосов и многого другого.

Выбирая регулятор оборотов двигателя постоянного тока, нужно обращать внимание на особенности устройства и его рекомендуемое применение:

• в электромоторах коллекторного типа чаще используются векторные регуляторы, но скалярные считаются надежнее;
• заявленная мощность контроллера должна соответствовать номинальным характеристикам силового агрегата (даже немного превышать их, чтобы обеспечить более стабильную и безопасную работу системы);
• характеристики напряжения подбираются в пределах допустимого диапазона;
• параметры преобразования частоты вращения должны отвечать техническим требованиям оборудования.

Важно также учитывать габаритные размеры, количество входов/выходов, гарантийный срок эксплуатации и прочее.

Типы переменных резисторов

Проволочный

Состоит из трубчатого пластмассового или керамического каркаса, на который в виде однослойной обмотки уложена тонкая проволока с высоким сопротивлением (манганиновая или константановая).

По поверхности проволоки скользит металлический ползунок, который при перемещении касается следующего витка обмотки раньше, чем сойдет с предыдущего – этим обеспечивается плавность регулировки.

Для надежности контакта ползунка и токопроводящего слоя поверхность проволоки тщательно полируется.

Тонкопленочный

Состоит из каркаса в виде подковообразной диэлектрической пластины, покрытой тонкой пленкой, изготовленной из углерода, бора, металлизированных или композиционных материалов. По поверхности пленки скользит ползунок, прочно связанный с регулировочным механизмом.

Конструкционные особенности и принцип работы преобразователя частоты

Электронные частотные преобразователи используются для контроля над работой электромоторов как в трехфазной электросети 380B, так и в однофазной на 220В. Их работа базируется на изменении амплитуды и частоты электрического сигнала, что позволяет плавно менять параметры частоты вращения ротора силового агрегата. В основе конструкции большинства подобных устройств, как правило, лежат транзисторы полупроводникового типа с широтно-импульсными модуляторами. Регулировка оборотов осуществляется посредством установленного на микроконтроллере блока управления.

Часто используемые в электроинструменте и бытовой технике моторы постоянного тока коллекторного типа отличаются тем, что при прямом подключении к электросети 220 вольт они начинают выдавать максимальные обороты. Это повышает нагрузку на привод и способствует быстрому его износу. Кроме того, при большой скорости вращения ротора выделяется много тепла, что влечет за собой перегрев рабочих механизмов, оплавление обмоток и кабелей, а также может вызвать короткое замыкание. Поэтому здесь установить регулятор мощности и частоты крайне рекомендуется, даже если контроль над скоростью в техническом процессе и эксплуатации электроустановки не предусмотрен.

От сети

Однофазные электродвигатели переменного тока также позволяют регулировать вращение ротора.

Коллекторные машины

Если есть подходящий ЛАТР, можно все это делать при помощи его.

Двухфазный двигатель

Есть две возможности контролирования числа оборотов:

1. Менять амплитуду напряжения питания (Uy),
2. Фазное – меняем емкость конденсатора.

Такие агрегаты широко распространены в быту и на производстве.

Обычные асинхронники

Электрические машины трехфазного тока, несмотря на простоту в эксплуатации, обладают рядом характеристик, которые нужно учитывать. Если просто изменять питающее напряжение, будет в небольших пределах меняться момент, но не более. Чтобы в широких пределах регулировать обороты, необходимо довольно сложное оборудование, которое просто так собрать и наладить сложно и дорого.

Для этой цели промышленностью налажен выпуск частотных преобразователей, помогающих менять обороты электродвигателя в нужном диапазоне.

Асинхронник набирает обороты в согласии с выставленными на частотнике параметрами, которые можно менять в широком диапазоне. Преобразователь – самое лучшее решение для таких двигателей.

Использование самодельного регулятора

Ранее самым распространенным был регулятор двигателя механического типа, где использовался шестеренчатый привод и вариатор. Но из-за износа механических частей и влияния внешних факторов они достаточно часто выходили из строя и требовали ремонта. Намного лучше зарекомендовали себя электронные устройства, позволяющие плавно или ступенчато повышать напряжение. Кроме того, они отличаются компактными размерами и возможностью более точной настройки параметров работы электроустановки.

Сделать своими руками простейший регулятор двигателя на 12B постоянного тока не составит особого труда даже при наличии базовых навыков. Для этого достаточно иметь следующие компоненты:

• переключатель на несколько позиций;
• набор резисторов проволочного типа;
• релейный и управляющий блоки.

С помощью резисторов происходит изменение напряжения от источника питания, а следовательно и частота оборотов электромотора. Такой самодельный регулятор двигателя разгоняет его ступенчато методом установки переключателя в соответствующее положение. Его можно эффективно применять для запуска силовых агрегатов асинхронного и контактного типа.

Данное устройство функционирует по следующему принципу:

• напряжение от источника питания подается на конденсатор, который полностью заряжается;
• ток перенаправляется на отходящий провод и резистор;
• подсоединенный к положительному конденсаторному контакту электрод тиристора получает нагрузку;
• после передачи заряда напряжения открывается второй полупроводник;
• поступающая от конденсатора нагрузка пропускается через тиристор и конденсатор разряжается;
• цикл полупериода повторяется.

Если схема регулятора дополнительно содержит симистор или устройство с похожим принципом действия, то изменение мощности напряжения протекает плавно. Это значит, что электромотор будет без рывков и заметных вибраций набирать обороты, постепенно выходя на нужную рабочую мощность. Также для обеспечения более качественной регулировки в схему могут быть включены переменные резисторы.

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.

Регулятор оборотов на ШИМ транзисторе

Процесс регулировки оборотов электромотора малой мощности можно организовать с помощью транзистора ШИМ и последовательно соединенных резисторов от источника питания. Такой способ достаточно легко реализовать самостоятельно, но он отличается низким коэффициентом полезного действия и не дает возможность плавно наращивать или снижать скорость вращения ротора.

Самодельный ШИМ регулятор скорости на транзисторах имеет следующие особенности:

• современные транзисторы широтно-импульсной модуляции содержат 150-герцовый генератор напряжения пилообразного типа;
• в качестве компаратора применяются операционные усилители;
• длительностью импульсов управляет переменный резистор, в результате чего и происходит регулировка скорости.

Амплитуда импульсов транзистора соответствует амплитуде напряжения источника питания. Она ровная и постоянная. Благодаря такому свойству регулировка оборотов электромотора возможна даже при поступлении минимального напряжения на трансформаторную обмотку. Такой ШИМ регулятор скорости позволяет подключить к транзистору микроконтроллер и таким образом автоматизировать настройку и регулировку работы электропривода. Также в схему можно включить и другие компоненты, расширяющие функционал и возможности автоматизации электроустановки.

Разновидности коллекторных двигателей

Известно, как минимум, два типа коллекторных двигателей. К первому относятся устройства с якорем и обмоткой возбуждения на статоре. Ко второму можно отнести приспособления с якорем и постоянными магнитами. Также необходимо определиться, для каких целей требуется сконструировать регулятор:

• Если необходимо регулировать простым движением (например, вращением шлифовального камня или сверлением), то обороты потребуется изменять в пределах от какого-то минимального значения, неравному нулю, — до максимального. Примерный показатель: от 1000 до 3000 об/мин. Для этого подойдёт упрощённая схема на 1 тиристоре или на паре транзисторов.
• Если необходимо управлять скоростью от 0 до максимума, тогда придется использовать полноценные схемы преобразователей с обратной связью и жёсткими характеристиками регулирования. Обычно у мастеров-самоучек или любителей оказываются именно коллекторные двигатели с обмоткой возбуждения и тахогенератором. Таким мотором является агрегат, используемый в любой современной стиральной машине и часто выходящий из строя. Поэтому рассмотрим принцип управления именно этим двигателем, изучив его устройство более подробно.

Тиристорная регулировка оборотов электромотора

Менять частоту оборотов вала силового агрегата также позволяет тиристорный регулятор. Его еще называют диммер или фазовый регулятор. При таком способе подключения электромотор подсоединяется или на разрыв сетевого кабеля, или за выпрямительным мостом, питающим анодную тиристорную цепь. Такой способ управления скоростью двигателя считается достаточно надежным при условии, что в цепи нагрузки не будут возникать нарушения целостности или порядка подключения контактов. Если через тиристорный регулятор подключить коллекторный электромотор, то щетки могут начать искрить, поскольку ток нагрузки будет поступать импульсно.

Хотя и для управления 12-вольтовыми двигателями постоянного тока коллекторного типа можно приспособить тиристорный регулятор, который будет иметь некоторые особенности:

• электромотор и силовой тиристор подключаются на одну из диагоналей выпрямительного моста, а напряжение от электросети подается на другую диагональ;
• управление тиристорами производится не короткими импульсными сигналами, а с более широким диапазоном, что дает возможность исключить пагубное воздействие на работу регулятора характерных для коллекторных электромоторов кратковременных перепадов нагрузки.

Генератор коротких, вплоть до нескольких миллисекунд, плюсовых импульсов собирается на транзисторе VT1 однопереходного типа. Он предназначен для работы вспомогательного тиристора VS1. Питающее напряжение трапецеидального вида подается на генератор благодаря ограничению 100-герцовых положительных полуволн напряжения синусоидального типа стабилитроном VD1. Каждая такая полуволна постепенно заряжает конденсатор С1 через резистивную цепочку R1-R3.

При появлении на конденсаторе напряжения, нужного для открывания транзистора, от резистора R5 на электрод управляющего тринистора VS1 подается положительный импульс, в результате чего происходит раскрытие данного тринистора, а на силовой тринистор VS2 поступает уже более продолжительный, по сравнению с сигналом управления, импульсный сигнал и на электромотор М1 поступает питание.

Регулировка частоты вращения ротора электродвигателя осуществляется с помощью переменного резистора R1, отвечающего за момент открывания силового и управляющего тиристоров, а значит и за мощность нагрузки. Анод тринистора VS2 в своей цепи имеет индуктивную нагрузку, поэтому возможно самопроизвольное открытие даже без поступления управляющего сигнала. Чтобы этого не случалось, монтируется диод VD, подключенный параллельно обмотке возбуждения LB.

Простейший вариант

Это самый неэкономичный вариант. Механические характеристики двигателя с независимым возбуждением самые невыгодные из-за больших потерь, результатом чего является падение механической мощности, КПД.

Еще одна возможность – введение реостата в обмотку возбуждения. Рассматривая характеристики двигателя с независимым возбуждением, увидим, что регулирование скорости вращения возможно только в сторону увеличения оборотов. Это происходит ввиду насыщения обмотки.

Итак, реостатное регулирование скорости вращения аппарата независимого возбуждения оправдано в системах с минимальной нагрузкой. Лучше всего, когда работа при таком включении буде периодической.

Внедрение автоматики

Наличие в регуляторах оборотов и преобразователях частоты современного микроконтроллерного управления позволяет улучшить параметры работы привода, а сам мотор может функционировать в полностью автоматическом режиме, когда используемый контроллер плавно или ступенчато изменяет скорость вращения ротора силового агрегата. Сегодня в качестве микроконтроллерного управления используются процессоры, которые имеют различное число выходов и входов. К такому микроконтроллеру можно подключить разного рода электронные ключи и кнопки, всевозможные датчики потери сигнала и прочее.

На современном электротехническом рынке представлен большой ассортимент преобразователей и регуляторов частоты для любой разновидности электромотора. Но при наличии даже минимальных навыков работы с радиодеталями и умении читать электрические схемы, можно своими руками собрать устройство, которое будет постепенно или ступенчато изменять обороты двигателя. Дополнительно можно включить в цепь управляющий симисторный реостат и резистор, что даст возможность плавно менять скорость, а наличие микроконтроллерного управления полностью автоматизирует работу электропривода.

Что представляет собой драйвер L298N?

Данная плата содержит микросхему и 15 выходов для генерации управляющих сигналов. Предназначено для передачи сигналов к рабочим элементам индуктивного типа – обмоткам двигателя, катушкам реле и т.д. Конструктивно L298N позволяет подключать в работу до двух таких элементов, к примеру, через нее можно одновременно управлять двумя шаговыми двигателями.

На схеме ниже приведен пример распределения выводов L298N от рабочей микросхемы.

• Vss – вывод питания для логических цепей в 5В;
• GND – нулевой вывод (он же корпус);
• INPUT1, INPUT 2, INPUT 3, INPUT 4 – позволяют плавно наращивать и уменьшать скорость вращения двигателя;
• OUTPUT1, OUTPUT2 – выводы для питания первой индуктивной нагрузки;
• OUTPUT3, OUTPUT4 – выводы для питания второй индуктивной нагрузки;
• Vs – вывод для переключения питания;
• ENABLE A, B – выводы, при помощи которых осуществляется раздельное управление каналами, могут устанавливать активный и пассивный режим (с регулируемой скоростью вращения и с установленной);
• CURRENT SENSING A, B – выводы для установки текущего режима.

Аппаратное прерывание

И тут я понял, в чём дело: Ардуино не успевает обрабатывать показания датчиков Холла! Поэтому необходимо было использовать пины Ардуино с аппаратным прерыванием. Так как у Ардуино УНО таких пинов всего два, а под датчики нужно три пина, надо взять Ардуино Леонардо или Искра Нео, где таких пинов — четыре штуки.

Переписав программу под прерывания и подключив Искру Нео вместо УНО, я повторил испытания.

//Пины ключей Н-мостов const int TAH = 8; //T — транзистор, А — фаза (синяя), Н — верхний ключ полумоста const int TAL = 9; //T — транзистор, А — фаза (синяя), L — нижний ключ полумоста const int TBH = 10; //T — транзистор, B — фаза (зелёная), H — верхний ключ полумоста const int TBL = 11; //T — транзистор, B — фаза (зелёная), L — нижний ключ полумоста const int TCH = 12; //T — транзистор, C — фаза (жёлтая), H — верхний ключ полумоста const int TCL = 13; //T — транзистор, C — фаза (жёлтая), L — нижний ключ полумоста //———————————————————————————————— //датчики холла int HallA = 3; //пин 1 (с прерыванием) int HallB = 1; //пин 2 (с прерыванием) int HallC = 0; //пин 3 (с прерыванием) //———————————————————————————————— volatile boolean vala; volatile boolean valb; volatile boolean valc; //———————————————————————————————— void setup() { //Установка пинов ключей на выход pinMode(TAH, OUTPUT); pinMode(TAL, OUTPUT); pinMode(TBH, OUTPUT); pinMode(TBL, OUTPUT); pinMode(TCH, OUTPUT); pinMode(TCL, OUTPUT); //Считывание датчиков Холла vala = digitalRead(HallA); valb = digitalRead(HallB); valc = digitalRead(HallC); //Аппаратное прерывание на пинах датчиков Холла attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallA), changeA, CHANGE); attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallB), changeB, CHANGE); attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallC), changeC, CHANGE); //LOW вызывает прерывание, когда на порту LOW //CHANGE прерывание вызывается при смене значения на порту с LOW на HIGH, и наоборот //RISING прерывание вызывается только при смене значения на порту с LOW на HIGH //FALLING прерывание вызывается только при смене значения на порту с HIGH на LOW } void Fases() { digitalWrite(TAH, (vala && !valb) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TAL, (valb && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TBH, (valb && !valc) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TBL, (valc && !valb) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TCH, (valc && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TCL, (vala && !valc) ? HIGH : LOW); void changeA() { vala = digitalRead(HallA); Fases(); } void changeB() { valb = digitalRead(HallB); Fases(); } void changeC() { valc = digitalRead(HallC); Fases(); } void loop() { }

Колесо наконец-то заработало чётко, без вибраций, шумов, отлично стало набирать обороты без рассинхронизации. Прототип оказался жизнеспособным. Но это ещё не полноценный контроллер, поскольку в нём не было обвязки с защитами и обеспечением качественного ШИМ-сигнала.