Регуляторы оборотов с поддержанием мощности в двигателях

Большинство мировых производителей профессиональных угловых шлифовальных машинок (болгарок) таких как Bosch, Metabo, Makita, DeWalt и других используют два типа регуляторов оборотов с обратной связью.

С помощью таходатчика

На конце якоря мотора установлен кольцевой магнит с прорезью или срезом, а на плате регулятора установлена ка­тушка индуктивности или датчик Холла. Такой регулятор обес­печивает максимально точную стабилизацию оборотов дви­гателя при изменении нагрузки.

На основе измерения падения напряжения на электро­двигателе

В этом случае измеряется падение напряжения на дви­гателе, и схема управления изменяет длительность открытия силового ключа. Такой регулятор, если он правильно наст­роен, обеспечивает также хорошую стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.

Все промышленные регуляторы, собранные на микро­контроллерах, полностью залитые эпоксидной смолой и в ито­ге они не пригодны для ремонта, а цена за новый регулятор достаточно большая, и составляет примерно 20-30% от сто­имости самого электроинструмента.

В поиске специализированных микросхем для решения данной задачи мне приглянулись регуляторы Phase Control фирмы Atmel. Например, простой вариант регулятора на ми­кросхеме U2008B. Рассмотрим схему регулятора на ИМС U2008B приведенную на рис.1. В данном регуляторе можно использовать обратную связь по току или режим плавного пуска, однако в нём нет защиты от перегрузки. Если исполь­зовать плавный пуск тогда нужны только элементы С1, R4 и перемычку Х1 не ставим, а если нужна обратную связь — тог­да все наоборот.

Рис. 1

Так как ИMC U2008B не может одновременно работать в режиме плавного пуска и обратной связи, она не подходит для нашей задачи. На рис.2 пока­зана схема регулятора на микросхеме U2010B, у которой есть обратная связь по току, защи­та от перегрузки и плавный старт одновре­менно. Светодиод D2 индицирует перегрузку электродвигателя. Переключатель SA1 «Mode» обеспечивает возможность выбора действий при перегрузке на двигателе в трех режимах: Положение А — индикация перегрузки и по­следующий сброс на минимальные обороты. Для восстановления рабочих оборотов, необходимо выключить инструмент.

Рис. 2

Положение В — индикация перегрузки, по­следующий сброс на минимальные обороты, по­сле снятие нагрузки с инструмента, восста­навливаются установленные обороты, т.е. про­исходит авто старт.

Положение С — только индикация перегруз­ки, без остановки двигателя и защиты.

Подбором ёмкости конденсатора СЗ от 1 до 10 мкФ можно изменять длительность и плав­ность пуска двигателя.

Настройка регулятора.

В техническом описании к ИМС U2010B в схеме подключения обозначено только падение напряжение на R6 в 250 мВ и не указано, ка­ким именно должен быть этот резистор.

Рассчитать сопротивление R6 можно исходя из мощнос­ти двигателя по формуле:

R6 = UR6/(Рдвиг/Uпит),

где:
UR6 — напряжение на R6 (250 мВ),
Рдвиг — мощность двигателя,
UПИТ — напряжение питания сети.

Например, для двигателя мощностью 750 Вт рассчитыва­ем: R6= 0,25/(750/220) = 0,07 Ом.

Номиналы резисторов R6 и R11, в зависимости от мощ­ности электродвигателя, приведены в таблице.

R11 Мощность, Вт R6*, Ом Нихром, D 1 мм Нихром, D 0,8 мм R11*, кОм
250 0,22 30 19 180-270
300 0,18 27 17 180-220
550 0,1 25 16 180
700 0,08 20 14 160
850 0,07 17 11 150
1000 0,055 15 10 100-120
1200 0,047 13 9 90-110
1500 0,04 12 8 80-100
1800 0,03 10 7 70-100
2000 0,028 8 6 65-90
2200 0,025 7 5 65-90

Главное правильно подбирать резистор R6 под мощность двигателя. Выше представленная формула правильная, но на практике может потребоваться некоторая коррекция по по­ведению двигателя под нагрузкой. Если резистор великоват, то двигатель довольно резко стартует (т.е. происходит боль­шая компенсация нагрузки, чем надо), а потом отключается, а если резистор будет мал, то не будет обеспечиваться ком­пенсация нагрузки.

В Datasheet к ИМС U2010B ёмкость конденсатора С2 указана 0,01 мкФ, но она рассчитана на 60-герцовую сеть, и при использования ИМС в сети 50 Гц за период выдава­лось несколько импульсов управления. В итоге, обороты эле­ктродвигателя практически не  регулировались и двигатель ра­ботал на полную мощность. Для сети с частотой 50 Гц нуж­но ёмкость конденсатора С2 увеличить до 0,015 мкФ.

Первый пуск

Переменный резистор Р1 (регулятор оборотов) нужно установить на минимальные обороты двигателя, по схеме движок потенциометра должен быть повернут в сторону ре­зистора R13. Затем подстроенный резистор R10 (компенса­ция нагрузки) установить в среднее положение, а на место R11 (перегрузка) временно подпаять постоянный резистор сопротивлением 62 кОм. Потом включить регулятор в сеть 220 В / 50 Гц и подстроенным резистором R8 выставить са­мые минимальные обороты двигателя.

Нужно сделать так, чтобы при включении двигатель на­чинал вращаться на минимальных оборотах. Если настроить устройство так, чтобы совсем не было напряжения на элек­тродвигателе, то тогда становится слишком нелинейная за­висимость управления резистором Р1 — при его повороте сначала двигатель не крутится, а потом резко стартует без плавного пуска.

Далее нужно подключить вольтметр с диапазоном изме­рения 300 В к выводам двигателя, включить двигатель и на средних оборотах, зажимая вал или привод двигателя через тряпку рукой, выставить такое положение резистора R10, что­бы обороты электродвигателя не менялись при изменении нагрузки на его валу. Одновременно с этим нужно смотреть на вольтметр, подключенный к двигателю. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя регулятор прибавляет напряжение, и двигатель крутится с одинаковыми оборота­ми, независимо от нагрузки.

И вот в последнюю очередь настраивается резистор R11 (перегрузка). Постоянный резистор номиналом 62 кОм вы­паиваем и вместо него ставим подстроенный или перемен­ный резистор номиналом 220 кОм. На оборотах двигателя чуть больше минимальных, сильно зажимая вал или привод двигателя, стараемся почти заклинить вал двигателя, и по степенно изменяем величину резистора R11, пока не начнет срабатывать защита, и не станет светиться VD2. Затем из­мерьте сопротивление переменного резистора тестером и за­паяйте в устройство соответствующий резистор. В таблице указано приблизительные значения сопротивления R11,

Детали регулятора

Купить микросхемы U2008B, U2010B можно через сайт AliExpress (www.ru.aliexpress.com) в Китае с бесплатной до­ставкой на Украину, а далее посылка бесплатно отправляется через «Укрпочту» в любое почтовое отделение на тер­ритории Украины. Доставка на Украину производится на про­тяжении 25-40 дней. Например, цена 1 шт. микросхемы U2010B зависит от корпуса исполнения, примерно 0,9 USD в корпусе S016 и 1,2 USD в корпусе DIP16, а симистора ВТА24-800 — 0,4 USD.

Печатная плата устройства изготовлена из односторонне­го фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм.

Симистор VS1 лучше использовать с изолированной пло­щадкой под радиатор серии ВТА, например BTA12-800, BTA16-800, BTA24-800, или применить другие. При мощнос­ти двигателя до 400 Вт, VS1 можно не устанавливать на ра­диатор. Все SMD детали типоразмера 1206, их можно запа­ять обычным паяльником с тонким жалом.

Подстроенные резисторы — типа СП3-19а или другой ма­логабаритный. Переменный резистор Р1 любой на 47-50 кОм, можно малогабаритные СП4-1, СП3-9. Резистор R1 мощностью не менее 2 Вт, например, типа MЛT-2 или др. Резистор R6 изготовлен из нихромовой проволоки диаметром 0,7 — 1 мм. Автор использовал нихромовый провод из старого блока сопротивлений для зажигания автомобилей ГАЗ с маркировкой 1402.3729. Все электролитические конденса­торы на напряжение не менее 50 В. Диод D1 — типа 1N4007 или КД208, также можно использовать диод в SMD исполне­нии. Светодиод D2 любой малогабаритний диаметром 3-5 мм красного света. Переключатель SA1 любой малогабаритный 3-х позиционный. Если нужен только один режим перегруз­ки, тогда вместо него можно установить перемычку.

Литература:

  1. Бирюков С. Автомат плавного пуска коллекторных эле­ктродвигателей. // Радио. — 1997. — №7. — С.40-42.

Печатная плата для схемы показанной на рисунке 2:

[hidepost]Скачать[/hidepost]

Автор: Валентин Шипляк, г. Ужгород

Возможно, вам это будет интересно:

Здравствуйте дорогие мои посетители. Хочу сегодня продолжить
тему о коллекторных электродвигателях, а именно как подключить двигатель от
стиральной машины с помощью платы регулирования оборотов с поддержкой мощности.
Как вы, видели, я затрагивал уже эту тему
. Снимал по этому поводу видео

«Подключение и
регулировка оборотов коллекторного двигателя от стиральной машины-автомат»

.
Это видео стало очень популярным на моём канале, зрители оставили множество
разных комментариев по этой теме. Также я там выложил источник, где я взял
схему регулятора оборотов с поддержкой мощности коллекторных электродвигателей.
И как мне показалось на тот момент, что человек скачает себе этот файл и
соберет себе такую же схему как у меня, и будет её использовать
. Но нет,
оказалось не все так просто как мне этого хотелось, посыпалась, куча вопросов
от людей не только гуманитариев, но и совсем не плохих радиолюбителей
. Были
даже предложения о

покупке
плат регулирования оборотов.

Что бы сразу ответить на многие вопросы, Вам, мои дорогие
читатели, и появилась эта статья.

 Занимаюсь я ремонтом электроинструмента в
частности перемоткой электродвигателей. И во время ремонта качественного
электроинструмента замечал там «Константную электронику»,  которая при снижении оборотов на
электроинструменте поддерживала мощность электродвигателя
. Меня это очень
заинтересовало, начал пробовать различные простые регуляторы оборотов,
регуляторы оборотов с обратной связью по току, в общем, кучу разных штуковин.
Пока не наткнулся на сайт «chipmaker.ru» где пользователь  «Bogdan» выложил «схему управления
коллекторным двигателем на TDA1085». Собственно говоря, вот эта ссылка:

http://www.chipmaker.ru/files/file/1490/

 . После того как Вы перешли, жмем на кнопку «Загрузить» 

В следующем окне обратно жмем «Загрузить» 

У нас скачивается архив, разархивировав который, видим в нем
несколько файлов (два варианта схем для управления двигателями постоянного и
переменного тока с монтажными платами), нам для двигателя переменного тока
нужны PSD файлы с
пометкой «АС» 

Распечатав  их
(принципиальная, монтажная и печатная плата), я отнес их своему очень хорошему
товарищу Игорю , который мне спая регулятор оборотов с поддержкой мощности (сам
я, к сожалению, не люблю работу с паяльником). Я испытал

регулятор оборотов электроинструмента
на TDA1085

на своей «болгарке». К счастью мой товарищ оказался хорошим
радиолюбителем и нашел некоторые неточности в этих схемах и исправил их.

 Я не могу вам сейчас сказать что этот регулятор оборотов
коллекторных электродвигателей панацея, возможно, есть что-то и лучше я не
знаю. Как поведет она себя на высоких или даже средних оборотах, честно сказать
я не знаю(

здесь уже
можно посмотреть тест этой платы в разных режимах

). Эта схема отлично ведет
себя на низких оборотах, и вот уже целый год 
отлично себя показывает на

Самодельном лобзиковом станке 

,
приводом там служит та самая

«болгарка»

 на которой я испытывал регулятор оборотов.

Если Вы уже собрались делать себе регулятор оборотов,
давайте немного разберем его:

К клеммам «Фаза и Ноль» подключаем напряжение 220 Вольт
(фазировка не влияет на работу схемы), светодиод «

HL

» служит нам индикатором питания платы
регулятора оборотов, к клеммам « М1» подключаем наш электродвигатель,
«таходатчик» который выдает постоянный ток подключаем к «Х3» а если же у вас он
выдает переменный ток или импульсы, то к «Х2» (

Как сделать таходатчик

).
К контактам «Х4» можно подключить тумблер (выключатель) который будет отключать
наш двигатель, его ставить не обязательно, можно также отключать двигатель с
помощью  регулятора оборотов «

R

1» который подключается к
контактам «Х1». У

Bogdana

  на этой схеме не был указан конденсатор «С
100

µF

х25

V

»
хотя он присутствует на монтажной плате (забыл указать). Также у него в схеме
находится очень мощный симистор «ВТА41 800

V

» который подходит для управления
мощными коллекторными электродвигателями, а для нас подойдет совсем другой на
10…16 Ампер (по цене будет на много дешевле). Симистор должен обязательно
быть  с радиатором (вся эта схема построена  для управления этим симистором, который в
свою очередь управляет непосредственно нашим электродвигателем). Ниже симистора
на схеме указаны два мощных сопротивления «

R

31» и «

R

33»
рассчитанные на 0,1 Ом и мощностью 5 Ватт каждый. Под каждые электродвигатель
нужно индивидуально настраивать плату регулятора оборотов (

как это сделать

). Регулируется
схема с помощью подстрочных сопротивлений «

R

3» и «

R

21».
Построечный резистор «

R


регулирует плавность пуска двигателя, а «

R

21» служит для быстроты реагирования на нагрузку электродвигателя
(в зависимости отнего схема будет реагировать плавно или резко на нагрузку).

 Для лучшего удобства
я подготовил Вам список всех деталей, которые применяются в этом регуляторе
оборотов с поддержкой мощности («+» обозначены полярные конденсаторы):

20кОм

Пременное         1шт

20кОм

Подстроечное   1шт

R3

3шт

R4;5;9

2шт

R6;8

1шт

R7

1шт

R10

1шт

R11

1шт

R12

1шт

R13

1шт

R14

4шт

R15;19;25;30

2шт

R16;22

1шт

R17

1шт

R18

1шт

R20

10кОм

Подстроечное  1шт

R21

4шт

R23;24;28;29

1шт

R26

1шт

R27

1шт

32

2шт

R31;33

1шт

R34

1шт

35

3шт

С1;5;неуказанный

3шт

C2;8;9

3шт

С3;4;7

820р

1шт

С6

1шт

С10

1шт

С11

1шт

С12

1шт

С13

1шт

С14

1шт

С15

МС1

ВТА41   800V 
(не обязат)

1шт    Семистор

Т1

1шт   стабилитрон

1шт   стабилитрон

1шт диод

1шт    предохранитель

FU1

На  3В

1шт     светодиод

Изначально автор Bogdan на монтажной плате регулятора оборотов не указал буквенные
обозначения всех деталей, но благодаря моему товарищу (огромное ему спасибо) он
расставил все обозначения и исправил все неточности которые были у Bogdanа 


ВНИМАНИЕ!!!
В расположении деталей ОШИБКА! 
Сопротивление R21
обозначено как R27. Будьте внимательны!

Ссылки для скачивания:

ОЧЕНЬ интересные видео по теме!!!

Агрессивные тесты.

Добавлено Анатолием:

Я думаю Александр не обидится если я в его теме выскажу несколько своих соображений.

Собрал уже не одну плату и могу сказать со сто процентной уверенностью. Если у кого то что то не работает, то проверяйте качество изготовления платы, качество и правильность монтажа, исправность элементов и двигателя. Все причины не работы (некорректной работы) кроются только в этом. Печатки и схемы выложенные в нете рабочие. Сам недавно столкнулся с подобным, две разные платы, а проявление неисправности одно и тоже. При включении и добавлении оборотов двигатель раскручивается рывками было ощущение как будто семистор работает на одном полупериоде. Оказалось на одной плате при травлении исчезла дорожка к конденсатору С10 на 47,0х16V, во втором случае этот же конденсатор был высохший.Попутно убедился, что если уменьшить С11 идущий на 14 ногу микросхемы до 22Н, то двигатель стартует, набирает максимальные обороты и обороты не регулируются. Поэтому с ним тоже нельзя ошибаться 47Н и точка.Теперь по поводу замеров напряжения.Я собираю платы с отдельным блоком питания, поэтому промеры даю для этого случая.Исходные условия, к плате подключен двигатель с таходатчиком, регулятор оборотов в нулевом положении (минимум до конца), блок питания в розетку включён, 220В на плату не подаётся.1-0,17В2-0,17В3-2,63В4-05-06-2,4В7-0,05В8-09-14,65В10-13,7В11-12,83В12-0,55В13-014-11,34В15-0,03В16-0,03ВУсловия те-же, но подключено 220В и регулятор стоит на небольших оборотах. Двигатель медленно вращается.1-0,25В2-0,3В3-2,62В4-0,55В5-0,55В6-2,4В7-1,14В8-09-14,2В10-14,2В11- не измеряется.12-0,74В13-0,69В14-4,8В при касании щупом двигатель ускоряется.15-0,73В16-0,58ВОтличия могут быть но не очень большие. Напряжение на ноге 3 устанавливается регулятором R21.Кроме этого советовал бы увеличить резистор R9 вместо 1,2 кОм ставить 20кОм. Этим уменьшается напряжение с таходатчика. И R17 вместо 68кОм ставить 27кОм. Ну и диод для защиты микросхемы само собой. 

Пару слов по немецкой схеме. При правильной сборке, правильно выполненной печатке и исправных деталях всё работает без вопросов. Рекомендовал бы такую последовательность действий. Собрали плату, проверили сборку, микросхему не ставим. В панельку микросхемы подключаем на ноги 8-9 резистор 1,6кОм 1Вт, подключаем питание 220В, двигатель и таходатчик не подключен (это не принципиально), и меряем напряжение на подключённом резисторе. Должно быть 15-17В. Ставим микросхему, подключаем мотор и таходатчик и наслаждаемся работой. В немецкую схему советую внести следующее изменение. На регуляторе частоты вращения, на центральном отводе, запаять резистор 1,2кОм и второй конец этого резистора на клемму Х2-2, по семе. Боковую ногу регулятора которая раньше шла на центральный отвод, подключаем на корпус. Что это даёт. Раньше, при выведенном в ноль регуляторе, двигатель продолжал вращаться, теперь стоит как ему и положено. А методика настройки простая. Регулятор на ноль, включили, добавили немного оборотов, крутим Р1 пока обороты не станут красивыми на слух и визуально, обороты на максимум, крутим ограничение максимальных оборотов Р3, наслаждаемся своим мастерством. 

Залогом долговечности любого двигателя является плавность его работы. Для решения поставленной задачи в коллекторных силовых установках используются регуляторы оборотов с поддержанием мощности. Эти устройства можно приобрести либо сделать своими руками.Регулятор оборотов представляет собой частотный преобразователь, в основе которого лежит мощный транзистор. Он необходим для инвертирования напряжения, а также плавной остановки (пуска) электродвигателя при помощи широко-импульсного управления электрическими устройствами или ШИМ.

Область применения регуляторов

Простым примером такого преобразователя является стабилизатор напряжения, часто используемый в быту. Однако в сравнении с ним регулятор оборотов более функционален. Частотные преобразователи нашли широкое применение и используются во всех электроустройствах. Благодаря их применению не только обеспечивается точный контроль над работой двигателя,

но также достигается экономия электрической энергии, так как силовая установка потребляет лишь необходимую мощность, а не максимальную.

Купить регулятор оборотов двигателя без потери мощности можно для решения следующих задач:

  • Контроль температуры мотора без использования дополнительных контроллеров.
  • Сокращаются затраты на техническое обслуживание.
  • Обеспечивается плавный пуск.
  • Экономится электрическая энергия.

Устройство используется во всей бытовой технике, сварочных аппаратах и т. д.

Принцип работы устройства

В состав устройства входит три основных подсистемы:

  • Электромотор.
  • Микроконтроллерная система управления с блоком преобразователя.
  • Привод и связанные с ним механизмы.

После того как электродвигатель был запущен, показатель силы тока в цепи достигает максимальных значений. Причем этот процесс повторяется несколько раз, что приводит к выделению большого количества тепла. В результате долговечность электродвигателя сокращается. Используемое устройство исполняет роль ступенчатого инвертора, обеспечивая двойное преобразование энергии.

В зависимости от подаваемого напряжения, частотный регулятор выпрямляет ток посредством диода, расположенного на входе схемы. Затем ток проходит дополнительную фильтрацию, благодаря нескольким конденсаторам и поступает в микросхему, формирующую ШИМ. Вследствие всех этих процессов обмотка двигателя не подвергается чрезмерной нагрузке.

Рекомендации по выбору

Есть несколько характеристик, на которые необходимо обращать внимание при выборе регулятора:

  • Тип управления — в коллекторных электродвигателях используются векторные и скалярные системы управления. Первый вид чаще применяется, но второй является более надежным.
  • Мощность — этот показатель должен соответствовать максимально допустимой мощности предохраняемого устройства. Если силовая установка является низковольтной, то стоит остановить выбор на регуляторе с более высоким показателем мощности в сравнении с допустимым.
  • Напряжение — подбирается в соответствии с характеристиками двигателя.
  • Частотный диапазон — должен полностью соответствовать поставленным задачам, например, для ручного фрезерного станка вполне достаточно 2019 Гц.

Все остальные характеристики (габариты, срок гарантии и т. д. ) можно смело считать второстепенными. На рынке достаточно много брендов, выпускающих качественные и сравнительно недорогие устройства.

Изготовление своими руками

Если устройство планируется использовать в домашних условиях, то порой покупать готовое не имеет смысла. С финансовой точки зрения проще изготовить регулятор оборотов с поддержанием мощности своими руками. Для этого потребуется лишь несколько радиодеталей, которые могут быть легко приобретены. Основным элементом схемы является симистор типа ВТ138−600, а для регулирования оборотов используется потенциометр (обозначен буквой Р).

Существует много схем для создания регулятора частоты вращения, но предложенная наиболее проста в изготовлении. Собранное на ее основе устройство может использоваться для решения различных задач, например, в электроприводе швейной машинки или настольного станка. Принцип работы схемы предельно прост: при замедлении вращения двигателя показатель его индукции снижается, что приводит к росту напряжения на С3, R 2 и Р с последующим открытием тиристора.

Хотя предложенная схема проста, она позволяет решить большое количество задач. При желании можно собрать более сложное устройство — тиристорный регулятор с обратной связью. Это выгодное решение с точки зрения экономии электроэнергии, но требующее большего набора знаний в области радиотехники, ведь практически все они основаны на микросхемах, например, TDA 1080.