Регулировка оборотов электродвигателя

С проблемой регулировки оборотов электродвигателя приходится сталкиваться довольно часто: это работа с различными электроинструментами, приводами швейных машинок, прочими электроприборами на производстве и в быту. Регулировать обороты с помощью понижения питающего напряжения зачастую не имеет смысла: резко уменьшаются обороты двигателя, он теряет мощность и останавливается. Поэтому оптимальным вариантом для регулирования числа оборотов двигателя является изменение напряжения с применением обратной связи по току нагрузки.

В большинстве случаев в электроинструментах и прочем оборудовании применяются универсальные коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением. Они одинаково хорошо работают как от переменного, так и от постоянного тока. Особенность работы коллекторного электродвигателя заключается в том, что во время коммутации обмоток якоря при размыкании на ламелях коллектора возникают импульсы противо-ЭДС самоиндукции. По амплитуде они равны питающим импульсам, но по фазе – противоположны им. Угол смещения противо-ЭДС зависит как от внешних характеристик двигателя, так и от нагрузки и прочих факторов.

Вредное влияние противо-ЭДС приводит к искрению на коллекторе, а также потере мощности двигателя и дополнительному нагреву его обмоток. Некоторая часть противо-ЭДС гасится с помощью конденсаторов, шунтирующих щеточный узел.

Давайте рассмотрим процессы, которые протекают в режиме регулирования с обратной связью, на примере универсальной схемы (см. рис. 1). Опорное напряжение, которое определяет скорость вращения электродвигателя, формируется резистивно-емкостной цепью Р12-КЗ-С2. При увеличении нагрузки скорость вращения падает, при этом снижается и его крутящий момент. При этом уменьшается и противо-ЭДС, возникающая в двигателе и приложенная между катодом и управляющим электродом тиристора VS1. Это приводит к изменению на управляющем электроде тиристора напряжения, которое увеличивается пропорционально тому, как уменьшается противо-ЭДС.

Дополнительное напряжение на управляющем электроде тиристора приводит к его включению при меньшем фазовом угле (угле отсечки) и подаче на двигатель большего тока, что таким образом компенсирует снижение скорости вращения при увеличении нагрузки. Это приводит к наличию на управляющем электроде тиристора баланса импульсного напряжения, которое составлено из напряжения питания и напряжения самоиндукции двигателя.

При необходимости возможно перейти с помощью переключателя SA1 перейти на питание с помощью полного напряжения, без использования регулировки. Подбору тиристора по минимальному току включения необходимо уделить особое внимание, так это позволит обеспечить лучшую стабилизацию скорости вращения двигателя.

Вторая схема включения (см. рис.2) рассчитана на работу с более мощными двигателями, которые используются в шлифовальных машинах, деревообрабатывающих станках и дрелях. Принцип регулирования в ней остается прежним. Тиристор в этой схеме необходимо установить на радиатор с площадью не менее 25 кв.см.

При необходимости получения очень малых скоростей вращения или при применении для маломощных двигателей можно применять схему с использованием ИМС (см. рис. 3). Она питается от постоянного тока напряжением 12В. В случае питания от более высокого напряжения необходимо применить параметрический стабилизатор с напряжением стабилизации не выше 15В.

Регулировка скорости осуществляется с помощью изменения среднего значения напряжения импульсов, которые подаются на двигатель. С помощью таких импульсов возможно эффективно регулировать очень малые скорости вращения, так как они как бы “подталкивают” ротор двигателя. При повышении скорости вращения двигатель работает обычным образом.

Довольно несложная схема (см. рис. 4) предназначена для использования на линии игрушечной железной дороги. Она позволит избежать аварийных ситуаций и предоставит новые возможности при управлении составами. Лампа накаливания, находящаяся во внешней цепи, предохраняет и служит для сигнализирования о коротком замыкании на линии, ограничивая при этом выходной ток.

При необходимости регулирования оборотов двигателей с наличием на валу большого крутящего момента (например, в электролебедке) может пригодиться двухполупериодная мостовая схема, приведенная на рис. 5. Существенным отличием ее от предыдущих схем, где работает только одна полуволна питающего напряжения, является обеспечение полной мощности на двигателе.

Гасящий резистор R2 и диоды VD2 и VD6 используются для подачи питания на схему запуска. Задержка открывания тиристоров по фазе обеспечивается с помощью заряда конденсатора C1 через резисторы R3 и R4 от источника напряжения, уровень которого зависит от стабилитрона VD8. После заряда конденсатора C1 до порога срабатывания однопереходного транзистора VT1, последний открывается и запускает тот тиристор, на аноде которого имеется положительное напряжение. После разряда конденсатора однопереходный транзистор выключается. Номинал резистора R5 определяется желаемой глубиной обратной связи и типом двигателя. Для расчета его величины используется формула:

где Iм - эффективное значение максимального тока нагрузки для данного типа двигателя.

Предложенные схемы легко повторяются, но требуют произвести подбор некоторых элементов в зависимости от характеристик применяемого электродвигателя (к сожалению, практически невозможно найти электродвигатели, идентичные по всем параметрам, даже в пределах одной серии).