Niezawodny obwód regulatora prędkości silnika kolektora bez utraty mocy ze sprzężeniem zwrotnym Tahoe

Wiele prac na drewnie, metalu lub innych rodzajach materiałów nie wymaga dużych prędkości, ale dobrej przyczepności. Bardziej słusznie byłoby powiedzieć - chwila. To dzięki niemu zaplanowane prace można wykonać sprawnie i przy minimalnych stratach mocy. W tym celu silniki prądu stałego (lub silniki kolektorów) są używane jako urządzenie napędowe, w którym napięcie zasilania jest prostowane przez samą jednostkę. Następnie, w celu uzyskania wymaganej wydajności, należy wyregulować prędkość silnika kolektora bez utraty mocy.

Funkcje regulacji prędkości

Ważne jest, aby wiedzieć, że każdy silnik, obracając się, zużywa nie tylko moc czynna, ale i bierna. W takim przypadku poziom mocy biernej będzie wyższy, co związane jest z charakterem obciążenia. W tym przypadku zadaniem zaprojektowania urządzeń do sterowania prędkością obrotową silników kolektorów jest zmniejszenie różnicy między mocą czynną a bierną. Dlatego takie konwertery będą dość złożone i nie jest łatwo je wykonać samodzielnie.

Własnymi rękami możesz zaprojektować tylko pozory regulatora, ale nie warto mówić o zachowaniu mocy. Czym jest moc? Pod względem wydajności elektrycznej jest to iloczyn zużytego prądu pomnożony przez napięcie. Wynik da pewną wartość obejmującą składniki aktywne i reaktywne. Aby wybrać tylko aktywny, czyli zredukować straty do zera, należy zmienić charakter obciążenia na aktywny. Takie właściwości mają tylko rezystory półprzewodnikowe.

Stąd, konieczna jest wymiana indukcyjności na rezystor, ale to niemożliwe, bo silnik zamieni się w coś innego i oczywiście niczego nie wprawi w ruch. Celem bezstratnej regulacji jest zachowanie momentu obrotowego, a nie mocy: to i tak się zmieni. Z takim zadaniem poradzi sobie tylko konwerter, który będzie sterował prędkością poprzez zmianę czasu trwania impulsu otwarcia tyrystorów lub tranzystorów mocy.

Uogólniony obwód regulatora

Przykładem regulatora realizującego zasadę sterowania silnikiem bez strat mocy jest przekształtnik tyrystorowy. Są to układy scalone z proporcjonalnym sprzężeniem zwrotnym, które zapewniają: ścisła regulacja charakterystyka począwszy od przyspieszenia-hamowania, a skończywszy na biegu wstecznym. Najskuteczniejsza jest kontrola fazy impulsu: częstotliwość powtarzania impulsu strzału jest zsynchronizowana z częstotliwością sieci. Pozwala to na utrzymanie momentu obrotowego bez zwiększania strat w składniku reaktywnym. Uogólniony schemat można przedstawić w kilku blokach:

• prostownik sterowany mocą;
• jednostka sterująca prostownika lub obwód sterujący impulsową fazą;
• sprzężenie zwrotne z tachogeneratora;
• blok regulacji prądu w uzwojeniach silnika.

Przed zagłębieniem się w bardziej precyzyjne urządzenie i zasadę regulacji konieczne jest określenie typu silnika kolektora. Od tego będzie zależeć schemat kontroli jego działania.

Odmiany silników kolektorów

Znane są co najmniej dwa typy silników kolektorów. Pierwsza obejmuje urządzenia z twornikiem i uzwojeniem polowym na stojanie. Drugi obejmuje urządzenia z kotwicą i magnesami trwałymi. Ty też musisz się zdecydować, do jakich celów wymagane jest zaprojektowanie regulatora:

• Jeśli konieczna jest regulacja za pomocą prostego ruchu (na przykład obracanie kamienia szlifierskiego lub wiercenie), to prędkość będzie musiała zostać zmieniona w zakresie od jakiejś wartości minimalnej, nie równej zeru, - do maksymalny. Przybliżona liczba: od 1000 do 3000 obr./min. W tym celu odpowiedni jest uproszczony obwód z 1 tyrystorem lub parą tranzystorów.
• Jeśli konieczne jest kontrolowanie prędkości od 0 do maksimum, będziesz musiał użyć pełnoprawnych obwodów konwertera ze sprzężeniem zwrotnym i sztywnymi charakterystykami sterowania. Zwykle mistrzowie samoucy lub amatorzy mają precyzyjnie silniki kolektorowe z uzwojeniem wzbudzenia i tachogeneratorem. Taki silnik to jednostka używana w każdej nowoczesnej pralce i często zawodzi. Dlatego rozważymy zasadę sterowania tym konkretnym silnikiem, po dokładniejszym przestudiowaniu jego urządzenia.

Konstrukcja silnika

Strukturalnie silnik pralki „Indesit” jest prosty, ale przy projektowaniu regulatora do kontrolowania jego prędkości należy wziąć pod uwagę parametry. Silniki mogą mieć różne charakterystyki, dzięki czemu zmieni się również sterowanie. Uwzględniany jest również tryb działania, od którego będzie zależeć projekt konwertera. Strukturalnie silnik komutatorowy składa się z z następujących komponentów:

• Kotwica, posiada uzwojenie ułożone w rowkach rdzenia.
• Kolektor, prostownik mechaniczny napięcia przemiennego sieci, przez który jest przekazywany do uzwojenia.
• Stojan z uzwojeniem wzbudzenia. Konieczne jest wytworzenie stałego pola magnetycznego, w którym zwora będzie się obracać.

Wraz ze wzrostem prądu w obwodzie silnika, połączonym zgodnie ze standardowym schematem, uzwojenie polowe jest połączone szeregowo z twornikiem. Dzięki temu włączeniu zwiększamy również pole magnetyczne działające na twornik, co umożliwia osiągnięcie liniowości charakterystyk. Jeśli pole pozostaje niezmienione, trudniej uzyskać dobrą dynamikę, nie mówiąc już o dużych stratach mocy. Takie silniki najlepiej stosować przy niskich prędkościach, ponieważ wygodniej jest sterować nimi przy małych dyskretnych ruchach.

Organizując oddzielne sterowanie wzbudzeniem i twornikiem, można osiągnąć wysoką dokładność pozycjonowania wału silnika, ale wtedy obwód sterowania stanie się znacznie bardziej skomplikowany. Dlatego przyjrzymy się bliżej regulatorowi, który pozwala na zmianę prędkości obrotowej od 0 do wartości maksymalnej, ale bez pozycjonowania. To może się przydać, jeśli z silnika z pralki zostanie wykonana pełnoprawna wiertarka z możliwością wycinania gwintów.

Wybór schematu

Po poznaniu wszystkich warunków, w których silnik będzie używany, możesz rozpocząć produkcję regulatora prędkości silnika kolektora. Warto zacząć od wyboru odpowiedniego schematu, który zapewni Ci wszystkie niezbędne cechy i możliwości. Powinieneś je zapamiętać:

• Regulacja prędkości od 0 do maksimum.
• Zapewnia dobry moment obrotowy przy niskich prędkościach.
• Płynność regulacji prędkości.

Biorąc pod uwagę wiele schematów w Internecie, możemy stwierdzić, że niewiele osób zajmuje się tworzeniem takich „agregatów”. Wynika to ze złożoności zasady sterowania, ponieważ konieczne jest zorganizowanie regulacji wielu parametrów. Kąt otwarcia tyrystora, czas trwania impulsu sterującego, czas przyspieszania-zwalniania, szybkość narastania momentu obrotowego. Funkcje te są obsługiwane przez obwód w sterowniku, który wykonuje złożone obliczenia całkowe i transformacje. Rozważ jeden ze schematów, który jest popularny wśród rzemieślników samouków lub tych, którzy po prostu chcą z pożytkiem wykorzystać stary silnik z pralki.

Wszystkie nasze kryteria spełnia obwód sterujący prędkością obrotową silnika kolektora, zmontowany na specjalistycznym mikroukładzie TDA 1085. Jest to w pełni gotowy sterownik do sterowania silnikami, który pozwala na regulację prędkości od 0 do wartości maksymalnej, zapewniając utrzymanie momentu obrotowego poprzez zastosowanie tachogeneratora.

Cechy konstrukcyjne

Mikroukład jest wyposażony we wszystko, co niezbędne do realizacji wysokiej jakości sterowania silnikiem w różne tryby prędkości, począwszy od hamowania, kończąc na przyspieszaniu i obrocie z maksimum prędkość. Dlatego jego użycie znacznie upraszcza projektowanie, jednocześnie robiąc całość napęd uniwersalny, ponieważ można wybrać dowolne obroty ze stałym momentem obrotowym na wale i wykorzystać go nie tylko jako napęd przenośnika taśmowego czy wiertarki, ale również do przesuwania stołu.

Charakterystykę mikroukładu można znaleźć na oficjalnej stronie internetowej. Wskażemy główne cechy, które będą wymagane do zaprojektowania konwertera. Należą do nich: układ scalony do przetwarzania częstotliwości na napięcie, generator przyspieszenia, softstarter, procesor sygnału Tahoe, moduł ograniczenia prądu itp. Jak widać, obwód wyposażony jest w szereg zabezpieczeń, które zapewnią stabilność regulatora w różnych trybach.

Poniższy rysunek pokazuje typowy obwód do włączania mikroukładu.

Schemat jest prosty, dlatego jest dość powtarzalny własnymi rękami. Istnieje kilka funkcji, które obejmują wartości graniczne i sposób kontrolowania prędkości:

• Maksymalny prąd w uzwojeniach silnika nie powinien przekraczać 10 A (z zastrzeżeniem konfiguracji pokazanej na schemacie). Jeśli używasz triaka o dużym prądzie przewodzenia, moc może być wyższa. Pamiętaj, że będziesz musiał zmienić rezystancję w obwodzie sprzężenia zwrotnego w dół, a także indukcyjność bocznika.
• Maksymalna prędkość obrotowa osiąga 3200 obr./min. Ta cecha zależy od typu silnika. Obwód może sterować silnikami do 16 tys. obr/min
• Czas przyspieszania do prędkości maksymalnej osiąga 1 sekundę.
• Normalne przyspieszenie jest zapewnione w ciągu 10 sekund od 800 do 1300 obr./min.
• W silniku zastosowano 8-biegunowy tachogenerator o maksymalnym napięciu wyjściowym 6000 obr/min 30 V. Oznacza to, że powinien wyprowadzać 8mV przy 1 obr./min. Przy 15 000 obr./min powinien mieć napięcie 12 V.
• Do sterowania silnikiem stosowany jest triak 15A i napięcie graniczne 600 V.

Jeśli konieczne jest zorganizowanie rewersu silnika, wówczas konieczne będzie uzupełnienie obwodu o rozrusznik, który zmieni kierunek uzwojenia pola. Obwód sterowania prędkością zerową będzie również wymagany do włączenia biegu wstecznego. Nie pokazano na rysunku.

Zasada kontroli

Gdy prędkość obrotowa wału silnika jest ustawiona przez rezystor w obwodzie wyjściowym 5, na wyjściu tworzona jest sekwencja impulsów, aby odblokować triak o określoną wartość kąta. Prędkość jest monitorowana przez tachogenerator, który działa cyfrowo. Sterownik zamienia odebrane impulsy na napięcie analogowe, dzięki czemu prędkość wału jest stabilizowana na jednej wartości, niezależnie od obciążenia. Jeśli napięcie z tachogeneratora zmieni się, wewnętrzny regulator zwiększy poziom wyjścia sterującego triakiem, co doprowadzi do wzrostu prędkości.

Mikroukład może sterować dwoma przyspieszeniami liniowymi, aby uzyskać dynamikę wymaganą od silnika. Jeden z nich jest ustawiony przez pin Ramp 6 obwodu. Ten regulator jest używany przez samych producentów pralek, dlatego posiada wszystkie zalety, aby mógł być używany do celów domowych. Zapewnia to obecność następujących bloków:

• Regulator napięcia zapewniający normalne działanie obwodu sterującego. Jest realizowany zgodnie z konkluzjami 9, 10.
• Obwód sterowania prędkością obrotową. Zrealizowano zgodnie z konkluzjami MC 4, 11, 12. W razie potrzeby regulator można przenieść na czujnik analogowy, następnie piny 8 i 12 są połączone.
• Blok impulsów rozruchowych. Jest realizowany zgodnie z wnioskami 1, 2, 13, 14, 15. Wykonuje regulację czasu trwania impulsów sterujących, opóźnienia, kształtowanie ich ze stałego napięcia oraz kalibrację.
• Piłokształtne urządzenie do generowania napięcia. Ustalenia 5, 6 i 7. Służy do regulacji prędkości zgodnie z nastawą.
• Obwód wzmacniacza sterującego. Wniosek 16. Pozwala dostosować różnicę między prędkością ustawioną a rzeczywistą.
• Urządzenie ograniczające prąd na pinie 3. Gdy napięcie na nim wzrasta, kąt otwarcia triaka maleje.

Stosowanie podobny schemat zapewnia pełną kontrolę silnika kolektora w dowolnych trybach. Dzięki wymuszonej kontroli przyspieszenia możliwe jest osiągnięcie wymaganej prędkości przyspieszenia do prędkości zadanej. Taki regulator można zastosować do wszystkich nowoczesnych pralek wykorzystywanych do innych celów.