Устройство ЭД постоянного тока
В приводах электротранспорта, автоматике, телемеханике и во многих других областях техники широко используются электродвигатели (ЭД) постоянного тока. Главными преимуществами ЭД постоянного тока перед асинхронными являются большой пусковой момент и метод плавной регулировки оборотов при сравнительно простой электронной схеме.
Механика ЭД постоянного тока содержит якорь и статор. Якорь (ротор) – вращающаяся часть ЭД. На якоре установлен токосъемный коллектор. Магнитные полюса с обмотками возбуждения закреплены попарно на статоре. Количество полюсов может быть разным (максимальное количество имеют шаговые ЭД, например в компьютерных HDD). В малогабаритных электродвигателях для создания магнитного поля вместо параллельных обмоток на статоре применяются постоянные магниты.
Магнитное поле обмоток ротора взаимодействует с магнитным полем обмоток статора или с постоянными магнитами и создает вращающий момент. ЭД постоянного тока обладают обратимостью, т.е. могут работать как в режиме электродвигателя, так и в режиме генератора постоянного тока при механическом вращении вала якоря.
На скорость вращения влияют параметры обмоток возбуждения. При включении регулировочного сопротивления (реостата) последовательно с якорем и обмоткой возбуждения можно добиться различных рабочих характеристик ЭД (от естественной до круто падающей).
Такие характеристики обычно используются в тяговых электродвигателях городского электрического транспорта. При уменьшении сопротивления реостата увеличиваются обороты электродвигателя, хотя в настоящее время реостаты для регулирования оборотов уже не применяются, поскольку более эффективны тиристорные и транзисторные схемы регулирования оборотов ЭД.
При торможении или остановке ЭД создается режим рекуперации электроэнергии обратно в энергосистему, что экономически очень выгодно. Это достигается соответствующим включением тиристоров с помощью электроники.
ЭД постоянного тока с последовательной обмоткой включать без нагрузки не рекомендуется, так как это может привести к неуправляемому росту оборотов и соответственно его поломке. Чтобы этого не случилось, на статоре ЭД, кроме обмоток последовательного возбуждения, размещаются и обмотки параллельного возбуждения.
Дополнительные обмотки позволяют изменять магнитный поток и регулировать обороты электродвигателя. Например, в генераторах автомобилей с помощью электронной схемы регулирования тока возбуждения можно установить рекомендуемый ток заряда аккумулятора.
Регулировка скорости вращения изменением тока якоря применяется в маломощных электродвигателях, а в мощных изменяется ток обмотки параллельного возбуждения. Реверсирование (изменение направления вращения) достигается переполюсовкой питания якоря или напряжения на параллельной обмотке возбуждения.
Регулировать обороты электродвигателей можно электронными устройствами, выполненными на тиристорах или транзисторах.
Первый вариант имеет некоторые преимущества в простых схемах, так как тиристоры благодаря импульсному переключению тока меньше нагреваются при работе. Для надежного запуска тиристоров предусматривается частотное заполнение управляющего сигнала.
Предлагаемое устройство тиристорного регулирования оборотов электродвигателя постоянного тока (схема ниже) состоит из: генератора управляющего сигнала; усилителя; коммутационного элемента (тиристора); цепи ООС для стабилизации оборотов при переменной нагрузке.
Схема электрическая
Технические характеристики
Напряжение сети, В – 230;
Вторичное напряжение, В – 2×24;
Максимальный ток нагрузки, А – 20;
Максимальная мощность электродвигателя. Вт – 500.
Работа схемы
Мультивибратор на таймере DA1 вырабатывает прямоугольные импульсы. Внутренняя схема микросхемы содержит два компаратора, соединенных с входами 2 и 6, RS-триггер, выходной усилитель и ключевой транзистор для разрядки внешнего конденсатора. Вывод 7 DA1 соединен с коллектором внутреннего транзистора сброса, эмиттер которого подключен к общему проводу. Состояние этого транзистора идентично состоянию выхода 3 (открыт, когда на выходе таймера нулевой потенциал).
В приведённой схеме вывод 7 таймера используется как вспомогательный выход с повышенной нагрузочной способностью для индикации состояния таймера. Светодиод VD1 работает, когда внутренний транзистор заперт, указывая, что на выходе 3 DA1 высокий уровень.
Заряд конденсатора С1 происходит при высоком уровне на выходе 3 таймера через резисторы R2 и R3. При напряжении на С1 равном 2/3 Uпит внутренний триггер таймера переключает выход 3 в нулевой уровень, C1 разряжается через R2 и R3, затем уровень выхода снова изменяется, т.е. на выходе 3 формируются прямоугольные импульсы.
Вывод 5 DA1 используется для управления схемой. К нему подключен С2 и регулируемый стабилитрон DA3 с нагрузочным резистором R6.
Сигнал на управляющий вход DA3 поступает с установочного подстроечного резистора R10, конденсатор С5 сглаживает пульсации напряжения, создаваемого якорем ЭД при вращении.
Цепь VD4-C7-R9-C6 снижает влияние противо-ЭДС на искрение коллектора и работу тиристора. При увеличении оборотов двигателя напряжение на конденсаторе С6 возрастает, DA3 открывается и шунтирует выход 5 DA1, частота генератора на DA1 падает, и обороты ЭД снижаются. Светодиод VD2 в цепи эмиттера VT1 индицирует состояние работы схемы устройства.
Питание на вывод 8 DA1 подается от стабилизированного источника на аналоговом стабилизаторе DA2, что снижает влияние мощных выбросов тока при коммутации ЭД на работу таймера. Усилитель мощности для запуска тиристора реализован на транзисторе ДарлингтонаVT1.
Блок питания выполнен на силовом трансформаторе Т1 с выпрямителем VD5. Для снижения помех от тиристорного регулятора на электросеть установлен конденсатор С9.
Настройка
Настройку схемы начинают с проверки питания. Движок резистора R10 должен находиться в нижнем (по схеме) положении.
При регулировке оборотов резистором R3 проверяется устойчивое вращение вала электродвигателя. При увеличении напряжения обратной связи резистором R10 проверяют действие обратной связи на заторможенном механической нагрузкой вала ЭД. Обороты ЭД с ОС должны быть выше, чем без нее.
Разностное напряжение поступает на резистор R10 с анода тиристора VS1, изменяя задержку импульсов генератора относительно начала каждого полупериода сетевого напряжения. С помощью R10 устанавливается оптимальное значение напряжения обратной связи.
Напряжение на аноде тиристора VS1, пока он закрыт, равно разности напряжения питания и напряжения, создаваемого вращающимся якорем ЭД. Уменьшение частоты вращения под нагрузкой приводит к увеличению приложенного к ЭД напряжения и наоборот. Диод VD4 устраняет обратный ток, возникающий при вращении ЭД.
Конструкция и детали
DA1 можно заменить любым аналогом серии 555 или отечественным КР1006ВИ1. Транзистор VT1 можно применить типа КТ972Б или аналогичный.
Тиристор VS1 рассчитан на ток более 10 А при напряжении 100 В. Можно применить тиристоры типов КУ202, Т106, Т112, Т122, Т137, ВТ138-152, MCR-25.
Диодный мост состоит из двух диодов Шоттки на ток более 10 А, но также подойдут диоды типов Д302...305, КД203, КД206, КД213Б. Трансформатор выбирается, исходя из мощности ЭД.
Схема собрана на печатной плате, чертеж которой приведен ниже.