Регуляторы оборотов с поддержанием мощности в двигателях

Регуляторы оборотов с поддержанием мощности в двигателях

Практически во всех бытовых приборах и электроинструментах используется коллекторныйдвигатель. В более новых моделях болгарок, шуруповертов, ручных фрезеров, пылесосов, миксеров и других присутствует регулировка оборотов двигателя, но в более поздних моделях такой функции нет. Такими инструментами и бытовыми приборами не всегда удобно работать, и поэтому существуют регуляторы оборотов с поддержанием мощности.

Виды двигателей и принцип работы

Двигатели делятся на три типа: коллекторный, асинхронный и бесколлекторный. В большинстве электроинструментов стоит первый тип. Этот электродвигатель имеет довольно компактный размер. Его мощность значительно выше, чем у асинхронного, а цена довольно низкая. Что касается асинхронных, то этот тип в основном используется в металлообрабатывающей отрасли, а также широкое распространение они получили в угледобывающих шахтах. Довольно редко их можно встретить в быту.

Бесколлекторный электродвигатель используется там, где нужны большие обороты, точное позиционирование и малые размеры. Например, в различной медицинской технике, авиамоделировании. Принцип работы довольно прост. Если рамку прямоугольной формы, которая имеет ось вращения, поместить между плюсами постоянного магнита, то она начнет вращаться. Направление зависит от направления тока в рамке. В составе этого типа присутствуют якорь и статор. Якорь вращается, а статор стоит неподвижно. Как правило, на якоре стоит не одна рамка, а 4,5 или более.

Асинхронный двигатель работает по другому принципу. Благодаря эффекту переменного магнитного поля в статорных катушках он приводится во вращение. Если углубиться в курс физики, то можно вспомнить, что вокруг проводника, через который проходит ток, создается своеобразное магнитное поле, заставляющее вращаться ротор.

Принцип работы бесколлекторного типа основан на включении обмоток так, чтобы магнитные поля статора и ротора были ортогональны друг другу, а вращающий момент регулируется специальным драйвером.

На рисунке отчетливо видно, что для перемещения ротора нужно выполнить необходимую коммутацию, но и регулировать обороты не представляется возможным. Тем не менее бесколлекторный двигатель может очень быстро набирать обороты.

Устройство коллекторного двигателя

Коллекторный электродвигатель состоит из статора и ротора. Ротором называется часть, которая

вращается, а статор является неподвижным. Еще одной составляющей электродвигателя являются графитовые щетки, по которым ток течет к якорю. В зависимости от комплектации могут присутствовать датчики Холла, которые дают возможность плавного запуска и регулировки оборотов. Чем выше подаваемое напряжение, тем выше обороты. Этот тип может работать как от переменного, так и от постоянного тока.

По классификации коллекторные двигатели можно разделить на те, что работают от переменного и от постоянного тока. Их также можно разделить по типу возбуждения обмотки: двигатели с параллельным, последовательным и смешанным (параллельно-последовательным) возбуждением.

Типы регулировки

Существует довольно много вариантов регулировки оборотов. Вот основные из них:

• Блок питания с регулировкой выходного напряжения.
• Заводские устройства регулировки, которые идут изначально с электромотором.
• Регуляторы на кнопочном управлении и стандартные регуляторы, которые просто ограничивают напряжение.

Эти типы регулировки плохи тем, что с уменьшением или увеличением напряжения падает и мощность. В некоторых электроинструментах это допустимо, но, как показывает практика, в большинстве случаев это является неприемлемым из-за сильного падения мощности и, соответственно, КПД.

Наиболее приемлемым вариантом будет регулятор на основе симистора или тиристора. Мало того что такой регулятор не уменьшает мощность при уменьшении напряжения, он еще и позволяет осуществлять более плавный пуск и регулировку оборотов. К тому же такую схему можно сделать своими руками. Ниже изображен регулятор оборотов с поддержанием мощности. Схема собрана на базе симистора BTA 41 800 В.

Все номиналы электроэлементов обозначены на схеме. Это схема после сборки, работает довольно стабильно и обеспечивает плавную регулировку коллекторного двигателя. При уменьшении выходного напряжения мощность не уменьшается, что является весомым плюсом.

При желании можно собрать регулятор оборотов коллекторного двигателя 220 В своими руками. Эта схема собрана на базе симистора ВТА26−600, который предварительно необходимо установить на радиатор, так как при нагрузке этот элемент довольно сильно греется.

К готовой схеме возможно подключить электромотор, мощность которого не превышает 4 кВт.

Схема выглядит следующим образом.

Она успешно справится с регулировкой таких электроинструментов, как дрель, болгарка, циркулярка, лобзик. При желании можно использовать схему в качестве регулятора мощности ТЭН-ов, обогревателей и в качестве диммера. К минусам можно отнести невозможность регулировки мощности приборов, которые питаются от постоянного тока.

Регуляторы мощности постоянного тока

Иногда возникает потребность в регулировке оборотов коллекторного двигателя постоянного тока.

Если потребитель не имеет большой мощности, то возможно последовательно подсоединить переменный резистор, но тогда КПД такого регулятора резко упадет. Существуют схемы, при помощи которых возможно довольно плавно регулировать обороты, не уменьшая КПД. Такой регулятор подойдет для изменения яркости различных ламп, напряжения питания, не превышающего 12 В. Эта схема также выполняет роль стабилизатора частоты вращения, при изменении механической нагрузки на вал обороты остаются неизменными.

Эта схема регулятора оборотов двигателя постоянного тока 12 В вполне подойдет для регулировки и стабилизации оборотов двигателей с током, не превышающим 5 А. В эту схему входит драйвер на биполярных транзисторах и таймер 7555, что обеспечивает стабильную работу и плавную скорость регулировки. Цена на детали довольно низкая, а это является несомненным плюсом. Можно также собрать регулятор оборотов электродвигателя 12 В своими руками.

Асинхронный двигатель и регулятор оборотов

Как правило, этот тип применяется на различных производствах, начиная от шахт и заканчивая металлообрабатывающими отраслями. Например, в угольных шахтах для плавного пуска конвейерных лент используется пускатель АПМ, в который встроено устройство на тиристорах, позволяющее плавно запустить конвейер. Асинхронный однофазный двигатель применяется также в автомобилях, вентиляторах печек, двигателях, которые приводят в движение дворники, бытовых вентиляторах, питающихся от напряжения 220 В. В машине двигатели работают от постоянного напряжения 12 вольт, но плавный запуск в них не предусмотрен.

Для регулировки оборотов асинхронного двигателя применяются так называемые частотные преобразователи. Эти преобразователи позволяют кардинально менять форму и частоту сигнала. Как правило, такие преобразователи собраны на базе мощных полупроводниковых транзисторов и импульсных модуляторов, а всеми элементами управляет ШИМ-контроллер.

Следует помнить: чем плавней разгон двигателя, тем меньше он испытывает перегрузок. Это касается редукторов, конвейеров, мощных насосов, лифтов. Вот одна схема регулятора оборотов асинхронного двигателя 220 В.

С помощью этой схемы можно регулировать обороты двигателей, мощность которых не превышает 1 тыс. Вт. При сборке этой схемы есть нюансы, которые необходимо учесть:

• Тип соединения «треугольник».
• Необходим драйвер трехфазного моста IR2133.
• Микроконтроллер AT90SPWM3B.
• Для прошивки микроконтроллера необходим программатор.
• Мощные транзисторы IRG4BC30W или их аналоги.
• ЖК-дисплей в качестве индикатора.
• Импульсный блок питания, который можно купить или собрать собственноручно.

Из-за значительного нагрева диодный мост и силовые транзисторы необходимо установить на радиатор. Если предполагается подключение двигателя мощностью до 400 Вт, то термодатчик ставить необязательно, а для управления можно использовать опторазвязку.

Чтобы увеличить срок службы различных видов двигателей, рекомендуется пользоваться регуляторами оборотов, решающими большое количество проблем.

Устройство однофазного асинхронного двигателя

Наибольшее применение однофазные асинхронные электродвигатели нашли в быту и малом бизнесе. Их применение необходимо в тех областях, где нет трехфазной электрической сети. Многие компании выпускаются однофазные электродвигатели мощностью до 2 кВт и выше. Применение однофазных двигателей большей мощности ограничено мощностью бытовой сети и проблемами запуска однофазного двигателя.

Приемлемое, на сегодняшний день, решение таких проблем возможно при использовании однофазного частотного преобразователя. Но применение преобразователя частоты будет оправдано в том случае, когда необходимо регулировать частоту вращения электродвигателя. Кроме того, однофазные частотные преобразователи обычно выпускаются до мощности 2,2кВт, что в свою очередь тоже является ограничением. В таком случае приходится использовать однофазный асинхронный двигатель. Внешний вид однофазных асинхронных двигателей различных фирм производителей показан на рисунках.

Устройство однофазного асинхронного двигателя показано на рисунке

Как видно из рисунка, основное отличие однофазного двигателя от трехфазного, является наличие в нем центробежного переключателя. Центробежный переключатель подключает пусковую обмотку двигателя перед пуском и отключает после окончания пуск, при достижении двигателя номинальных оборотов. Центробежный переключатель состоит из специальной стальной пружины и калиброванных грузиков, которыми настраивается момент отключения пусковой обмотки. Вся конструкция собрана в надежном корпусе. Быстрая работа переключателя уменьшает искрение и износ контактов и продлевает надежную работу устройства.

Центробежный переключатель

Другой элемент, которого нет в трехфазном асинхронном двигателе, но который есть в однофазном это рабочий и пусковой конденсатор.

Пусковой конденсатор

Конденсатор может быть установлен и вне двигателя, например, вместе с пускозащитной аппаратурой.

Корпус

Корпус электродвигателей изготовлен из высококачественного из алюминиевого сплава или чугуна марки. В корпусе сделаны боковые отверстия для циркуляции воздуха. Возможна работа однофазного двигатель и в горизонтальном и в вертикальном положении.

Статор двигателя

Статор однофазного двигателя изготавливается из ламината качественной электротехнической стали с термохимической обработкой, что снижает магнитные потери и рабочую температуру двигателя. Сердечник статора, набирается из штампованных листов электротехнической стали. В пазы сердечника укладывается статорная обмотка. Изоляция пазов статора, изоляция обмоточного провода, пропиточный состав и другие изоляционные детали статора образуют систему изоляции.

Обмотки

Статорная обмотка наматывается круглым эмалированным проводом и пропитана в нагревостойком электроизоляционном лаке. Обмоточный провод как стандарт покрыт лаком класса Н. После укладки вся обмотка повторно пропитывается специальным полиэстерным составом. Такая технология обеспечивает высокую электрическую и механическую надежность обмоток и долгий срок службы. Обмотка статора мотается как две обмотки главная(рабочая) (U1 и U2) и вспомогательная (пусковая) (Z1 и Z2). Главная обмотка подключается непосредственно к сети, вспомогательная обмотка также подключается к сети, но через рабочий конденсатор.

Ротор

Сердечник ротора однофазного двигателя изготовлен из ламината качественной стали с термической и химической обработкой. Его напрессовывают на вал. Обмотка ротора имеет название «Беличья клетка» или «Беличье колесо»- короткозамкнутая отливается из чистого алюминия . что обеспечивает низкий момент инерции и повышение К П Д.

Вал

Вал однофазного двигателя изготавливают из углеродистой стали. Такая сталь имеет высокую механическую прочность, и предотвращает прогиб вала под нагрузкой, что уменьшает его износ. По отдельному заказу вал однофазного двигателя можно изготовить из нержавеющей стали.

Подшипниковые щиты

Подшипниковые щиты отливаются из алюминиевого сплава или чугуна с армирующей стальной втулкой под посадку подшипника. Их площадь поверхности увеличина для лучшего охлаждения подшипников. Обычно в переднем подшипниковом щите устанавливается невинтовая пружина, предназначенная для осевого поджатия подшипника.

Подшипниковые узлы

Обычно в однофазных двигателях применяются шариковые подшипники, но в двигателях большими высотами оси вращения по отдельному заказу можно применять роликовые подшипники, которые допускают в 2 раза большие радиальные нагрузки. В однофазных двигателях с высотой оси вращения до 180 мм в подшипники закладывается смазка на весь гарантийный срок службы (не менее 20 тыс. часов). В подшипниковые узлы однофазных двигателей с осями вращения более 200 мм необходимо регулярно производить полную или частичную смену отработанной смазки. График смены смазки можно найти в инструкции по эксплуатации двигателя. Типы и размеры применяемых в двигателях подшипников указаны в каталогах. В них же можно найти величины предельно допустимых радиальных и осевых нагрузок рабочего конца вала

.

Подшипники

Импортные однофазные двигатели снабжаются подшипниками высокого качества, от лучших всемирных брендов. Это обеспечивает длительный срок службы в тяжёлых условиях работы. В качестве смазки используется высококачественная смазка Super-premium Polyrex ЕМ. Эта смазка обеспечивает надежную работу подшипников и низкий уровень шума. В двигателях отечественных производителей используются более дешевые подшипники 76-180205Ш2У (6205 2RS P63.QE6) с постоянно заложенной смазкой на весь срок службы.

Вентилятор

Вентилятор однофазного двигателя изготавливают из пластмассы. Его устанавливают на вал ротора а сверху защищая кожухом. Вентиляторы служат для обеспечения эффективного охлаждения двигателя. Новые компьютерные программы моделирования асинхронных двигателей позволяют разрабатывать вентилятор и его крышку для работы с минимальным уровнем шума. Обдув осуществляется внешним вентилятором, закрытым направляющим кожухом. Двигатели производятся с симметричной радиальной, либо с комбинированной системой вентиляции. В двигателях с симметричной радиальной вентиляцией в станине предусмотрены отверстия для выхода воздуха. Изнутри станины отлиты выступы с каналами для протока воздуха в аксиальном направлении. Вентилятор, отлитый вместе с короткозамыкающими кольцами ротора прогоняется воздух через двигатель. Для циркуляции воздуха внутри двигателя используются диффузоры, смонтированные в двух подшипниковых щитах.

Обдув однофазного двигателя с комбинированной вентиляцией производится центробежным вентилятором, установленным на валу двигателя со стороны, противоположной приводу. Вентилятор обдувает ребристую поверхность станины и вентиляционными лопатками ротора всасывающими воздух через нижнюю часть отверстий в подшипниковых щитах. Воздух омывает лобовые части обмотки и выбрасывается через верхнюю часть отверстий в щитах.

Клемная коробка

Клемная коробка однофазного двигателя изготовливают из алюминиевого сплава или чугуна. В коробке предусмотрено одно или два резьбовых отверстия для сальников, через которые проходят присоединительные кабеля. Конструкция клемной коробки позволяет монтировать коробку с шагом 90°. При заказе двигателя необходимо уточнять верхнее или боковое расположение клемной коробки.

Лапы

В зависимости от способа крепления двигатели подразделяются на фланцевые и со способом крепления на лапах. Существуют универсальные двигатели с лапами и фланцем. Существуют конструкции со съемными лапами позволяющие изменять способ монтажа.

Уплотнения

Для защиты однофазного двигателя от агрессивных условий окружающей среды в электродвигателях применяются V-образные манжеты и манжеты с пружиной. Система уплотнения состоит из трех компонентов (лабиринтное уплотнение с V-образной манжетой и О-образная манжета). Такая конструкция гарантируют защиту подшипников против агрессивных жидких и твердых веществ.

Вопрос по регулировке асинхронного двигателя

Можно ли регулировать обороты асинхронного двигателя автотрансформатором? (он же ЛАТР) Если можно то лучше ли он будет симмистороного регулятора? Двигатель используется в качестве вентилятора небольшой мощности где то 350вт. Просьба частотник не предлагать, нету возможности за него переплатить к сожалению.

• Просмотр профиля
• Личное сообщение

Если обычный асинхронник не пойдет. У него устойчивая зона работы близкая к номинальной скорости. В неустойчивой зоне при небольшом изменении напряжения он будет или разгонялся до оборотов близких к номинальным либо останавливаться. Хотите так регулировать берите двигатель от стиралки с коллектором.

• Просмотр профиля
• Личное сообщение

rosck , до есть в моем случае только частотник сможет номрально регулировать без последствий?

• Просмотр профиля
• Личное сообщение

Так же интересует подойдет ли такой регулятор

• Просмотр профиля
• Личное сообщение

Там в инструкции написано конструкция вентилятора должна должна быть разработана для установки тиристорного регулятора.То есть двигатель должен быть специально рассчитан на такой способ управления. Я не встречал таких вентиляторов с такими регуляторами. Попадались вентиляторы с регулировкой скорости с помощью конденсаторов. Больше ёмкость больше скорость. С обычными маломощными асинхрониками игрался при понижении напряжения ведут себя так как описал выше.Возможно эти двигатели изготовлены с повышенным скольжением за счёт увеличенного сопротивления обмотки ротора. Самому интересно. Регулятор однозначно не пойдет ток всего 1А.

• Просмотр профиля
• Личное сообщение

rosck написал :
. Я не встречал таких вентиляторов с такими регуляторами.

Сейчас практически все, относительно мелкие, вентиляторы могут управляться тиристорным регулятором. Но как правильно написали, они и изготавливались под возможность регулировки скорости вращения при изменении напряжения. Ostberg, SistemAir, VS, VT, Лиссант, Вентс и еще куча производителей которые их производят.
Что касается асинхронника, то ему поможет только частотник.

Только вот сама тема была начата не правильно.
Слово "асинхронник" сыграл плохую шутку, т.к никто не уточнил у ТС что же собой представляет эл.двигатель. Ведь бесколлекторный конденсаторный двигатель то же является одной из разновидностей "асинхронников"

Сработала привычка. В основном, под названием "асинхронник" понимается электродвигатель работающий в трех- или однофазной (опять таки, 3-х фазник используемый с конденсатором) сети, с ротором — "белечья" клетка и еще кучей определенных технических характеристик.
Но ведь и у тех производителей, которых назвал выше, то же используется "асинхронный" электродвигатель, но определенной конструкции. Асинхронный электродвигатель с внешним ротором и высокоомной рабочей обмоткой — примерно такое название когда-то встретил.

К чему все это написал. Скорее всего надо "нАчать" "от печки . ". От ТС — хотелось бы увидеть или фото "зверя" или его маркировку .

Преимущества и недостатки однофазных электродвигателей

Электродвигатель является незаменимым элементом для работы как небольшого бытового прибора, так и промышленного оборудования. Установленные в оборудовании двигатели адаптированы к однофазной или трехфазной сети — в зависимости от напряжения в розетках. Насколько они разные?

Основное различие между указанными типами двигателей касается адаптации к конкретным системам. Однофазные двигатели подключаются к однофазной установке с напряжением 220 В, в то время как стандартное напряжение в трехфазной сети составляет 380 В. Более того, в случае однофазного двигателя мы имеем дело с одной обмоткой (вернее с двумя — основной, т.е. рабочей и пусковая), в то время как в трехфазном двигателе их целых три. Проще говоря, напряжения, характерные для одной и трех фаз, можно описать как 1×220 В и 3×380 В соответственно.

Разница в мощности двигателей: мощность однофазных двигателей обычно составляет от 0,1 кВт до 3 кВт, хотя на практике однофазные приводы мощностью более 2 кВт встречаются редко. Что касается трехфазных двигателей, то самые слабые из них имеют мощность около 3 кВт. Специфика работы обсуждаемых двигателей тесно связана с системами, которым они соответствуют. Для однофазной системы характерна стабильность, чего нельзя сказать о трехфазной системе. С другой стороны, трехфазная система, несомненно, эффективнее.

Распространенная проблема с трехфазным двигателем — обрыв фазы. Результат такой поломки может серьезно повредить двигатель. Эта проблема не возникает с однофазными установками, поскольку двигатель просто отключается при обрыве фазы. Из-за наличия только одной фазы ее потеря приводит к отсутствию напряжения. Однако следует учитывать, что современные трехфазные двигатели оборудованы очень эффективной защитой от обрыва фазы.

При сравнении однофазного и трехфазного электродвигателей следует также упомянуть отсутствие пускового момента мотора. Поэтому такие двигатели оснащаются специальными пусковыми устройствами.

Преимущества однофазных электродвигателей

• простая конструкция
• быстрота изготовления
• относительно низкая цена
• надежность
• отсутствие затрат на ремонт при эксплуатации
• небольшой вес, компактность
• работа от сети 220 В без преобразователей

Недостатки однофазных электродвигателей

• низкий коэффициент мощности (1-2 кВт).
• высокие пусковые токи
• низкий КПД, по сравнению с трехфазными
• сложность регулировки скорости
• ограничение скорости двигателя в зависимости от частот питающей сети.

Однофазные двигатели используются во всех видах бытовой техники и электроники, которые мы используем в своих домах. В домашних условиях мы обычно имеем дело с однофазной системой. С другой стороны, трехфазные двигатели необходимы там, где мощность важнее стабильности напряжения, поэтому они используются в основном в промышленности и мастерских.