Регулировка оборотов двигателя от стиральной машины

Простейший регулятор оборотов электродвигателя своими руками

Изготавливая различные самоделки, приходится сталкиваться с рядом проблем и поиском их решений. Так и в случае с различными приспособлениями, которые имеют в своей конструкции коллекторный электродвигатель. Очень часто нужно сделать так, чтобы двигатель имел регулируемые обороты. Для этих целей используется регулятор (контроллер) оборотов двигателя, который можно собрать своими руками.

Представленный ниже регулятор для электродвигателей позволяет не только обеспечить плавный пуск мотора и степень регулировки оборотов, но и защитить двигатель от перегрузок. Работать контроллер может не только от 220 Вольт, но и от пониженного напряжения, вплоть от 110 Вольт.

Регулирование оборотов изменением числа пар полюсов

Специальные многоскоростные двигатели со сложной обмоткой регулируются путем изменения количества активных полюсов на статоре. Обмотки полюсов разбиты на группы, и чередуются, путем коммутации обмотки подключаются, то параллельно, то последовательно.

Положительные моменты данного способа.

• Высокий КПД мотора.
• Жесткие механические выходные параметры.

К недостаткам такого управления, можно отнести высокую стоимость электрической машин, а также значительный вес и габариты такого двигателя. Изменение оборотов происходит ступенькой 1500-3000 об/мин.

Выбираем устройство

Для того чтобы подобрать эффективный регулятор необходимо учитывать характеристики прибора, особенности назначения.

Для коллекторных электродвигателей распространены векторные контроллеры, но скалярные являются надёжнее.
Важным критерием выбора является мощность. Она должна соответствовать допустимой на используемом агрегате

А лучше превышать для безопасной работы системы.
Напряжение должно быть в допустимых широких диапазонах.
Основное предназначение регулятора преобразовывать частоту, поэтому данный аспект необходимо выбрать соответственно техническим требованиям.
Ещё необходимо обратить внимание на срок службы, размеры, количество входов.

Прибор триак

Устройство симистр (триак) используется для регулирования освещением, мощностью нагревательных элементов, скоростью вращения.

С помощью преобразователя регулируется мощность методом изменения времени открытого симистора. Если он закрыт, конденсатор заряжается посредством нагрузки и резисторов. Один резистор контролирует величину тока, а второй регулирует скорость заряда.

Когда конденсатор достигает предельного порога напряжения 12в или 24в, срабатывает ключ. Симистр переходит в открытое состояние. При переходе напряжения сети через ноль, симистр запирается, далее конденсатор даёт отрицательный заряд.

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n1 — скорость вращения магнитного поля

n2— скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

• неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
• хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

• большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
• все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

• устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
• добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
• ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
• используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

Недостатки:

• можно использовать для двигателей небольшой мощности
• при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
• при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
• все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Подключение двигателя

Внимательно осмотрите клеммники снятого двигателя. На нем есть шесть выводов: два контакта идут к датчику оборотов (таходатчику) и по два контакта с обмоток ротора и статора.

Тахометр нам не нужен, его не трогаем, надо подключить только двигатель.

Все однофазные двигатели такого типа подключаются одинаково. Выход обмотки статора надо присоединить к входу обмотки ротора. Оставшиеся два конца присоединяются к нулю и фазе. Нет разницы, какая именно обмотка будет первой, а какая второй.

Определите выходы обмоток на разъеме. Пользоваться надо тестером, один контакт постоянно держите на клемме, а второй по очереди прикладывайте к остальным. Если прибор показал короткое замыкание, то две клеммы присоединены к одной обмотке. В нашем случае к одной обмотке подключен нижний и второй сверху контакты, а ко второй клемма над нижним и третья сверху. Соответственно, нам надо перемычкой соединить второй и третий верхние контакты. Сделайте перемычку и выполните соединение. Для гарантии опять прозвоните, теперь у вас короткое должно показывать между двумя оставшимися клеммами.

К двум оставшимся присоедините напряжение 220 В, если все в норме – двигатель начнет вращаться.

Как самостоятельно регулировать скорость вращения мотора

Как регулировать обороты у двигателя стиральной машины-автомат и полуавтомат? Своими руками это можно сделать через плату (микросхему) или регулятор напряжения. Разберем подробнее оба способа.

Подключение через регулятор

Для этого можно использовать поворотное колесо, диммер, гашетку от дрели. Этот метод подскажет, как увеличить или уменьшить количество оборотов двигателя. То есть, поворачивая установленное колесо, вы сможете контролировать поступающее напряжение к мотору из сети 220 Вольт.

Подключение проходит по схеме:

• Согласно схеме, один провод обмотки статора соединяется якорем (ротором).
• Затем один провод ротора подсоединяется к регулятору оборотов.
• Оставшийся провод статора и ротора подключается к сети 220 Вольт.

Обратите внимание, что перед подключением обязательно нужно зафиксировать электродвигатель. Поскольку, включаясь на полной мощности, он может соскочить со стола

Запустив мотор, вы обнаружите, что он работает в полную силу. Попытавшись установить управление оборотами с помощью колеса, вы заметите, что сразу же теряется скорость и мотор останавливается. То есть о нормальной работе не может быть речи.

Но у нас есть еще один, более действенный метод.

Подключение через плату (микросхему)

Как контролировать обороты с помощью платы регулировки? Здесь задействуется тахогенератор. Сам по себе датчик не может ничем управлять, его нужно правильно подключить. Именно для этого используется микросхема. Подключение выполняется по схеме регулятора на основе TDA 1085.

Какие обороты сможет совершать мотор при таком подключении? От высоких до низких. При этом вам не нужно будет вращать регулятор рукой, управлять оборотами можно через тумблер.

Если попытаться создать нагрузку на электоромотор, то обороты сразу снизятся, после чего возобновятся с новой мощностью. Все потому, что датчик взаимодействует с платой, посылая сигнал о снижении мощности.

Теперь вы знаете, как не только подключить, но и правильно отрегулировать работу двигателя. Можно смело приниматься за эксперименты в создании домашней техники.

Принцип работы и число оборотов асинхронных двигателей

Данный вопрос рассмотрим на примере АДКР, как наиболее распространенного типа электродвигателей подъемно-транспортном и обрабатывающем оборудовании. Напряжение от сети подается на обмотку статора, каждая из трех фаз которой смещена геометрически на 120°. После подачи напряжения возникает магнитное поле, создающее путем индукции ЭДС и ток в обмотках ротора. Последнее вызывает электромагнитные силы, заставляющие ротор вращаться. Еще одна причина, по которой все это происходит, а именно, возникает ЭДС, является разность оборотов статора и ротора.

Одной из ключевых характеристик любого АДКР является частота вращения, расчет которой можно вести по следующей зависимости:

где f – частота сетевого напряжения, Гц, р – число полюсных пар статора.

Все технические характеристики указываются на металлической табличке, закрепленной на корпусе. Но если она отсутствует по какой-то причине, то определить число оборотов нужно вручную по косвенным показателям. Как правило, используется три основных метода:

где 2p – число полюсов, Z1 – количество пазов в сердечнике статора, y – собственно, шаг укладки обмотки.

Стандартные значения оборотов:

2p = 0,35Z1b / h или 2p = 0,5Di / h,

где 2p – число полюсов, Z1 – количество пазов в статоре, b – ширина зубца, см, h – высота спинки, см, Di – внутренний диаметр, образованный зубцами сердечника, см.

После этого по полученным данным и магнитной индукции нужно определить количество витков, которое сверяется с паспортными данными двигателей.

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n₁ — скорость вращения магнитного поля

n₂— скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

• • • неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
    • хорошая перегрузочная способность трансформатора

• • • большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
    • все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

• устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
• добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
• ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
• используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

• • • можно использовать для двигателей небольшой мощности
    • при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
    • при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
    • все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Плюсы электронного автотрансформатора:

• • • • Небольшие габариты и масса прибора
      • Невысокая стоимость
      • Чистая, неискажённая форма выходного тока
      • Отсутствует гул на низких оборотах
      • Управление сигналом 0-10 Вольт

• • • • Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
      • Все недостатки регулировки напряжением

Разновидности моторов

Асинхронный

• Простота конструкции.
• Лёгкое обслуживание.
• Довольно низкий уровень шума.
• Недорогая стоимость.

Из недостатков можно отметить то, что он обладает:

• низким КПД и;
• внушительными размерами.

Часто такие движки используются в недорогих моющих аппаратах.

Коллекторный

• Скромные габариты.
• Огромный пусковой момент.
• Простота управляющей электросхемы .

• Малый срок службы.
• Ослабление магнитного поля, которое в последствии не даёт барабану вращаться.

Прямой привод

• Простота конструкции.
• Имеет КПД выше, чем у других видов двигателей, при этом колебания машинки значительно ниже.
• Уровень звука, исходящий от СМА также низкий.

Из-за сложности схемы, производителям требуется приложить больше усилий, что повышает стоимость.

Высокие обороты

Сказанное выше может подтолкнуть на мысль о том, что двигатель лучше хорошо раскручивать, нежели недокручивать. Это позволит при необходимости получать быструю отдачу от двигателя при нажатии педали газа.

Да, обгонять и совершать манёвры действительно лучше при высоких оборотах. Но тут всё достаточно условно и неоднозначно. Если постоянно крутить мотор выше нормы, тогда можно столкнуться с некоторыми проблемами.

В любом случае на автомобиле есть тахометр. На тахометре отображена зона оборотов зелёного и красного цвета. Приближаясь максимально к красной зоне или оказываясь в ней, обороты считаются повышенными.

При активной работе мотора на высоких оборотах увеличивается нагрузка на все узлы и системы. Повышается температура ДВС, растёт нагрузка на систему охлаждения. Двигатель быстрее изнашивается и может перегреться.

Эксплуатация в условиях повышенных оборотов заставляет тщательнее выбирать моторное масло и чаще его менять. Даже высококачественная синтетика под нагрузкой и при высоких постоянных температурах быстро теряет свои смазывающие и защитные свойства, она не справляется с защитой деталей мотора. Отсюда износ и проблемы с ДВС.

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

• специализированными однофазными ПЧ
• трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

• • • • интеллектуальное управление двигателем
      • стабильно устойчивая работа двигателя
      • огромные возможности современных ПЧ:
        • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
        • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
        • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
        • различные выходы
        • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
        • предустановленные скорости
        • ПИД-регулятор

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

• более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
• разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

• • • • • более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
        • огромный выбор по мощности и производителям
        • более широкий диапазон регулирования частоты
        • все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

• • • • • необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
        • пульсирующий и пониженный момент
        • повышенный нагрев
        • отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями

Подписка на рассылку

Рисунок 1. Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель (рис. 1) имеет неподвижную часть, которая называется статор, и вращающуюся часть, именуемую ротором. Магнитное поле создается в обмотке, размещенной в статоре. Такая конструкция электродвигателя позволяет регулировать частоту его вращения различными способами.Основные технические характеристики, учитываемые при изменении частоты вращения

При регулировании частоты вращения асинхронных электродвигателей следует учитывать несколько основных технических показателей, которые в значительной мере влияют на процесс работы двигателей.

Есть несколько способов регулирования частоты вращения электродвигателя:

Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети

Регулирование частоты вращения путем изменения частоты в питающей сети считается одним из самых экономичных способов регулирования, который позволяет добиться отличных механических характеристик электропривода. Когда происходит изменение частоты питающей сети, частота вращения магнитного поля также меняется.

Преобразование стандартной частоты сети, которая составляет 50 Гц, происходит за счет источника питания. Одновременно с изменением частоты происходит и изменение напряжения, которое необходимо для обеспечения высокой жесткости механических характеристик.

Регулирование частоты вращения позволяет добиться различных режимов работы электродвигателя:

В качестве источника питания для регулирования могут использоваться электромашинные вращающиеся преобразователи, а также статические преобразователи частоты, которые работают на полупроводниковых приборах, серийно выпускающихся промышленностью.

Несомненным преимуществом частотного регулирования является наличие возможности плавно регулировать частоту вращения в обе стороны от естественной характеристики. При регулировании достигается высокая жесткость характеристик и отличная перегрузочная способность.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов

Регулирование частоты вращения путем изменения числа полюсов происходит за счет изменения частоты вращения магнитного поля статора. Частота питающей сети остается неизменной, в то время как происходит изменение частоты вращения магнитного поля и частоты вращения ротора. Они меняются обратно пропорционально числу полюсов. Например, число полюсов равно 2, 4, 6, 8, тогда обороты двигателя при изменении их количества будут составлять 3000, 1500, 1000, 750 оборотов в минуту.

Двигатели, которые обеспечивают переключение числа пар полюсов, имеют обычно короткозамкнутый ротор с обмоткой. Благодаря этому ротору обеспечивается возможность работы двигателя без дополнительных пересоединений в цепи.

Изменение частоты вращения включением в цепь ротора с реостатом

Еще одним способом изменения частоты вращения двигателя является включение в цепь ротора с реостатом. Такой метод имеет существенное ограничение, так как может быть применен только для двигателей с фазным ротором. Он обеспечивает плавное изменение частоты вращения в очень широких пределах. Минусом же являются большие потери энергии в регулировочном реостате.

Изменение направления вращения

Изменение направления вращения двигателя может быть осуществлено за счет изменения направления вращения магнитного поля, которое создается обмотками статора. Изменение направления вращения можно достичь, изменив порядок чередования тока в фазах обмотки статора.

Источник