Регулятор оборотов ШИМ

Регулятор оборотов ШИМ

Теперь по запросу двигатели должны быть включены только в течение определенного времени на определенных оборотах, и это выполняется на этапе 4060 C. Время задержки, которое должно быть исправлено для включения двигателя, может быть отключено в регуляторе. После того, как это происходит, регулируется 1M-резистором, связанным с выводом № 10 IC 4060 и обозначенным как P1, конденсатор 1uF также становится непосредственно ответственным за определение времени задержки, на которую движок может оставаться включенным. Если оборотов не хватает, можно подкрутить переменный резистор, который установлен на регулятор.

Чтобы настроить скорость нашего вентилятора вручную, есть несколько способов сделать это. Например это может быть применение регуляторов на силовых транзисторах. Мы можем регулировать скорость, используя сопротивление последовательно с движком. Это самый простой из всех способов, но обычно это не рекомендуется, потому что, если мы хотим использовать любые устройства, такие как микроконтроллеры или любое другое цифровое оборудование для автоматизации скорости вращения вентилятора постоянного тока, этот метод не будет работать в целом. Более эффективный способ продолжения — использование метода широтно-импульсной модуляции для управления скоростью наших моторов постоянного тока.

Когда питание включено, ИС переключает двигатели и позволяет им работать с определенной скоростью, как указано в настройке 5K-резистора.

Также одновременно регулятор начинает отсчет, и как только истечет заданный временной интервал, каламбур № 3 этой ИС проходит высоко, запуская транзистор NPN BC547 в проводимость.

Транзистор заземляет вывод № 4 IC555, тем самым полностью отключая регулятор и MOSFET на своем контакте №3, так что подключенный двигатель мгновенно останавливается.

Диод, подключенный через штырь № 3 и штырь № 11 IC 4060, гарантирует, что вышеуказанное условие остается зафиксированным до тех пор, пока питание не будет выключено и снова включено для запуска нового цикла.

Одна из лучших вещей в этой схеме заключается в том, что мы можем заставить ее работать как нестабильный мультивибратор с небольшим количеством аппаратного обеспечения и с небольшими затратами, который может сэкономить как затраты на его изготовление, так и пространство на печатной плате. если нам нужен сложный модулятор ширины импульса, который работает более точно и который может иметь больше возможностей настройки, то лучше использовать микросхему с широтно-импульсным модулем, чем тот, который мы сейчас используем. Однако схема или приложение, для которого мы используем модулятор ширины импульса, не так чувствительны и, следовательно, не требуют такой высокой точности. В этом случае схема, которую мы используем с чистым ИС 555, лучше, так как она экономит наши денежные, а также космические ресурсы при построении схемы.

Рабочий цикл цепи можно изменить, изменив сопротивление между контактом-7 и штифтом-6. Если мы увеличим рабочий цикл, скорость двигателя увеличится, и если мы уменьшим рабочий цикл, скорость двигателя уменьшится.

Предложенная схема контроллера скорости двигателя, представленная здесь, имеет регулируемое управление скоростью PWM и регулируемое регулирование задержки для соответствующего двигателя, которое необходимо контролировать.

Как видно на приведенной выше диаграмме, регулятор оборотов включает в себя две дискретные ступени, одна из которых состоит из универсального IC 4060, а другая — с рабочей лошадкой IC 555.

Микросхема с двойным таймером (NE556) используется для настройки как нестабильного, так и моностабильного мультивибратора. Синхронизирующие компоненты для нестабильных выбираются так, чтобы обеспечить частоту 546 Гц, в то время как моностабильные компоненты выбираются так, чтобы получить максимальную ширину импульса 2,42 мс. Диод D1 улучшает коэффициент заполнения выхода нестабильного осциллятора, тогда как D2 действует как свободно вращающийся диод. Транзистор SL100 управляет мотором, в то время как резистор 22 Ом, 2 Вт (R4) служит в качестве ограничителя тока, избегая перегрева транзистора. Переключатель DPDT позволяет, при желании, изменять направление вращения мотором постоянного тока.

Улучшенная простая схема регулятора оборотов, скорости вращения компьютерного вентилятора, кулера.

Данная схема регулятора оборотов обычного компьютерного вентилятора, кулера является улучшенной в сравнении со схемой самого простого варианта, а именно содержащая всего один транзистор и один переменный резистор.

Простая схема подключается последовательно в цепь, то есть в разрыв между питанием и самим вентилятором. И при таком подключении регулирует только силу тока в цепи, путем увеличения или уменьшения проводимости коллектор-эмиттерного перехода. А дело в том, что при регулировки скорости вращения у постоянного двигателя величиной тока возникают некоторые проблемы. А именно, это плохая линейность самой регулировки. А также, чем меньше ток, тем хуже вращающий момент.

В улучшенной же схеме регулировка частоты вращения вентилятора осуществляется путем изменения величины подаваемого постоянного напряжения. При этом способе линейность изменения и крутящий момент будут выше, то есть лучше.

Давайте вкратце рассмотрим саму схему и принцип ее работы. Итак, первая часть регулятора представлена простым параметрическим стабилизатором напряжения. Он состоит из управляемого стабилитрона типа TL431. Этот стабилитрон может обеспечить стабильное напряжение в диапазоне от 2,5 до 36 вольт. При максимальном токе до 100 мА. Для управления этим стабилитроном в схеме стоит переменный (или подстроечный) резистор R2 на 22к. именно подбирая нужное положение ползунка резистора мы выбираем необходимое напряжение стабилизации между анодом и катодом на стабилитроне. Если использовать схему для питания вентилятора на 12 вольт, то стабилитрон должен иметь напряжение стабилизации около 12,6 вольт. То есть, 12 вольт для самого вентилятора и 0,6 вольт для управляющего транзисторного перехода база-эмиттер, которые на нем осядут.

Если мы будем подавать на вход схемы напряжение более 12,5 вольт, то нужно последовательно стабилитрону добавить токоограничительный резистор R1. Это нужно, чтобы не перегружать стабилитрон повышенным током, что будет протекать через его катод и анод. Для нормальной работы стабилитрона будет вполне достаточно использовать силу тока около 5 мА. Именно резистором R1 мы сможем ограничить этот ток. Его номинал нужно подобрать в диапазоне где-то от 1 до 470 Ом.

Итак, мы на нашем стабилитроне имеет стабильное постоянное напряжение около 12,6 вольт. А поскольку параллельно катоду и аноду стабилитрона подключен еще один переменный резистор R3, то это напряжение оседает и на нем. Он выполняет регулируемого делителя напряжения. То есть, когда мы крутим этот резистор, то между минусом и выводом ползунка будет меняться величина напряжения. Чем ближе ползунок к минусу, тем меньше будет напряжение. Это изменяемое напряжение и подается на база-эмиттерный переход биполярного транзистора VT1. Этот транзистор включен по схеме с общим коллектором. А такой тип подключения транзистора имеет усиление только по току, по напряжению усиления нет. Даже оно чуть меньше того, которое прилаживается на база-эмиттерный переход. И меньше именно на 0,6 вольт.

То есть, на выходе схемы, а именно на резисторе R4, мы имеем регулируемое напряжение, что задается переменным резистором R3. С вычитанием 0,6 вольт. Но при этом у нас будет достаточно большим сила тока, которая будет протекать через наш вентилятор. Таким образом мы получим регулировку именно напряжения. Выше я сказал, что управление током имеет значительные недостатки. Управление скоростью вращения вентилятора именно величиной постоянного напряжения будет иметь лучшую линейность и крутящий момент. Так что лучше использовать такой вариант схемы регулировки оборотов электродвигателя. Хотя существует и еще более лучший вариант, а именно регулировка ШИМ. Но о ней будет рассказано в другой статье.

К сожалению, как самая простая схема регулятора (изменяем силу тока), так и эта схема (регулировка напряжением) имеют один существенный общий недостаток. А именно, у них плохая экономичность расходуемой электроэнергии. Дело в том, что когда мы производим уменьшение оборотов двигателя вентилятора, то лишнюю мощность мы просто отводим на выделение тепла на силовом транзисторе. То есть, транзистор выполняет роль обычного резистора, который электричество преобразует в тепло.И чем меньше скорость на вентиляторе, тем больше электричества расходуется в никуда. Ну, в зимний период это даже хорошо, дополнительный обогрев помещения, а вот летом, как-то не совсем. Хотя при небольших мощностях нагрузки этой экономностью можно и пренебречь.

Как можно регулировать обороты асинхронного двигателя: обзор способов

Благодаря надежности и простоте конструкции асинхронные двигатели (АД) получили широкое распространение. В большинстве станков, промышленном и бытовом оборудовании применяются электродвигатели такого типа. Изменение скорости вращения АД производится механически (дополнительной нагрузкой на валу, балластом, передаточными механизмами, редукторами и т.д.) или электрическими способами. Электрическое регулирование более сложное, но и гораздо более удобное и универсальное.

Для многих агрегатов применяется именно электрическое управление. Оно обеспечивает точное и плавное регулирование пуска и работы двигателя. Электрическое управление производится за счет:

• изменения частоты тока;
• силы тока;
• уровня напряжения.

В этой статье мы рассмотрим популярные способы, как может осуществляться регулировка оборотов асинхронного двигателя на 220 и 380В.

Изменение скорости АД с короткозамкнутым ротором

Существует несколько способов:

1. Управление вращением за счет изменения электромагнитного поля статора: частотное регулирование и изменение числа пар полюсов.

1. Изменение скольжения электромотора за счет уменьшения или увеличения напряжения (может применяться для АД с фазным ротором).

Частотное регулирование

В данном случае регулировка производится с помощью подключенного к двигателю устройства для преобразования частоты. Для этого применяются мощные тиристорные преобразователи. Процесс частотного регулирования можно рассмотреть на примере формулы ЭДС трансформатора:

Данное выражение означает, что для сохранения постоянного магнитного потока, означающего сохранение перегрузочной способности электромотора, следует одновременно с преобразованием частоты корректировать и уровень питающего напряжения. Если сохраняется выражение, вычисленное по формуле:

то это означает, что критический момент не изменен. А механические характеристики соответствуют рисунку ниже, если вы не понимаете, что значат эти характеристики, то в этом случае регулировка происходит без потери мощности и момента.

Достоинствами данного метода являются:

• плавное регулирование;
• изменение скорости вращения ротора в большую и меньшую сторону;
• жесткие механические характеристики;
• экономичность.

Недостаток один — необходимость в частотном преобразователе, т.е. увеличение стоимости механизма. К слову, на современном рынке представлены модели с однофазным и трёхфазным входом, стоимость которых при мощности 2-3 кВт лежит в диапазоне 100-150 долларов, что не слишком дорого для полноценной регулировки привода станков в частной мастерской.

Переключение числа пар полюсов

Данный метод применяется для многоскоростных двигателей со сложной обмоткой, позволяющей изменять число пар ее полюсов. Самое широкое применение получили двухскоростные, трехскоростные и четырехскоростные АД. Принцип регулировки проще всего рассмотреть на основе двухскоростного АД. В такой машине обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Скорость вращения изменяется при подключении их последовательно или параллельно.

В четырехскоростном электродвигателе обмотка выполнена в виде двух независимых друг от друга частей. При изменении числа пар полюсов первой обмотки производится изменение скорости работы электромотора с 3000 до 1500 оборотов в минуту. При помощи второй обмотки производится регулировка вращения 1000 и 500 оборотов в минуту.

При изменении числа пар полюсов происходит и изменение критического момента. Для его сохранения неизменным, требуется одновременно с изменением числа пар полюсов регулировать и питающее напряжение, например, переключением схемы звезда-треугольник и их вариациями.

Достоинства данного метода:

• жесткие механические характеристики двигателя;
• высокий КПД.

• ступенчатая регулировка;
• большой вес и габаритные размеры;
• высокая стоимость электромотора.

Способы управления скоростью АД с фазным ротором

Изменение скорости вращения АД с фазным ротором производится путем изменения скольжения. Рассмотрим основные варианты и способы.

Изменение питающего напряжения

Этот способ также применяется для АД с КЗ ротором. Асинхронный двигатель подключается через автотрансформатор или ЛАТР. Если уменьшать напряжение питания, частота вращения двигателя снизится.

Но такой режим уменьшает перегрузочную способность двигателя. Этот способ применяется для регулирования в пределах напряжения не выше номинального, так как увеличение номинального напряжения приведет к выходу электродвигателя из строя.

Активное сопротивление в цепи ротора

При использовании данного метода в цепь ротора подключается реостат или набор постоянных резисторов большой мощности. Данное устройство предназначено для плавного увеличения сопротивления.

Скольжение растет пропорционально увеличению сопротивления, а скорость вращения вала электромотора при этом снижается.

• большой диапазон регулирования в сторону понижения скорости вращения.

• снижение КПД;
• увеличение потерь;
• ухудшение механических характеристик.

Асинхронный вентильный каскад и машины двойного питания

Изменение скорости работы асинхронных электромоторов в данных случаях выполняется путем изменения скольжения. При этом скорость вращения электромагнитного поля неизменна. Напряжение подается напрямую на обмотки статора. Регулировка происходит за счет использования мощности скольжения, которая трансформируется в цепь ротора, и образует добавочную ЭДС. Такие методы используются только в специальных машинах и крупных промышленных устройствах.

Плавный пуск асинхронных электродвигателей

АД кроме безусловных преимуществ, обладают существенными недостатками. Это рывок на старте и большие пусковые токи, в 7 раз превышающие номинальные. Для мягкого старта электродвигателя используются следующие методы:

• переключение обмоток по схеме звезда – треугольник;
• включение электродвигателя через автотрансформатор;
• использование специализированных устройств для плавного пуска.

В большинстве частотных регуляторов есть функция плавного пуска двигателя. Это не только снижает пусковые токи, но и уменьшает нагрузки на исполнительные механизмы. Поэтому регулирование частоты и плавный пуск довольно сильно связаны между собой.

Как сделать устройство для изменения скорости вращения электродвигателя своими руками

Для регулировки маломощных однофазных АД можно использовать диммеры. Однако этот способ ненадежен и обладает серьезными недостатками: снижением КПД, серьезным перегревом устройства и опасностью повреждения двигателя.

Для надежного и качественного регулирования оборотов электродвигателей на 220В, лучше всего подходит частотное регулирование.

Приведенная ниже схема позволяет собрать частотное устройство для регулировки электромоторов мощностью до 500 Вт. Изменение скорости вращения производится в границах от 1000 до 4000 оборотов в минуту.

Устройство состоит из задающего генератора с изменяемой частотой, состоящего из мультивибратора, собранного на микросхеме К561ЛА7, счетчика на микросхеме К561ИЕ8, полумоста регулятора. Выходной трансформатор Т1 выполняет развязку верхнего и нижнего транзисторов полумоста.

Демпфирующая цепь С4, R7 гасит всплески напряжения опасные для силовых транзисторов VT3, VT4. Выпрямитель, удвоитель напряжения питающей сети, включает в себя диодный мост VD9, с конденсатором фильтра на которых происходит удвоение напряжения питания полумоста.

Напряжение первичной обмотки: 2х12В, вторичной обмотки 12В. Первичная обмотка трансформатора управления ключами, состоит из 120 витков медного провода сечением 0,7мм, с отводом от середины. Вторичная – две обмотки, каждая по 60 витков повода сечением 0,7 мм.

Вторичные обмотки необходимо максимально надежно заизолировать друг от друга, так как разница потенциалов между ними доходит до 640 В. Подключение выходных обмоток к затворам ключей производится в противофазе.

Вот мы и рассмотрели способы регулировки оборотов асинхронных двигателей. Если возникли вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя

Регулировка скорости изменением величины напряжения снижает момент и также увеличивает потери мощности. Регулировка частоты вращения путем изменения числа полюсов осуществляется ступенчато, кроме того, этот способ пригоден только для специальных многоскоростных двигателей с несколькими обмотками неподвижной части.

Асинхронный двигатель – самый распространенный электропривод технологического оборудования. Главная особенность таких электрических машин – постоянная скорость вращения вала. Ее регулировку осуществляют:

• Механическим способом. Для этого вал подключают к редукторам, муфтам и другим устройствам.
• Путем изменения числа пар полюсов, величины или частоты питающего напряжения обмоток статора.

Механическое регулирование усложняет кинематическую схему электропривода, ведет к потерям мощности и нерациональному расходу электроэнергии.

Наиболее перспективный метод регулирования уголовной скорости ротора – преобразование частоты питающего напряжения. Этот способ обеспечивает сохранение механических характеристик во всем диапазоне и обладает рядом других преимуществ.

Устройство и принцип работы частотного регулятора

Принцип частотного регулирования основан на зависимости угловой скорости вращения ротора от частоты напряжения на обмотках статора. С появлением IGBT-транзисторов и GTO-тиристоров наибольшее распространение получила схема преобразования частоты на базе широтно-импульсного модулятора.

Такие преобразователи частоты состоят:

• Из силового выпрямителя с С или LC фильтром для сглаживания пульсаций.
• Из инвертора на IGBT-транзисторах для преобразования постоянного напряжения в переменное, заданной частоты и амплитуды.
• Из блока управления для генерации отпирающих силовые транзисторы импульсов.

Переменное напряжение выпрямляется и преобразуется в постоянное, затем снова инвертируется в переменное. Частота на силовом выходе ПЧ определяется длительностью отпирающих силовые транзисторы импульсов, поступающих со схемы управления.

Такой способ регулирования позволяет изменять частоту и амплитуду напряжения в силовой цепи электродвигателя, а значит управлять скоростью вращения ротора и моментом на валу электрической машины.

Структура частотного регулятора

Большинство частотных преобразователей для электродвигателей до 690 В выполнены по схеме двухуровневых инверторов напряжения. Они позволяют моделировать напряжение питания необходимой формы, амплитуды частоты. Такие устройства состоят из неуправляемого выпрямителя, 2-х транзисторных ключей на каждую фазу и конденсатора. Выходное напряжение содержит высшие гармоники, которые сглаживаются индуктивной нагрузкой. Специальные фильтры применяют относительно редко.

К недостаткам такой схемы является ограничение величины выходного напряжения, которое определяется максимальным напряжением полупроводниковых устройств.

Для высоковольтных приводов используются многоуровневые схемы регулирования. Они состоят из нескольких однофазных инверторов, соединенных последовательно. Такая схема позволяет избежать резонансов, обеспечивает высокое быстродействие, снижает скорость нарастания напряжения. Такие ПЧ имеют модульную конструкцию. При выходе из строя одной из ячеек, ее легко заменить. К недостаткам этой схемы относятся необходимость отдельного источника питания для каждого модуля, функции которого выполняет трансформатор специального назначения.

Преобразователи частоты с плавающими конденсаторами позволяют обойтись без входного трансформатора и увеличивать число ячеек в зависимости от требуемой мощности. Такое решение обеспечивает снижение высших гармоник, уменьшает скорость нарастания напряжения.

Для регулировки скорости электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы частыми реверсами применяют инверторы тока. Эти устройства представляют собой управляемый выпрямитель и инвертор на тиристорах. Для уменьшения помех в цепи нагрузки в схему включается расщепленный индуктивный фильтр. Выходное напряжение таких устройств имеет форму аппроксимированной синусоиды. Для сглаживания его формы обязательно включение перед электродвигателем конденсаторов. Главное достоинство таких ПЧ – возможность рекуперации электроэнергии обратно в электросеть.

Прямые преобразователи частоты не содержат конденсаторов. Главное их преимущество – небольшие габариты и значительная мощность нагрузки. Такие устройства используются в составе мощных электроприводов работающих на низких скоростях. ПЧ этого типа выполнены на базе тиристорных преобразователей. На входе прямых ПЧ установлен фазосдвигающий трансформатор, устраняющий низшие гармоники и выполняющий функцию источника питания для каждого преобразователя. Прямые ПЧ требуют сложной схемы управления.

Состав частотных преобразователей

Кроме выпрямителя, ШИМ-модулятора и инвертора, в состав частотного преобразователя входят:

Устройство для ввода данных и обмена информаций с ПК, другими частотными преобразователями.

• Встроенная энергонезависимая память. В этом устройстве фиксируются аварийные отключения, изменения настроек, а также другие данные.
• Управляющий контроллер, обеспечивающий реализацию алгоритмов управления, обработку данных с датчиков, защитное отключение при ненормальных режимах работы.
• ЭМ-фильтр. Это устройство обеспечивает снижение реактивной высокочастотной составляющей, снижающей качество электроэнергии и отрицательно влияющей на работу электродвигателя.
• Вентилятор и радиатор для принудительного охлаждения и отвода тепла силовых транзисторов.
• Тормозной прерыватель и другие элементы.

Кроме аппаратной части, преобразователи частоты содержат программное обеспечение. Контроллеры с открытой логикой позволяют вносить изменения в стандартное ПО, поставляемое производителем, и самостоятельно программировать ПЧ.

Однофазные преобразователи частоты

Однофазные асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве приводов насосных агрегатов, вентиляторов, маломощных станков. Для регулирования частоты вращения этих электрических машин применяются 2 основных способа:

• Изменение величины напряжения питания.
• Изменение частоты питающего напряжения.

Для регулирования питающего напряжения применяются трансформаторные, автотрансформаторные, тиристорные, симисторные и транзисторные преобразователи. Изменение частоты вращения путем регулирования напряжения имеет ряд серьезных недостатков:

• Увеличение скольжения и сильный нагрев обмоток статора.
• Узкий диапазон регулирования.

Кроме того, постоянная составляющая питающего напряжения на выходе тиристорных и симисторных устройств вызовает увеличение шума при работе, рывки и другие нежелательные явления.

Частотное регулирование лишено этих недостатков. Однофазные ПЧ применяются в холодильном оборудовании, системах вентиляции, бытовых насосах.

Такие электроприводы обеспечивают:

• Стабильную работу однофазного двигателя при любой частоте вращения.
• Снижение потребления электроэнергии.
• Возможность автоматической регулировки частоты вращения с обратной связью по изменению одного или нескольких технологических параметров.
• Удаленное управление и контроль характеристик.
• Защиту от ненормальных режимов работы и коротких замыканий.
• Интеллектуальное управление электродвигателем в соответствии с заданным алгоритмом.
• Возможность пуска без фазосдвигающего элемента.
• Поддержание необходимого момента на валу во всем диапазоне изменения скорости.

Кроме базовых составляющих, в состав однофазного преобразователя частоты входят ПИД-регулятор, ПЛК-контроллер, устройство для обмена данными с удаленным оборудованием, пульт дистанционного управления. При введении дополнительных настроек допустимо применение трехфазного ПЧ для однофазных двигателей переменного тока.

Таким образом, управление однофазными и трехфазными асинхронными электродвигателями путем изменения частоты значительно превосходит метод регулирования величины напряжения, механические способы.