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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Controllore di azionamento elettrico. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / motori elettrici Il regolatore di velocità del motore, che ne stabilizza la velocità al variare del carico, aumenta notevolmente le capacità operative di elettrodomestici come trapano elettrico, sega elettrica, robot da cucina, ecc. Un semplice ed efficace regolatore a semionda di un'eccitazione in serie è noto il motore elettrico del collettore, che stabilizza la velocità di rotazione a causa del feedback dell'entità della forza controelettromotrice che si verifica sul rotore del motore e dipende dal suo carico. Sfortunatamente, un tale regolatore presenta uno svantaggio significativo: utilizza un tiristore altamente sensibile con una corrente di apertura inferiore a 100 μA. È quasi impossibile trovare un sostituto per lui. Nell'articolo pubblicato, l'autore offre la propria versione della soluzione di progettazione del circuito per il regolatore, in cui vengono rimosse le restrizioni sui parametri del tiristore. Prima di procedere alla descrizione del controller di azionamento elettrico modernizzato, soffermiamoci brevemente sul principio di funzionamento di un semplice dispositivo di controllo [1]. Il suo diagramma schematico è mostrato in fig. 1. Questo è un ponte, la cui spalla sinistra è formata dal partitore di tensione di rete R1 - R2C1 - VD1, e la destra - dal tiristore VS1 e dal motore M1. La transizione di controllo del tiristore è inclusa nella diagonale del ponte. Il segnale che apre il tiristore è la somma dei segnali che si sommano in controfase: la tensione di rete, impostata dalla resistenza R2 del motore, e la forza controelettromotrice dal rotore del motore. Quando la tensione rimane invariata, il ponte è bilanciato e anche la velocità del motore non cambia. Un aumento del carico sull'albero motore ne riduce la velocità e, di conseguenza, riduce il valore della forza controelettromotrice, che porta a uno squilibrio del ponte. Di conseguenza, il segnale alla transizione di controllo del tiristore aumenta e nel successivo semiperiodo positivo si apre con minor ritardo, aumentando così la potenza fornita al motore. Di conseguenza, la diminuzione della velocità del motore dovuta all'aumento del carico risulta essere notevolmente inferiore a quanto sarebbe in assenza del regolatore.
In questo caso la regolazione è molto stabile, in quanto il mismatch viene eliminato in ogni semiperiodo positivo della tensione di rete. Soprattutto, l'effetto di stabilizzazione si esprime a bassi e medi regimi del motore. Con un aumento della tensione di regolazione attraverso il resistore R2 e un aumento della velocità del motore, il grado di mantenimento di una velocità costante del motore peggiora. Il tiristore VS1 nel regolatore svolge due funzioni: soglia - in base al segnale di disadattamento del ponte e potenza - in base alla corrente commutata attraverso il motore. I diodi VD1, VD2 forniscono un funzionamento a semionda del dispositivo, poiché il confronto delle tensioni dal resistore R2 e dal back-emf è possibile solo in assenza di corrente attraverso il motore. Il condensatore C1 nel partitore di tensione di rete espande la zona di regolazione verso basse velocità e il condensatore C2 nel circuito dell'elettrodo di controllo a tiristori riduce la sensibilità del regolatore alla scintilla della spazzola del motore. La modalità a semionda del motore porta a una diminuzione della potenza di uscita. Per ottenere la massima potenza e velocità, deviare il tiristore premendo il pulsante SA1. In questo caso verranno fornite al motore entrambe le semionde della tensione di rete. Come già accennato, il principale svantaggio del regolatore considerato è la necessità di utilizzare un tiristore altamente sensibile con una corrente di apertura inferiore a 100 μA, che non è praticamente nulla da sostituire. L'introduzione di un transistor analogo del tiristore consente di rimuovere le restrizioni sui parametri di apertura di VS1 mantenendo le stesse caratteristiche di controllo. L'installazione di un diodo zener nel partitore di tensione di rete riduce le variazioni di velocità del motore con le fluttuazioni della tensione di alimentazione. Lo schema del regolatore aggiornato è mostrato in fig. 2. Come il dispositivo discusso sopra, il regolatore funziona solo con una semionda positiva della tensione di rete.
La tensione di mismatch del ponte attraverso il diodo VD2 e il resistore R10 viene fornita alla giunzione base-emettitore del transistor VT2. La sensibilità di questo dispositivo e la qualità della sua regolazione sono più elevate, poiché la tensione di apertura dei transistor è significativamente inferiore a quella dei tiristori. La corrente di comando, per analogia con il regolatore di fig. 1 viene scelto per essere 0,1 mA deviando la giunzione del transistor con il resistore R7. Se la tensione proveniente dal motore del resistore R2 è superiore alla tensione sul rotore del motore, il transistor VT2 si apre e apre VT1. Questi dispositivi formano un analogo di un tiristore e, quando accesi, formano un potente impulso della corrente di scarica del condensatore C3, che, attraverso il resistore limitatore di corrente R9, viene alimentato all'elettrodo di controllo del triac VS1. Il triac si accende, la tensione viene applicata al motore e il numero di giri aumenta. Se la tensione sul resistore R2 è inferiore a quella sul rotore del motore, il triac non si accenderà, il numero di giri diminuirà. Il condensatore di accumulo C3 viene caricato dalla rete attraverso il resistore R5. Il diodo Zener VD4 limita la tensione ai capi del condensatore a un livello leggermente superiore alla possibile tensione di apertura di triac o tiristori. Inoltre, il diodo zener elimina la comparsa di tensione inversa sui transistor dell'amplificatore. Il condensatore C4, oltre a ridurre i disturbi dovuti all'accensione delle spazzole del motore, svolge la funzione di integrazione nel circuito di retroazione. Un aumento della sua capacità aumenta la stabilità del regolatore, necessaria in caso di scarso contatto delle spazzole, accompagnato dal loro forte scintillio, o quando si impostano velocità estremamente basse, quando può verificarsi il cosiddetto "oscillazione" dei giri. Tuttavia, va ricordato che con un aumento della capacità del condensatore C4, le caratteristiche dinamiche dell'azionamento si deteriorano e la qualità della stabilizzazione della velocità diminuisce. La costante del circuito R5C3 è tale che il condensatore C3 si carica più velocemente della carica del condensatore C4. Questo viene fatto in modo che in ogni possibile momento di apertura del transistor VT2, sul condensatore C3 sia già presente la tensione operativa necessaria per generare un impulso di avviamento. A volte una tale condizione può essere violata con un forte squilibrio del ponte - quando il motore è fermo (bassa resistenza del rotore) e la tensione massima sul motore del resistore R2 (grande corrente di apertura dal divisore). Di conseguenza, i transistor si aprono prima che la carica del condensatore C3 sia completata, non c'è tensione su di esso e non si forma l'impulso di corrente di scarica. La corrente che scorre attraverso il resistore R5 è sufficiente per mantenere accesi i transistor, ma piccola per accendere il triac, e quindi il motore non gira. Tale possibilità può essere considerata positiva, poiché in questo caso, anche quando la trasmissione è bloccata, il motore è spento. Se è indesiderabile, viene eliminato da una diminuzione della resistenza dei resistori R5 - R7 e (o) da un aumento della resistenza del resistore R1. L'entità e la forma della tensione ai capi del resistore R2 sono praticamente indipendenti dalla variazione della tensione di rete dovuta alla presenza del limitatore R4 - VD1. Di conseguenza, le fluttuazioni della tensione di alimentazione non portano all'instabilità dell'angolo di fase impostato dell'apertura del triac. Anche l'instabilità della tensione di rete della velocità del motore impostata è notevolmente ridotta. Con un angolo di fase costante, la velocità cambia solo a causa di una variazione dell'ampiezza della tensione sul motore. Una caratteristica del regolatore descritto è l'uso di un triac. Il fatto è che la commutazione della velocità massima mediante chiusura del circuito "anodo-catodo" presuppone la presenza di contatti istantanei SA1 con potere di interruzione sufficiente. Se i contatti sono realizzati in modo diverso, possono verificarsi scintille o arco elettrico. Quest'ultimo è altamente indesiderabile, poiché porta alla bruciatura dei contatti e del circuito stampato e, pertanto, rappresenta un pericolo di incendio. Il triac consente di trasferire la commutazione al circuito dell'elettrodo di controllo, che elimina completamente le scintille nei contatti, semplifica la loro progettazione e si lega al resistore di controllo R2. Durante la regolazione, il triac funziona come un tiristore e, quando i contatti sono chiusi, trasmette corrente alternata al motore. I transistor durante lo stato aperto del triac sono bloccati e non funzionano. L'inclusione degli avvolgimenti dello statore e del rotore mostrati nel diagramma del regolatore è ottimale per i motori con estremità dell'avvolgimento di uscita separate. Quando si utilizzano motori con una connessione interna degli avvolgimenti del rotore e dello statore, sono collegati al posto dell'avvolgimento del rotore mostrato nel diagramma e il circuito dell'avvolgimento dello statore viene sostituito con un ponticello. Tuttavia, a causa della presenza di un avvolgimento dello statore nel circuito di retroazione, l'ultima versione del regolatore ha caratteristiche di controllo della velocità leggermente peggiori. I condensatori C2, C6 eliminano le interferenze e il circuito R11C5 sopprime le scintille delle spazzole. Il resistore R1 limita i limiti di controllo dello stato aperto del triac all'inizio di un semiciclo positivo. Con un aumento del carico sull'albero, il back-emf del motore sposta inoltre il momento di sblocco del triac all'inizio del semiciclo relativo alla posizione impostata dal resistore di regolazione R2 al minimo. Se il resistore R1 è stato selezionato al minimo, quindi sotto carico, il contro-EMF, per così dire, trasferisce il momento di apertura del triac per l'inizio del semiciclo. Di conseguenza, si apre dopo un periodo e si verifica un "calo" (diminuzione) della velocità nella posizione superiore del cursore del resistore R2. Questo fenomeno viene eliminato aumentando la resistenza del resistore R1. Durante lo sviluppo, il regolatore è stato testato con vari motori collettori: DK77 (per elettrodomestici e utensili elettrici), MSH-2 (per macchine da cucire) e persino con un motore ad eccitazione parallela SL261M. Il controllo di motori così significativamente diversi non ha richiesto alcuna modifica al regolatore. Quando si utilizza un motore con eccitazione parallela, è necessario tenere presente che il suo avvolgimento dello statore deve essere alimentato da una fonte esterna separata e, inoltre, prima che la tensione venga applicata attraverso il regolatore all'armatura. Le capacità del regolatore illustrano le caratteristiche di carico (linea continua senza VD1, linea tratteggiata con VD1), rilevate con il motore DK77-280-12 al minimo di 1500 giri/min e varie tensioni di rete (Fig. 3). Questo motore da 400 W a 1200 giri/min si frena facilmente con una mano appoggiata sull'albero fino all'arresto completo se alimentato tramite autotrasformatore, impostando la stessa velocità a 1500 giri/min al minimo.
Con una leggera complicazione relativa al prototipo, il controller è del tutto acritico alla diffusione dei parametri degli elementi. Come triac, TS, TS2, 2TS112 e TS106 sono applicabili per correnti di 6,3-10-16 A, nonché KU208G o 2U208G per 5 A. È inoltre possibile utilizzare tiristori KU201L, 2U201L, KU202N-M, 2U202N-M, KU228I e altri a condizione che lungo il circuito "anodo-catodo" sia installato un contattore. La necessità di rimozione del calore è determinata dall'entità della corrente di carico. I transistor devono consentire una corrente di almeno 250 mA e una tensione di almeno 15 V. Le funzioni VT1 possono essere eseguite da KT350A, KT209 (A-M), KT501A, KT502A (B-E), KT661 A, KT681A e altri, e VT2 - KT503A (B -E), KT645A, KT660A (B), KT684A (B) e altri con caratteristiche simili. I diodi possono essere per una corrente di almeno 10 mA e una tensione di almeno 400 V - KD105 (B-G), KD209 (A-V), KD221 (V-G), KD226 (V-D), D209, D210, D211, D226, D237 ( AVANTI CRISTO). Il diodo zener VD1 è adatto per una tensione di stabilizzazione di 120 ... 180 V (KS630A, KS650A, KS680A, 2S920A, 2S950A, 2S980A) e può essere sostituito da una catena di diodi zener a bassa potenza collegati in serie per una tensione totale di 150 V. Diodo Zener VD4 - qualsiasi bassa potenza con una tensione di stabilizzazione di 9 ... 11 V, ad eccezione di quelli compensati termicamente. Condensatori C1-C4 - ceramica KM, KM-6, K10-17 o pellicola K73-17. Condensatori C5, C6 - K73-17 con una tensione nominale di 630 V (non è possibile utilizzare condensatori di altro tipo e K73-17 per una tensione nominale inferiore). Resistori fissi - MLT o altri. Resistore R2 - RP1-64A, può essere sostituito da qualsiasi resistore variabile senza filo con una caratteristica lineare (SPZ-4M, SPZ-6, SPZ-9, ecc.). La scelta di un resistore con una caratteristica logaritmica inversa (B) amplierà la scorrevolezza della regolazione nella zona dei bassi regimi del motore. Resistenza trimmer R3 - SPZ-27, SPZ-38. Può essere sostituito con un resistore costante selezionato. L'interruttore di velocità massima SA1 è realizzato sotto forma di un contatto a molla mobile e di un supporto fisso sulla scheda del regolatore. Tra il resistore R2 e il contatto mobile è presente un manicotto in plastica adattatore con camma, che assicura la chiusura del contatto mobile con il rack nella posizione superiore del resistore variabile R2 secondo lo schema. Quando si regola il regolatore, il cursore del resistore R2 deve essere impostato nella posizione inferiore secondo il diagramma e la velocità minima del motore desiderata deve essere impostata con il resistore di sintonia R3. Inoltre, modificando la posizione del cursore del resistore R2, si dovrebbe verificare il cambio di velocità dal minimo al massimo, l'assenza di "oscillazione" dei giri alla velocità minima senza carico, l'assenza di un "tuffo" in giri alla massima velocità della modalità a semionda sotto carico, nonché il funzionamento dei contatti alla massima velocità. L'oscillazione viene eliminata aumentando la capacità del condensatore C4 e il calo viene eliminato aumentando la resistenza del resistore R1, dopodiché viene nuovamente specificata la posizione del cursore del resistore R3. In conclusione, va notato che nei regolatori di questo tipo il tachimetro è il motore elettrico esecutivo e la tensione di retroazione è determinata dalla magnetizzazione residua del circuito magnetico del motore e dalla stabilità del contatto della spazzola. Per questo motivo, la qualità della regolazione dipende direttamente dalle caratteristiche specificate del motore utilizzato. Tuttavia, l'estrema semplicità del dispositivo di comando e le buone caratteristiche di carico compensano pienamente questo inconveniente. Letteratura
Autore: V. Zhgulev, Serpukhov, Regione di Mosca
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