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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Elektrischer Antriebsregler. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Die Elektromotoren Ein Motordrehzahlregler, der seine Drehzahl bei Lastwechsel stabilisiert, erhöht die Einsatzmöglichkeiten von Haushaltsgeräten wie Bohrmaschinen, Elektrosägen, Küchenmaschinen usw. erheblich. Ein einfacher und effektiver Halbwellenregler eines reihenerregten Kommutators Es ist ein Elektromotor bekannt, der die Drehzahl aufgrund der Rückkopplung durch die Größe der im Motorrotor auftretenden und von seiner Belastung abhängigen Gegen-EMK stabilisiert. Leider hat dieser Regler einen erheblichen Nachteil: Er verwendet einen hochempfindlichen Thyristor mit einem Öffnungsstrom von weniger als 100 μA. Einen Ersatz für ihn zu finden, ist nahezu unmöglich. In dem veröffentlichten Artikel bietet der Autor seine eigene Version des Schaltungsdesigns des Reglers an, bei der die Einschränkungen der Thyristorparameter aufgehoben werden. Bevor wir zur Beschreibung des modernisierten elektrischen Antriebsreglers übergehen, wollen wir kurz auf die Funktionsweise eines einfachen Steuergeräts eingehen [1]. Sein Schaltplan ist in Abb. dargestellt. 1. Dies ist eine Brücke, deren linker Arm vom Netzspannungsteiler R1 - R2C1 - VD1 und der rechte Arm vom Thyristor VS1 und dem Motor M1 gebildet wird. Der Steueranschluss des Thyristors liegt in der Diagonale der Brücke. Das Thyristor-Öffnungssignal ist die Summe der gegenphasig addierten Signale: die durch den Schieber des Widerstands R2 eingestellte Netzspannung und die Gegen-EMK vom Rotor des Elektromotors. Bei konstanten Spannungen ist die Brücke ausgeglichen und auch die Motordrehzahl ändert sich nicht. Eine Erhöhung der Belastung der Motorwelle verringert deren Drehzahl und verringert dementsprechend den Wert der Gegen-EMK, was zu einem Ungleichgewicht der Brücke führt. Dadurch erhöht sich das am Steuerübergang des Thyristors ankommende Signal und in der nächsten positiven Halbwelle öffnet dieser mit geringerer Verzögerung, wodurch die dem Motor zugeführte Leistung erhöht wird. Dadurch fällt die Reduzierung der Motordrehzahl aufgrund erhöhter Last deutlich geringer aus, als sie ohne Regler der Fall wäre.
In diesem Fall erweist sich die Regelung als sehr stabil, da die Fehlanpassung in jeder positiven Halbwelle der Netzspannung beseitigt wird. Der Stabilisierungseffekt ist bei niedrigen und mittleren Motordrehzahlen am stärksten ausgeprägt. Mit einer Erhöhung der Regelspannung am Widerstand R2 und einer Erhöhung der Motordrehzahl verschlechtert sich der Grad der Aufrechterhaltung einer konstanten Motordrehzahl. Der Thyristor VS1 im Regler erfüllt zwei Funktionen: Schwellenwert – basierend auf dem Brückenfehlanpassungssignal und Leistung – basierend auf dem geschalteten Strom durch den Motor. Die Dioden VD1, VD2 sorgen für den Halbwellenbetrieb des Geräts, da ein Vergleich der Spannungen vom Widerstand R2 und der Gegen-EMK nur möglich ist, wenn kein Strom durch den Motor fließt. Der Kondensator C1 im Netzspannungsteiler erweitert den Regelbereich zu niedrigen Drehzahlen hin, und der Kondensator C2 im Thyristor-Steuerelektrodenkreis verringert die Empfindlichkeit des Reglers gegenüber Funkenbildung der Motorbürsten. Der Halbwellenbetrieb des Motors führt zu einer Verringerung der Ausgangsleistung. Um maximale Leistung und Geschwindigkeit zu erreichen, sollten Sie den Thyristor durch Drücken der SA1-Taste überbrücken. In diesem Fall werden dem Motor beide Halbwellen der Netzspannung zugeführt. Wie bereits erwähnt, besteht der Hauptnachteil des betrachteten Reglers in der Notwendigkeit, einen hochempfindlichen Thyristor mit einem Öffnungsstrom von weniger als 100 μA zu verwenden, der praktisch durch nichts zu ersetzen ist. Die Einführung eines Transistoranalogs eines Thyristors ermöglicht es, Einschränkungen bei den Öffnungsparametern von VS1 aufzuheben und gleichzeitig die gleichen Steuereigenschaften beizubehalten. Der Einbau einer Zenerdiode in den Netzspannungsteiler reduziert Änderungen der Motordrehzahl bei Schwankungen der Versorgungsspannung. Das Diagramm des modernisierten Reglers ist in Abb. dargestellt. 2. Wie das oben besprochene Gerät arbeitet der Regler nur mit einer positiven Halbwelle der Netzspannung.
Die Brückenfehlanpassungsspannung wird über die Diode VD2 und den Widerstand R10 der Basis-Emitter-Verbindung des Transistors VT2 zugeführt. Die Empfindlichkeit dieses Geräts und die Qualität seiner Regelung sind höher, da die Öffnungsspannung von Transistoren deutlich niedriger ist als die von Thyristoren. Steuerstrom analog zum in Abb. dargestellten Regler. 1 wird gleich 0,1 mA gewählt, indem die Transistorverbindung mit dem Widerstand R7 überbrückt wird. Wenn die vom Motor kommende Spannung des Widerstands R2 höher ist als die Spannung am Motorrotor, öffnet der Transistor VT2 und öffnet VT1. Diese Geräte bilden ein Analogon eines Thyristors und erzeugen beim Einschalten einen starken Impuls des Entladestroms des Kondensators C3, der über den Strombegrenzungswiderstand R9 der Steuerelektrode des Triac VS1 zugeführt wird. Der Triac schaltet sich ein, Spannung wird an den Motor angelegt und seine Drehzahl erhöht sich. Wenn die Spannung am Widerstand R2 niedriger ist als am Motorrotor, schaltet sich der Triac nicht ein und die Drehzahl nimmt ab. Der Speicherkondensator C3 wird über den Widerstand R5 vom Netzwerk geladen. Die Zenerdiode VD4 begrenzt die Spannung am Kondensator auf einen Wert, der etwas höher ist als die mögliche Öffnungsspannung von Triacs oder Thyristoren. Darüber hinaus verhindert die Zenerdiode das Auftreten einer Sperrspannung an den Verstärkertransistoren. Der Kondensator C4 übernimmt nicht nur die Reduzierung von Störungen durch Funkenbildung an Motorbürsten, sondern auch die Funktion der Integration in den Rückkopplungskreis. Durch die Erhöhung seiner Kapazität wird die Stabilität des Reglers erhöht, was bei schlechtem Kontakt der Bürsten, begleitet von starker Funkenbildung, oder bei der Einstellung extrem niedriger Geschwindigkeiten erforderlich ist, wenn es zu einem sogenannten „Geschwindigkeitsschwung“ kommen kann. Es ist jedoch zu beachten, dass sich mit zunehmender Kapazität des Kondensators C4 die dynamischen Eigenschaften des Antriebs verschlechtern und die Qualität der Geschwindigkeitsstabilisierung abnimmt. Die Konstante der Schaltung R5C3 ist so, dass sich der Kondensator C3 schneller auflädt als der Kondensator C4. Dies geschieht so, dass zu jedem möglichen Zeitpunkt, wenn der Transistor VT2 öffnet, am Kondensator C3 bereits die zur Erzeugung eines Startimpulses erforderliche Betriebsspannung anliegt. Manchmal kann diese Bedingung verletzt werden, wenn die Brücke plötzlich unausgeglichen ist – wenn der Motor gestoppt ist (niedriger Rotorwiderstand) und die maximale Spannung am Motor des Widerstands R2 (hoher Öffnungsstrom vom Teiler) anliegt. Dadurch öffnen die Transistoren, bevor der Ladevorgang des Kondensators C3 abgeschlossen ist, es liegt keine Spannung an und es entsteht kein Entladestromimpuls. Der durch den Widerstand R5 fließende Strom reicht aus, um die Transistoren offen zu halten, ist aber klein genug, um den Triac einzuschalten, sodass sich der Motor nicht dreht. Diese Möglichkeit kann als positiv gewertet werden, da in diesem Fall auch bei einem Blockieren des Antriebs der Motor abschaltet. Wenn es unerwünscht ist, kann es beseitigt werden, indem der Widerstandswert der Widerstände R5–R7 leicht verringert und (oder) der Widerstandswert des Widerstands R1 erhöht wird. Größe und Form der Spannung am Widerstand R2 sind aufgrund des Vorhandenseins des Begrenzers R4 - VD1 praktisch unabhängig von Änderungen der Netzspannung. Dadurch führen Schwankungen der Versorgungsspannung nicht zu einer Instabilität des eingestellten Phasenwinkels der Triac-Öffnung. Auch die Instabilität der eingestellten Motordrehzahl gegenüber der Netzspannung wird deutlich reduziert. Bei konstantem Phasenwinkel ändert sich die Drehzahl nur durch eine Änderung der Spannungsamplitude am Motor. Die Besonderheit des beschriebenen Reglers ist die Verwendung eines Triacs. Tatsache ist, dass das Umschalten der Höchstgeschwindigkeit durch Schließen des Anoden-Kathoden-Stromkreises das Vorhandensein von sofortigen SA1-Kontakten mit ausreichender Abschaltleistung erfordert. Bei unterschiedlicher Gestaltung der Kontakte kann es zu Funkenbildung oder Lichtbogenbildung kommen. Letzteres ist äußerst unerwünscht, da es zum Verbrennen von Kontakten und der Leiterplatte führt und somit eine Brandgefahr darstellt. Der Triac ermöglicht die Übertragung des Schaltvorgangs auf den Steuerelektrodenkreis, wodurch Funkenbildung in den Kontakten vollständig vermieden wird, deren Aufbau und der Anschluss an den Einstellwiderstand R2 vereinfacht werden. Im geregelten Zustand arbeitet der Triac wie ein Thyristor und leitet bei geschlossenen Kontakten Wechselstrom an den Motor weiter. Im offenen Zustand des Triacs sind die Transistoren gesperrt und funktionslos. Die im Reglerdiagramm dargestellte Verbindung der Stator- und Rotorwicklungen ist optimal für Motoren mit getrennt geführten Wicklungsenden. Bei Verwendung von Motoren mit interner Verbindung der Rotor- und Statorwicklungen werden diese anstelle der im Diagramm dargestellten Rotorwicklung angeschlossen und der Statorwicklungskreis durch eine Brücke ersetzt. Aufgrund der Anwesenheit einer Statorwicklung im Rückkopplungskreis weist die letztere Version des Reglers jedoch etwas schlechtere Drehzahlregeleigenschaften auf. Die Kondensatoren C2, C6 eliminieren Interferenzen, und die Schaltung R11C5 unterdrückt Bürstenfunken. Der Widerstand R1 begrenzt die Steuergrenzen des offenen Zustands des Triacs auf den Beginn der positiven Halbwelle. Mit zunehmender Belastung der Welle verschiebt die Gegen-EMK des Motors zusätzlich das Entriegelungsmoment des Triacs relativ zu der durch den Einstellwiderstand R2 im Leerlauf vorgegebenen Position zum Beginn der Halbwelle. Wenn der Widerstand R1 im Leerlauf ausgewählt wurde, scheint die Gegen-EMK unter Last den Zeitpunkt des Öffnens des Triacs über den Beginn der Halbwelle hinaus zu verschieben. Infolgedessen öffnet es sich nach einer gewissen Zeit und es kommt zu einem „Einbruch“ (Abnahme) der Geschwindigkeit in der oberen Position des Schiebers des Widerstands R2. Dieses Phänomen wird durch Erhöhen des Widerstandswerts des Widerstands R1 beseitigt. Während der Entwicklung wurde der Regler mit verschiedenen Kommutator-Elektromotoren getestet: DK77 (für elektrische Haushaltsgeräte und Elektrowerkzeuge), MSh-2 (für Nähmaschinen) und sogar mit einem Parallelerregermotor SL261M. Die Steuerung solch deutlich unterschiedlicher Motoren erforderte keine Änderungen am Regler. Bei Verwendung eines Motors mit Parallelerregung ist zu beachten, dass seine Statorwicklung von einer separaten externen Quelle gespeist werden muss und darüber hinaus vor dem Anlegen von Spannung über den Regler an den Anker. Die Leistungsfähigkeit des Reglers wird durch die Lastkennlinien (durchgezogene Linie ohne VD1, gestrichelte Linie mit VD1) am Motor DK77-280-12 bei einer Leerlaufdrehzahl von 1500 U/min und unterschiedlichen Netzspannungen verdeutlicht (Abb. 3). Dieser Motor mit einer Leistung von 400 W und einer Drehzahl von 1200 U/min lässt sich leicht abbremsen, indem man eine Hand auf die Welle legt, bis er vollständig zum Stillstand kommt, wenn ihm Strom über einen Spartransformator zugeführt wird und die gleiche Leerlaufdrehzahl auf 1500 U/min eingestellt wird.
Mit einer leichten Komplikation im Vergleich zum Prototyp ist der Regler gegenüber der Variation der Parameter der Elemente völlig unkritisch. Als Triacs sind TS, TS2, 2TS112 und TS106 für Ströme von 6,3-10-16 A sowie KU208G oder 2U208G für 5 A einsetzbar. Sie können auch die Thyristoren KU201L, 2U201L, KU202N-M, 2U202N-M, KU228I und verwenden andere setzen voraus, dass ein Schütz im Anoden-Kathoden-Stromkreis installiert ist. Der Bedarf an Wärmeabfuhr wird durch die Größe des Laststroms bestimmt. Transistoren müssen einen Strom von mindestens 250 mA und eine Spannung von mindestens 15 V zulassen. Die Funktionen von VT1 können von KT350A, KT209 (A-M), KT501A, KT502A (B-E), KT661 A, KT681A und anderen sowie VT2 übernommen werden - KT503A (B -E), KT645A, KT660A (B), KT684A (B) und andere mit ähnlichen Eigenschaften. Dioden können einen Strom von mindestens 10 mA und eine Spannung von mindestens 400 V haben – KD105 (B-G), KD209 (A-V), KD221 (V-G), KD226 (V-D), D209, D210, D211, D226, D237 (B-C). ). Die Zenerdiode VD1 ist für eine Stabilisierungsspannung von 120...180 V geeignet (KS630A, KS650A, KS680A, 2S920A, 2S950A, 2S980A) und kann durch eine Kette aus in Reihe geschalteten Low-Power-Zenerdioden für eine Gesamtspannung ersetzt werden von 150 V. Zenerdiode VD4 – jede Diode mit geringer Leistung und einer Stabilisierungsspannung von 9...11 V, außer temperaturkompensierten. Kondensatoren C1-C4 - Keramik KM, KM-6, K10-17 oder Folie K73-17. Kondensatoren C5, C6 - K73-17 mit einer Nennspannung von 630 V (Kondensatoren anderer Typen und K73-17 für eine niedrigere Nennspannung können nicht verwendet werden). Festwiderstände – MLT oder andere. Der Widerstand R2 ist RP1-64A und kann durch jeden drahtlosen variablen Widerstand mit linearer Charakteristik (SPZ-4M, SPZ-6, SPZ-9 usw.) ersetzt werden. Die Wahl eines Widerstands mit inverser logarithmischer Charakteristik (B) erhöht die Sanftheit der Regelung im Bereich niedriger Motordrehzahl. Trimmerwiderstand R3 - SPZ-27, SPZ-38. Er kann durch einen ausgewählten Festwiderstand ersetzt werden. Der Maximalgeschwindigkeitsschütz SA1 besteht aus einem beweglichen Federplattenkontakt und einem festen Ständer auf der Steuerungsplatine. Zwischen dem Widerstand R2 und dem beweglichen Kontakt befindet sich eine Adapterhülse aus Kunststoff mit einer Nocke, die den Verschluss des beweglichen Kontakts mit dem Ständer in der oberen Position des variablen Widerstands R2 im Diagramm gewährleistet. Bei der Einstellung des Reglers sollte der Schieberegler des Widerstands R2 gemäß Diagramm auf die untere Position eingestellt werden und der Trimmwiderstand R3 zur Einstellung der gewünschten minimalen Motordrehzahl verwendet werden. Als nächstes sollten Sie durch Ändern der Position des Widerstandsschiebers R2 die Änderung der Umdrehungen vom Minimum zum Maximum, das Fehlen eines „Schwingens“ der Umdrehungen bei der Mindestgeschwindigkeit ohne Last und das Fehlen eines „Einbruchs“ der Umdrehungen bei überprüfen die maximale Geschwindigkeit des Halbwellenmodus unter Last sowie die Aktivierung der Maximalgeschwindigkeitskontakte. Die Schwankung wird durch Erhöhen der Kapazität des Kondensators C4 beseitigt, und der Einbruch wird durch Erhöhen des Widerstandswerts des Widerstands R1 beseitigt, woraufhin die Position des Schiebers des Widerstands R3 erneut geklärt wird. Abschließend ist festzuhalten, dass bei Reglern dieser Art der Drehzahlmesser der ausführende Elektromotor ist und die Rückkopplungsspannung durch die Restmagnetisierung des Motormagnetkreises und die Stabilität des Bürstenkontakts bestimmt wird. Aus diesem Grund hängt die Qualität der Regelung direkt von den spezifizierten Eigenschaften des verwendeten Motors ab. Die extreme Einfachheit des Steuergeräts und die guten Lasteigenschaften gleichen diesen Nachteil jedoch vollständig aus. Literatur
Autor: V. Zhgulev, Serpuchow, Gebiet Moskau
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