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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Regler für Leistung und Drehzahl eines einphasigen Kollektor-Elektromotors. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Die Elektromotoren Der Leistungs- und Drehzahlregler des Rotors eines einphasigen Kommutator-Elektromotors ist für eine einfache Bedienung (Erweiterung der Möglichkeiten) der elektrischen Bohrmaschine IE1032 und anderer elektrischer Haushaltsmaschinen mit Wechselstrom-Kommutatormotoren mit einer Leistung von bis zu 1,2 kW ausgelegt . Einphasige Kommutator-Elektromotoren mit sequentieller Erregung werden häufig in Haushaltsgeräten eingesetzt, wenn hohe Drehzahlen erforderlich sind: Staubsauger, Bohnermaschinen, Nähmaschinen, Entsafter, Kaffeemühlen, Universalküchenmaschinen, handgeführte Holz- und Metallbearbeitungswerkzeuge (elektrische Bohrmaschinen). ), Elektrohobel und vieles mehr. Einphasige Kommutator-Elektromotoren werden in [1] beschrieben. Sie werden sowohl über das Wechselstromnetz als auch über das Wechselstrom- und Gleichstromnetz (universal) mit Strom versorgt. Wenn der Elektromotor universell ist, haben seine Feldwicklungen Anzapfungen (Abb. 1).
Die Bohrmaschine IE1032 verwendet einen Motor vom Typ KNII-420/220-18, der nicht universell einsetzbar ist. Es ist nach der Schaltung in Abb. 2 aufgebaut und kann nur aus einem Wechselstromnetz gespeist werden, nicht jedoch aus Gleichstrom oder pulsierendem Strom mit einer Frequenz von 100 Hz, wie in [2] beschrieben. Diese Schaltung wurde erstellt, funktionierte aber nicht.
Die Regelung der Leistung und Rotordrehzahl solcher Motoren kann durch Regelung der Versorgungsspannung mit einem Spartransformator (z. B. LATR) oder durch das Amplituden-Phasen-Verfahren mit einem Leistungsregler (in diesem Fall einem Thyristor) erfolgen. Bei der Auswahl einer Reglerschaltung müssen Sie Folgendes berücksichtigen: einfache Herstellung; die Möglichkeit, Drehzahl und Leistung über den gesamten Regelbereich stufenlos zu regulieren; bequeme und korrekte Einbindung des Elektromotors in den Stromkreisabschnitt, in dem ein sinusförmiger Strom mit einer Frequenz von 50 Hz fließt; Zuverlässigkeit im Betrieb. Abbildung 3 zeigt, in welchem Abschnitt der Schaltung der Elektromotor nicht eingeschaltet werden kann, in Abbildung 4 - welcher eingeschaltet werden sollte.
Zur Steuerung des Reglerthyristors wurde eine Relaxationsoszillatorschaltung auf Basis eines Unijunction-Transistors gewählt [3]. Vorteile des Reglers: minimale Anzahl von Elementen, einfache Herstellung, kleine Abmessungen, reibungslose Einstellung, hohe Betriebsstabilität, hohe Zuverlässigkeit (über 5 Betriebsjahre gab es keinen einzigen Ausfall), Fehlen einer konstanten Komponente in der Last, da durch den Thyristor ein symmetrischer Strom positiver und negativer Halbwellen der Versorgungsspannung fließt. Das schematische Diagramm des Reglers ist in Abb. 5 dargestellt.
Spezifikationen des Reglers:
Im Betrieb des Reglers liegt am Thyristor eine gleichgerichtete pulsierende Spannung mit einer maximalen Amplitude Umax = 1,4 Ueff = 310 V. Daher muss die Sperrspannung des Thyristors größer als dieser Wert sein. Der Entspannungsgenerator wird mit der gleichen Spannung betrieben, jedoch durch zwei in Reihe geschaltete D814V-Zenerdioden auf 20 V begrenzt. Der Regler funktioniert wie folgt. Bei Anschluss an das Netz wird vom Ausgang des Gleichrichters eine pulsierende Spannung an den Thyristor und eine begrenzte Sinusspannung an den Entspannungsgenerator angelegt. Der Kondensator C1 beginnt sich über die Widerstände R1–R4 aufzuladen. Der Gesamtwiderstand dieser Widerstände beträgt 46 kOhm. Wenn der Kondensator geladen wird, steigt die Spannung an ihm an, und wenn die Entsperrspannung am Emitter VT1 (UC1 = UE.on) erreicht wird, wird der Unijunction-Transistor entsperrt und der Kondensator C1 über den Emitter-Basis-Kreis VT1, Widerstand, entladen R1. Der Emitter-Basis-Widerstand im offenen Zustand beträgt 6 bis 5 Ohm [20], der Widerstandswert des Widerstands R3 = 6...150 Ohm. Die Zeitkonstante der Kondensatorentladeschaltung ist klein und am Widerstand R200 entsteht ein kurzer Impuls positiver Polarität. Durch Auswahl des Widerstandswerts des Widerstands R6 können Sie die Entriegelungsschwelle UE.on des Transistors und die Amplitude des Steuerimpulses einstellen, die 5-7 V betragen sollte (optimal für einen stabilen Betrieb des Thyristors). Ein kurzer Impuls positiver Polarität vom Widerstand R6 wird der Steuerelektrode des Thyristors zugeführt, dieser öffnet und schaltet die Last ein. Im geöffneten Zustand beträgt der Spannungsabfall am Thyristor 1,5–2 V. Diese Spannung versorgt den Entspannungsgenerator, überbrückt ihn und schaltet ihn ab. Somit geht der Entspannungsgenerator nicht in den Selbstoszillationsmodus, sondern erzeugt während einer Halbwelle der Netzspannung nur einen Steuerimpuls und schaltet sich ab, bevor der nächste eintrifft. Der Thyristor bleibt bis zum Ende der Halbwelle geöffnet und schließt am Ende der Halbwelle. Mit dem Eintreffen der nächsten Halbwelle an der noch geschlossenen Anode des Thyristors gelangt die gleichgerichtete Spannung über die Widerstände R7, R8, begrenzt durch die Zenerdioden VD1 und VD2, in den Stromkreis des Entspannungsgenerators. Der Kondensator C1 beginnt sich aufzuladen und der Zyklus wiederholt sich. Der Zeitpunkt des Öffnens des Thyristors wird durch die Zeitkonstante des Ladekreises des Kondensators C1 bestimmt. Dieser Stromkreis enthält einen variablen Widerstand R1, mit dem Sie das Entriegelungsdrehmoment ändern und somit die Drehzahl der Welle des Elektromotors und deren Leistung regulieren können. Bei einem minimalen Entriegelungswinkel (ϕ min) entwickelt der Motor maximale Drehzahl, und der Entriegelungswinkel hängt vom Motortyp ab (innerhalb der technischen Eigenschaften des Reglers) und ändert sich innerhalb der Einstellgrenzen nicht. Bei maximalem Entriegelungswinkel ϕmax. Der Motor entwickelt eine Mindestgeschwindigkeit und der Zündwinkel hängt vom Motortyp ab (seine Leistung, Rotorgewicht, Reibung in Bürsten und Lagern usw.). Je größer die Motorleistung, desto schwerer der Rotor, desto größer die Reibung, desto größer der vom Regler benötigte Strom und desto kleiner ist daher der maximale Zündwinkel. Für jeden Motortyp gibt es seinen eigenen maximalen Zündwinkel Thyristor. Wir wählen die Elemente des Ladekreises des Kondensators C1 aus und bestimmen den Änderungsbereich des Steuerwinkels ∆ϕ: ∆ϕ = ϕmax - ϕ min. Abbildung 6 zeigt eine Halbwelle der sinusförmigen Netzspannung und die auf 20 V begrenzte Spannung. Da das Verhältnis 20/310 = 0,0645 ist, wurde für sinωt = 0,0645 der minimal mögliche Winkel ωt = 3°45' gefunden.
Der Stellwiderstand R1, mit dessen Hilfe der Zündwinkel im Bereich ∆ϕ verändert wird, ist hochohmig und weist einen anfänglichen Widerstandssprung auf, d.h. Wenn Sie den Knopf beispielsweise aus der äußersten linken Position drehen, ändert sich der Widerstand schlagartig von 0 auf 5 kOhm. Es gibt auch einen Sprung aus der rechten Extremposition, der sich von der linken unterscheidet. Die Größe dieses Sprungs ist für jeden variablen Widerstand individuell. Der Widerstand R3 wird gleich dem Wert des Anfangssprungs gewählt, d.h. 5,1 kOhm. Er bestimmt den minimalen Zündwinkel des Thyristors ϕ min. Befindet sich der Schieber des Widerstands R1 laut Diagramm in der niedrigsten Position, dann besteht der Widerstand des Ladekreises des Kondensators C1 aus parallel geschalteten Widerständen R3 und R4 mit einem Gesamtwiderstand von 4,85 kOhm (in der anderen Extremposition, Wie bereits angedeutet beträgt der Gesamtwiderstand 46 kOhm. Lassen Sie uns ungefähr zwei Kondensatorladekurven (Exponenten) an den Extrempositionen des Potentiometers R1 berechnen, Diagramme zeichnen (Abb. 7), die Winkel fmin, fmax und den Regelbereich f bestimmen.
Um die Berechnung zu vereinfachen und das Zeichnen von Diagrammen zu erleichtern, nehmen wir einige Vereinfachungen vor: Wir akzeptieren Rtot. min = 5 kOhm, nicht 4,858 kOhm (Fehler 3 %), wir akzeptieren Rtot. max = 46 kOhm, und nicht 45,858 kOhm (3 % Fehler), nehmen wir die begrenzte Sinusspannung auch als Rechteckimpulsspannung mit der gleichen Dauer wie eine Halbwelle der Netzspannung T/2 = 10 ms. Spannung am Kondensator C1 zum Zeitpunkt t Uns = U (1 -t/RC), wobei U = 20 V eine begrenzte Sinusspannung ist. Ladekreiszeitkonstante bei Rtot min = 5 kOhm bei τ1 = Rtot minC1= 5 H 0,1 = 0,5 ms, bei Rgesamt max = 46 kOhm τ2 = Rgesamt maxC1 = 46 H 0,1 = 4,6 ms. Als Beispiel geben wir ein detailliertes Verfahren zur Berechnung der Spannung an einem Kondensator, beispielsweise für den ersten Punkt t = RC/2. Uс = U(1 -t/RC) = U(1 -1/2) = U(1 - 1/√е) = 20(1 - 1/√2,7183) = = 20 (1 - 1/1,6487) = 20 (1 - 0,6) = 20 H 0,4 = 8 V. Das bedeutet, dass sich der Kondensator C1 in der Zeit t = τ2/0,5 = 2/0,25 = 1 ms auf eine Spannung Uc = 8 V auflädt. Die berechneten Daten sind in der Tabelle zusammengefasst.
Die Grafik in Abb. 7 zeigt:
Darüber hinaus ist auf der Ordinate Ue.on markiert – die Betriebsschwelle des Unijunction-Transistors VT1; auf der Abszisse - τ1 und τ2 (in Millisekunden und elektrischen Graden), die Dauer des Impulses, der den Relaxationsgenerator speist (in Millisekunden und elektrischen Graden), markiert mit ϕmin, ϕmax und ∆ϕ für einen echten Regler. Auf der Phasenskala beträgt der Preis einer großen Teilung von 1 cm mit Widerstand -18°, der Preis einer kleinen Teilung von 1 mm beträgt 1,8°. Bestimmen wir grafisch die minimalen und maximalen Thyristor-Zündwinkel ϕmin = 2⋅1,8° = 3,6° = 3°36'. ϕmax = 20⋅1.8°° = 36°°. Berücksichtigen wir den Fehler, indem wir die begrenzte Sinusspannung in eine Rechteckspannung approximieren. Bestimmen wir sinωt, wenn die Spannung am Kondensator C1 gleich der Entriegelungsschwelle des Transistors VT1 ist. Us \u7d Ue.on \uXNUMXd U \uXNUMXd XNUMX V; sinωt = 7/310 = 0,0226. Nach der Sinustafel bestimmen wir den Winkel ωt = 1°18'. Dann ist ϕmin = 3°36' + 1°18' = 4°54'; ϕmax = 36° + 1°18' = 37°18'. Unter Berücksichtigung anderer Fehler, die mit den übernommenen Vereinfachungen bei der Erstellung der Diagramme in Abb. 7 verbunden sind, können wir mit einem ausreichenden Maß an Zuverlässigkeit die Winkel ϕmin = 6° akzeptieren; ϕmax = 37°. Somit kann der Zündwinkel des Thyristors von 6 bis 37° gesteuert werden. Steuerwinkelbereich ∆ϕ = ϕmax - ϕmin = 31°, aber nicht 170°, wie in [4, S. 202]. Bei einem Winkel ϕmax = 170° funktioniert kein Motor, der für eine Betriebsspannung von 220 V ausgelegt ist. Die Einstellung des Reglers besteht aus der Auswahl des Widerstandswerts der Widerstände des Kondensatorladekreises C1 (R1, R2, R3, R4) für einen bestimmten einphasigen Kommutator-Elektromotor beim maximalen Zündwinkel des Thyristors (Motor R1 ganz oben). Position). Beim minimalen Öffnungswinkel ist keine Anpassung erforderlich. Wenn der Schieber des Widerstands R1 gemäß Diagramm in der niedrigsten Position installiert ist (R1 ist kurzgeschlossen), ist der Zündwinkel des Thyristors minimal, der Elektromotor entwickelt maximale Drehzahl. Indem wir den Motor nach oben bewegen, erhöhen wir den Widerstand des Ladekreises, die Drehzahl sinkt und in der höchsten Position des Motors sollte der Elektromotor stabil bei minimaler Drehzahl arbeiten. Wenn der Motor aufgrund geringfügiger Schwankungen der Netzspannung instabil läuft und stoppt, ist es erforderlich, den Widerstand des Ladekreises zu verringern, d. h. Reduzieren Sie den Widerstandswert des Widerstands R1, indem Sie anstelle von R2 = 390 kOhm einen Widerstand mit niedrigerem Widerstand 360, 330 kOhm usw. anschließen. Und umgekehrt, wenn in der oberen Position des Motors die Drehzahl noch hoch ist und reduziert werden muss, muss der Widerstand R2 durch einen Widerstand mit höherem Widerstand (430, 470 kOhm usw.) ersetzt werden, bis er aus dem Motor entfernt wird Schaltkreis. Damit ist die Anpassung abgeschlossen. Der nach diesem Schema hergestellte Regler arbeitet stabil und über 5 Betriebsjahre hinweg ist kein einziger Ausfall aufgetreten; er hat sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzahlen und variabler Belastung des Bohrers gute Ergebnisse gezeigt. Bei der Herstellung des Reglers ist darauf zu achten, dass sich die Drehzahl erhöht, wenn der Drehzahlregler (Widerstand R1) nach rechts gedreht wird; dazu muss der Widerstand R1 gekreuzt werden, damit beim Drehen des Reglers nach rechts der Widerstand nimmt ab. Die Verwendung des Amplituden-Phasen-Verfahrens führt zu erheblichen Verzerrungen der Sinusspannung und dem Auftreten vieler höherer Harmonischer. Daher besteht die Notwendigkeit eines zusätzlichen Schutzes vor Störungen durch die Einführung von zwei zusätzlichen Filtern in den Stromversorgungskreis der Bohrmaschine C2, R9 und in den Stromversorgungskreis des Reglers C3, R10. Reglerdesign. Der Regler wird in zwei Versionen hergestellt. Die erste Möglichkeit ist oben beschrieben, der einzige Unterschied besteht in der Art der verwendeten Gleichrichterdioden (im Schaltplan in Klammern angegeben). Leiterplatten bestehen aus Glasfaserfolie und Getinax mit einer Dicke von 1,5 bis 2 mm. Abbildung 8 zeigt zwei Leiterplatten für die erste Version des Reglers.
Die Platine in Abb. 8,a wird verwendet, wenn die Filter C2, R9 und C3, R10 durch montierte Montage hergestellt werden, die Platine in Abb. 8,b wird verwendet, wenn die Filter auf der Platine platziert werden. Abbildung 9 zeigt eine Leiterplatte für die zweite Version des Reglers.
Die Herstellung der Filter erfolgt durch hängende Montage. Sie können eine Platine zusammen mit Filtern erstellen, ähnlich wie (Abb. 8b) für die erste Option. Die Leiterplatte und andere Teile des Reglers sind in einer Kunststoffbox untergebracht. Am Kastenkörper sind ein variabler Widerstand R1 und R2, eine Buchse zum Anschluss einer Bohrmaschine und ein 1,5 m langes Netzkabel mit Stecker am Ende befestigt. Die Filter C2, R9 und C3, R10 werden auf Montagegestellen in unmittelbarer Nähe des Netzkabels und der Steckdose zum Anschluss einer Bohrmaschine montiert. Auf dem Kastenkörper befindet sich unter dem Griff des Widerstands R1 eine Skala mit herkömmlichen Unterteilungen. Einzelheiten. Der Gleichrichter verwendet KD202R-Dioden, die für einen durchschnittlichen gleichgerichteten Strom von 5 A ausgelegt sind. Stattdessen können Sie KD202K, KD202M verwenden. In der zweiten Version des Reglers werden D231-Dioden verwendet. Sie können D231A, D231B, D232, D233, D234 mit beliebigen Buchstabenindizes und anderen Diodentypen verwenden, die für einen durchschnittlichen gleichgerichteten Strom von 10 A und eine Sperrspannung von 300 V oder mehr ausgelegt sind. Der Thyristor KU202M kann durch KU202 N, Zenerdioden D814V ersetzt werden – durch alle anderen mit einer Gesamtstabilisierungsspannung von 18–20 V. KT117 kann mit jedem Buchstabenindex verwendet werden. Für den Kondensator C1 können die Typen KLS, KM, K10U-5 verwendet werden. Die Kondensatoren C2 und C3 vom Typ K40P-2B können durch beliebige Papierkondensatoren mit einer Betriebsspannung von mindestens 400 V ersetzt werden. Ein variabler Widerstand vom Typ SP-1 kann durch einen Widerstand jedes anderen Typs und jeder Größe ersetzt werden. Um eine Bohrmaschine mit diesem Regler zu betreiben, müssen Sie keine zusätzlichen Schalter installieren. Ein in eine Bohrmaschine eingebauter zweipoliger Schalter genügt. Die Spannungsversorgung des Reglers erfolgt über den Bohrschalter. Obwohl der Regler für den Antrieb einphasiger bürstenbehafteter Elektromotoren ausgelegt ist, kann bei Bedarf jede aktive Last (Heizung) mit entsprechender Leistung daran angeschlossen werden. Литература:
Autor: V. V. Pershin
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