Как изменить направление вращения ротора двигателя постоянного тока

Часто для выполнения определенной задачи требуется осуществить реверсирование двигателя постоянного тока. Термин «реверсирование» обозначает изменение направления вращения мотора агрегата. Добиться этого можно, изменив направление действия вращающего момента. Направление магнитного потока электродвигателя постоянного тока изменяется двумя способами:

• переключением обмотки возбуждения;
• переключением якоря.

В обоих случаях направление тока в якоре станет противоположным. Если переключить и якорь, и цепь направления, направление вращения магнитного поля не изменится.

Поскольку постоянная времени обмотки якоря достаточно мала, переключение якоря значительно ускоряет процесс реверсирования. Когда нет необходимости быстродействия, обычно прибегают к переключению цепи возбуждения. В моделях двигателей параллельного возбуждения в обмотке имеется большой запас энергии, поэтому в машинах с большими мощностями постоянная времени обмотки равна буквально нескольким секундам.

В моделях последовательного возбуждения реверс производится аналогично. В обмотках якоря и возбуждения имеется небольшой запас энергии, вследствие чего постоянные времени обоих узлов относительно малы.

Процесс реверсирования двигателя постоянного тока

Реверс двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением выглядит следующим образом:

• Якорь отключается от источника питания.
• Двигатель переключается для торможения или тормозится механически.
• Якорь переключается либо в процессе торможения, либо после полного окончания торможения.
• Осуществляется пуск механизма, и двигатель начинает вращаться в противоположном направлении.

Реверсирование модели с последовательным возбуждением выполняется в той же последовательности. У моделей со смешанным возбуждением переключается или якорь, или параллельная и последовательная обмотки вместе.

Пуск и торможение двигателя постоянного тока

Способ пуска двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Прямое включение допускается только для агрегатов малой мощности. Во всех остальных случаях используется пусковой реостат, ограничивающий ток до допустимых значений.

Пусковой реостат представляет собой разделенную на секции ленту (или провод) с высоким удельным сопротивлением. В местах перехода установлены медные плоские или кнопочные контакты, к которым присоединяются провода. При пуске двигателя сопротивление реостата должно последовательно уменьшаться – для этого рычаг переводится с одного неподвижного контакта на другой и секции выключаются.

Существует два способа торможения двигателей постоянного тока:

• Механическое торможение, применяемое при отсутствии ограничений времени и тормозного пути. При его выполнении тормозные колодки накладываются на тормозной шкив.
• Электрическое торможение, обеспечивающее точный тормозящий момент. Поскольку фиксация механизма в нужном месте невозможна, часто оно дополняется механическим.

В свою очередь, электрическое торможение может осуществляться тремя путями:

• С возвратом энергии в сеть. Кинетическая энергия при этом преобразовывается в электрическую, часть которой возвращается в сеть.
• При противовключении. Вращающийся двигатель переключается на противоположное направление вращения.
• Динамическое. При этом происходит рассеивание электрической энергии в цепи якоря.

Пуск, торможение и реверс двигателя постоянного тока должны выполняться с соблюдением технологических требований и правил техники безопасности.

Двигатель постоянного тока

Для начала рассмотрим повнимательней
обычный двигатель
постоянного тока. Любой двигатель
имеет две основные части — ротор и статор.
В коллекторном двигателе статор —
неподвижная часть, состоит из постоянных
магнитов (или в более мощных двигателях
электромагнитов). Ротор (якорь) —
вращается, совмещён с валом двигателя
и состоит из многих катушек (как минимум
трех). Коллектор (щёточно-коллекторный
узел) отвечает за переключение выводов
катушек ротора. Ток в таком двигателе
подводится к катушкам ротора через
скользящие контакты (или щётки). В один
момент времени подключена только одна
катушка, она и создаёт момент вращения
двигателя за счет проходящего тока.

С точки зрения базовых элементов
схемотехники любой двигатель можно
представить в виде следующей эквивалентной
схемы:

Когда мотор подключён источнику
постоянного тока и еще не начал вращаться,
то он представляет из себя обычное
сопротивление. То есть через него течет
ток согласно закону Ома и сопротивлению
его обмотки. Преобладает компонента R.
Индуктивность начинает влиять когда
напряжение не постоянное, например,
если мотор питается от ШИМ (PWM) сигнала.

Сопротивление ротора и индуктивность,
как правило, очень малы. Его можно
померить обычным мультиметром. Небольшие
модельные моторы имеют сопротивление
1-10 Ом. Поэтому, при старте мотора (когда
он ещё не начал вращаться), ток сильно
превышает рабочий ток мотора и если
мотор долго будет неподвижен (его
заклинило), то такой высокий ток может
привести к перегреву мотора и выходу
из строя.

Индуктивность катушек ротора пытается
поддерживать ток протекающий через
обмотки постоянным. Ее влияние заметно
только когда напряжение меняется. Когда
мотор начинает вращаться, то коллектор
начинает переключать катушки ротора,
что вызывает изменение напряжения.
Индуктивность пытается в эти моменты
поддерживать ток протекающий через
мотор на постоянном уровне за счет
напряжения.

Во время вращения катушки ротора
начинают вырабатывать ток (как генератор)
— возникает обратная ЭДС. Чем быстрее
вращается ротор, тем выше обратная ЭДС
возникающая в катушках, а так как она
направлена против напряжения питания,
то ток потребляемый мотором снижается.

В дальнейшем нам понадобятся следующие
выводы:

• пока мотор не начал вращаться он
  является сопротивлением

• если приложить к мотору изменяющееся
  напряжение (например PWM), то индуктивность
  будет иметь большое влияние, она будет
  сопротивляться изменению тока через
  мотор

• когда мотор вращается, то он является
  генератором, и за счет этого потребляемый
  ток снижается (итоговое напряжение
  равно V — Vbemf).

Как подключить мотор к МК

В данной статье мы будем разбираться
как управлять с помощью МК скоростью и
направлением вращения обычным двигателем
постоянного тока.

Для того чтобы коллекторный мотор
постоянного тока начал вращаться,
достаточно подать на него определённое
напряжение. Полярность данного напряжения
будет определять направление его
вращения, а величина напряжения —
скорость вращения. Напряжение нельзя
менять безгранично. Каждый мотор
рассчитан на определённый диапазон
напряжений. При повышении напряжения
ток через мотор будет расти, и он начнётся
перегреваться и может сгореть. На
следующем графике некоего мотора хорошо
видна взаимосвязь его основных
показателей.

Максимальной
мощности (Torque — крутящий момент) мотор
достигает при максимальном токе. И
зависимость тока и момента — линейная.
Максимальной скорости двигатель
достигает при отсутствии нагрузки (на
холостых оборотах), при увеличении
нагрузки скорость вращения падает.
Номинальное рабочее напряжение указано
в паспорте на двигатель и именно для
него и приведён и этот график. Если же
снижать напряжение, то скорость вращения,
и все остальные показатели будут тоже
падать. Как правило, ниже 30-50% от
номинального напряжения мотор перестанет
вращаться. Если же мотор не сможет
прокрутить вал (его заклинило), то по
сути станет сопротивлением и потребляемый
ток достигает максимальной величины,
зависящей от внутреннего сопротивления
его обмоток. Обычный мотор не рассчитан
на работу в таком режиме и может сгореть.

Посмотрим как меняется ток от нагрузки
на реальном моторе R380-2580.

Мы
видим, что рабочее напряжение данного
мотора — 12В, потребляемый ток под
нагрузкой — 1.5А. Ток останова мотора
вырастает до 8А, а в холостом же вращении,
потребляемый ток равен всего 0.8А.

Как мы знаем, порт микроконтроллера
не может выдать ток больше 50мА, и
напряжение питания 12В для него слишком
большое. Для управления моторами нам
понадобится электронный ключ —
транзистор, возьмём обычный биполярный
транзистор NPN и подключим его по следующей
неправильной схеме.

Чтобы мотор начал вращаться, на базу
транзистора необходимо подать небольшой
ток, далее транзистор откроется и сможет
пропустить через себя гораздо больший
ток и напряжение — мотор будет вращаться.
Стоит отметить что, если мы соберём
такую схему, то транзистор очень
скоро, если не сразу, выйдет из строя.
Чтобы этого не произошло, его необходимо
защитить.

Как мы уже знаем одна из компонент
мотора — индуктивность — сопротивляется
изменению тока. Поэтому, когда мы закроем
транзистор, чтобы выключить мотор, то
сопротивление транзистора резко
увеличится и он перестанет пропускать
через себя ток. Однако индуктивность
будет сопротивляться этому, и для того,
чтобы удержать ток на прежнем уровне,
по закону Ома, напряжение на коллекторе
транзистора начнёт резко повышаться
(может достигнуть даже 1000В, правда очень
на малое время) и транзистор сгорит.
Чтобы этого не произошло необходимо
параллельно обмоткам мотора поставить
диод, который откроет путь для обратного
напряжения и замкнёт его на обмотке
мотора, тем самым защитит транзистор.

Также, все постоянные моторы имеют
еще одну неприятность — при вращении
механический контакт в коллекторе не
идеален, щётки искрят в процессе работы,
создавая помехи, что может привести к
сбою микроконтроллера. Чтобы снизить
эти помехи, необходимо использовать
конденсаторы небольшой ёмкости,
подключенный параллельно выводам мотора
(как можно ближе к самому мотору). Вот
окончательная правильная схема
(диод может быть не обязательно Шоттки,
но он предпочтителен).

Биполярные транзисторы в открытом
состоянии они ведут себя как диоды (на
них падает около 0.7 В). А это, в свою
очередь, вызывает их большой нагрев на
больших токах и снижает КПД схемы
управления мотором. Поэтому лучше
управлять моторами с помощью полевых
(MOSFET) транзисторов. В настоящее время
они достаточно распространены и имеют
невысокую цену. Их низкое сопротивление
в открытом состоянии позволяет
коммутировать очень высокие токи с
минимальными потерями. Однако и у них
есть свои недостатки. Так как MOSFET
транзисторы управляются напряжением,
а не током (и обычно оно составляет 10В),
то нужно или выбирать специальные
логические MOSFET, которые могут управляться
низким напряжением — 1.8 .. 2.5В или
использовать специальные схемы накачки
напряжения (драйверы полевых транзисторов).
Как выбирать MOSFET под вашу схему мы
рассмотрим в других статьях, на конкретных
приборах.

Теперь, подавая на выход микроконтроллера
логическую единицу, мы заставим мотор
вращаться, а логический ноль — остановится.
Однако вращаться он будет с постоянной
скоростью и только в одну сторону.
Хотелось бы иметь возможность менять
направление вращения мотора, а также
его скорость. Рассмотрим, как этого
можно добиться с помощью микроконтроллера.

H-Мост — меняем направление
вращения мотора

Для управления направлением вращения
мотора существует специальная схема,
которая называется H-мост (схема выглядит
как буква H).

Работает
схема очень просто. Если открыть верхний
правый и левый нижний транзистор, то на
клемах мотора справа будет плюс, а слева
будет минус. Мотор будет крутиться в
одну сторону. Если открыть левый верхний
и правый нижний, то справа будет минус,
а слева плюс — полярность тока сменится,
и мотор будет крутиться в другую сторону.
Паразитные диоды внутри MOSFET транзисторов
будут защищать всю схему (параметры
этих диодов не очень хорошие и в реальных
схемах могут понадобиться более
быстродействующие диоды Шотке параллельно
паразитным диодам, для снижения нагрева
полевого транзистора), так что лишние
компоненты не понадобятся, кроме
искрогасящего конденсатора.

В схеме H-моста в качестве нижних
транзисторов всегда используются
N-канальные, а вот верхние могут быть
как N-канальные, так и P-канальные.
P-канальными транзисторами в верхнем
ключе проще управлять, достаточно
сделать схему смещения уровня напряжения
на затворе. Для этого можно использовать
маломощный N-канальный полевой или
биполярный транзистор. Нижним транзистором
можно управлять напрямую от МК, если
выбрать специальный логический полевой
транзистор.

Если в вашей схеме будет использоваться
высоковольтный мотор постоянного тока
(больше 24В) или мощный мотор с токами
более 10А, то лучше использовать специальные
микросхемы — драйверы MOSFET транзисторов.
Драйверы управляются, как правило,
сигналами микроконтроллера от 2 до 5В,
а на выходе создают напряжение необходимое
для полного открытия MOSFET транзисторов
— обычно это 10-15В. Также драйверы
обеспечивают большой импульсный ток
необходимый для ускорения открытия
полевых транзисторов. С помощью драйверов
легко организовать управление верхним
N-канальным транзистором. Очень хорошим
драйвером является микросхема L6387D от
компании ST. Данная микросхема хороша
тем, что не требует диода для схемы
накачки напряжения. Вот так она
подключается для управления H-мостом
на 2-х N-канальных транзисторах.

N-канальные
полевые транзисторы, стоят дешевле
P-канальных, а также имеют меньшее
сопротивление в открытом состоянии,
что позволяет коммутировать большие
токи. Но ими сложнее управлять в верхнем
положении. Проблема использования
N-канального транзистора в верхнем ключе
состоит в том, что для его открытия нужно
подать напряжение 10В относительно
Истока, а как вы видите на схеме там
может быть все напряжение питания
мотора, а не 0 вольт. Таким образом, на
базу необходимо подать 10В + напряжение
питания мотора. Нужна специальная
bootstrap схема для повышения напряжения.
Обычно, для этих целей используется
схема накачки напряжения на конденсаторе
и диоде. Однако такая схема работает
только, если вы постоянно подзаряжаете
конденсатор — открывая, закрывая нижний
транзистор (в ШИМ управлении). Для
возможности поддерживания верхнего
транзистора постоянно открытым нужно
еще усложнять схему — добавлять схему
внешней подпитки конденсатора. Вот
пример схемы управления N-канальными
транзисторами без использования
микросхем драйверов.

Перейдём к управлению скоростью
вращения мотора.

ШИМ сигнал — управляем
скоростью вращения мотора

Моторы постоянного тока имеют линейную
зависимость скорости вращения от
приложенного напряжения. Таким образом,
чтобы снизить скорость вращения, надо
подать меньше напряжения. Но надо
помнить, что с падением напряжения, у
мотора падает мощность. Поэтому, на
практике, можно управлять скоростью
мотора только в пределах 30%-50% от полной
скорости вращения мотора. Для управления
скоростью мотора без потери мощности,
необходима обратная связь от мотора по
оборотам вращения, например как в
электрическом шуруповерте. Такой режим
управления, требует более сложной схемы.
Мы же будет рассматривать простой
вариант — управление скоростью мотора
без обратной связи.

Итак, нам необходимо менять напряжение
подаваемое на мотор. В нашем распоряжении
есть MOSFET транзистор. Мы помним, что наш
мотор имеет индуктивность. Индуктивность
сопротивляется изменению тока. И если
быстро включать и выключать напряжение
на моторе, то в момент выключения ток
будет продолжать течь благодаря
индуктивности. А мотор будет продолжать
вращаться по инерции, а не остановится.
Но естественно, вращаться он будет
медленнее, среднее напряжение на его
обмотках будет меньшее.

Микроконтроллер, как раз, отлично
умеет генерировать импульсный ШИМ (PWM)
сигнал. А мотор умеет интегрировать
данный сигнал (усреднять) за счёт
индуктивности обмоток и инерции ротора.
От коэффициента заполнения (скважности)
ШИМ сигнала как раз и будет зависеть
полученное мотором среднее напряжение,
а значит и скорость.

Какая же частота ШИМ нужна для лучшего
управления мотором? Ответ очень простой,
чем больше, тем лучше. Минимальная
частота зависит от индуктивности мотора,
а также массы ротора и нагрузки на вал
мотора. Если смоделировать в электрическом
симуляторе (например, PROTEUS) ШИМ управление
мотором, то будет видно, что чем больше
частота ШИМ, тем более ровный ток
протекает через мотор (ripple current —
снижается при увеличении частоты).
Низкая частота:

высокая
частота:

Если же частота упадёт ниже определённого
уровня, ток станет разрывным (будет
падать до нуля) и в итоге мотор не сможет
крутиться.

Отлично, все просто! Делаем частоту
ШИМ побольше, например 1 МГц, и любому
мотору хватит. В жизни же, все не так
просто. Для понимания всех возможных
проблем можно упрощенно принять затвор
MOSFET транзистора за идеальный конденсатор.
Для того чтобы транзистор полностью
открылся, конденсатор необходимо
зарядить до 10В (на самом деле меньше).
Чем больше ток, который мы можем вкачать
в конденсатор, тем быстрее он зарядится,
а значит быстрее откроется транзистор.
В процессе открытия транзистора, ток и
напряжение на нем будут максимальными,
и чем больше это время, тем сильнее
нагреется транзистор. В datasheet обычно
есть такой параметр как Qgate — полный
заряд, который надо передать транзистору,
чтобы он открылся полностью.

Чем меньше эта величина, тем меньшей
ток нужен для управления данным
транзистором. Естественно, такой ток
нужен только на очень короткое время —
какое, опять же написано в datasheet — tr,
обычно оно измеряется в наносекундах.
Чтобы выдать такой ток, нужны специальные
драйверы, если же мы управляем логическим
MOSFET напрямую от микроконтроллера, то
мы не сможем обеспечить такой ток.
Поэтому для защиты микроконтроллера
необходимо перед базой MOSFET ставить
резистор, а это сильно замедляет время
открытия. В итоге, микроконтроллер в
прямом управлении не может обеспечить
более 1-2 мкc на открытие и закрытие
транзистора. Время открытия и закрытия
должно занимать не более 10% длительности
ШИМ сигнала. Таким образом, мы сразу
получаем ограничение в частоте — 50 000
Гц. Дополнительно, сам микроконтроллер
должен иметь возможность генерировать
ШИМ сигнал с возможностью хотя бы 8
битного управления шириной ШИМ (для
этого требуется большая рабочая частота
МК). В итоге, обеспечить большую частоту
ШИМ не так просто. Так же, на высоких
частотах, начитает мешать паразитные
ёмкости и индуктивности. На плате,
которую можно сделать дома, получить
частоту ШИМ больше 300 кГц, очень сложно.
Трассировка платы должна быть сделана
идеально. Для снижения требований к
плате, в настоящее время выпускаются
специальные MOSFET, объединённые с драйверами
управления, они позволяют на заводских,
многослойных платах получить частоту
управления MOSFET в 2МГц.

Индуктивность моторов не такая уж
маленькая, и такие большие частоты не
нужны. Для управления моторами постоянного
тока вполне достаточно 8 кГц, лучше около
20кГц (за звуковым диапазоном).

Дополнительно стоит отметить, что для
снижения стартового тока необходимо
плавно поднимать на старте частоту ШИМ.
А еще — лучше контролировать стартовый
ток мотора с помощью датчиков тока.

ШИМ управление мотором предполагает
очень быстрое изменение напряжение от
0 для максимального, что порождает
большие проблемы при трассировке платы.
Перечислим коротко правила, которые
необходимо соблюдать при трассировке
платы.

• Земли управления моторами и
  микроконтроллера обязательно должны
  быть разделены, соединение в одной
  точке тонким проводником, например
  0.3мм, как можно ближе к проводам питания
  всей схемы

• Драйвера управления MOSFET должны
  быть как можно ближе к самим MOSFET
  транзисторам

• Исполнение управляющей области
  обязательно двухсторонее, желательно
  с земляным слоем с одной стороны. При
  импульсном управлении возникают
  электромагнитные помехи, чтобы снизить
  их, земляной слой должен быть рядом.

• Обязательно наличие конденсатора
  как можно ближе к зоне прохождения
  больших импульсных токов. Если такого
  конденсатора не будет, то напряжение
  на линии питания будет сильно проседать
  и микроконтроллер будет постоянно
  сбрасываться. Также без такого
  конденсатора, за счёт индуктивности
  проводов питания, напряжения на линии
  питания может увеличиться в несколько
  раз и компоненты выйдут из строя!

Более подробно мы рассмотрим как
работают эти правила на конкретных
приборах.

ШИМ сигнал в H-мосте

Чтобы можно было менять направление
вращения и скорость — нужна схема
H-моста, а для регулирование скорости
нужно управлять транзисторами ШИМ
сигналом. В схеме H-моста четыре
транзистора. Как лучше ими управлять?
На какой транзистор подавать ШИМ сигнал?
Разберёмся в этом вопросе (рекомендуем
прочитать очень подробную статью
на эту тему).

Рассмотрим нашу схему с точки зрения
нагрева транзисторов. Это один из
основных критериев, по которому наш
прибор может выйти из строя. Полевой
транзистор состоит из двух элементов
— собственно транзистор и паразитный
диод. В схеме управления мотором оба
элемента работают. Нагрев полевого
транзистора происходит в следующие
моменты времени:

• когда транзистор открыт, нагрев
  идёт из-за сопротивления в открытом
  состоянии Rdson, пропорционально времени
  открытия транзистора выделяется
  мощность P = I * I * Rdson

• когда транзистор закрыт, то ток ЭДС
  мотора идёт через диод, то есть нагрев
  идет из-за диода P = I * U diode forward (как
  правило 1В)

• когда транзистор переключается из
  открытого состояния в закрытое, то
  нагрев пропорционален времени открытия
  и закрытия транзистора
  

Посмотрим, как влияет схема управления
на нагрев нашим электронных ключей.
Допустим, что мы управляем мотором ШИМ
сигналом со скважностью 50% и мотор
крутится в одну сторону.

Самый простой вариант — применить
ШИМ сигнал к одному из двух транзисторов,
а второй оставить все время открытым.
Обычно, ШИМ в этом случае подаётся на
нижний транзистор (N типа), который обычно
быстрее. В этом случае нагрев нижнего
будет больше верхнего на величину тепла
выделяемого при переключениях транзистора.
Чтобы сравнять счёт, можно попеременно
подавать ШИМ сигнал то на верхний (если
они одинаковые), то на нижний транзистор.
Также можно подавать ШИМ на оба транзистора
одновременно, но из-за разницы в
транзисторах это будет не эффективно,
а также будет увеличивать нагрев за
счёт переключения транзисторов. При
такой схеме управления, два других
транзистора работают как диоды. К
счастью, наибольший ток через диод будет
при наибольшей скважности ШИМ, при этом
диод будет задействован очень малое
время.

Для исключения тока через диоды,
которые дают существенный нагрев, можно
мотор никогда не отключать от напряжения,
а вместо этого, крутить его в обратную
сторону. Таким образом, мы должны,
например 70% ШИМ сигнала крутить вправо,
а 30% влево. Это даст в итоге 70%-30%=40% скорости
вправо. Но при этом не будут задействованы
диоды. Такой метод управления называется
комплиментарным. Такая схема требует
большого конденсатора на линии питания,
а также источника питания, который может
потреблять ток (например аккумулятора).

Вместо вращения мотора в разные
стороны, можно помогать диодам — а
именно тормозить мотор, открывать два
верхних транзистора в момент низкого
уровня ШИМ сигнала. На практике, все эти
методы не дают существенного изменения
скорости вращения двигателя, но позволяют
эффективно управлять нагревом полевых
транзисторов. Более подробно про
особенности различных схем управления
можно в этой статье.

На этом мы закончим нашу статью про
моторы. Теперь можно перейти к практике
— будем делать плату
управления 4-мя
моторами
для робота.

Большая доля инструментов располагает в составе коллекторный двигатель. Это один из обычных и позволяемых по цене каждому движков, у которого есть отличные характеристики. Собственно этим, да ещё низкой ценой, определена его значительность.

Электродвигатели стали неотъемлемой частью жизни людей, которые упрощают ее и берут много работы на себя. Они обеспечивают произведение обыденной и строительной техники, представлены одной из вспомогательных частей производственного оборудования.

Что такое коллекторный двигатель и его особенности

Коллектором нарекают элемент двигателя, контактирующую с щетками. Данный отдел гарантирует передачу электроэнергии в рабочее деление агрегата. Коллекторный мотор хронического тока — вертящийся электрический аппарат постоянного тока, перерабатывает энергию непрерывного тока в машинную энергию, где одна обмотка, которая содействует в процессе вырабатывания энергии, сплочена с теплообменником. Функционирует через постоянный и не устойчивый поток энергии, сила 300–800 Вт, количество разворотов якоря 11 500–15 000 об/мин.

Коллекторные электродвигатели бывают: постоянного и переменного тока;

Последние универсальные функционируют, как и от неизменного, так и от сменного потока. Они сохраняют популярность, даже если имеют щётки. Известно, что щетки не очень удобны, так как они стираются и искрят. За этим элементом необходимо непрерывное наблюдение и промышленное обслуживание.

К достоинствам коллекторных движков причисляют вероятность мягкой регулировки быстроты в обширных пределах, низкую стоимость. Как и остальные электромоторы, коллекторный складывается из статора и ротора (часто нарекают «якорь»). Его отличительной особенностью представляется существование на валу коллекторного узла, сквозь какой на автомат передаётся электропитание. Механизм коллекторных двигателей долговременного и переменного тока почти одинаковы, но имеют некоторые отличия.

Коллекторный двигатель долговременного тока

Наиболее малые движки предоставленного типа (единицы Ватт) хранят в корпусе:

· трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;

· коллекторный отдел из 2-х щёток, которые присоединены между собой с 3-мя медными пластинами;

· двухполюсной статор из непрерывных магнитов.

Такие двигатели используются, в основном, в младенческих игрушках, музыкальных плеерах, сушках, электрических бритвах, аккумуляторных отвертках и т. (рабочее усилие 3-9 вольт).

Движки более сильной мощности (десятки Ватт), соответственно складываются из:

· семиполярный ротор на подшипниках; коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;

· четырехполюсный статор из постоянных магнитов.

Впрочем, такая консистенция аппарата используется в большинство электродвигателей в новых автомобилях (рабочее усилие 12 либо 24 Вольт): препровождение пропеллеров систем охлаждения и вентиляции, «дворников», насосов омывателей.

Коллекторный мотор переменного потока

Коллекторный двигатель переменного тока является довольно специфическим прибором, которое располагает все совершенства механизма долговременного тока и, вне зависимости, характеризовано совпадающими свойствами. Различие данных агрегатов складывается в том, что обивка статора двигателя неустойчивого тока для снижения издержек на вихревой энергетике, производится из раздельных листов электротехнической стали. Обмотки побуждения аппаратуры вводятся поочередно ради оптимизации произведения в бытовой сети 220в.

Существуют также трехфазные, чьи способности действовать от постоянного и переменного тока именуются ещё и универсальными данными. Выключая статор и ротор, механизм содержит щеточно-коллекторный аппарат и тахогенератор. Циркуляция ротора в коллекторном моторе завязывается впоследствии совместной работоспособности потока якоря и магнитного тока намотки возбуждения.

Посредством использования щетки ток перенаправляется на теплообменник, организованный из пластинок трапецеидального разделения и представляется одним из узлов ротора, поочередно объединенного с намотками статора.

Принцип произведения

Инструмент сочетает в себе неподвижную часть, это статор и сменную часть – ротор. В статоре размещаются возбуждающие обвивки, ротор следит за передачей появляющейся машинной силы. Также часть ротора это вал.

Собственно, принцип поведение не различается от прочих движков, ротор инициирует ворочения в магнитной сфере, вследствие индуцированным на нём токам. Но как собственно и зачем данные тока наводятся? Для понимания нужно вспомнить, как создается электродвижущая мощь в постоянном магнитном поле. Ежели поле непрерывного магнита установить прямоугольную рамку, под действием завязывающегося в ней тока она начинает вращение. Направление вращения определяется по правилу буравчика. Для постоянного поля в нем говорится так, ежели установить правую руку в поле так, чтобы магнитные очертания вмещались в ладонь, вытянутые пальцы покажут направленность движения.

Как поменять движение в коллекторном движке

Первая из токоснимающих щеток соединяется к обмотке статора, а питающее усилие направляется на другую щетку и другой шнур статорной обмотки. Чтобы произошло изменение расположения штепсельной вилки в розетке, случается синхронная смена полюсов магнитов ротора и статора. Следовательно, курс вращения не изменится. К тому же, как это случается в движке долговременного тока с одновременным изменением полярности питающей силы на обмотке возбужденности и якоря. Поменять распорядок следования «фаза – ноль» надобно исключительно производить на один элемент электрического автомата – коллектора, что гарантирует и пространственное, и электрическое разделение проводов – обвивки якоря защищены.

Такое можно совершить парой способов:

· Ручной сменой места конструкции щеток. Это редкость, ибо похоже на внесения изменений в состав устройства. Тем более, итогом будет досрочный выход щеток из строя, ибо фигура выработки на их способном выходе не будет такая, как форма плоскости коллектора.

· Замена расположения переключателя среди щеточного узла и обмоткой в клеммной коробке, а далее точки включения сетевого провода. Дозволено создать с силой одного многопозиционного выключателя либо парой магнитных пускателей.

Как плавно изменить курс вращения коллекторного движка

Если попросту поменять противоположность подводящего усилия на коллекторном двигателе, направленность верчения ротора не изменится. Вдобавок нужно понимать, что в моторах сильной мощности переключат обмотку якоря. При переключении обмоток статора появляется сила самоиндукции, что долетает величин, оно может исключить сердце из строя. Надлежит сменить местами выводы обмотки возбуждения. Когда присутствует третий шнур, то его не используют.

Не на всяком коллекторном двигателе дозволено реализовать реверс, ежели в корпусе направлен указатель вращения, то его невозможно приспособлять в реверсивных устройствах. Все двигатели, обладающие высокими витками, специализированы для вращения в одну сторону. Например, у электродвигателя, констатирующего в болгарках. У двигателя, что обладает незначительными оборотами, циркуляция возможна в разные стороны. Программа включения его обмоток подобна той, что и на двигателях непрерывного тока с последовательным возбуждением.

Реально весь электрический ассортимент моторов для бытового использования, дома или на даче, одновременные — коллекторные. Редко могут быть асинхронные. Коллекторный двигатель употребляется в стиральных аппаратах для прокрутки барабана, электродрелях и так далее. Такие движки имеют крепление к обмотке и не двигаются. Вдобавок в данном моторе на якоре имеется обмотка. На обе эти обмотки направляется сила с коллектора. Чинить такой двигатель дешево, при этом он элементарен для реализации в домашних условиях. Только оно нуждается в понимании устройства и соблюдение техники безопасности. Еще желательно проверять клавиши подключения на работоспособность устройства и питающие шнура. Данные характеристики можно исследовать с помощью индикаторной отвертки или мультиметра.

Схемы включения

Стандартная методика включения предугадывает заключение на контактную планку до 10 контактов. Текущий стороной одной из щеток течение L устраивается на коллектор и якорь, дальше проходит к обмоткам статора сквозь вторую щетку и перемычку, высовываясь в нейтраль N. Реверса двигателя похожий метод подключения не предугадывает, поелику соединение обмоток синхронное приводит к одновременной перемене полюсов в магнитных полях.

Следственно, направленность обстоятельства постоянно такое. Скорректировать направленность верчения возможно, когда можно сменить выходы на контактной планке местами в обмотке. Начистоту двигатель соединяют если провода ротора и статора соединены к щеточно-коллекторный аппарату. Для переключения второй быстроты применяются шнуры только полу обмотки.

Важно помнить, что с фактора подобного включения сердце инструмента действует на наибольшей мощности, следовательно, время его эксплуатации никак не должен превосходить 15 сек. Примитивно данный метод дозволено изобразить подобными пунктами:

· на затвор симистора сервируется команда от электрической схемы;

· заслонка открывается, поток идет по намоткам статора, активизируя циркуляцию якоря двигателя М;

· моментальные величины частоты кручения реорганизуются тахогенератором в электронные сигналы, которые создают с импульсами управления возвратную связь;

· В итоговом моменте обращение ротора при любой прочности, остается равномерным;

· с дополнительным использованием реле R и R1 исполняется реверсирование мотора.

Модифицирование вращения

Перед тем как «менять щётки» или другие провода, приглядитесь, каким способом приспособлены щётки касательно коллектора. Ежели, щетки поставлены вертикально к поверхности цилиндра, какой образует коллектор, дальше позволено любым методом изменять направленность верчения двигателя технологий только два: изменить положение проводов между собой, подходящие к щеткам, или провода , которые установлены к обмотке возбужденности (статору). Но когда щётки введены не вертикально , дальше обменивать направления верчения очень не желательно. Ротор кружиться будет, однако будет увеличенное выделение искр и скорый износ щеток.

Обследовать конструкцию щеток легко: убираем щетку и смотрим разрез выработки, если он симметричный -щётки находятся перпендикулярно, поэтому наоборот. Дозволено еще послушать звук, организовывается щетками при верчении теплообменника вручную — при инвариантной установке он будет один для любого направления вращения.

Регулятор частоты вращения коллекторного движка

Если движок переменчивого тока включается на абсолютную мощность, случается передача тока с целой мощностью нагрузки, что повторяется 7-8 раз. Данное течение нагибает обмотки мотора и производит тепло, что будет отходить длительное время. Это может существенно уменьшить живучесть двигателя. Короче говоря, преобразователь – это такой ступенчатый инвертор, какой гарантирует парную смену энергии.

Рекомендуемый стабилизатор частоты вращения специализирован для произведения совместно с коллекторными движками и является безоглядно аналоговое устройство. Регулятор обладает возвратной связью по частоте вращения, также ему не нужны приборы никакого тахогенератора дополнительно. Преимущественно известной разновидностью стабилизаторов частоты циркуляции основного мотора кассетных магнитофонов, представляется стабилизатор с положительной возвратной связью потока. Регулирование проистекает параметрические, следовательно, гармоника достаточно крепко модифицируется при изменении перегрузки на валу двигателя.

Чтобы сделать качества работы больше в стабилизаторе, надо установить возвратную связь по частоте вращения. Нормально при таких данных для вала двигателя ставить особенный датчик. В основном только оптический . Подобный преобразователь охватывает в себе оптопару, оптическое течение что останавливается крыльчаткой (или диском с отверстиями), и дальше он насаживается на вал двигателя. Крыльчатка останавливает оптический поток, и на конце оптопары складываются импульсы с частотой верчения двигателя, поднятой на сумму прорезей в крыльчатке.

Временами приспосабливается и другая разновидность датчиков — магнитные. Когда на вал мотора ставится шестерня из ферромагнитного материала, вблизи которой укрепляется головка с магнитом. При воздействии вращения шестерни на выводах головки, является неустойчивое усилие с амплитудой возле милливольта, и частотой, равновеликой частоте верчения двигателя, поднятой на сумму зубьев на шестерне. Это течение включает в себе неустойчивую составляющую, в которую входит гармоника, что обладает частотой, равноправную частоте циркуляции двигателя, поднятую на количество пластинок коллектора. Двигатели, какие чаще приспосабливаются в магнитофонах, располагают три пластины коллектора. Следовательно данная гармоника равновелика утроенной частоте верчения двигателя. Только на данном принципе и построен регулятор.

Как выбрать редуктор

Имеется изрядно пару характеристик, которые помогут подбирать регулятор:

· Тип управления. Для коллекторного электродвигателя бывают регуляторы с векториальной либо скалярной системой руководства. Главные чаще применяются, однако, другие числятся надежнее;

· Один из желательных факторов при выборе гальванического преобразователя частот. Нужно выбирать частотник с силой, что отвечает максимально дозволенной на оберегаемом инструменте. Но для мало вольтового мотора предпочтительно, подобрать стабилизатор сильнее, нежели допустимое значение Ватт;

Конечно, тут все предусмотрено для каждого по отдельности, но по способности необходимо приобрести редуктор витков ради электродвигателя, у которого базисная схема располагает просторный спектр дозволительных напряжений;

· Охват частоты. преображение частоты – это ключевая тема предоставленного агрегата, следовательно постарайтесь найти тип, что будет предельно отвечать Вашим нуждам. Примерно, ради ручного фрезера довольно хорошими данными будут 1000 Герц;

· По иным критериям. Это срок гарантии, сумма входов, охват (для станков и ручных приборов имеется специфическая приставка). При этом еще необходимо понимать, что имеется так именованный всеобъемлющий стабилизатор циркуляции. Это частотный агрегат для бесколлекторных движителей.

Совершенства и недостатки коллекторов

Достоинства коллекторных электромоторов такие:

· Элементарное устройство.

· Благородная скорость до 10 000 об/мин.

· Доброкачественный вращающий момент и на малых оборотах.

· Низкая стоимость.

· Вероятность координировать поспешность в пространных пределах.

· Невысокие отправные флюиды и нагрузки.

В роторе можно увидеть, что каждая обвивка представляет собой подобную рамку. Лишь складывается она не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. При помощи коллекторного узла, в каком-то пункте времени, обвивка подключается к давлению и, по ней проходит течение и вокруг проводника завязывается магнитное поле. Оно содействует с полем статора. Зависит от типа, используются там долговременные магниты или тоже течет безостановочный ток в обмотках, создавая на полюсах свое магнитное поле.

Аппарат ротора и статора рассчитан так, что при содействии они «проталкивали» ротор в нужную сторону. Чем больше силы сервируется на обмотки ротора, тем сильнее мощная сфера производит статор, тем более сильная их реакцию и скорее ворочается ротор, потому что он сталкиваются с огромной силой. Также при способе уменьшения усилия — взаимодействие уменьшается, итоговая быстрота вращения тоже. Поэтому все что надо, координировать напряжение, такое позволяют сделать с помощью даже несложного авто потенциометр (переменное сопротивление).

Удовлетворительные качества, но просматриваются и минусы, причем они вполне серьёзные. Минусы коллекторных электродвигателей такие:

· Большая степень гулов при движении.

· В особенности при воздействии на больших скоростях.

· Щетки стираются о аппарат триммера, вследствие образуя шумы.

· Щеточки искрятся и изнашиваются

· Потребность периодического поддержания коллекторного узла.

· Мало устойчивость характеристик при изменении нагрузки.

· Рослая частотность отказов через присутствие коллектора и щеток, небольшой промежуток работоспособности данного узла.

В целом, коллекторное сердце хороший выбор, по-другому его не ставили бы на хозбытовой технике. При обычном свойстве работы, функционируют подобные моторы годами. Могут и 10-15 лет работать нормально без аварий.

Проверка коллекторного электродвигателя на повреждение

Самая трудная задача, что поднимется с таким аппаратом это разбор. Как ни странно, коллекторный мотор непросто разбирать. Приводить анализ демонтажа мотора для всех вариантов устройств долгое время, предпочтительно определить особое руководство естественно под ваш тип механизма. Важно не пренебрегать техникой безопасности, все приборы при разборе обязаны быть выключены.

Берите инструменты с изоляционным материалом. Если электромотор демонтирован, пробуйте дать на него напряжение. Ежели он работает, однако искры в щеточках увеличились (хвосты искр при кружении неравномерны, облегают временами больше 90°), быстрее всего, наступил период их сменить либо откорректировать прикрепление аппарата.

При нестабильном соединении могут обнаруживаться неполадки. Также это может значить и межвитковое перемыкание внутри. Заменять приборы должны исключительно на такие же как предыдущие. Щетки в принципе укрепляются фиксатором либо болтами. Порой они зафиксированы на особом рычаге. Когда щетки в норме, но плохо прикреплены, требовательно прикрепить пружины.

Когда контакты на аппарате потемнели, нужно совершить чистку. Хорошим способом будет использование наждачной бумаги с небольшой крошкой. Когда таков метод не посодействовал, тогда источником поломки может быть износ подшипников. Также когда заметен слишком большой шум, лишнюю вибрацию, то вполне вероятно и надобно сменить подшипники.

Когда агрегат нельзя никак включить, посмотрите зрительно целость обмоток, лишение почернения. Сгоревшую изоляцию требовательно почистить, в случае присутствия графитовой пыли все тщательно прочистить. Прах вызывает замыкание. Всю проводку надо опробовать мультиметром. Когда обвивка не дает проводимости, возможно в этом случае реставрация агрегата станет дороже нового.

Соседние файлы в папке Методички

• #
• #
• #
• #