Материал: Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем. межвузовский сборник научных трудов

УДК 621.9

А.Н. Лукин, Л.Н. Никитин

УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

В данной статье описывается принцип работы устройства регулирования вращения двигателя постоянного тока со стабилизацией и индикацией частоты. C помощью описанного ниже устройства, частоту и момент вращения можно изменять и поддерживать в интервале от нулевых до максимальных, развиваемых двигателем

В настоящее время практически в любой отрасли во множестве устройств бытовой техники, в разработанных новых приборах и устройствах используются двигатели постоянного тока. Они обладают важными преимуществами перед другими электродвигателями: позволяют плавно и в широких пределах регулировать скорость вращения и обладают большим моментом при пуске, что особенно важно при использовании их в прецизионных устройствах. Поэтому весь электротранспорт использует эти двигатели (трамваи, троллейбусы, электровозы и тепловозы). Особенно широкое применение получают исполнительные двигатели постоянного тока в системах автоматического регулирования и управления.

Двигатели постоянного тока выполняются на различные мощности (от нескольких тысяч кВт для прокатных станков до долей Вт для систем автоматики), имеют разные напряжения (от 6 до 30000 В) и скорости вращения, а также различные конструктивные исполнения.

Различают три основных конструктивных исполнения электрических двигателей (машин):

−открытые машины (не имеют специальных приспособлений для предохранения от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим цепям и применяются очень редко);

−защищенные машины (имеют приспособления для защиты токоведущих и вращающихся частей и предохраняющие машину от попадания внутрь посторонних тел, водяных капель

ибрызг);

−закрытые машины (внутреннее пространство таких

106

машин совершенно отделено от внешней среды. Они применяются в пыльных помещениях и на открытом воздухе).

Существуют два типа двигателей постоянного тока:

−коллекторные двигатели;

−бесколлекторные или униполярные двигатели. Коллектор является наиболее дорогой и сложной в изго-

товлении частью электрической машины постоянного тока, и он осложняет работу двигателя. Основное преимущество униполярной машины − отсутствие коллектора. Однако практика показала, что бесколлекторная машина постоянного тока неэкономична. Поэтому в настоящее время основным типом двигателя постоянного тока является коллекторное исполнение.

В коллекторных машинах постоянного тока преобразование постоянного тока в в переменный и обратное преобразование осуществляется механическим преобразователем частоты − коллектором.

Современные двигатели постоянного тока имеют высокий коэффициент полезного действия (КПД), который в зависимости от мощности, колеблется в пределах 0,75÷0,96. Высшее значение КПД относится к машинам большей мощности (1000 кВт).

Во многих бытовых электроприборах и электроинструментах, снабженных электродвигателями, не предусмотрена возможность регулировать частоту вращения вала двигателя. Это делает эти приборы неудобными в работе, вынуждая выполнять многие операции в далеко не оптимальном режиме. Эти недостатки устраняет предлагаемое устройство регулирования частоты вращения, предназначенное для управления электродвигателем постоянного тока.

В устройствах автоматики широко используются низковольтные двигатели постоянного тока с устройствами стабилизации частоты вращения. Для регулирования мощных низковольтных двигателей (200...500 Вт) эти устройства не годятся, так как понадобились бы очень мощные выходные транзисторы. К тому же, часто требуется знать и точную частоту вращения двигателя [1].

C помощью описанного ниже устройства, частоту и момент вращения можно изменять и поддерживать в интервале от нулевых до максимальных, развиваемых двигателем. Режим

107

уменьшенного момента вращения удобен, например, для ограничения натяжения провода в намоточном станке или для предотвращения поломки режущего инструмента в случае его заклинивания в обрабатываемом материале [2].

На рисунке показана структурная схема устройства регулирования вращения двигателя со стабилизацией и индикацией частоты.

Структурная схема устройства регулирования вращения двигателя

Частота вращения двигателя регулируется переменным резистором, а реальные обороты индуцируются на светодиодных матрицах.

В системах регулировки, контроля, телеметрии и других устройствах автоматики для преобразования частоты вращения вала механизма в электрический сигнал широко применяют тахогенераторы. Механическая связь валов тахогенератора и электродвигателя должна быть жесткой и без люфта, в противном случае система стабилизации может потерять устойчивость, и возникнут незатухающие колебания частоты вращения. При выборе тахогенератора следует учитывать, что он электрически связан с сетью, а механически − с валом и корпусом электродвигателя, доступными для прикосновения оператору, а иногда − заземленными. Последнее обеспечит электробезопасность, но

108

при пробое изоляции тахогенератора приведет к выходу регулятора из строя. Если качество изоляции обмотки тахогенератора от его вала и корпуса вызывают сомнения, лучше отказаться от бестрансформаторного питания регулятора. Тахогенераторы просты в эксплуатации, компактны, не требуют дополнительных источников питания, но обладают большой временной и температурной нестабильностью характеристик, относительно узкими пределами частоты вращения, малой долговечностью.

Более высокие технические характеристики обеспечивают оптронные датчики частоты вращения. На валу механизма закрепляют диск с равномерно расположенными прямоугольными прорезями, по одну сторону от которого устанавливают светодиод, а по другую − фотодиод, образующие оптронную пару. Отверстия в диске могут быть и круглыми, но в этом случае амплитуда выходного сигнала оптронной пары будет ниже вследствие того, что переход от освещенного состояния фотодиода к затемненному и наоборот будет затянутым по сравнению с прямоугольными прорезями.

В рассматриваемом устройстве на валу двигателя установлен диск с 60 равномерно расположенными прорезями, для того, чтобы показания датчика можно было снимать непосредственно в «оборотах в минуту».

При вращении диска происходит модуляция светового потока, падающего на фотодиод. Частота переменного тока, протекающего через фотодиод, пропорциональна частоте вращения вала механизма. Переменный сигнал с выхода оптрона преобразуется в датчике в последовательность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и длительности с периодом повторения, равным периоду переменного сигнала. В этом случае постоянная составляющая импульсного сигнала пропорциональна частоте вращения вала механизма.

Частота f сигнала (в герцах) с выхода оптрона равна f = K·n/60, где К − число прорезей на диске, n − частота вращения диска (в мин.-1) [3].

Иногда применяется и другой вид датчиков - магнитный. Тогда на вал двигателя устанавливается шестеренка из ферромагнитного материала, рядом с которой крепится магнитная головка. При вращении шестеренки на выводах головки появляется переменное напряжение с амплитудой около 1 мВ и частотой,

109

равной частоте вращения двигателя, умноженной на количество зубьев на шестеренке. Однако часто бывает трудно найти место для установки какого-либо датчика. Но это и не обязательно. Дело в том, что информацию о частоте вращения коллекторного двигателя можно извлечь из потребляемого им тока. Этот ток содержит переменную составляющую, первая гармоника которой имеет частоту, равную частоте вращения двигателя, умноженную на число пластин коллектора. Двигатели, которые чаще всего применяются в магнитофонах, имеют три пластины коллектора. Поэтому эта частота равна утроенной частоте вращения двигателя.

С помощью преобразователя частота-напряжение осуществляется преобразование частоты оборотов двигателя в напряжение.

В устройстве сравнения происходит сравнение двух напряжений − опорного с задатчика (переменного резистора) и рабочего с преобразователя. По результату сравнения формируются импульсы управления выходным ключом. Если напряжение с преобразователя меньше чем на задатчике, ключ открывается, и двигатель набирает обороты. Как только напряжение с преобразователя превысит напряжение на задатчике, ключ закрывается, двигатель за счет нагрузки на валу притормаживается.

Индикатором частоты вращения двигателя служит простейший низкочастотный частотомер, выполненный на светодиодных матрицах, на которых индуцируются обороты двигателя.

Таким образом, предложенное устройство позволяет регулировать вращение двигателя с индикацией частоты вращения ротора до 12000 об/мин, что делает возможным использование его в прецизионных устройствах, где важно знать какова скорость вращения.

Следует отметить, что элементная база электрической схемы отечественного производства. Это позволяет воспроизведение указанного устройства со снижением себестоимости.

Литература

1. Абрамов С. ШИ-регулятор вращения двигателя / Радиомир, 2002. - № 6. - С. 16 -18.

110