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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Regulador de potência e velocidade de rotação de um motor elétrico coletor monofásico. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Motores elétricos O regulador de potência e velocidade de rotação do rotor de um motor elétrico comutador monofásico é projetado para facilitar a operação (expandir as capacidades) da furadeira elétrica IE1032 e outras máquinas elétricas domésticas usando motores comutadores CA com potência de até 1,2 kW . Motores elétricos comutadores monofásicos com excitação sequencial são amplamente utilizados em eletrodomésticos quando são necessárias altas velocidades de rotação: aspiradores de pó, polidoras de piso, máquinas de costura, espremedores de frutas, moedores de café, máquinas universais de cozinha, ferramentas manuais para trabalhar madeira e metal (furadeiras elétricas ), plainas elétricas e muito mais. Motores elétricos comutadores monofásicos são descritos em [1]. Eles são alimentados por rede elétrica CA e por rede elétrica CA e CC (universal). Se o motor elétrico for universal, então seus enrolamentos de campo possuem derivações (Fig. 1).
A furadeira IE1032 utiliza motor tipo KNII-420/220-18, que não é universal. É feito conforme o circuito da Fig. 2 e pode ser alimentado apenas por rede CA, mas não por corrente contínua ou corrente pulsante com frequência de 100 Hz, conforme descrito em [2]. Este circuito foi feito, mas não funcionou.
A regulação da potência e da velocidade do rotor de tais motores pode ser realizada regulando a tensão de alimentação por meio de um autotransformador (por exemplo, LATR) ou pelo método amplitude-fase por meio de um regulador de potência (neste caso, um tiristor). Ao escolher um circuito regulador, é necessário considerar o seguinte: facilidade de fabricação; a capacidade de regular suavemente a velocidade de rotação e a potência em toda a faixa de controle; inclusão conveniente e correta do motor elétrico naquela seção do circuito por onde flui uma corrente senoidal com frequência de 50 Hz; confiabilidade na operação. A Figura 3 mostra em qual seção do circuito o motor elétrico não pode ser ligado, na Figura 4 - qual deve ser ligado.
Para controlar o tiristor regulador, foi escolhido um circuito oscilador de relaxação baseado em um transistor unijunção [3]. Vantagens do regulador: número mínimo de elementos, facilidade de fabricação, pequenas dimensões, ajuste suave, alta estabilidade de operação, alta confiabilidade (em 5 anos de operação não houve uma única falha), ausência de componente constante na carga, uma vez que uma corrente simétrica flui através dos semiciclos positivo e negativo do tiristor da tensão de alimentação. O diagrama esquemático do regulador é mostrado na Fig.
Especificações do regulador:
Quando o regulador está operando, o tiristor está sob uma tensão pulsante retificada com amplitude máxima Umax = 1,4 Ueff = 310 V. Portanto, a tensão reversa do tiristor deve ser maior que este valor. O gerador de relaxamento é alimentado pela mesma tensão, mas limitado por dois diodos zener D814V conectados em série a 20 V. O regulador funciona da seguinte maneira. Quando conectado à rede a partir da saída do retificador, uma tensão pulsante é fornecida ao tiristor e uma tensão senoidal limitada é fornecida ao gerador de relaxamento. O capacitor C1 começa a carregar através dos resistores R1 - R4. A resistência total desses resistores é de 46 kOhm. À medida que o capacitor é carregado, a tensão nele aumenta, e quando a tensão de desbloqueio é atingida no emissor VT1 (UC1 = UE.on), o transistor unijunção é desbloqueado e o capacitor C1 é descarregado ao longo do circuito base do emissor VT1, resistor R1. A resistência da base do emissor no estado aberto é de 6 a 5 Ohms [20], a resistência do resistor R3 = 6...150 Ohms. A constante de tempo do circuito de descarga do capacitor é pequena e um pulso curto de polaridade positiva é formado através do resistor R200. Ao selecionar a resistência do resistor R6, você pode ajustar o limite de desbloqueio UE.on do transistor e a amplitude do pulso de controle, que deve ser de 5-7 V (ideal para operação estável do tiristor. Um pulso curto de polaridade positiva do resistor R6 é fornecido ao eletrodo de controle do tiristor, este abre, ligando a carga. No estado aberto, a queda de tensão no tiristor é de 1,5-2 V. Essa tensão alimenta o gerador de relaxamento, desvia-o e desliga-o. Assim, o gerador de relaxamento não entra no modo autooscilante, mas durante um meio ciclo da tensão da rede gera apenas um pulso de controle e desliga antes que o próximo chegue. O tiristor permanece aberto até o final do meio ciclo e fecha no final do meio ciclo. Com a chegada do próximo meio ciclo ao ânodo do tiristor, que ainda está fechado, a tensão retificada através dos resistores R7, R8, limitada pelos diodos zener VD1 VD2, entra no circuito de potência do gerador de relaxação. O capacitor C1 começa a carregar e o ciclo se repete. O momento de abertura do tiristor é determinado pela constante de tempo do circuito de carga do capacitor C1. Este circuito contém um resistor variável R1, com o qual é possível alterar o torque de desbloqueio, portanto, regular a velocidade de rotação do eixo do motor elétrico e sua potência. No ângulo de destravamento mínimo (ϕ min), o motor desenvolve velocidade máxima, sendo que o ângulo de destravamento depende do tipo de motor (dentro das características técnicas do regulador) e não muda dentro dos limites de ajuste. No ângulo máximo de destravamento ϕmax. o motor desenvolve uma velocidade mínima e o ângulo de disparo depende do tipo de motor (potência, peso do rotor, atrito nas escovas e rolamentos, etc.). Quanto maior a potência do motor, mais pesado o rotor, maior o atrito, maior a corrente exigida do regulador, portanto, menor será o ângulo máximo de disparo. Para cada tipo de motor existe seu próprio ângulo máximo de disparo do tiristor. Selecionamos os elementos do circuito de carga do capacitor C1 e determinamos a faixa de mudança no ângulo de controle ∆ϕ: ∆ϕ = ϕmax - ϕ min. A Figura 6 mostra um meio ciclo da tensão da rede senoidal e a tensão limitada em 20 V. Como a razão 20/310 = 0,0645, então para sinωt = 0,0645 foi encontrado o ângulo mínimo possível ωt = 3°45'.
O resistor variável R1, com o qual o ângulo de disparo é alterado na faixa ∆ϕ, é de alta resistência e possui um salto inicial na resistência, ou seja, quando você gira o botão, por exemplo, da posição extrema esquerda, a resistência muda abruptamente de 0 a 5 kOhm. Há também um salto da posição extrema direita, diferente da esquerda. A magnitude deste salto é individual para cada resistor variável. A resistência R3 é escolhida igual ao valor do salto inicial, ou seja, 5,1 kOhm. Determina o ângulo mínimo de disparo do tiristor ϕ min. Se o controle deslizante do resistor R1 estiver na posição mais baixa de acordo com o diagrama, então a resistência do circuito de carga do capacitor C1 consistirá nos resistores R3 e R4 conectados em paralelo com uma resistência total de 4,85 kOhm (na outra posição extrema, como já indicado, a resistência total é de 46 kOhm). Vamos fazer um cálculo aproximado de duas curvas de carga do capacitor (expoentes) nas posições extremas do potenciômetro R1, desenhar gráficos (Fig. 7), determinar os ângulos fmin, fmax e a faixa de controle f.
Para simplificar o cálculo e facilitar a plotagem dos gráficos, faremos algumas simplificações: aceitamos Rtot. min = 5 kOhm, não 4,858 kOhm (erro 3%), aceitamos Rtot. max = 46 kOhm, e não 45,858 kOhm (erro de 3%), também consideramos a tensão senoidal limitada como uma tensão de pulso retangular com a mesma duração de um meio ciclo da tensão da rede T/2 = 10 ms. Tensão através do capacitor C1 no tempo t Nós \u1d U (XNUMXº -t/RC), onde U = 20 V é uma tensão senoidal limitada. Constante de tempo do circuito de carregamento em Rtot min = 5 kOhm em τ1 = Rtot minC1= 5 H 0,1 = 0,5 ms, em Rtotal max = 46 kOhm τ2 = Rtotal maxC1 = 46 H 0,1 = 4,6 ms. Como exemplo, damos um procedimento detalhado para calcular a tensão em um capacitor, por exemplo, para o primeiro ponto t = RC/2. Você = você(1º -t/RC) = U(1º -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. Isso significa que no tempo t = τ1/2 = 0,5/2 = 0,25 ms, o capacitor C1 será carregado com uma tensão Uc = 8 V. Os dados calculados estão resumidos na tabela.
O gráfico na Fig. 7 mostra:
Além disso, Ue.on está marcado na ordenada - o limite operacional do transistor unijunção VT1; na abcissa - τ1 e τ2 (em milissegundos e graus elétricos), a duração do pulso que alimenta o gerador de relaxação (em milissegundos e graus elétricos), marcada como ϕmin, ϕmax e ∆ϕ para um controlador real. Na escala de fases, o preço de uma divisão grande de 1 cm com resistência é -18°, o preço de uma divisão pequena de 1 mm é 1,8°. Vamos determinar graficamente os ângulos de disparo mínimo e máximo do tiristor ϕmin = 2⋅1,8° = 3,6° = 3°36'. ϕmax = 20⋅1.8°° = 36°°. Vamos levar em consideração o erro aproximando a tensão senoidal limitada em uma tensão retangular. Vamos determinar sinωt quando a tensão no capacitor C1 for igual ao limite de desbloqueio do transistor VT1. Us \u7d Ue.on \uXNUMXd U \uXNUMXd XNUMX V; senωt = 7/310 = 0,0226. De acordo com a tabela de senos, determinamos o ângulo ωt = 1°18'. Então ϕmin = 3°36' + 1°18' = 4°54'; ϕmax = 36° + 1°18' = 37°18'. Levando em conta outros erros associados às simplificações adotadas na construção dos gráficos da Fig. 7, com suficiente grau de confiabilidade podemos aceitar os ângulos ϕmin = 6°; ϕmáx = 37°. Assim, o ângulo de disparo do tiristor pode ser controlado de 6 a 37°. Faixa de ângulo de controle ∆ϕ = ϕmáx - ϕmin = 31°, mas não 170°, como afirmado em [4, p. 202]. Em um ângulo ϕmax = 170°, nenhum motor projetado para uma tensão operacional de 220 V funcionará. A configuração do regulador consiste em selecionar a resistência dos resistores do circuito de carga do capacitor C1 (R1, R2, R3, R4) para um determinado motor elétrico comutador monofásico no ângulo máximo de disparo do tiristor (motor R1 na parte superior posição). No ângulo de abertura mínimo, nenhum ajuste é necessário. Quando o controle deslizante do resistor R1 é instalado na posição mais baixa conforme o diagrama (R1 está em curto-circuito), o ângulo de disparo do tiristor é mínimo, o motor elétrico desenvolve velocidade máxima. Ao mover o motor para cima, aumentamos a resistência do circuito de carga, a velocidade de rotação cai e na posição mais alta do motor o motor elétrico deve funcionar de forma estável na velocidade mínima. Se o motor funcionar de forma instável e parar devido a pequenas flutuações na tensão da rede, é necessário reduzir a resistência do circuito de carga, ou seja, reduza a resistência do resistor R1 conectando em vez de R2 = 390 kOhm um resistor de resistência inferior 360, 330 kOhm, ... etc. E vice-versa, se na posição superior do motor a velocidade de rotação ainda for alta e precisar ser reduzida, então o resistor R2 deve ser substituído por um resistor de maior resistência 430, 470 kOhm, etc., até que seja removido do o circuito. Isso conclui o ajuste. O regulador fabricado de acordo com este esquema funciona de forma estável e ao longo de 5 anos de operação não houve uma única falha, apresentou bons resultados tanto em altas como em baixas velocidades com carga variável na furadeira. Na fabricação do regulador é necessário garantir que ao girar o botão de controle de velocidade (resistor R1) para a direita a velocidade de rotação aumente; para isso o resistor R1 deve ser crucificado para que ao girar o botão para a direita, a resistência diminui. O uso do método amplitude-fase leva a uma distorção significativa da tensão senoidal e ao aparecimento de muitos harmônicos mais elevados, portanto, há necessidade de proteção adicional contra interferências através da introdução de dois filtros adicionais no circuito de alimentação da broca C2, R9 e no circuito de alimentação do regulador C3, R10. Projeto regulador. O regulador é fabricado em duas versões. A primeira opção está descrita acima, a única diferença está no tipo de diodo retificador utilizado (indicado entre colchetes no diagrama de circuito). As placas de circuito impresso são feitas de folha de fibra de vidro e getinax com espessura de 1,5-2 mm. A Figura 8 mostra duas placas de circuito impresso para a primeira versão do regulador.
A placa da Fig. 8,a é usada quando os filtros C2, R9 e C3, R10 são feitos por montagem montada, a placa da Fig. 8,b é usada quando os filtros são colocados na placa. A Figura 9 mostra uma placa de circuito impresso para a segunda versão do regulador.
Os filtros são fabricados por instalação suspensa. Você pode fazer uma placa junto com filtros semelhantes à (Fig. 8b) para a primeira opção. A placa de circuito impresso e demais partes do regulador são colocadas em uma caixa plástica. Um resistor variável R1 e R2, um soquete para conectar uma furadeira e um cabo de alimentação de 1,5 m de comprimento com um plugue na extremidade são fixados no corpo da caixa. Os filtros C2, R9 e C3, R10 são montados em racks de montagem próximos ao cabo de alimentação e ao soquete para conectar uma furadeira. No corpo da caixa, sob a alça do resistor R1, há uma escala com divisões convencionais. Detalhes. O retificador usa diodos KD202R, projetados para uma corrente retificada média de 5 A. Em vez deles, você pode usar KD202K, KD202M. Na segunda versão do regulador, são utilizados diodos D231. Você pode usar D231A, D231B, D232, D233, D234 com quaisquer índices de letras e outros tipos de diodos projetados para uma corrente retificada média de 10 A e uma tensão reversa de 300 V ou mais. O tiristor KU202M pode ser substituído por KU202 N, diodos zener D814V - por qualquer outro com tensão total de estabilização de 18-20 V. KT117 pode ser usado com qualquer índice de letras. O capacitor C1 pode ser usado nos tipos KLS, KM, K10U-5. Os capacitores C2 e C3 do tipo K40P-2B podem ser substituídos por quaisquer de papel com tensão de operação de pelo menos 400 V. Um resistor variável do tipo SP-1 pode ser substituído por um resistor de qualquer outro tipo e de qualquer tamanho. Para operar uma furadeira com este regulador, não é necessário instalar nenhum interruptor adicional. Um interruptor bipolar instalado em uma furadeira é suficiente. A tensão para o regulador é fornecida e removida pela chave de perfuração. Apesar de o regulador ter sido projetado para alimentar motores elétricos escovados monofásicos, se necessário, qualquer carga ativa (aquecedores) de potência adequada pode ser conectada a ele. Literatura:
Autor: V. V. Pershin
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