Потужний ший регулятор. Цифровий ШИМ регулятор обертів колекторного двигуна Реверсивний шим регулятор обертів двигуна

При роботі з багатьма різними технологіями часто стоїть питання: як керувати потужністю, яка доступна? Що робити, якщо її необхідно знизити чи підвищити? Відповіддю на ці питання служить ШІМ-регулятор. Що він являє собою? Де застосовується? І як самому зібрати такий прилад?

Що таке широтно-імпульсна модуляція?

Без з'ясування значення цього терміна продовжувати немає сенсу. Отже, широтно-імпульсна модуляція - це процес управління потужністю, яка підводиться до навантаження, що здійснюється шляхом видозміни шпаруватості імпульсів, що робиться за постійної частоти. Існує кілька типів широтно-імпульсної модуляції:

1. Аналоговий.

2. Цифровий.

3. Двійковий (дворівневий).

4. Трійковий (трирівневий).

Що таке ШИМ-регулятор?

Тепер, коли ми знаємо, що таке широтно імпульсна модуляція, можна поговорити і про головну тему статті. Використовується ШИМ-регулятор для того, щоб регулювати напругу живлення та для недопущення потужних інерційних навантажень в авто- та мототехніці. Це може звучати дуже складно і краще пояснити на прикладі. Допустимо, необхідно зробити, щоб лампи освітлення салону змінювали свою яскравість не відразу, а поступово. Це ж стосується габаритних вогнів, автомобільних фар або вентиляторів. Втілити таке бажання можна шляхом встановлення транзисторного регулятора напруги (параметричний чи компенсаційний). Але при великому струмі на ньому виділятиметься надзвичайно велика потужність і знадобиться встановлення додаткових великих радіаторів або доповнення у вигляді системи примусового охолодження з використанням маленького вентилятора, знятого з комп'ютерного пристрою. Як бачите, цей шлях спричиняє багато наслідків, які необхідно буде подолати.

Справжнім порятунком із цієї ситуації став ШИМ-регулятор, який працює на потужних польових силових транзисторах. Вони можуть комутувати великі струми (які досягають 160 Ампер) при напрузі всього 12-15В на затворі. Слід зазначити, що опір у відкритого транзистора досить мало, і завдяки цьому можна помітно знизити рівень розсіюваної потужності. Щоб створити свій власний ШІМ-регулятор, знадобиться схема управління, яка зможе забезпечити різницю напруги між витоком та затвором у межах 12-15В. Якщо цього не вдасться досягти, то опір каналу буде сильно збільшуватися і значно зросте потужність, що розсіюється. А це, у свою чергу, може призвести до того, що транзистор перегріється та вийде з ладу.

Випускається ціла низка мікросхем для ШІМ-регуляторів, які зможуть витримати підвищення вхідної напруги до рівня 25-30В, при тому що живлення буде всього 7-14В. Це дозволить включати вихідний транзистор у схемі разом із загальним стоком. Це, своєю чергою, необхідно підключення навантаження із загальним мінусом. Як приклади можна навести такі зразки: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Більшість навантажень не споживає струм більше 10 ампер, тому вони не можуть викликати просідання напруги. І як результат – використовувати можна і прості схеми без доопрацювання у вигляді додаткового вузла, який підвищуватиме напругу. І саме такі зразки ШІМ-регуляторів і будуть розглянуті у статті. Вони можуть бути побудовані на основі несиметричного або мультивібратора, що чекає. Варто поговорити про ШИМ-регулятор обертів двигуна. Про це далі.

Схема №1

Ця схема ШІМ-регулятора збиралася на інверторах КМОП-мікросхеми. Вона є генератором прямокутних імпульсів, що діє на 2-х логічних елементах. Завдяки діодам тут окремо змінюється постійна часу розряду та заряду частотозадаючого конденсатора. Це дозволяє змінювати шпаруватість, яку мають вихідні імпульси, і як результат – значення ефективної напруги, яка є на навантаженні. У цій схемі можливе використання будь-яких інвертуючих КМОП-елементів, а також АБО-НЕ та І. Як приклади підійдуть К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можна використовувати інші види, але перед цим доведеться добре подумати про те, як правильно згрупувати їх входи, щоб вони могли виконувати покладений функціонал. Переваги схеми - доступність та простота елементів. Недоліки - складність (практично неможливість) доопрацювання та недосконалість щодо зміни діапазону вихідної напруги.

Схема №2

Має кращі характеристики, ніж перший зразок, але складніше у виконанні. Може регулювати ефективне напруження на навантаженні в діапазоні 0-12В, до якого змінюється з початкового значення 8-12В. Максимальний струм залежить від типу польового транзистора може досягати значних значень. Враховуючи, що вихідна напруга є пропорційною вхідному управляючому, цю схему можна використовувати як частину системи регулювання (для підтримки рівня температури).

Причини розповсюдження

Чим приваблює автолюбителів ШИМ-регулятор? Слід зазначити прагнення збільшення ККД, коли проводиться побудова вторинних для електронної апаратури. Завдяки цій властивості можна цю технологію знайти також при виготовленні комп'ютерних моніторів, дисплеїв у телефонах, ноутбуках, планшетах та подібній технікі, а не тільки в автомобілях. Також слід відзначити значну дешевизну, якою відрізняється ця технологія при своєму використанні. Також, якщо вирішите не купувати, а збирати ШИМ-регулятор власноруч, можна заощадити гроші при вдосконаленні свого власного автомобіля.

Висновок

Що ж, ви тепер знаєте, що являє собою ШИМ-регулятор потужності, як він працює, і навіть можете самі зібрати подібні пристрої. Тому, якщо є бажання поекспериментувати із можливостями свого автомобіля, можна сказати з цього приводу лише одне – робіть. Причому можете не просто скористатися представленими тут схемами, а й суттєво доопрацювати їх за наявності відповідних знань та досвіду. Але навіть якщо все не вийде з першого разу, ви зможете отримати дуже цінну річ - досвід. Хто знає, де він може наступного разу стати в нагоді і наскільки важливою буде його наявність.

Плавна робота двигуна, без ривків та стрибків потужності – це запорука його довговічності. Для контролю цих показників використовується регулятор обертів електродвигуна на 220В, 12В і 24В, всі частотники можна виготовити своїми руками або купити вже готовий агрегат.

Навіщо потрібний регулятор оборотів

Регулятор обертів двигуна, частотний перетворювач – це прилад на потужному транзисторі, який необхідний для того, щоб інвертувати напругу, а також забезпечити плавну зупинку та пуск асинхронного двигуна за допомогою ШІМу. ШІМ – широко-імпульсне керування електричними пристроями. Його застосовують для створення певної синусоїди змінного та постійного струму.

Найпростіший приклад перетворювача – це стандартний стабілізатор напруги. Але у приладу, що обговорюється, набагато більший спектр роботи і потужність.

Частотні перетворювачі використовуються у будь-якому пристрої, який живиться від електричної енергії. Регулятори забезпечують надзвичайно точний електричний моторний контроль, тому швидкість двигуна можна змінювати в меншу або більшу сторону, підтримувати оберти на потрібному рівні та захищати прилади від різких обертів. При цьому електродвигун використовується тільки енергія, необхідна для роботи, замість того, щоб запускати його на повній потужності.

Навіщо потрібний регулятор обертів асинхронного електродвигуна:

1. Для економії електроенергії. Контролюючи швидкість двигуна, плавність його запуску та зупинки, сили і частоти оборотів, можна досягти значної економії власних коштів. Як приклад, зниження швидкості на 20% може дати економію енергії у розмірі 50%.
2. Перетворювач частоти може бути використаний для контролю температури процесу, тиску або без використання окремого контролера;
3. Не потрібно додаткового контролера для плавного запуску;
4. Значно знижуються витрати на технічне обслуговування.

Пристрій часто використовується для зварювального апарату (в основному для напівавтоматів), електричної пічки, ряду побутових приладів (пилососа, швейної машинки, радіо, пральної машини), домашнього обігрівача, різних судномоделей і т.д.

Принцип роботи регулятора обертів

Регулятор обертів є пристроєм, що складається з наступних трьох основних підсистем:

1. Двигуна змінного струму;
2. головного контролера приводу;
3. Приводу та додаткових деталей.

Коли двигун змінного струму запускається на повну потужність відбувається передача струму з повною потужністю навантаження, таке повторюється 7-8 разів. Цей струм згинає обмотки двигуна та виробляє тепло, яке виділятиметься тривалий час. Це може значно знизити довговічність двигуна. Іншими словами, перетворювач – це своєрідний ступінчастий інвертор, що забезпечує подвійне перетворення енергії.

Залежно від вхідної напруги, частотний регулятор числа обертів трифазного або однофазного електродвигуна відбувається випрямлення струму 220 або 380 вольт. Ця дія здійснюється за допомогою діода, що випрямляє, який розташований на вході енергії. Далі струм проходить фільтрацію за допомогою конденсаторів. Далі формується ШІМ, це відповідає електросхема. Тепер обмотки асинхронного електродвигуна готові до передачі імпульсного сигналу та їх інтеграції до потрібної синусоїди. Навіть у мікроелектродвигуна ці сигнали видаються, у буквальному значенні слова, пачками.

Як вибрати регулятор

Існує кілька характеристик, за якими потрібно вибирати регулятор обертів для автомобіля, верстатного електродвигуна, побутових потреб:

1. Тип керування. Для колекторного електродвигуна бувають регулятори з векторною або скалярною системою керування. Перші найчастіше застосовуються, але другі вважаються надійнішими;
2. Потужність. Це один із найважливіших факторів для вибору електричного перетворювача частот. Потрібно підбирати частотник з потужністю, яка відповідає максимально допустимій на приладі, що охороняється. Але для низьковольтного двигуна краще підібрати регулятор потужніше, ніж допустима величина Ватт;
3. напруга. Звичайно, тут все індивідуально, але по можливості потрібно купити регулятор оборотів для електродвигуна, у якого принципова схема має широкий діапазон допустимих напруг;
4. Діапазон частот. Перетворення частоти – це основне завдання даного приладу, тому намагайтеся вибрати модель, яка максимально відповідатиме Вашим потребам. Скажімо, для ручного фрезера буде достатньо 1000 герц;
5. За іншими характеристиками. Це термін гарантії, кількість входів, розмір (для настільних верстатів та ручних інструментів є спеціальна приставка).

При цьому потрібно розуміти, що є так званий універсальний регулятор обертання. Це частотний перетворювач для безколекторних двигунів.

У цій схемі є дві частини – одна логічна, де на мікросхемі розташований мікроконтролер, а друга – силова. В основному, така електрична схема використовується для потужного електричного двигуна.

Відео: регулятор оборотів електродвигуна з ШИро V2

Як зробити саморобний регулятор обертів двигуна

Можна зробити простий симісторний регулятор оборотів електродвигуна, його схема представлена ​​нижче, а ціна складається тільки з деталей, що продаються в магазині електротехніки.

Для роботи нам знадобиться потужний симістор типу BT138-600, її радить журнал радіотехніки.

В описаній схемі обороти будуть регулюватися за допомогою потенціометра P1. Параметром P1 визначається фаза вхідного імпульсного сигналу, який у свою чергу відкриває симистор. Така схема може застосовуватися як у польовому господарстві, так і домашньому. Можна використовувати цей регулятор для швейних машинок, вентиляторів, настільних свердлильних верстатів.

Принцип роботи простий: у момент, коли двигун трохи загальмовується, його індуктивність падає, і це збільшує напругу R2-P1 і C3, то в свою чергу тягне більш тривале відкриття сімістора.

Тиристорний регулятор із зворотним зв'язком працює трохи по-іншому. Він забезпечує зворотний хід енергії в енергетичну систему, що є дуже економним та вигідним. Цей електронний прилад передбачає включення в електричну схему потужного тиристора. Його схема виглядає ось так:

Тут для подачі постійного струму та випрямлення потрібен генератор сигналу, що управляє, підсилювач, тиристор, ланцюг стабілізації оборотів.

Регулювати напругу живлення потужних споживачів зручно за допомогою регуляторів із широтно-імпульсною модуляцією. Перевага таких регуляторів полягає в тому, що вихідний транзистор працює у ключовому режимі, а значить має два стани – відкритий чи закритий. Відомо, що найбільше нагрівання транзистора відбувається у напіввідкритому стані, що призводить до необхідності встановлювати його на радіатор великої площі та рятувати його від перегріву.

Пропоную просту схему ШІМ регулятора. Живиться пристрій від джерела постійної напруги 12В. При зазначеному екземплярі транзистора витримує струм до 10А.

Розглянемо роботу пристрою: На транзисторах VT1 та VT2 зібраний мультивібратор з регульованою шпаруватістю імпульсів. Частота проходження імпульсів близько 7кГц. З колектора транзистора VT2 імпульси надходять на ключовий транзистор VT3, який керує навантаженням. Добре регулюється змінним резистором R4. При крайньому лівому положенні движка цього резистора див. верхню діаграму, імпульси на виході пристрою вузькі, що свідчить про мінімальну вихідну потужність регулятора. При крайньому правому положенні див. нижню діаграму, імпульси широкі, регулятор працює на повну потужність.

Діаграма роботи ШІМ у КТ1

За допомогою цього регулятора можна керувати побутовими лампами розжарювання на 12 В двигуном постійного струму з ізольованим корпусом. У разі застосування регулятора в автомобілі, де мінус з'єднаний із корпусом, підключення слід виконувати через p-n-p транзистор, як показано на малюнку.
Деталі: У генераторі можуть працювати практично будь-які низькочастотні транзистори, наприклад, КТ315, КТ3102. Ключовий транзистор IRF3205, IRF9530. Транзистор p-n-p П210 замінимо на КТ825, при цьому навантаження можна підключати на струм до 20А!

І на закінчення слід сказати, що даний регулятор працює в моїй машині з двигуном обігріву салону вже більше двох років.

Список радіоелементів

Ще один електронний пристрій широкого застосування.
Є потужним ШИМ (PWM) регулятором з плавним ручним управлінням. Працює на постійній напрузі 10-50V (краще не виходити за діапазон 12-40V) та підходить для регулювання потужності різних споживачів (лампи, світлодіоди, двигуни, нагрівачі) з максимальним струмом споживання 40А.

Надіслали у стандартному м'якому конверті




Корпус скріплюється на клямках, які легко ламаються, тому розкривати акуратно.


Всередині плата та знята ручка регулятора


Друкована плата - двосторонній склотекстоліт, паяння та монтаж акуратні. Підключення через потужний клемник.




Вентиляційні прорізи у корпусі малоефективні, т.к. майже повністю перекриваються друкованою платою.


У зібраному вигляді виглядає приблизно так


Реальні розміри трохи більше заявлених: 123x55x40мм

Принципова електрична схема пристрою


Заявлена ​​частота ШІМ 12kHz. Реальна частота змінюється у діапазоні 12-13kHz при регулюванні вихідної потужності.
При необхідності частоту роботи ШІМ можна зменшити, підпаявши потрібний конденсатор паралельно С5 (вихідна ємність 1nF). Збільшувати частоту небажано, т.к. збільшаться комутаційні втрати.
Змінний резистор має вбудований вимикач у крайньому лівому положенні, що дозволяє вимикати пристрій. Також на платі розташований червоний світлодіод, що горить у робочому стані регулятора.
З мікросхеми ШІМ контролера маркування навіщось старанно затерта, хоча неважко здогадатися, що коштує аналог NE555:)
Діапазон регулювання близький до заявлених 5-100%
Елемент CW1 схожий на стабілізатор струму в корпусі діода, але точно не впевнений.
Як і більшості регуляторів потужності, регулювання здійснюється по мінусовому провіднику. Захист від КЗ відсутня.
На мосфетах та діодному складанні маркування спочатку відсутнє, вони стоять на індивідуальних радіаторах з термопастою.
Регулятор може працювати індуктивну навантаження, т.к. на виході стоїть складання захисних діодів Шоттки, що пригнічує ЕРС самоіндукції.
Перевірка струмом 20А показала, що радіатори незначно гріються і можуть витягнути більше, імовірно до 30А. Виміряний сумарний опір відкритих каналів полевиків всього 0,002 Ом (падає 0,04В на струмі 20А).
Якщо знизити частоту ШІМ, витягнуть усі заявлені 40А. Шкода перевірити не зможу...

Висновки можете зробити самі, мені пристрій сподобався:)