Реверс электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения по цепи возбуждения

Реверс электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения по цепи возбуждения

При использовании двигателя постоянного тока в различных устройствах иногда возникает необходимость остановки двигателя в любом положении, а также в крайних положениях позиционирования с последующим реверсом.

Эту задачу решает предлагаемая схема.

В1 — тумблер со средним положением для реверса двигателя. В зависимости от задачи он может иметь фиксацию в крайних положениях или без неё.

Диоды Д1 и Д2 подбираются по максимальному току двигателя при его нагрузке.

SA– концевики, установленные в устройстве.

Работа схемы.

В исходном состоянии питание на двигатель не поступает и он не вращается.

Если тумблер перевести в верхнее по схеме положение двигатель вращается (допустим) влево. В крайнем левом положении SAлевыйразмыкается и диод Д1 не пропускает напряжение питания. Двигатель останавливается.

Если тумблер перевести в нижнее положение — то происходит переполюсовка напряжения питания. Двигатель тогда вращается в правую сторону. Д1 этому уже не препятствует.

Далее концевик SAлевый замыкается. При достижении крайнего правого положения SAправыйразмыкается и диод Д2не пропускает напряжение питания. Двигатель останавливается.

Переключением положения тумблера меняется направление вращения двигателя.

Схему можно применить для вращения антенн, КПЕ, вариометров и т.п.

us3ut. Матвийчук Валерий.098-553-7459

Самые простые схемы управления вращением двигателя постоянного тока

Релейная схема реверса

Для переключения направления вращения, плюсовой сигнал нужно подать всего лишь на катушку одного из реле.

Мостовая схема на биполярных транзисторах

Применены однотипные транзисторы с обратной проводимостью NPN— проводят от коллектора к эмиттеру, открываются плюсом. Сопротивление перехода обратных NPN транзисторов немного меньше, чем упрямых PNP, потому используют их, чтобы несколько увеличить КПД устройства.

Мостовая схема на полевых транзисторах

Применены полевые транзисторы с разной проводимостью канала. Регулировку можно сделать, заменив постоянные резисторы R3, R4 на переменные, подстроечные.

Мостовая схема на транзисторах,управляемая от микроконтроллера

Применены транзисторы разной проводимости. Диоды нужны для защиты PIC контроллера управления от зависания или сброса. Гасят всплески напряжения при коммутации обмоток электродвигателя. Микроконтроллер L293D.

Заводской сборки мостовая схема на транзисторах, управляемая от микроконтроллера

Автор: Виталий Петрович. Украина, Лисичанск.

Вариант 1: переподключение рабочей намотки

Чтобы изменить направление вращения двигателя, можно только поменять местами начало и конец рабочей (постоянной включенной) обмотки, как это показано на рисунке. Можно подумать, что для этого придется вскрывать корпус, доставать намотку и переворачивать ее. Этого делать не нужно, потому что достаточно поработать с контактами снаружи:

1. Из корпуса должны выходить четыре провода. 2 из них соответствуют началам рабочей и пусковой намоток, а 2 – их концам. Определите, какая пара принадлежит только рабочей обмотке.
2. Вы увидите, что к этой паре подсоединены две линии: фаза и ноль. При отключенном двигателе произведите реверс путем перекидывания фазы с начального контакта намотки на конечный, а нуля – с конечного на начальный. Или наоборот.

Реверс электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения по цепи возбуждения

При использовании двигателя постоянного тока в различных устройствах иногда возникает необходимость остановки двигателя в любом положении, а также в крайних положениях позиционирования с последующим реверсом.

Эту задачу решает предлагаемая схема.

В1 — тумблер со средним положением для реверса двигателя. В зависимости от задачи он может иметь фиксацию в крайних положениях или без неё.

Диоды Д1 и Д2 подбираются по максимальному току двигателя при его нагрузке.

SA– концевики, установленные в устройстве.

Работа схемы.

В исходном состоянии питание на двигатель не поступает и он не вращается.

Если тумблер перевести в верхнее по схеме положение двигатель вращается (допустим) влево. В крайнем левом положении SAлевыйразмыкается и диод Д1 не пропускает напряжение питания. Двигатель останавливается.

Если тумблер перевести в нижнее положение — то происходит переполюсовка напряжения питания. Двигатель тогда вращается в правую сторону. Д1 этому уже не препятствует.

Далее концевик SAлевый замыкается. При достижении крайнего правого положения SAправыйразмыкается и диод Д2не пропускает напряжение питания. Двигатель останавливается.

Переключением положения тумблера меняется направление вращения двигателя.

Схему можно применить для вращения антенн, КПЕ, вариометров и т.п.

us3ut. Матвийчук Валерий.098-553-7459

Самые простые схемы управления вращением двигателя постоянного тока

Релейная схема реверса

Для переключения направления вращения, плюсовой сигнал нужно подать всего лишь на катушку одного из реле.

Мостовая схема на биполярных транзисторах

Применены однотипные транзисторы с обратной проводимостью NPN— проводят от коллектора к эмиттеру, открываются плюсом. Сопротивление перехода обратных NPN транзисторов немного меньше, чем упрямых PNP, потому используют их, чтобы несколько увеличить КПД устройства.

Мостовая схема на полевых транзисторах

Применены полевые транзисторы с разной проводимостью канала. Регулировку можно сделать, заменив постоянные резисторы R3, R4 на переменные, подстроечные.

Мостовая схема на транзисторах,управляемая от микроконтроллера

Применены транзисторы разной проводимости. Диоды нужны для защиты PIC контроллера управления от зависания или сброса. Гасят всплески напряжения при коммутации обмоток электродвигателя. Микроконтроллер L293D.

Заводской сборки мостовая схема на транзисторах, управляемая от микроконтроллера

Автор: Виталий Петрович. Украина, Лисичанск.

Вариант 1: переподключение рабочей намотки

Чтобы изменить направление вращения двигателя, можно только поменять местами начало и конец рабочей (постоянной включенной) обмотки, как это показано на рисунке. Можно подумать, что для этого придется вскрывать корпус, доставать намотку и переворачивать ее. Этого делать не нужно, потому что достаточно поработать с контактами снаружи:

Управление двигателями постоянного тока. Часть 2

Выше были рассмотрены, скажем так, типовые схемы, прототипы которых можно легко найти в Интернете. Но иногда перед разработчиками устройств с коллекторными двигателями могут стоять совершено иные, и куда более сложные задачи. Например, необходимо осуществить управление прецизионной переменной нагрузкой, не допускающей рывков и чувствительной к остановке и пуску двигателя. Особенно остро эта проблема стоит при использовании малоинерционных двигателей, то есть миниатюрных двигателей с малой собственной массой ротора. Простая подача некоторого фиксированного напряжения на такой двигатель приводит к его мгновенному старту и рывку. Один из вариантов решения такой проблемы, использованный автором статьи в серийном, разработанном им изделии, представлен на Рисунке 8.

Схема представляет собой регулятор напряжения с ограничением по току, то есть имеет падающую выходную характеристику – зависимость выходного напряжения от тока, потребляемого двигателем. Выходное напряжение регулятора при номинальной нагрузке двигателя задается делителем R6, R8, и для варианта, приведенного на Рисунке 8, может быть установлено в пределах от 10.8 В до 2.3 В. Первичная характеристика управления ограничением по току задается номиналом сопротивления R3 и устанавливается подстроечным резистором R4 (с учетом резистора R5). Максимальный выходной ток может быть с приемлемой точностью рассчитан по формуле

где 6.6 – это максимальное напряжение на эмиттере транзистора VT1 регулятора в режиме короткого замыкания в нагрузке. В приведенной схеме, в отличие от остальных схем регуляторов, напряжение в режиме короткого замыкания мало зависит от установленного выходного напряжения. Здесь реальный максимальный выходной ток равен примерно 3.3 А, а минимальный ток ограничения равен приблизительно 40 мА. Как можно видеть, диапазон регулировки тока достаточно широк, что не под силу многим другим схемам регуляторов, в которых нет внутреннего усилителя, дополняющего токовый сенсор. Ток ограничения в среднем положении ротора подстроечного резистора R4 лежит на уровне 340 мА во всем диапазоне выходных напряжений при изменении питающего регулятор напряжения от 9 В до 15 В. Максимальный ток достигается в левом положении движка (по Рисунку 8), минимальный – в правом. Как уже упоминалось, выходное напряжение, а, следовательно, и скорость вращения двигателя при минимальной нагрузке ротора, устанавливается подстроечным резистором R8 («Скорость вращения»), а подстройка необходимого уровня ограничения по току осуществляется подстроечным резистором R4 («Ток»). Схема с точностью не хуже 2% удерживает выходное напряжение на заданном уровне до достижения 65% нагрузки (максимального выходного тока, установленного резистором R4). Далее напряжение на двигателе начинает плавно уменьшаться, тем самым, ограничивая развиваемый им момент.

При включении схемы (из-за ограничения тока и, следовательно, момента) рывка в управлении внешней нагрузкой не происходит. После разгона двигатель переходит в стационарный режим с током потребления ниже установленного схемой ограничения. При увеличении нагрузки двигателя более установленного уровня выходной ток регулятора ограничивается на заданном уровне, а напряжение на двигателе уменьшается, и при закорачивании ротора, то есть при полной остановке, становится равным падению напряжения на активном сопротивлении обмотки ротора при заданном максимальном выходном токе. График, показывающий изменение мощности двигателя в зависимости от тока нагрузки, приведен на Рисунке 9.

Как видно из графика, мощность, в случае если нагрузка на двигатель превышает 70%, начинает ограничиваться и плавно уменьшаться. При принудительной остановке двигателя она составит всего 12% от максимально установленной, тем самым, защищая двигатель от перегрузки. Ток ограничения регулятора рекомендуется выбирать на 20-25% выше номинального рабочего тока в заданном режиме эксплуатации при минимально допустимом рабочем напряжении двигателя. При проектировании необходимо учитывать мощность, рассеиваемую на регулирующем транзисторе VT1. (Возможно, потребуется радиатор). У читателя может возникнуть законный вопрос. Зачем так сложно, когда можно просто? То есть использовать вариант, представленный на Рисунке 3 с ограничением тока. Чтобы развеять сомнения и снять вопросы, на Рисунке 10 показан график зависимостей для схем, приведенных на Рисунке 2 в аналогичных условиях. Заметна разница? При этом учтите, что напряжение холостого хода будет не 5 В, а 6.4 В, и схема уже не будет стабилизатором напряжения. Токоограничивающий резистор будет иметь сопротивление на уровне 6 Ом, и об оперативной подстройке тока можно будет забыть.

Кроме особенностей схемы, описанных выше, данное решение не только предохраняет нагрузку, но и продлевает срок службы самого двигателя. А в отличие от вариантов с использованием ШИМ, такое решение практически не оказывает дополнительного влияния на общий уровень электромагнитных и радиопомех устройства в целом.

А что делать в случае, когда необходимо иметь управление относительно мощным коллекторным двигателем, который управляет массивной инерционной нагрузкой, требующей достаточно точного позиционирования при ее остановке и, главное, реверса. Заметьте, все предыдущие и широко распространенные схемы ни остановку с фиксацией ротора, ни реверс не обеспечивают. В лучшем случае реверс осуществляется при помощи механического переключателя [3]. Удобное и, главное, гибкое решение для решения данной задачи, выполненное на драйвере шагового двигателя мостового типа, представлено на Рисунке 11.

Для выбора направления вращения двигателя служит тумблер S1, а индикация наличия питания и направление вращения указываются двуцветным светодиодным индикатором HL1. Собственно включение двигателя осуществляется кнопкой ON. Основой схемы является микросхема драйвера LMD18245T обычно используемого для шаговых двигателей [7]. Подробно особенности данной ИМС и пример ее использования по назначению приведены в [1].

Максимальный ток драйвера задается резистором, включенным в цепь контакта 13 (резистор R4 на Рисунке 11), и двоичным кодом на контактах цепи управления выходным током (выводы 8, 7, 6, 4). Для облегчения выбора установок в спецификации [7] имеется формула и таблица. Ограничение тока осуществляется таким образом, что для большинства применений нет надобности в охлаждающем радиаторе. При включении ключи выбранных плеч моста полностью открыты, а при достижении максимальной (заданной по входам «М») величины тока осуществляется его «нарезка» (так называемый чоппинг – «chopping»). Эта «нарезка» не является неким подобием ШИМ, и осуществляется с заданной пользователем частотой. Частота «нарезки» задается параллельной RC цепочкой, подключенной к выводу 3 драйвера (элементы R5, C6). Выходной каскад LMD18245T содержит все необходимые защитные элементы – быстродействующие диоды, установленные параллельно выходным ключам. Реверс выполняется подачей логической единицы переключателем «Направление вращения». Кроме того, эта ИМС позволяет легко осуществлять и режим принудительного торможения двигателя в момент остановки. Это достигается замыканием обмотки ротора двигателя. Остановка с торможением реализуется подачей логической единицы на вывод 10 (вход BRAKE), вследствие чего обмотка двигателя закорачивается внутренними ключами драйвера. Представленное на Рисунке 11 решение не документировано в спецификации [7], но оно весьма удобное, и за все время его использования отказов или сбоев не наблюдалось.

Рисунок 12.	Приводной поворотный узел.

Для питания изображенной на Рисунке 11 схемы можно использовать любой источник напряжения постоянного тока, рассчитанный на ток не менее 2 А, с выходным напряжением 12 В. (Внешний контакт цилиндрического разъема должен быть минусом, внутренний – плюсом). Кажущимся недостатком схемы является относительная дороговизна ИМС LMD18245T. Но если сравнивать это решение с «традиционными», то проигрыш в стоимости окажется несущественным, а в ряде случаев (простота управления, реверс, точная остановка с торможением ротора, отсутствие радиаторов, компактность и пр.) его просто не будет. Такое решение используется автором статьи в составе серийного изделия для управления движением платформы массой в 50 кг; приводной поворотный узел в сборе показан на Рисунке 12. Плата привода двигателя представлена на Рисунке 13.

Рисунок 13.	Плата привода.

За рамками предлагаемой статьи остались вопросы, связанные с проблемой задания и поддержания некоторой определенной скорости вращения. Как отмечалось при рассмотрении регуляторов, скорость вращения двигателя в таких системах зависит от напряжения питания двигателя и его нагрузки. В отношении регуляторов на базе ШИМ существует заблуждение, что они более точны. Это далеко не так, поскольку их скорость зависит не только от скважности, но так же, как у аналоговых регуляторов, и от напряжения питания. В ряде случаев это может оказаться важным или определяющим фактором. Так недостаточная нагрузочная способность источника питания может не только изменить функцию регулирования (она станет нелинейной), но также ограничить момент и максимальную скорость вращения. Чтобы избежать такой ситуации, лучше не использовать питание непосредственно от выпрямителя, как это выполнено в [3] (см. Рисунок 4), а дополнить устройство эффективным стабилизатором.

Если стоит проблема не просто регулирования, а стабилизации скорости, то она решается при помощи сложных систем с контуром обратной связи (не по току!). Одним из элементов такой обратной связи являются датчики, дающие информацию о скорости вращения (таходатчики). Информация снимается или с вала ротора двигателя, или с конечного исполнительного механизма. Скорость стабилизируется либо путем использования фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) вращения, либо традиционными для автоматики специальными регуляторами. Обычно используются пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы, как более универсальные, или пропорционально-интегральные (ПИ), как более простые. В любом случае, оба эти решения достаточно сложны как для расчета, так и для исполнения, так как они привязаны не только к конкретному типу двигателя, но и ко всей системе привода в целом. Причем характеристики регулирования в таких системах определяются экспериментально. Ознакомиться с такими регуляторами можно во втором томе «настольной книги» каждого уважающего себя инженера [8]. Но все изложенное касается построения петли управления. А вот конечные каскады в таких системах аналогичны описанным выше. Используются либо аналоговые регуляторы, либо регуляторы с ШИМ.

В заключение необходимо напомнить, что все без исключения коллекторные двигатели являются источниками электромагнитных и радиопомех. В Интернете мало схем, в которых этому вопросу уделяется внимание. Поэтому при использовании коллекторных двигателей необходимо принимать специальные меры по выполнению требований по электромагнитной совместимости. При этом нужно иметь ввиду, что ШИМ-регуляторы проигрывают аналоговым. Для обеспечения должной электромагнитной совместимости необходимо выполнять ряд мер. А именно, правильно выбирать двигатели, не поддаваться искушению использовать дешевые поделки с медными, а не графитовыми щетками коллекторов. Советские коллекторные двигатели серий ДП(М) были и остаются в этом отношении далеко не худшими. Необходимо осуществлять правильную разводку печатной платы, использовать развязку земель и помехоподавляющие элементы, такие как низкоимпедансные электролитические конденсаторы (так называемые Low ESR), керамические конденсаторы и специальные помехоподавляющие фильтры, которые должны выбираться с учетом их работы без насыщения на выбранных максимальных токах. Обязательно шунтировать двигатели керамическими конденсаторами, размещая их непосредственно на выводах (лучше ламелях) двигателей.

Схема реверса трехфазного двигателя

Трехфазные электродвигатели широко используются на многих объектах. В силу специфических условий эксплуатации, довольно часто возникает необходимость изменения направления вращения вала того или иного агрегата. Для этих целей лучше всего подходит стандартная схема реверса трехфазного двигателя, применяемая для открытия и закрытия гаражных ворот, обеспечения работы лифтов, погрузчиков, кран-балок и другого оборудования.

Общая схема реверса электродвигателей

В промышленности и сельском хозяйстве нашли широкое применение различные типы трехфазных асинхронных электродвигателей. Они устанавливаются в электроприводах оборудования, служат составной частью автоматических устройств. Трехфазные агрегаты завоевали популярность, благодаря высокой надежности, простому обслуживанию и ремонту, возможности работы напрямую от сети переменного тока.

Специфика работы устройств, работающих с электродвигателями, предполагает необходимость изменения направления вращения вала, называемого реверсом. Для таких ситуаций разработаны специальные схемы, в состав которых включены дополнительные электрические приборы. Прежде всего, это вводный автомат, имеющий соответствующие параметры, контакторы (2 шт.), тепловое реле и элементы управления в виде трех кнопок, объединенных в общий кнопочный пост.

Для того чтобы вал начал вращаться в противоположную сторону, необходимо изменить расположение фаз подаваемого напряжения. Необходим постоянный контроль над значением напряжения, поступающего на электродвигатель и катушки контакторов. Непосредственное выполнение реверса в трехфазном двигателе осуществляется контакторами (КМ) № 1 и № 2. При срабатывании контактора № 1, фазы поступающего напряжения будут располагаться иначе, нежели при срабатывании контактора № 2.

Для управления катушками обоих контакторов предусмотрены три кнопки – ВПЕРЕД, НАЗАД и СТОП. Они обеспечивают питание катушек в зависимости от расположения фаз. Порядок включения контакторов влияет на замыкание электрической цепи таким образом, что вращение вала двигателя в каждом случае происходит строго в определенную сторону. Кнопку НАЗАД необходимо только нажать, но не удерживать, так как она сама оказывается в нужном положении под действием самоподхвата.

На всех трех кнопках установлена блокировка, предотвращающая их одновременное включение. Несоблюдение этого условия может привести к возникновению в электрической цепи короткого замыкания и выходу из строя оборудования. Для блокировки кнопок используется специальный блок-контакт, расположенный в соответствующем контакторе.

Схема реверса трехфазного двигателя и кнопочного поста

В каждой системе, обеспечивающей реверс трехфазного электродвигателя, имеются специфические кнопочные контакты, объединенные в общий кнопочный пост. Работа этой системы тесно связана с функционированием остальных элементов схемы.

Всем известно, что включение контактора магнитного пускателя осуществляется с помощью управляющего импульса, поступающего после нажатия на пусковую кнопку. Данная кнопка в первую очередь обеспечивает подачу напряжения на катушку управления.

Включенное состояние контактора удерживается и сохраняется, благодаря принципу самоподхвата. Он заключается в параллельном подключении (шунтировании) к пусковой кнопке вспомогательного контакта, обеспечивающего подачу напряжения на катушку. В связи с этим уже нет необходимости удерживать кнопку ПУСК в нажатом состоянии. Таким образом, магнитный пускатель может отключиться только после разрыва цепи катушки управления, поэтому в схеме необходима кнопка с размыкающим контактом. В связи этим, кнопки управления, объединенные в кнопочный пост, оборудуются двумя парами контактов – нормально открытыми (NO) и нормально закрытыми (NC).

Все кнопки выполнены в универсальном варианте для того, чтобы обеспечить моментальный реверс двигателя, если в этом возникнет срочная необходимость. Отключающая кнопка, в соответствии с общепринятыми нормами, имеет название СТОП и маркируется красным цветом. Кнопка включения известна как стартовая или пусковая, поэтому она именуется по-разному с помощью слов ПУСК, ВПЕРЕД или НАЗАД.

В некоторых случаях кнопочный пост может использоваться в нереверсивной схеме работы электродвигателя, когда его вал вращается лишь в одном направлении. Запуск производится кнопкой пуск, а остановка произойдет через определенный промежуток времени после нажатия кнопки СТОП, когда вал преодолеет инерцию. Подключение такой схемы может быть выполнено в двух вариантах, с помощью катушек управления на 220 и 380 вольт.

Во всех случаях перед подключением кнопочного поста составляется схема его монтажа. В первую очередь выполняется подключение контактора, при отсутствии напряжения на входном кабеле. Для непосредственного управления напряжение может сниматься с любой фазы, какая будет наиболее удобна для использования. Проводник, соединяемый с кнопкой СТОП, подключается совместно с проводом фазы к соответствующей клемме контактора. Во избежание путаницы, нормально разомкнутые контакты маркируются цифрами 1 и 2, а нормально замкнутые – цифрами 3 и 4.

По завершении монтажа в кнопочном посте устанавливается перемычка, затем подключается провод, соединяющий клемму 1 кнопки ПУСК и вывод катушки управления контактора.

Схема реверса трехфазного двигателя в однофазной сети

Довольно часто трехфазные электродвигатели используются в бытовых условиях и включаются в однофазную сеть. Для таких случаев предусмотрена реверсивная схема подключения электродвигателя в однофазной сети. Принцип действия такой схемы очень простой: для выполнения реверса используются конденсаторы, питание которых переключается между полюсами питающего напряжения. Управление схемой осуществляется кнопкой.

Поскольку питающее напряжение составляет 220 В, соединение обмоток двигателя будет выполнено звездой, а на клеммник подведено три вывода. На кнопке управления между клеммами устанавливается перемычка, после чего к одной из них подключается вывод конденсатора. Второй вывод конденсатора подключается к обмотке электродвигателя, не соединенной с сетью.

Затем переключатель соединяется с двигателем, затем подводится питающее напряжение. Готовую систему нужно включить и проверить работу реверса.