На сегодняшний день практически все современные электроинструменты оснащены коллекторными двигателями. Они относятся к более универсальным конструкциям, поскольку могут работать не только при переменном, но и при постоянном напряжении. Однако данный тип электродвигателей обладает высокой частотой оборотов, которая не всегда требуется в рабочих процессах. В подобных ситуациях изменить частоту вращения и обеспечить плавный пуск поможет регулятор оборотов коллекторного двигателя, способный создавать наиболее оптимальные скоростные режимы.
Устройство и принцип работы
Современная бытовая техника и электроинструменты укомплектованы коллекторными и асинхронными электродвигателями. В самых современных устройствах второй вариант практически не применяется, поэтому более подробно следует рассматривать электродвигатели коллекторного типа.
Эти устройства отличаются компактностью, простотой управления и повышенной мощностью. Принцип действия такой же, как и у всех электродвигателей, основанный на вращении прямоугольной рамки, помещенной между магнитными полюсами, и по которой пропущен электрический ток.
В коллекторных двигателях функцию вращающейся рамки выполняют скользящие контакты, к которым также подводится ток. После поворота рамки на 1800 ток начинает течь по этим контактам в обратном направлении. Сама рамка будет вращаться в прежнем напрявлении, при этом плавного вращения она не обеспечивает. Для того чтобы вращение было плавным, в конструкции двигателя используется большое количество этих рамок.
В состав агрегата входят следующие элементы:
- Вращающаяся часть является ротором, а внешний магнит статором.
- Основой скользящих контактов являются графитовые щетки, через которые к вращающемуся якорю подается напряжение.
- Характеристики вращения отслеживаются тахогенератором. Если равномерность движения нарушается, он выполняет корректировку напряжения, обеспечивая более плавный ход.
Статор может состоять не только из одного, но и из двух магнитов, соответственно, с двумя парами полюсов. В отдельных конструкциях используются не статические магниты, а электромагнитные катушки. Скорость двигателя регулируется очень просто всего лишь путем изменения величины подаваемого напряжения. Ось вращения соединяется с рабочей частью напрямую, без каких-либо промежуточных элементов.
Необходимость регулятора оборотов
Регулирующее устройство по своей сути является частотным преобразователем. Схема регулятора оборотов создана на основе мощного транзистора, с помощью которого инвертируется напряжение, обеспечивается плавная остановка и пуск.
Все необходимые действия осуществляются посредством ШИМ широтно-импульсного модулятора, управляющего электрическими устройствами. С его помощью создаются синусоиды заданной конфигурации для постоянного и переменного тока.
За счет установленных частотных преобразователей, регулятор оборотов коллекторного электродвигателя способен точно контролировать необходимые электрические процессы. В результате, скорость вращения может быть изменена в сторону увеличения или уменьшения, обороты поддерживаются на установленном уровне, а сам инструмент оказывается защищенным от резких перепадов оборотов.
Электродвигатель использует только то количество электроэнергии, которое необходимо для выполнения работы. Экономия потребления электричества достигает до 50% при снижении скорости вращения всего лишь на 20%.
Действие регулятора оборотов
Работа регулятора оборотов коллекторного двигателя происходит следующим образом.
После запуска агрегата на полной мощности, электрическому току приходится преодолевать сопротивление полной нагрузки, повторяющееся несколько раз. Под действием тока обмотки двигателя деформируются и начинают выделять тепло в течение продолжительного времени. Это приводит к существенному снижению ресурса и движок становится менее долговечным.
Таким образом, регулятор выполняет функцию ступенчатого инвертора, осуществляющего двойное преобразование энергии.
Частотный регулятор напряжения выпрямляет ток на 220 В или 380 вольт, в зависимости от входного напряжения. Для этих целей используется выпрямляющий диод, расположенный на входе. После этого ток фильтруется через конденсаторы, далее происходит формирование широтно-импульсной модуляции. В конечном итоге после регулировки система оказывается подготовленной к созданию необходимой конфигурации синусоиды.
Выбор регулятора оборотов
Выбирать необходимое регулировочное устройство следует в соответствии с его техническими характеристиками и сферой использования.
Для выбора существуют следующие критерии:
- Схема управления. Система управления в коллекторных двигателях бывает векторной или скалярной. У каждой имеются свои плюсы и минусы.
- Важным параметром является мощность. Она должна совпадать с максимально допустимой мощностью регулируемого устройства. Для низковольтных двигателей рекомендуется использовать регулятор с мощностью, превышающей допустимую величину.
- Допустимые напряжения желательно регулировать в максимально широком диапазоне. Исходя из этого следует выбирать и сам регулятор.
- Частотный диапазон. Основная величина для регулирования, поскольку именно ее и преобразует прибор. Модификация выбирается исходя из конкретных потребностей. Например, для фрезерной машины хватит и 1000 Гц.
Самостоятельная сборка регулятора
Простейшее устройство, которое может быть собрано своими руками, представляет собой печатную плату, размером 50х50 мм. Для ее изготовления лучше всего подходит односторонний стеклотекстолит.
Схема дополняется двумя резисторами по 45 Ом, что дает возможность подключать обычный компьютерный вентилятор. В случае использования повышенной нагрузки схема блокируется демпферным диодом, рассчитанным на удвоенное значение тока нагрузки и питающего напряжения.
При отсутствии такого диода возможен перегрев всего устройства. Кроме того, сам элемент размещается на теплоотводе, представляющем собой металлическую пластину. Работа регулирующих ключей обеспечивает минимальные потери мощности.