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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Régulateur de puissance et de vitesse de rotation d'un moteur électrique à collecteur monophasé. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / moteurs électriques Le régulateur de puissance et de vitesse de rotation du rotor d'un moteur électrique à collecteur monophasé est conçu pour faciliter le fonctionnement (élargir les capacités) de la perceuse électrique IE1032 et d'autres machines électriques domestiques utilisant des moteurs à collecteur AC d'une puissance allant jusqu'à 1,2 kW. . Les moteurs électriques à collecteur monophasé à excitation séquentielle sont largement utilisés dans les appareils électroménagers lorsque des vitesses de rotation élevées sont requises : aspirateurs, cireuses, machines à coudre, presse-agrumes, moulins à café, robots de cuisine universels, outils manuels pour le travail du bois et des métaux (perceuses électriques ), raboteuses électriques et bien plus encore. Les moteurs électriques à collecteur monophasé sont décrits dans [1]. Ils sont alimentés à la fois par le secteur AC et par le secteur AC et DC (universel). Si le moteur électrique est universel, ses enroulements de champ ont des prises (Fig. 1).
La perceuse IE1032 utilise un moteur de type KNII-420/220-18, qui n'est pas universel. Il est réalisé selon le circuit de la figure 2 et peut être alimenté uniquement à partir d'un réseau alternatif, mais pas à partir d'un courant continu ou d'un courant pulsé d'une fréquence de 100 Hz, comme décrit dans [2]. Ce circuit a été réalisé, mais n'a pas fonctionné.
La régulation de la puissance et de la vitesse du rotor de tels moteurs peut être effectuée en régulant la tension d'alimentation à l'aide d'un autotransformateur (par exemple, LATR) ou par la méthode amplitude-phase à l'aide d'un régulateur de puissance (dans ce cas, un thyristor). Lors du choix d'un circuit régulateur, vous devez prendre en compte les éléments suivants : facilité de fabrication ; la capacité de réguler en douceur la vitesse de rotation et la puissance sur toute la plage de contrôle ; Inclusion pratique et correcte du moteur électrique dans la section du circuit dans laquelle circule un courant sinusoïdal d'une fréquence de 50 Hz ; fiabilité de fonctionnement. La figure 3 montre dans quelle section du circuit le moteur électrique ne peut pas être allumé, dans la figure 4 - lequel doit être allumé.
Pour contrôler le thyristor régulateur, un circuit oscillateur de relaxation basé sur un transistor unijonction a été choisi [3]. Avantages du régulateur : nombre minimum d'éléments, facilité de fabrication, petites dimensions, réglage en douceur, haute stabilité de fonctionnement, haute fiabilité (sur 5 ans de fonctionnement il n'y a pas eu une seule panne), absence de composante constante dans la charge, puisqu'un courant symétrique circule à travers les alternances positives et négatives du thyristor de la tension d'alimentation. Le diagramme schématique du régulateur est présenté à la Fig. 5.
Spécifications du régulateur :
Lorsque le régulateur fonctionne, le thyristor est sous une tension pulsée redressée d'amplitude maximale Umax = 1,4 Ueff = 310 V. Par conséquent, la tension inverse du thyristor doit être supérieure à cette valeur. Le générateur de relaxation est alimenté par la même tension, mais limité par deux diodes Zener D814V connectées en série à 20 V. Le régulateur fonctionne comme suit. Lorsqu'il est connecté au réseau à partir de la sortie du redresseur, une tension pulsée est fournie au thyristor et une tension sinusoïdale limitée est fournie au générateur de relaxation. Le condensateur C1 commence à se charger à travers les résistances R1 à R4. La résistance totale de ces résistances est de 46 kOhm. Au fur et à mesure que le condensateur est chargé, la tension à ses bornes augmente, et lorsque la tension de déverrouillage est atteinte au niveau de l'émetteur VT1 (UC1 = UE.on), le transistor unijonction est déverrouillé et le condensateur C1 est déchargé le long du circuit émetteur-base VT1, résistance R1. La résistance émetteur-base à l'état ouvert est de 6 à 5 Ohms [20], la résistance de la résistance R3 = 6...150 Ohms. La constante de temps du circuit de décharge du condensateur est faible et une courte impulsion de polarité positive est formée aux bornes de la résistance R200. En sélectionnant la résistance de la résistance R6, vous pouvez régler le seuil de déverrouillage UE.on du transistor et l'amplitude de l'impulsion de commande, qui doit être de 5-7 V (optimal pour un fonctionnement stable du thyristor. Une courte impulsion de polarité positive de la résistance R6 est fournie à l'électrode de commande du thyristor, cette dernière s'ouvre, allumant la charge. À l'état ouvert, la chute de tension aux bornes du thyristor est de 1,5 à 2 V. Cette tension alimente le générateur de relaxation, le shunte et le coupe. Ainsi, le générateur de relaxation ne passe pas en mode auto-oscillant, mais pendant un demi-cycle de la tension secteur, il ne génère qu'une seule impulsion de commande et s'éteint avant l'arrivée de la suivante. Le thyristor reste ouvert jusqu'à la fin de l'alternance et se ferme à la fin de l'alternance. Avec l'arrivée de l'alternance suivante à l'anode du thyristor, encore fermée, la tension redressée à travers les résistances R7, R8, limitée par les diodes Zener VD1 VD2, entre dans le circuit de puissance du générateur de relaxation. Le condensateur C1 commence à se charger et le cycle se répète. Le moment où le thyristor s'ouvre est déterminé par la constante de temps du circuit de charge du condensateur C1. Ce circuit contient une résistance variable R1, avec laquelle vous pouvez modifier le couple de déverrouillage, donc réguler la vitesse de rotation de l'arbre du moteur électrique et sa puissance. A un angle de déverrouillage minimum (ϕ min), le moteur développe une vitesse maximale, et l'angle de déverrouillage dépend du type de moteur (dans la limite des caractéristiques techniques du régulateur) et ne change pas dans les limites de réglage. À l'angle de déverrouillage maximum ϕmax. le moteur développe un régime minimum, et l'angle d'allumage dépend du type de moteur (sa puissance, le poids du rotor, la friction des balais et des roulements, etc.). Plus la puissance du moteur est grande, plus le rotor est lourd, plus la friction est grande, plus le courant requis du régulateur est important, donc plus l'angle d'allumage maximum sera petit. Pour chaque type de moteur, il y a son propre angle d'allumage maximum du thyristor. Nous sélectionnons les éléments du circuit de charge du condensateur C1 et déterminons la plage de variation de l'angle de contrôle ∆ϕ : ∆ϕ = ϕmax - ϕ min. La figure 6 montre un demi-cycle de la tension sinusoïdale du réseau et la tension limitée à 20 V. Puisque le rapport 20/310 = 0,0645, alors pour sinωt = 0,0645, l'angle minimum possible ωt = 3°45' a été trouvé.
La résistance variable R1, à l'aide de laquelle l'angle d'amorçage est modifié dans la plage ∆ϕ, est à haute résistance et présente un saut initial de résistance, c'est-à-dire lorsque vous tournez le bouton, par exemple, depuis la position extrême gauche, la résistance passe brusquement de 0 à 5 kOhm. Il y a aussi un saut depuis la position extrême droite, et il est différent de celui de gauche. L'ampleur de ce saut est individuelle pour chaque résistance variable. La résistance R3 est choisie égale à la valeur du saut initial, soit 5,1 kOhms. Il détermine l'angle d'amorçage minimum du thyristor ϕ min. Si le curseur de la résistance R1 est dans la position la plus basse selon le schéma, alors la résistance du circuit de charge du condensateur C1 sera constituée des résistances R3 et R4 connectées en parallèle avec une résistance totale de 4,85 kOhm (dans l'autre position extrême, comme déjà indiqué, la résistance totale est de 46 kOhm) . Faisons un calcul approximatif de deux courbes de charge de condensateur (exposants) aux positions extrêmes du potentiomètre R1, dessinons des graphiques (Fig. 7), déterminons les angles fmin, fmax et la plage de contrôle f.
Pour simplifier le calcul et faciliter le tracé des graphiques, nous allons faire quelques simplifications : nous acceptons Rtot. min = 5 kOhm, pas 4,858 kOhm (erreur 3%), on accepte Rtot. max = 46 kOhm, et non 45,858 kOhm (erreur de 3%), on prend également la tension sinusoïdale limitée comme une tension d'impulsion rectangulaire de même durée qu'un demi-cycle de la tension du réseau T/2 = 10 ms. Tension aux bornes du condensateur C1 à l'instant t Nous \u1d U (XNUMXer -t/RC), où U = 20 V est une tension sinusoïdale limitée. Constante de temps du circuit de charge à Rtot min = 5 kOhm à τ1 = Rtot minC1= 5 H 0,1 = 0,5 ms, à Rtotal max = 46 kOhm τ2 = Rtotal maxC1 = 46 H 0,1 = 4,6 ms. A titre d'exemple, nous donnons une procédure détaillée pour calculer la tension sur un condensateur, par exemple pour le premier point t = RC/2. Uс = U(1er -t/RC) = U(1er -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. Cela signifie qu'au temps t = τ1/2 = 0,5/2 = 0,25 ms, le condensateur C1 se chargera à une tension Uc = 8 V. Les données calculées sont résumées dans le tableau.
Le graphique de la Fig. 7 montre :
De plus, Ue.on est marqué en ordonnées - le seuil de fonctionnement du transistor unijonction VT1 ; en abscisse - τ1 et τ2 (en millisecondes et degrés électriques), la durée de l'impulsion alimentant le générateur de relaxation (en millisecondes et degrés électriques), notée ϕmin, ϕmax et ∆ϕ pour un contrôleur réel. Sur l'échelle des phases, le prix d'une grande division de 1 cm avec résistance est de -18°, le prix d'une petite division de 1 mm est de 1,8°. Déterminons graphiquement les angles minimum et maximum d'amorçage des thyristors ϕmin = 2⋅1,8° = 3,6° = 3°36'. ϕmax = 20⋅1.8°° = 36°°. Prenons en compte l'erreur en approchant la tension sinusoïdale limitée en une tension rectangulaire. Déterminons sinωt lorsque la tension sur le condensateur C1 est égale au seuil de déverrouillage du transistor VT1. Us \u7d Ue.on \uXNUMXd U \uXNUMXd XNUMX V; sinωt = 7/310 = 0,0226. D'après le tableau des sinus, on détermine l'angle ωt = 1°18'. Alors ϕmin = 3°36' + 1°18' = 4°54' ; ϕmax = 36° + 1°18' = 37°18'. En tenant compte d'autres erreurs associées aux simplifications adoptées lors de la construction des graphiques de la figure 7, nous pouvons accepter avec un degré de fiabilité suffisant les angles ϕmin = 6° ; ϕmax = 37°. Ainsi, l'angle d'amorçage du thyristor peut être contrôlé de 6 à 37°. Plage d'angle de contrôle ∆ϕ = ϕmax - ϕmin = 31°, mais pas 170°, comme indiqué dans [4, p. 202]. Sous un angle ϕmax = 170°, aucun moteur conçu pour une tension de fonctionnement de 220 V ne fonctionnera. La mise en place du régulateur consiste à sélectionner la résistance des résistances du circuit de charge du condensateur C1 (R1, R2, R3, R4) pour un moteur électrique à collecteur monophasé spécifique à l'angle d'amorçage maximum du thyristor (moteur R1 en haut position). À l'angle d'ouverture minimum, aucun réglage n'est requis. Lorsque le curseur de la résistance R1 est installé dans la position la plus basse selon le schéma (R1 est en court-circuit), l'angle d'amorçage du thyristor est minimal, le moteur électrique développe une vitesse maximale. En déplaçant le moteur vers le haut, nous augmentons la résistance du circuit de charge, la vitesse de rotation diminue et dans la position la plus élevée du moteur, le moteur électrique doit fonctionner de manière stable à la vitesse minimale. Si le moteur fonctionne de manière instable et s'arrête en raison de légères fluctuations de la tension du secteur, il est alors nécessaire de réduire la résistance du circuit de charge, c'est-à-dire réduire la résistance de la résistance R1 en connectant à la place de R2 = 390 kOhm une résistance de résistance inférieure 360, 330 kOhm, ... etc. Et vice versa, si en position haute du moteur la vitesse de rotation est encore élevée et doit être réduite, alors la résistance R2 doit être remplacée par une résistance de résistance plus élevée 430, 470 kOhm, etc., jusqu'à ce qu'elle soit retirée du circuit. Ceci termine l’ajustement. Le régulateur fabriqué selon ce schéma fonctionne de manière stable et pendant 5 ans de fonctionnement, il n'y a pas eu une seule panne, il a montré de bons résultats aussi bien à haute qu'à basse vitesse avec une charge variable sur la perceuse. Lors de la fabrication du régulateur, il faut s'assurer que lorsqu'on tourne le bouton de contrôle de vitesse (résistance R1) vers la droite, la vitesse de rotation augmente ; pour cela, il faut crucifier la résistance R1 de sorte que lorsqu'on tourne le bouton vers la droite, la résistance diminue. L'utilisation de la méthode amplitude-phase entraîne une distorsion importante de la tension sinusoïdale et l'apparition de nombreuses harmoniques supérieures. Il est donc nécessaire d'assurer une protection supplémentaire contre les interférences en introduisant deux filtres supplémentaires dans le circuit d'alimentation de la perceuse C2, R9. et dans le circuit d'alimentation du régulateur C3, R10. Conception de régulateur. Le régulateur est fabriqué en deux versions. La première option est décrite ci-dessus, la seule différence réside dans le type de diodes de redressement utilisées (indiquées entre parenthèses sur le schéma électrique). Les cartes de circuits imprimés sont constituées d'une feuille de fibre de verre et de getinax d'une épaisseur de 1,5 à 2 mm. La figure 8 montre deux cartes de circuits imprimés pour la première version du régulateur.
La carte de la figure 8,a est utilisée lorsque les filtres C2, R9 et C3, R10 sont fabriqués par montage monté, la carte de la figure 8,b est utilisée lorsque les filtres sont placés sur la carte. La figure 9 montre une carte de circuit imprimé pour la deuxième version du régulateur.
Les filtres sont fabriqués par installation suspendue. Vous pouvez créer un tableau avec des filtres similaires à (Fig. 8b) pour la première option. Le circuit imprimé et les autres parties du régulateur sont placés dans une boîte en plastique. Une résistance variable R1 et R2, une prise pour connecter une perceuse et un cordon d'alimentation de 1,5 m de long avec une fiche à son extrémité sont fixés au corps du coffret. Les filtres C2, R9 et C3, R10 sont montés sur des supports de montage à proximité immédiate du cordon d'alimentation et de la prise pour connecter une perceuse. Sur le corps du boîtier sous la poignée de la résistance R1 se trouve une échelle avec des divisions conventionnelles. Détails. Le redresseur utilise des diodes KD202R, conçues pour un courant redressé moyen de 5 A. À leur place, vous pouvez utiliser KD202K, KD202M. Dans la deuxième version du régulateur, des diodes D231 sont utilisées. Vous pouvez utiliser D231A, D231B, D232, D233, D234 avec n'importe quel indice de lettre et d'autres types de diodes conçues pour un courant redressé moyen de 10 A et une tension inverse de 300 V ou plus. Le thyristor KU202M peut être remplacé par KU202 N, les diodes Zener D814V - par toutes autres avec une tension de stabilisation totale de 18-20 V. KT117 peut être utilisé avec n'importe quelle lettre d'index. Le condensateur C1 peut être utilisé des types KLS, KM, K10U-5. Les condensateurs C2 et C3 de type K40P-2B peuvent être remplacés par n'importe quel papier avec une tension de fonctionnement d'au moins 400 V. Une résistance variable de type SP-1 peut être remplacée par une résistance de tout autre type et de n'importe quelle taille. Pour faire fonctionner une perceuse avec ce régulateur, vous n'avez pas besoin d'installer d'interrupteurs supplémentaires. Un interrupteur bipolaire installé dans une perceuse suffit. La tension du régulateur est fournie et supprimée par l'interrupteur de la perceuse. Malgré le fait que le régulateur a été conçu pour alimenter des moteurs électriques monophasés à balais, si nécessaire, toute charge active (chauffage) de puissance appropriée peut y être connectée. Littérature
Auteur : VV Pershin
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