Схемы реверсивного включения коллекторного двигателя одним тумблером

В практике применения коллекторных электродвигателей на переменном токе, часто возникает необходимость обеспечить реверсивное вращение. Есть несколько простых схем управления реализующих эту задачу

В первую очередь это схема с последовательно соединёнными обмотками статора

А также вторая схема с независимыми статорными обмотками, где ротор включается между обмотками статора

Как видно из схем, реверсивное управление обеспечивается одним сдвоенным двухполярным переключателем. Такие схемы применяются в бытовых и промышленных устройствах. Основная идея реверса — это изменить направление магнитного потока в сердечнике (железе) статора или ротора. На практике чаще всего используется первая схема в недорогих мясорубках.

Задачу плавного запуска двигателя решает схема диммера с использованием силового симистора VS1 и простейшего фазового регулятора в цепи его управляющего электрода.

Коллекторный двигатель постоянного и переменного тока

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

Что такое коллекторный двигатель?

Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).

Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)

В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

• независимыми;
• параллельными;
• последовательными;
• смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

• А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
• В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
• С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
• D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
• Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

• снижение КПД;
• повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

• высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
• динамичность управления;
• низкая стоимость.

Основные недостатки:

• малая мощность;
• потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

Рисунок 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (В) обмоткой возбуждения

Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и U_K должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.

Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.

Положительные черты:

• отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.

Минусы:

• стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
• недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

• высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
• низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
• поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
• работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

• не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
• малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.

Схема реверсивного подключения электродвигателя

В домашнем хозяйстве приходится использовать различные приборы, которые помогают облегчить выполнение какой-то задачи. В некоторых случаях под потребности приходится собирать какой-то конкретный инструмент, который стоит довольно дорого или под него просто есть все необходимые компоненты. Часто для этого важно знать, как сделать схему подключения электродвигателя. Заставить его вращаться не так сложно, а изменить направление движения уже сложнее. В статье будет рассказано о том, как выполнить схему реверсивного подключения двигателя.

Принцип работы

Электрический двигатель представляет собой механизм, в котором вращение осуществляется под воздействием электромагнитных волн. В основу положено всего два компонента:

Вращается только первый элемента, а импульс на него подается со второго элемента. Чем выше мощность двигателя, тем больше его габариты. Из всего разнообразия различают:

В двигателях коллекторного типа питание на ротор подается через угольные щетки, которые касаются ламелей коллектора. Такие двигатели еще называют короткозамкнутыми. В асинхронных двигателях схема действия несколько отличается. В этом случае вращение происходит под воздействием двух сил:

Напряжение от источника питания подается на фиксированные обмотки статора. При этом в нем возникают электромагнитные волны. Если напряжение переменное, тогда магнитное поле нестабильно и имеет определенные колебания. Благодаря этим колебаниям и происходит смещение ротора. Между ротором и статором есть небольшой воздушный зазор, благодаря которому и возможно беспрепятственное смещение. Магнитные волны из обмоток статора воздействуют на обмотки ротора, создавая напряжение. Благодаря такому воздействию возникает электродвижущая сила или ЭДС. Она заставляет магнитные волны взаимодействовать в обратном направлении тем, что есть в статоре, поэтому двигатель и называется асинхронным.

Требуемые компоненты

Самостоятельное подключение двигателя для реверсивного вращения не вызовет особых сложностей, если руководствоваться приведенной схемой. Одним из важных компонентов, который облегчит такую задачу является магнитный пускатель или контактор. На самом деле магнитный пускатель и контактор не являются тождественными понятиями. Если говорить просто, то контактор входит в состав магнитного пускателя, но для упрощения в статье оба понятия используются как равнозначные. Магнитные пускатели как раз и применяются для запуска, реверсивного движения и остановки асинхронных двигателей.

Возможно, возникает вопрос о том, почему нельзя использовать обычный рубильник или силовой автомат. В принципе, это допустимо, но не всегда пусковые токи, которые необходимы двигателю для нормального начала функционирования являются безопасными для человека. При включении может возникнуть пробой, который выведет из строя как выключатель, так и навредит оператору. Чтобы свести риски к минимуму, потребуется пускатель. В нем контактная часть отделена от той, с которой взаимодействует оператор. В нем есть отдельный модуль с катушкой, которая создает электромагнитное поле. Для работы катушки может потребоваться напряжение в 12 или больше вольт. При подаче этого напряжения происходит взаимодействие с металлическим сердечником, который втягивается внутрь катушки. К сердечнику закреплена пластина, которая уходит к контактной группе. Они замыкаются и происходит запуск двигателя. Остановка происходит в обратном порядке.

Кроме контактора, потребуется трехкнопочная станция. Одна клавиша выполняет функцию остановки, а две других функции запуска с разницей в направлении вращения. В трехкнопочной станции должно быть два нормально разомкнутых контакта и один нормально замкнутый. Если говорить просто, то нормальным положением контактора называется его нерабочее положение. То есть при воздействии на контакт он либо замыкается, либо размыкается. Если в рабочем состоянии он замкнут, то обозначается как НО, а если разомкнут, то обозначается как НЗ. Контакт НЗ применяется для кнопки остановки.

Принципиальная схема

На иллюстрации выше можно видеть принципиальную схему реверсивного подключения двигателя. Она отличается от обычной только наличием дополнительного модуля. Если говорить точнее, то в схеме задействуется два модуля управления. Один из них заставляет вращаться двигатель вправо, а другой влево. Взаимодействие оператора с модулями происходит посредством кнопок SB2 и SB3. Латинскими буквами A, B, C на схеме обозначены подводящие линии трехфазной сети. Они подходят к общему выключателю, который обозначен QF1. Далее идут два контактора КМ и цифровым обозначением. От контакторов цепь уходит к обмоткам двигателя. Каждый из этих контакторов вынесен отдельно и находится справа, где дополнительно можно рассмотреть их составные компоненты.

Процесс включения

Процесс включения двигателя довольно просто описать, используя все ту же схему. Первым делом происходит задействование общего рубильника QF1. Как только он включается, происходит подача напряжения по трем фазам. Но это напряжение не подается непосредственно на сам двигатель, т. к. еще нет четких указаний, в каком направлении он должен вращаться. Далее проводники проходят через автомат SF1 он выполняет защитную функцию, обесточивая всю систему в случае короткого замыкания. Далее следует кнопка выключения, которая также способна быстро разомкнуть цепь питания. Только после этого напряжение следует к клавишам SB2 и SB3, после воздействия на который, питание проходит к двигателю.

Чтобы двигатель получил достаточное усилие для обратного вращения, необходимо переключить силовые фазы, для чего и предназначен пускатель КМ2. Если еще раз обратить внимание на схему, то можно заметить, что пускатель КМ1 имеет прямое подключение фаз к двигателю, а КМ2 обеспечивает некоторое смещение. Все происходит за чет первой фазы, она в этой схеме является ждущей. Как только она размыкается, прекращается подача напряжения на двигатель.

После полной остановки может быть задействована кнопка SB3. Она активирует второй пускатель. Последний меняет положение фаз, как показано на схеме. При этом дежурная фаза остается неизменной, питание от нее все так же подается на первый контакт двигателя. Изменения происходят во второй и третьей фазе. Благодаря этому обеспечивается реверсивное движение.

Этапы подключения

Подключение двигателя для реверсивного движения отличается в зависимости от того, какая сеть будет выступать питающей 220 или 380. Поэтому есть смысл рассмотреть их отдельно.

К трехфазной сети

Руководствуясь представленной схемой легко составить последовательность, в которой должно производиться подключение электродвигателя. Первым делом устанавливается основной силовой автомат. Его номинальное напряжение и сила тока должны быть рассчитаны на те, которые будет потреблять двигатель. Только в этом случае можно быть уверенным в бесперебойной работе. Перед монтажом автомата для двигателя потребуется обесточить сеть. Следующим устанавливается предохранительный выключатель. После него фазный кабель уходит на разрыв, на кнопку стоп, а уже от нее делается подключение к контакторам. На каждом элементе контактора и кнопочного поста обычно делаются соответствующие обозначения, которые упрощают процесс подключения. Видео о сборке тестовой схемы можно посмотреть ниже.

К однофазной сети

В домашних условиях часто приходится задействовать асинхронный двигатель, но не в каждом хозяйстве есть трехфазная сеть, поэтому важно знать, как подключить двигатель к однофазной сети. Для запуска от одной фазы требуется дополнительный импульс, чтобы его обеспечить подбирается конденсатор требуемой емкости. Если говорить проще, то конденсаторов должно быть два. Один из них является пусковым и подключается параллельно первому. Соединение обмоток двигателя выполняется по схеме «звезда». Если обмотки соединены другим способом и нет возможности его изменить, тогда не получиться выполнить требуемую схему.

Чтобы реверсивная схема функционировала потребуется переключение питания, которое поступает от конденсаторов между полюсами. Понадобится два выключателя и одна не фиксируемая кнопка. Одни из выключателей будет отвечать за подачу напряжения в цепь питания двигателя. Второй выключатель должен иметь три положения. В одном из них он будет выключенным, а в двух других изменять подачу питания от конденсаторов на обмотки. Не фиксируемая кнопка будет дополнительно подключать второй конденсатор на момент запуска двигателя.

Два вывода конденсатора подключаются между собой. К двум другим происходит подключение пусковой кнопки. Средний вывод трехпозиционного переключателя подключается к конденсаторам в том месте, где они объединены между собой. Два других вывода подключаются к клеммам двигателя, на которые приходит питание. Конденсаторы подключаются к выходу обмотки, которая применяется для запуска. Кнопка включения ставится в разрыв фазного провода.

Чтобы привести весь механизм в действие, необходимо подать питание на цепь двигателя основным выключателем. После этого задается направление вращения двигателя трехпозиционным выключателем. Далее нажимается кнопка пуска до момента выхода двигателя на рабочие обороты. Если возникает необходимость изменить направление вращения, тогда потребуется обесточить двигатель и дождаться его полной остановки, переключить трехпозиционный тумблер в противоположное крайнее положение и повторить процесс.

Резюме

Как видно реверсивное подключение требует определенных навыков, но может быть осуществлено без особых сложностей при соблюдении всех рекомендаций. Теперь не будет препятствий в использовании трехфазных агрегатов от однофазной сети, при этом следует понимать, что максимальная мощность будет ограничена, т. к. невозможен выход на полное потребление. На компонентах для подключения лучше не экономить, т. к. это скажется на сроке службы всей схемы. Во время сборки и запуска необходимо придерживаться всех правил безопасности работы с электрическим током.