ТЕХНІЧНИЙ ПАСПОРТ На діючу модель «Прилад діагностики та контролю колекторних двигунів»

Міністерство освіти і науки України

СТАНЦІЯ ЮНИХ ТЕХНІКІВ

ТЕХНІЧНИЙ ПАСПОРТ

На діючу модель

«Прилад діагностики та контролю колекторних двигунів»

Модель виготовлена ​​на заняттях гуртка

«Юні конструктори приладів РЕА»

Мокан Георгій Іванович студент I курсу ІАТФК

Керівник гуртка: Петрусенко О.Ф.

м. Ізмаїл, 2017 р.

Вступ

Колекторний електродвигун -  електрична машина, у якій датчиком положення ротора і перемикачем струму в обмотках є один і той же пристрій - колекторний щітково вузол.

Колекторний електродвигун постійного струму

Найменші двигуни цього типу (одиниці Ватт) містять у корпусі: триполюсний ротор на підшипниках ковзання; колекторний вузол із двох щіток - мідних пластин; двополюсний статор із постійних магнітів. Застосовуються в основному у дитячих іграшках (робоча напруга 3-9 вольт). Більш потужні двигуни (десятки Ватт), як правило, мають багатополюсний ротор на підшипниках кочення; колекторний вузол із чотирьох графітових щіток; чотириполюсний статор із постійних магнітів. Саме такої конструкції більшість електродвигунів у сучасних автомобілях (робоча напруга 12 або 24 Вольт): привід вентиляторів систем охолодження та вентиляції, «двірників», насосів омивачів. Двигуни потужністю сотні Ватт, на відміну від попередніх, містять чотириполюсний статор з електромагнітів. Обмотки статора можуть підключатися декількома способами: 1) послідовно з ротором (так зване послідовне збудження). Перевага: великий максимальний момент; недолік: великі оберти холостого ходу, здатні пошкодити двигун. 2) паралельно з ротором (паралельне збудження). Перевага: велика стабільність обертів при зміні навантаження; недолік: менший максимальний момент частина обмоток паралельно з ротором, частина послідовно (змішане збудження) певною мірою поєднує переваги попередніх типів, приклад - автомобільні стартери. 3) окремим джерелом живлення (незалежне збудження) характеристика аналогічна паралельному підключенню, однак може регулюватися. Приклад – тягові двигуни деяких електровозів.

Загальні переваги колекторних двигунів постійного струму – простота виготовлення, експлуатації та ремонту, досить великий ресурс. До недоліків можна віднести те, що ефективні конструкції (з великим ККД та малою масою) таких двигунів є низькомоментними та швидкохідними (сотні та тисячі оборотів за хвилину), тому для більшості приводів (крім вентиляторів та насосів) необхідні редуктори. Це твердження не цілком вірне, але обґрунтоване. Електрична машина, побудована на низьку швидкість, взагалі має занижений ККД та пов'язані з ним проблеми охолодження. Швидше за все, проблема така, що витончених рішень для неї немає.

Універсальний колекторний електродвигун

Універсальний колекторний електродвигун (УКД) - різновид колекторної машини постійного струму, яка може працювати і на постійному, і змінному струмі. Набув великого поширення в ручному електроінструменті та в деяких видах побутової техніки через малі розміри та вагу, легкість регулювання оборотів, відносно низьку ціну. Широко використовувався на залізницях Європи та США як тяговий електродвигун.

Ремонт та перевірка працездатності колекторних електродвигунів пральних машин

У сучасних пральних машинах (далі ПМ) використовуються кілька типів приводних двигунів: колекторні, асинхронні, а також з прямим приводом барабана - вони відрізняються за принципом роботи та конструкцією. Для забезпечення роботи асинхронного двигуна потрібен фазо-зсувний конденсатор - подібна схема включення двигуна використовується у більшості старих моделей ПМ. У сучасних машинках для керування асинхронним двигуном використовується складна електронна система управління, тому його перевірка без спеціального стенду (або «тестової» ПМ) викликає певні труднощі. Ще більші проблеми викликає перевірка двигунів із прямим приводом (наприклад, вони використовуються у машинах LG DirectDrive). Їх важко перевірити окремо, оскільки є частиною конструкції бака. До того ж, для цих двигунів також потрібна складна система управління. Найбільш просто (у тому числі і у домашніх умовах) можна перевірити колекторні двигуни, на цьому ми зупинимося докладніше. У більшості сучасних ПМ приводні колекторні двигуни включені за схемою (мал. 1).

(мал.1) Схема включення колекторного двигуна у ПМ

З малюнка видно, що ланцюг живлення двигуна відбувається за таким ланцюгом: 220 В - керуючий сімістор (регулює швидкість обертання двигуна) - контакти реле реверсу (I або II) - обмотка статора - обмотка ротора - 220 В. Перемикання обмотки статора у ПМ виконується як за допомогою контактних груп командоапарата, так і за допомогою реле, розміщених у електронному модулі.

Примітка. Насправді, обмотка статора має дві секції, включені узгоджено. Подібне рішення дозволяє зменшити проникнення перешкод (створюваних іскрами на колекторі) в мережу живлення, тобто виходить своєрідний перешкододавлюючий фільтр (фільтр перешкод). Зміна напряму обертання валу двигуна проводиться зміною полярності включення статора обмотки. У деяких моделях ПМ статора обмотка має відвід. Він використовується як віджим. У цьому випадку живлення подається на один із крайніх висновків обмотки та згадане відведення. Якщо обмотка статора підключена через крайні відвіди, ПМ працює в режимі звичайного прання мотор працює на малих оборотах. У найпростішому випадку для перевірки працездатності двигуна багато ремонтників послідовно з'єднують обмотки статора і ротора (якоря) і подають на них мережну напругу (мал. 2).

(мал.2) Схема перевірки колекторного двигуна

Вказана схема має свої недоліки, один з яких полягає в тому, що працездатність двигуна за допомогою її повністю перевірити все одно не вдасться. Навіть якщо вал двигуна і обертатиметься, подібна перевірка все одно не виявить прихованих дефектів, що виявляються, коли він працює в реальних режимах експлуатації ПМ, наприклад, під навантаженням. До того ж ця схема включення не має жодного захисту: якщо в обмотках двигуна є короткі замикання, він працюватиме, що називається, «розліт».

Щоб уникнути можливих неприємних наслідків під час перевірки двигуна, у його схему живлення встановлюють додатковий баласт. Як останній, наприклад, можна використовувати будь-який ТЕН від пральної машини або потужну освітлювальну лампу (500 Вт і вище) (мал. 3).

(мал. 3) Схема перевірки колекторного двигуна з баластом

Якщо в обмотках двигуна є коротке замикання і через них протікає підвищений струм, ТЕН помітно нагріватиметься. Можна іншим способом перевірити в динаміці працездатність двигуна: з'єднати його обмотки, як на мал. 2, але живити через автотрансформатор лабораторний потужністю не менше 500 Вт. Подібне включення дозволяє плавно регулювати обороти двигуна та легко контролювати будь-які позаштатні ситуації у його роботі. Як захист подібної схеми можна використовувати звичайний плавкий запобіжник номіналом 5-10 А). Якщо ЛАТР знайти не вдалося, можна замість нього використати електронний (сімісторний) регулятор, який розрахований на керування навантаженням відповідної потужності. Регулятор можна виготовити самостійно, знайшовши відповідну схему у літературі або в Інтернеті. Є ще один спосіб перевірки працездатності колекторного двигуна – за інтенсивністю іскріння між колектором ротора та щітками. Виникнення сильних іскор у місці контакту щіток та колектора вказує на те, що двигун несправний.

Несправності колекторних двигунів можуть бути викликані такими причинами:

•             знос щіток;
•             міжвиткові замикання або обриви в статорних обмотках або ротора;
•             дефекти ламелей колектора, наприклад, їх відшарування.

Опис та принцип роботи приладу

У нашому приладі був використаний сімісторний регулятор напруги для випробування колекторного двигуна (мал. 4). Він дозволяє змінювати напругу, що подається на двигун від 50 до 250В при збереженні потужності. Часто виникає потреба регулювати потужність електричного струму. Наприклад, щоб зменшити напругу електролампи і тим самим продовжити термін її служби або плавно міняти частоту обертання електродвигуна, так само не зайвим буде регулювання температури жала паяльника та ін. Також можна використовувати баластний резистор, ЛАТР, баластний конденсатор, але набагато ефективніший, вважається сімісторний регулятор. В енергоспоживачах не дуже критичних до форми напруги живлення це найкращий вибір.

Скориставшись web-ресурсами мною були зроблені такі висновки: схеми управління сімістором складні; запропоновані схеми містять дуже багато деталей і, на мою думку, застаріли. Виникає наступне питання, навіщо розробляти схеми на транзисторах чи мікросхемах, коли існують дешеві та надійні диністори.

Допустимо симетричний (двонаправлений) диністор DB 3 коштує дуже дешево, однак  має багато переваг, у порівнянні з транзисторними схемами, де транзистори працюють в режимі оборотного пробою (лавинообразно транзисторна схема, що відмикається). Не беремо до уваги мікросхеми. Для простого регулятора збирати подібні схеми не вигідно через брак часу та грошей. Запропонована схема проста, надійна та доступна для повторення. Зібрати її зможе навіть людина, яка не володіє елементарними базовими знаннями в електроніці.

(мал. 4) Симисторній регулятор потужності

Т1 – це сімістор, у разі використаний ВТА-16-600В, хоча можна підключити і імпортні сімістори (тріаки) ВТА, ВТВ, ВТ. Елемент схеми Т – і є вищезгаданий симетричний диністор (діак) імпортного виробництва DB 3 (можна DB 4). За розміром він дуже малий, що робить монтаж його дуже зручним, наприклад, у деяких випадках можна припаювати його безпосередньо до керуючого виведення сімістора.

Виглядає він так: Резистор 510.Оm - обмежує максимальну напругу на конденсатор 0,1 mkF, тобто якщо двигун змінного резистора розмістити у положенні 0.Оm, то опір ланцюга все одно буде складати 510.Оm.
Справа на схемі резистор на 20 kOm і конденсатор 0.22 mkF називається RC ланцюгом. RC ланцюжок є своєрідним захистом сімістора від викидів напруги під час роботи на індуктивне навантаження. Тобто якщо схема регулюватиме активне навантаження (лампочка, паяльник тощо), то R3 та C можна виключити зі схеми, а це робить схему дуже простою.

І так, конденсатор 0,1mkF заряджається через резистори 510.Om і змінний резистор 420kOm, після того, як напруження на конденсаторі досягне напруги відкривання диністора DB 3, диністор формує імпульс, що відкриває сімістор, після чого, при проході при проході синусоїди, сімістор закривається. Частота відкривання-закривання сімістора залежить від напруги на конденсаторі 0.1 mkF, яка, своєю чергою, залежить від опору змінного резистора. Таким чином, перериваючи струм (з великою частотою) схема регулює потужність у навантаженні. Припустимо, якщо підключити електролампу через діод, ми змусимо працювати її «о пів накалу» і продовжимо її життя, але не вдасться регулювати яскравість, а також не уникнути неприємного мерехтіння. Цього недоліку немає в сімісторних схемах, так як частота перемикання сімістора занадто висока і побачити мерехтіння лампи людському оку не під силу. Працюючи на індуктивне навантаження, наприклад електродвигун, можна почути своєрідне «спів», це частота з якою сімістор підключає навантаження до ланцюга. Також слід згадати, що електродрилі та інші електроінструменти з регулюванням обертання так само використовують сімісторні схеми. Щоправда двигуни у вище перерахованому - колекторні. Для контролю вихідної напруги в нашому приладі застосовується вольтметр змінного струму типу Е8030 клас точності ~2.5.

Для контролю оборотів електродвигуна використовується тахометр, який підключається до котушки датчика Холла (мал. 5).

                                 (мал. 5) Схема тахометра

Принцип дії приладу

У вихідному стані транзистор VT1 закрито, а VT2 відкрито. У цей час ліва (за схемою) обкладка конденсатора 5 з'єднана через невеликий опір відкритого транзистора VT2 з шиною +5 В. Струм у цей час через мікроамперметр РА1 не надходить. При першому негативному півперіоді змінної напруги, поданого на вхід тахометра, VT1 транзистор відкривається, а VT2 закривається. Саме тоді С5 швидко заряджається через мікроамперметр РА1, VD3 і R5.

При позитивному напів-періоді вхідної напруги VT1 ​​закривається, а VT2 відкривається. Тепер С5 розряджається через малий опір відкритого VT2 та VD4. При наступному негативному напів-періоді процес повторюється аналогічно. Підстроювальним резистором R6 встановлюється верхня межа частоти сигналу, що вимірюється. Номінал конденсатора С5 підбирається в залежності від типу двигуна. Чим вище частота обертів двигуна, тим меншою має бути ємність конденсатора С5. Правильно зібрана схема тахометра налагодження не вимагає. Потрібно лише підстроювальним резистором R6 встановити максимальні показання тахометра. Тахометр навантажений на мікроамперметр постійного струму М4204 (100 мкА) класом точності 1.5. Для живлення тахометра використовується стабілізований блок живлення з вихідною напругою +5 В.

Конструкція приладу

Корпус приладу виготовлений з бакелітової багатошарової фанери товщиною 10 мм (передня та задня панелі) на лицьовій панелі розташовані органи управління (вмикач, регулятор вихідної напруги, клеми підключення обмоток електродвигуна, клеми підключення до котушки датчика Холла), вимірювальні прилади (вольтметр та амперметр). На задній панелі розташована клема заземлення. Верхня кришка приладу виготовлена ​​з металу, з перфорацією для вентиляції. Прилад пофарбований емаллю ПФ-115 чорного кольору.

Правила техніки безпеки під час експлуатації приладу:

1.          заземлити прилад;
2.          при підключенні до електродвигуна уважно вивчити його роз'єм (обов'язкове послідовне підключення, обмоток статора та ротора);
3.          перед дослідженням двигуна акуратно підключити обмотки двигуна та обмотку датчика Холла до відповідних клем (котушка датчика Холла відзначена жовтими проводами).