Regulacija brzine kod univerzalnog motora
Univerzalni motor je kolektorski motor sa rednom pobudom koji se može priključiti i na jednosmerni i na naizmenični izvor napajanja. Univerzalni motor radi na istom principu kao i DC motor, s tim što je magnetno polje statora generisano električnim putem pomocu namotaja, a ne pomoću stalnog magneta kao što je slučaj kod DC motora.
Ovde se koristi činjenica da se sa promenom polariteta priključenog napona (promena smera struje kroz namotaje uz pomoć četkica i lamela koje se nalaze na kolektoru) ne menja smer obrtanja motora jednosmerne struje. Dakle, u principu se motor jednosmerne struje može priključiti na naizmeničnu (jednofaznu) mrežu i on će imati iste fizičke osobine kao i da je priključen na jednosmernu mrežu. Da bi tehnički iskoristili ovu mogućnost, potrebno je da celo magnetsko kolo (statora i rotora) bude napravljeno od tankih feromagnetskih limova.
Slika 1. Presek i izgled univerzalnog (kolektorskog) motora
Prednost univerzalnih motora je u tome sto su malih dimenzija i što mogu postići visok broj obrtaja. Primenjuju se za pokretanje ručnih bušilica, usisivača, mlinova za kafe, miksera, ventilatora...
Izrađuju se za snage do oko 1kW i za brzine obrtanja do preko 10000 ob/min za ručne alate i druge ručne elektromotorne uređaje, oko 15000 ob/min za usisivače i miksere i oko 30000 ob/min za mlinove za kafu.
Polutalasni diodni ispravljač
Univerzalni motori su dizajnirani da rade sa AC ili DC napajanjem s tim sto uz pri jednosmernom napajanju motor ima veću brzinu. Korišćenjem polutalasnog ispravljača univerzalni motor se snabdeva sa polutalasnim jednosmernim naponom. Pošto je motor ionako projektovan da radi sa naizmeničnim naponom, ne bi trebalo očekivati bilo kakve probleme u radu sa polutalasnim naponom. U stvari, ovakav princip rada motora omogućuje njegovo duže trajanje.
Prilikom direktnog priključivanja univerzalni motor dostiže maksimalan broj obrtaja kao i maksimalan obrtni momenat i snagu. Ukoliko univerzalni motor u takvom stanju nije opterećen, tj. ukoliko radi u praznom hodu dolazi do varničenja na četkicama i na kolektoru univerzalnog motora, kao i do oštećenja na samom motoru.
Zbog toga se prilikom startovanja univerzalnog (kolektorskog) motora koristi polutalasni napon dobijen odsecanjem jedne poluperiode napona. Time se omogućava da se prilikom startovanja motora, kada on obično radi u praznom hodu, smanji njegova reaktivna snaga na ½ ukupne reaktivne (jalove) snage koja se inače dobija priključivanjem motra direktno na punotalasni napon. Time se produžava vek trajanja univerzalnog motora.
Prilikom opterećivanja motora, ako je motor priključen na polutalasni napon, njegov obrtni momenat će biti prisutan samo polovinu vremena rada motora, tako da motor neće u potpunosti moći da odgovori zahtevima opterećenja, tj. razvijaće veoma malu aktivnu snagu. Zbog toga se motor , kada je pod opterećenjem, priključuje na pun talasni oblik napona.
Slika 2. Kontrola motora pomoću polutalasnog diodnog ispravljača
Na Slici 2. prikazana je šema kontrole motora koja odgovara zahtevima u prethodnom tekstu. Kao izvor napajanja koristi se napon gradske mreže 220V 50Hz.
Pritiskom na taster 1 pomoću diode D5 odseca se pozitivna poluperioda ulaznog napona, i dobijena negativna poluperioda dolazi na ulaz grecovog spoja . Na izlazu grecovog spoja, kao krajnji rezultat dobijamo pozitivnu poluperiodu ulaznog napona. Ovo je tzv.
soft strat motora.
Slika 3. Oblici signala na ulazu i izlazu grcovog spoja ako je zaklopljen taster 1
Slika 4. Oblici signala na ulazu i izlazu grecovog spoja ako je zaklopljen taster 2
Univerzalni motori na svakom polu imaju po jednu četkicu, koje u radu varniče plavičasto. Zbog varničenja i široke opšte upotrebe, univerzalni motori izazivaju radio i televizijske smetnje, koje se ograničavaju dogradnjom prigušnica. Ovakva prigušnica se vezuje serijski sa motorom.
U prthodnoj šemi je korišćena prigušnica L3 realizovana pomoću ferimagnetnog torusa sa dva, naizmenično motana namotaja. Svaki namotaj se sastoji od po 12 navojaka izolovane žice čija je debljina 0.4mm.
Slika 5. Način namotavanja i dimenzije torusa
Vrednosti kapaciteta kondezatora C1 date su u mikro faradima. Kondezator mora imati na sebi oznaku da je za 250V +/- 10%.
Glavna uloga kondezatora je ta da smanji tzv. fazni pomak. Fazni pomak nastaje kao posledica "prolaska struje" kroj tzv. jalovi otpor. Dakle, u našem slučaju koristan otpor je otpor koji stvara motor jer od njega dobijamo korisnu energiju. Ali, na motor je serijski povezana prigušnica, koja predstavlja tzv. induktivni otpor. Prolaskom struje kroz nju stvara se magnetno polje i energija koja se troši na njoj je jalova energija. Sistem troši više struje radi svladavanja ovog otpora, tj. dolazi do faznog pomaka.
Kondezator je tzv. kapacitivni otpor. Kondenzator ima sposobnost "nabijanja" naponom, i takođe je jalovi otpor, ali on fazni pomak "okreće" u suprotnom pravcu od induktivnog. Kondezator se spaja paralelno (znaći, jedan kraj na fazu, drugi na nulu). Ubacivši kondezator odgovarajućeg kapaciteta paralelno na izvor el. energije, poništavamo induktivni fazni pomak i tako smanjujemo jalovo rasipanje energije, dobijamo stabilniji sistem i samim time smanjujemo jačinu struje (amperažu) koju naš sistem koristi. Manja struja = manja potrošnja el. energije.
Ako stavimo manji ili veći kapacitet (kondezator) ili nećemo dovoljno "izravnati" tok struje ili u drugom slučaju previše "izravnati" tok struje (umesto induktivnog bi imali kapacitivni otpor).
Ovakve kondenzatore nazivamo blok kondenzatori.
Po isključenju napona kondenzator C1 se prazni preko otpornika R1 otpornosti 1MΩ.
Ovakvi, neregulisani (neupravljivi) ispravljači kao ispravljačke elemente koriste diode. Sa gledišta složenosti diodni ispravljači spadaju u najjednostavnije (i najjeftinije) uređaje a po efikasnosti, u uređaje sa najvišim stepenom iskorišćenja. Nedostatak im je nemogućnost promene izlaznog napona i rad samo u prvom kvadrantu.
Regulacija broja obrtaja motora pomoću trijaka
Korišćenje diode za regulisanje brzine univerzalnog motora dovodi do toga da je obrtni momenat motora “prisutan“ samo 50% vremena rada motora. Bolji način za regulisanje brzine motora je korišćenjem trijaka. Time postižemo veću fleksibilnost i stabilniji obrtni momenat motora.
Na nivo napona pri kojem se uključuje trijak, zavisno od polariteta, utiče se pozitivnom ili negativnim naponom upravljačke elektrode (gejta). Proizvođači trijaka daju vrednosti minimalne struje gejta za sve četiri moguće kombinacije polariteta napona na priključcima (A1 i A2) i smera struje gejta (IG).
Slika 6. Simbol trijaka i njegova prenosna karakteristika
Kod faznog okidanja, AC napon je priključen na opterećnje preko trijaka. Trijak može biti uključen u bilo kom trenutku u toku svake poluperiode ulaznog napona. Trijak se gasi na kraju svake poluperiode zbog kratkotrajnog pada napona na 0V. Istovremeno dolazi i do kratkotrajnog pada struje opterećenja.
Slika 7. Princip faznog okidanja
Ukoliko se trijak uključi odmah nakon početka poluperiode napona (tj. nakon prolaska sinusoide kroz nulu), napon na opterećenju će imati punu vrednost, gotovo kao i napon na ulazu. Ukoliko je trijak okinut sa faznim kašnjenjem od 90, na ulazu opterećenja imaćemo polovinu napona, tj potrošnja opterećenja će biti ¼ ukupne moguće snage. Ukoliko je trijak okinut sa faznim kašnjenjem od 180, napon na opterećenju (u našem slučaju je to univerzalni motor) će biti 0V.
Slika 8. Oblici izlaznog napona pri različitim uglovima okidanja
Slika 9. Regulacija brzine motora faznom regulacijom pomoću trijaka
Na prethodnoj slici imamo ne-sinhronizovanu faznu regulaciju, tj. trijak se ne okida stalno u istoj tački, tj. sa istim faznim kašnjenjem, već se to radi u zavisnosti od opterćenja motora. To se reguliše tzv. feedback signalom koji u kombinaciji sa standardnim kontrolnim signalom određuje precizno vreme okidanja svake poluperiode ulaznog napona, u zavisnosti od potrebe.
Okidanje se vrši preko kondenzatora C2 i dijaka Q1. Dijak je element male snage i koristi se uglavnom u upravljačkim kolima za dobijanje sinhronih okidnih impulsa. Sa njim se, veoma jednostavno dobijaju okidni impulsi za faznu regulaciju napona sa trijakom. Tako dobijeni impulsi ulaze na gejt trijaka.
Vreme okidanja, tj. vreme punjenja i pražnjenja kondenzatora određeno je pomocu struje kroz otpornik R2 i pomoću potenciometra P1 koji ujedno čine i feedback prtlju koja obezbeđuje regenerativni feedback signal.
Zbog velike disipacije snage na potenciometru P1 koji je sve vreme pod naponom, paralelno njemu vezan je otpornik R3.
Solenoid L1 i L2 služe za potiskivanje konduktivnih smetnji nastalih zbog naglih impulsa struje pri faznoj regulaciji snage potrošača. Realizovani su pomoću 30 navojaka žice debljine 0.3 mm na jezgru prečnika 4 mm.
Prigušnica L3, blok kondenzator C1 i otpornik R1 imaju istu ulogu kao i na šemi polutalasnog diodnog ispravljača.
Korišćen je trijak oznake T410-60. U sledećoj tabeli su date njegove najvažnije karakteristike:
Trijak je realizovan u četvoro-pinskom DPAK (T4-B) kućištu.
Slika 10. Izgled DPAK (T4-B) kućišta
Za realizaciju je korišćen dijak u SMD tehnici. Napon praga dijaka je oko 35 V.
Pošto je ovde reč o induktivnom opterećenju, u trenutku kada sinusoida napona prođe kroz nulu (na svakih kPi radijana), struja kasni za naponom , tako da jos uvek nije 0. Trijak se ponovo okida kada struja rotora padne na nulu. Ugaona brzina rotora je direktno proporcionalna faznom kašnjenju prilikom okidanja trijaka što je uopšteno prikazano na sledećoj slici:
Slika 11. Uopštena pretstava fazne regulacije
Naponski oblik izlaznog napona nije sinusoidalan već predstavlja odsečak sinusoide u određenoj “faznoj tački”. Zbog ovih oštrih promena napona u tačkama prekidanja ovakvi uređaji nisu pogodni za regulisanje napona kod napajanja osetljivih elektronskih uređaja.
