XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Проведена разработка принципиальной электрической схемы блока питания электровентилятора. Выбран электровентилятор серии РСС1 и приведены основные его характеристики и отличительные особенности. Выбран наиболее подходящий метод регулирования скорости вращения двигателя и приведена схема управления в соответствии с данным методом. Описаны процессы, протекающие в схеме. Рассчитана приблизительная частота ШИМ сигнала, формируемого этой схемой.

Ключевые слова: электровентилятор, ШИМ, таймер, постоянный ток.

1 Характеристики электровентилятора

Электровентилятор РСС1-2,5/10 выбран из каталога продукции АО НПЦ «ПОЛЮС», основные технические характеристики которого приведены в таблице 1. Такие электровентиляторы предназначены для перемещения воздуха в системах кондиционирования и вентиляции. Относится к электровентиляторам постоянного тока РСС1 на базе коллекторных электродвигателей [1].

Таблица 1

Тип вентилятора	Произ- води- тель- ность, м3/ч*	Полное давле- ние, Па*	Частота вращения, об/мин	Мощ- ность, кВт	Ресурс, ч	Срок службы, лет	Масса с ППР, кг	Габаритные размеры БЭВ / ППР, мм
РСС1-2,5/10	250	981	2 500 – 3 900	0,22	25 000	10	51,4	496х366х342 249х295х150

Отличительные особенности: повышенные технический ресурс и срок службы, улучшенные виброшумовые характеристики.

Функциональный состав: блок электровентилятора БЭВ1, состоящий из электродвигателя, корпуса и колеса; электромагнитный пускатель ППР.

Электродвигатель - постоянного тока со смешанным возбуждением. Питание: от сети постоянного тока напряжением 175/190/220/320 В.

Климатическое исполнение В5 по ГОСТ 15150-69. Температура окружающей среды и перемешиваемого воздуха от 268° до 318° К (от –5 до +45 °С) [1].

2 Разработка принципиальной электрической схемы блока питания электровентилятора

2.1 Широтно-импульсная модуляция

 Наиболее простой метод регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока основан на использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ или PWM). Суть этого метода заключается в том, что напряжение питания подается на двигатель в виде импульсов. При этом частота следования импульсов остается постоянной, а их длительность может меняться [2].

ШИМ сигнал характеризуется таким параметром как коэффициент заполнения или Duty cycle (рис.1). Это величина обратная скважности и равна отношению длительности импульса к его периоду:

D = (t/T) * 100%

Рис.1. ШИМ сигналы с различными коэффициентами заполнения.

При таком методе управления скорость вращения двигателя будет пропорциональна коэффициенту заполнения ШИМ сигнала. 

2.2 Простая схема управления двигателем постоянного тока

Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.

Рис.2. Простая схема управления двигателем постоянного тока

   Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала.

При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет "воспринимать" среднее значение подводимой к нему энергии. 

2.3 Схема для генерации ШИМ сигнала

Существует много схем для генерации ШИМ сигнала. Одна из самых простых - это схема на основе таймера NE555. Она требует минимум компонентов, не нуждается в настройке [3]. 

Рис.3. Схема для генерации ШИМ сигнала

Напряжение питания схемы VCC может быть в диапазоне 5 - 16 Вольт.
Для того, чтобы разобраться как работает эта схема, нужно обратиться к блок схеме таймера NE555. Таймер состоит из делителя напряжения, двух компараторов, триггера, ключа с открытым коллектором и выходного буфера.

Выводы питания (VCC) и сброса (Reset) заведены на плюс питания, допустим, +5 В, а GND на минус. Открытый коллектор транзистора (вывод DISCH) подтянут к плюсу питания через резистор и с него снимается ШИМ сигнал. Вывод CONT не используется, к нему подключен конденсатор. Выводы компараторов THRES и TRIG объединены и подключены к RC цепочке, состоящей из переменного резистора, двух диодов и конденсатора. Средний вывод переменного резистора подключен к выводу OUT. Крайние выводы резистора подключены через диоды к конденсатору, который вторым выводом подключен к земле. Благодаря такому включению диодов, конденсатор заряжается через одну часть переменного резистора, а разряжается через другую.

В момент включения питания на выводе OUT низкий логический уровень, тогда на выводах THRES и TRIG, благодаря диоду VD2, тоже будет низкий уровень. Верхний компаратор переключит выход в ноль, а нижний – в единицу. На выходе триггера установится нулевой уровень (потому что у него инвертор на выходе), транзисторный ключ закроется, а на выводе OUT установиться высокий уровень (потому что у него не инвертор на входе). Далее конденсатор С3 начнет заряжаться через диод VD1. Когда она зарядится до определенного уровня, нижний компаратор переключится в ноль, а затем верхний компаратор переключит выход в единицу. На выходе триггера установится единичный уровень, транзисторный ключ откроется, а на выводе OUT установится низкий уровень. Конденсатор C3 начнет разряжаться через диод VD2, до тех пор, пока полностью не разрядится и компараторы не переключат триггер в другое состояние. Далее цикл будет повторяться [4].

Приблизительную частоту ШИМ сигнала, формируемого этой схемой, можно рассчитать по следующей формуле:

F = 1.44/(R1*C1), [Гц],

где R1 в омах, C1 в фарадах.

При номиналах, указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:

F = 1.44/(50000*0.0000001) = 288 Гц.

2.4 ШИМ регулятор оборотов электровентилятора

Объединив две представленные выше схемы (рис.2,3), получим простую схему регулятора оборотов двигателя постоянного тока, которую можно применить для управления оборотами двигателя вентилятора.

Рис.4. ШИМ регулятор оборотов двигателя постоянного тока.

VT1 - полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. В данном случае, в соответствии с выбранным электровентилятором РСС1-2,5/10, это транзистор IRF710. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2=220В.

Заключение

Была разработана электрическая принципиальная схема блока питания электровентилятора. Разработка блока питания вентилятора будет продолжаться в рамках бакалаврской работы. Планируется разработка конструкции блока питания, проектирование 3D модели моноблока, состоящего из платы управления и самого электровентилятора, а также проведение частотного анализа конструкции.

Список литературы

Электровентиляторы постоянного тока РСС1 на базе коллекторных электродвигателей (http://mpo.tomsk.ru/files/Polus/elektroventilyatory.pdf). Дата обращения: 12.12.2018г.

Забродин Ю.С., Промышленная электроника: учебник для вузов. - М.: Высш. Школа, 1982. – 496с., ил.

Шило. Л. В. Популярные цифровые микросхемы.: Справочник, - М. : радио и связь, 1989. - 352 с.

Трейстер Р. Радиолюбительские схемы на ИС типа 555: Пер. с англ. -М.: Мир, 1988. -263 с. , ил.

Код для цитирования: Скопировать