Когда в бытовом устройстве на основе электродвигателя выходит из строя его "сердце", т. е. электродвигатель, возникает известная проблема - что делать: попытаться отремонтировать вышедший из строя мотор, заменить его таким же новым или, если в хозяйстве имеется другой более или менее подходящий двигатель, попробовать приспособить его вместо штатного? Но новый электродвигатель, скорее всего, обойдётся недёшево (сервисные службы, специализирующиеся на продаже подобных запчастей, запросят столько, что дешевле будет купить новое устройство)... Ремонтировать электродвигатель в домашних условиях под силу далеко не каждому (конечно, здесь многое зависит и от того, что именно в нём вышло из строя). Когда такая проблема встала перед автором статьи, он выбрал третий путь, заменив вышедшие из строя "родные " двигатели в сломавшихся газонокосилках оказавшимися под рукой. И получилось неплохо.
В домашнем хозяйстве пришли в негодность две купленные в разное время газонокосилки фирмы BOSCH - Rotak 32 и Rotak 34. Разница между ними в ширине захвата или длине ножа - 320 и 340 мм. Во второй газонокосилке фирмой применён более мощный электродвигатель, чем в первой. Но "заболели" обе газонокосилки одной болезнью: и там, и там из-за ненадёжности пластмассового основания подшипников ротора вышел из строя электродвигатель. В первой разлетелось на куски крепление верхнего подшипника и ротор заклинило. Во второй от нагрева двигателя расплавилось основание нижнего подшипника. Ротор осел, его обмотки протёрлись и произошло внутреннее замыкание. После недолгих раздумий решено было двигатели заменить, тем более, как оказалось, было на что...
На полках в гараже завалялся трёхфазный асинхронный электродвигатель подходящих размеров c тремя выводами для подсоединения к сети 220 В. На шильдике удалось прочитать только частоту вращения его вала - 2870 об/мин.
Рис. 1
Первое включение электродвигателя по конденсаторной схеме (рис. 1) со случайным конденсатором на номинальное напряжение 600 В позволило измерить ток в фазном проводе. Он получился равным 1,15 А. По эмпирической формуле С = 4800I/U (где С - ёмкость конденсатора в микрофарадах;
I - ток в амперах; U - напряжение в вольтах) произведён расчёт ёмкости конденсатора для работы двигателя в сети переменного напряжения 220 В:
С = 4800x1,15/220 = 25 мкФ.
Для надёжного пуска двигателя под нагрузкой необходимо добавлять параллельно рабочему конденсатору дополнительный ёмкостью вдвое большей. То есть в данном случае при пуске необходим конденсатор ёмкостью 75 мкФ. После разгона двигателя конденсатор ёмкостью 50 мкФ необходимо отключать специальным выключателем или цепью автоматического управления. Поскольку газонокосилка работает в режиме прерывистой нагрузки (каждый раз разгоняясь после кочек) и чтобы не усложнять схему, автор применил конденсатор усреднённой ёмкости (50 мкФ на450 В), подключённый постоянно.
Вставить электродвигатель в корпус газонокосилки Rotak 32 не составило большого труда. Обломком ножовочного полотна в корпусе вырезаны излишки пластмассовых наплывов крепления прежнего двигателя и с соблюдением соосности заводской установки ножа и вала смонтирован асинхронный двигатель взамен штатного с ременной передачей. Установлены две дополнительные шпильки крепления нового двигателя. Монтаж на этом закончился.
Точно в центре вала электродвигателя просверлено отверстие и нарезана внутренняя резьба под болт крепления фирменного ножа - М8 глубиной 25 мм. Если используется старый нож, его желательно отбалансировать, срезая "болгаркой" излишки металла. Это поможет сохранить подшипники ротора на долгое время работы.
При установке ножа надо учесть, что он работает ещё и как вентилятор для отбрасывания срезанной травы, т. е. устанавливается на валу только определённой стороной и должен вращаться в нужном направлении. Направление вращения ножа можно изменить, поменяв местами провода электродвигателя, идущие к конденсатору C1 и фазному проводу сети (в нём установлен выключатель SA1).
Новый двигатель вместе с конденсатором (импортный фирмы Last One) удачно поместились в старом корпусе. Внешний вид газонокосилки не изменился, а надёжность повысилась многократно. У асинхронного двигателя мягкий пуск, при полной остановке, к примеру, на сучке, он не перегревается. Переделанная газонокосилка стала работать намного тише и уверенно срезает траву высотой до 20 см.
Рис. 2
Для "реанимации" второй газонокосилки применён универсальный коллекторный двигатель (УКД, рис. 2) от импортной стиральной машины, у которой грозой сожгло всю электронику управления. Универсальными такие двигатели называют потому, что они могут работать как от переменного, так и от постоянного напряжения от 90 до 220 В.
Судя по сообщениям на разных электротехнических форумах, само-дельщиков пугает большое (от 6 до 10) число проводов, выходящих из такого двигателя на соединительную колодку. Попробуем разобраться, для чего они предназначены... В первую очередь визуально определяем провода тахогенератора. Напомню читателям, что тахогенератор - это электрическая машина, преобразующая угловую скорость вращения вала двигателя в пропорциональное ей электрическое напряжение. На выходе тахогенератора оно линейно зависит от частоты вращения вала. Тахогенератор смонтирован на валу УКД с противоположной от шкива стороны и имеет отдельные выводы. Итак, два вывода мы определили. В некоторых моделях УКД вместо тахогенератора применён датчик Холла с тремя выводами.
Далее находим два вывода от ротора. Это тоже нетрудно сделать, так как они соединены со щёточными узлами. Отдельные выводы от статора и ротора двигателя до платы управления в стиральных машинах необходимы для организации реверса направления вращения с помощью реле.
Остаётся найти выводы обмоток статора. Их (выводов) может быть три, четыре или пять. Следует сразу убедиться (с помощью омметра) в отсутствии замыканий обмотки статора на корпус. Двигатель с таким дефектом без перемотки обмоток эксплуатации не подлежит.
Нечётное число выводов обмоток статора говорит о том, что есть вывод от середины обмотки (иногда его используют в системе управления двигателем для быстрого разгона при отжиме белья).
Если из статора выходит четыре провода - это две половины его обмотки. Их надо сразу соединить последовательно, т. е. вывод начала одной половины подключить к выводу конца другой (они хорошо различимы, поэтому эта операция затруднений не вызовет). Эти выводы в некоторых моделях стиральных машин используются для подключения теплозащиты двигателя на плате управления.
У автора двигатель имел семь выводов: два - от ротора, три - от статора и два - от тахогенератора (теплозащита была смонтирована внутри двигателя). Средний вывод статора сразу же был тщательно изолирован.
Для проверки работоспособности УКД достаточно соединить выводы статора и ротора последовательно и подключить к сети 220 В. Настоятельно рекомендую при первом подключении к сети надёжно закрепить двигатель в тисках и напряжение подавать через ТЭН (трубчатый электронагреватель) мощностью 1 кВт. В момент пуска крутящий момент ротора двигателя, подключённого без системы управления
напрямую к сети 220 В, настолько велик, что удержать его руками удаётся с большим трудом. ТЭН необходим ещё и для определения наличия короткозамкнутых витков (он в этом случае быстро нагревается). Это тоже надо учитывать при экспериментах с УКД, чтобы избежать пожара.
При таком упрощённом подключении УКД мгновенно разгоняется до максимальной частоты вращения (до 15000 мин-1) и потребляет максимум электроэнергии. Двигатель быстро нагревается, интенсивно выгорают щётки и может произойти пробой изоляции как статора, так и ротора. Вывод напрашивается сам собой: так эксплуатировать УКД в газонокосилке нельзя, надо ограничить напряжение питания.
Автор пробовал питать двигатель однополупериодным напряжением (через мощный диод ДЛ122-40-15). Но и в таком варианте, практически при половинном напряжении сети, через некоторое время срабатывала теплозащита УКД.
Рис. 3
Экспериментально было установлено, что тахогенератор при максимальной частоте вращения вала УКД вырабатывает импульсное напряжение с амплитудой до 15 В. Этим фактом решено было воспользоваться для управления симистором, ограничивающим напряжение на обмотке статора двигателя. Был разработан стабилизатор частоты вращения УКД (рис. 3). Работает он так. Импульсы тахогенератора выпрямляются диодом VD1 и выделяются на нагрузке - подстроечном резисторе R1. Снимаемая с его движка часть этого импульсного напряжения через резистор R2 заряжает конденсатор С1. В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт и не влияет на работу транзистора VT2, который открыт базовым током, определяемым сопротивлением резисторов R3 и R4. Через резистор r5 и открытый транзистор VT2 стабилизированное микросхемой DA1 напряжение 5 В подаётся на излучающий диод оптрона U1. В результате его тиристор включается и через выводы 1 и 4 замыкает мост VD2 в цепи управления силовым симистором VS1. Открываясь, симистор подаёт напряжение питания на нагрузку - электродвигатель M1 и его вал начинают вращаться. По мере увеличения частоты вращения растёт частота импульсов тахогенератора и, следовательно, напряжение на конденсаторе С1. В какой-то момент оно повышается настолько, что транзистор VT1 открывается, закрывая VT2, и напряжение на излучающий диод оптрона перестаёт поступать. Поэтому тиристор оптрона закрывается, и сопротивление моста VD2 переменному току возрастает настолько, что тока через управляющий электрод симистора становится недостаточно для удержания его в открытом состоянии. Симистор закрывается и отключает УКД от сети.
Теперь частота вращения двигателя падает, следовательно, и напряжение на подстроечном резисторе R1 уменьшается. Конденсатор С1 успевает разрядиться через резистор R2 и нижнее (по схеме) плечо подстроечного резистора R1. Транзистор VT1 вновь закрывается, и процесс открывания симисто-ра VS1 повторяется.
От положения движка подстроечного резистора R1 зависит длительность нахождения транзистора VT1 в закрытом состоянии и продолжительность включения УКД в сеть 220 В, а значит, и частота его вращения. Поскольку с увеличением нагрузки на валу частота импульсов тахогенератора понижается, время пребывания симистора во включённом состоянии увеличивается и частота вращения возвращается к прежнему значению.
Симистор VS1 работает на индуктивную нагрузку большой мощности. Для его защиты введена так называемая снабберная (от английского слова "snubber" - демпфер, амортизатор) RC-цепь R7R8C2, которая ограничивает скорость нарастания напряжения на закрывающемся симисторе, уменьшает всплески напряжения, вызванные помехами в сети, и исключает повторные или ложные срабатывания симистора (резисторы R7 и R8 включены параллельно для повышения надёжности цепи). Параметры этой цепи не критичны, однако желательно, чтобы сопротивление резисторов было меньше комплексного сопротивления нагрузки, но достаточно, чтобы ограничить ток разрядки конденсатора. Его ёмкость может быть в пределах 0,01-0,22 мкФ, а номинальное напряжение - не менее 450 В.
Силовая цепь отделена от цепи управления УКД трансформатором T1 и тиристорным оптроном U2. Трансформатор использован малогабаритный от сетевого блока питания старого калькулятора. Цепь управления питается через маломощный выпрямительный мост VD3 и интегральный стабилизатор напряжения DA1, поэтому срабатывание тиристора оптрона не зависит от перепадов сетевого напряжения и связано только со степенью зарядки/разрядки конденсатора С1. Конденсаторы С3 и С4 сглаживают пульсации выпрямленного мостом VD3 напряжения.
Симистор VS1 - импортный BT137-600Е. Его максимальное напряжение в закрытом состоянии - 600 В, ток коммутации - 8 А. Симистор работает в импульсном режиме, поэтому не требует особых мер для охлаждения. Он смонтирован на плате с помощью отрезка алюминиевого П-образного профиля 25x25 мм толщиной 2 мм, который служит и теплоотводом, и элементом крепления симистора.
К остальным деталям особых требований не предъявляется. Постоянные резисторы - МЛТ 0,25, подстроечный - СП4-1. Диодные мосты VD2 и VD3 можно заменить собранными из отдельных выпрямительных диодов, например 1N4007. Транзисторы - любые кремниевые маломощные структуры n-p-n. На обеих схемах выключатель SA1 - штатный выключатель газонокосилки.
Печатная плата стабилизатора не разрабатывалась. Все его детали, включая понижающий трансформатор T1 и симистор с теплоотводом-кронштейном, размещены на пластине из стеклотекстолита размерами 65x55 мм. Соединения выполнены выводами деталей и жёстким одножильным монтажным проводом. Смонтированная плата помещена в пластмассовую коробку подходящих размеров. Для естественной вентиляции в её крышке, напротив симистора, просверлены два десятка отверстий диаметром 2,5 мм.
Собранное из исправных деталей и без ошибок в монтаже устройство налаживания не требует, однако возможно, что для надёжного срабатывания симистора надо будет подобрать резистор R6.
После установки УКД в корпусе газонокосилки по способу, описанному выше для асинхронного двигателя, надо убедиться, что он надёжно закреплён и при включении не будет "прыгать" по корпусу. Особое внимание необходимо уделить соосности вала УКД и ножа газонокосилки.
Перед первым включением стабилизатора частоты вращения УКД движок резистора R1 следует установить в верхнее (по схеме) положение, затем подключить устройство к сети и поворотом движка установить необходимую частоту вращения вала двигателя.
Определить точно без специальных приборов интервал регулирования частоты вращения вала сложно. Но на глаз было видно, что в нижнем (по схеме) положении движка резистора R1 частота вращения максимальна, а в крайнем верхнем падает до нуля, принимая пульсирующий характер.
Направление вращения ножа устанавливают изменением полярности подключения выводов обмотки статора.
Электродвигатели от бытовой техники не защищены со стороны шкива от влаги. Автор перед установкой двигателей в корпус надел на каждый из них половинку футбольной камеры. Это позволило защитить двигатели от росы на траве.
УКД со встроенным тахогенератором и предложенным стабилизатором частоты вращения может найти применение не только в газонокосилке. Очень удобно на этой базе сделать настольный сверлильный станок. Достаточно вал на месте посадки шкива расточить под конус зажимного патрона и сделать станину с направляющими для вертикального перемещения УКД. Вместо подстроечного резистора R1 в этом случае устанавливают галетный переключатель с набором резисторов, включённых по схеме потенциометра. Подбором этих резисторов можно установить любую желаемую частоту вращения сверла для каждого положения галетного переключателя.
Автор: В. Марков, с. Новые Мартыновичи Полтавской обл., Украина