Steuerung eines 240-V-Wechselstrom-Universalmotors mit Mikrocontroller, Optoisolator und TRIAC

Question

Steuerung eines 240-V-Wechselstrom-Universalmotors mit Mikrocontroller, Optoisolator und TRIAC

Motor
Triac
Arduino
Physik
Opto-Isolator
Mikrocontroller

HerrMongoloid

Ich habe einen alten Waschmaschinenmotor (universal), der herumliegt und den ich gerne beschleunigen möchte. Ich bin neu in fast allen oben genannten Komponenten, aber hier ist, was ich derzeit verwende:

Mikrocontroller: Arduino Nano
Optoisolator: MOC3041
TRIAC: 2N6071AB (Ersetzen? Denken Sie an BTA24-600B)
Universalmotor: UOZ 112 G 55

Nach langer Suche bin ich auf diese Schaltung gestoßen:

Zuerst habe ich versucht, den TRIAC (2N6073AB) an 240 VAC anzuschließen. Es zersprang nach etwa 5 Sekunden in zwei Teile. Es sagt, dass es für 400 VAC gedacht ist, also bin ich etwas verwirrt. Ich hatte zwar keinen Kühlkörper angeschlossen, aber trotzdem. Kann sich jemand dieses Verhalten erklären?

So habe ich den TRAIC testweise angeschlossen:

schematisch

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Für die obige Schaltung habe ich 1/4 Watt Widerstände gekauft. Ich kann nicht verstehen, wie sie mit 240 VAC umgehen können, scheint mir wirklich seltsam. Vielleicht können sie es nicht. Wie der Kondensator in Reihe mit dem 39-Ohm-Widerstand. Wie ist das überhaupt möglich?

Welche Rolle spielt der 330-Ohm-Widerstand, warum wird dieser benötigt? Es heißt auch: "Ändern Sie diesen Wert für hochinduktive Lasten auf 360 Ohm." Welcher Wert? Ist es der 39 Ohm Widerstand? Warum ändern, liegt es am hohen Anlaufstrom für Motoren?

Woher kommt dieser Wert für den 0,01-Mikrofarad-Kondensator? Nach dem, was ich leise gelesen habe, soll die Snubber-Schaltung die durch den Motor verursachte Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom verhindern, oder? Reichen diese Kondensatoren aus: blaue Keramikscheibenkondensatoren 1 kV 1000 V 103 PF 0,01 uF?

Ich habe einige PDFs über Thyristoren (einschließlich TRIACs) gelesen und es hieß:

„Der Ausgang der meisten Mikrocomputer-Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (E/A) ist ein TTL-Signal, das mehrere TTL-Gatter ansteuern kann. Dies reicht nicht aus, um einen Nulldurchgangs-TRIAC-Treiber anzusteuern.“

Ich denke, das ist bei Arduino Nano nicht der Fall, da es ein PWM-Signal verwendet. Brauche ich noch das NAND-Gatter? Wenn jemand erklären möchte, warum der Nulldurchgangs-TRIAC-Treiber bestimmte Signale nicht akzeptiert, wäre ich dankbar.

Transistor

Geben Sie die Motordetails in die Frage ein (anstatt sie in den Kommentaren zu verteilen), damit alle relevanten Informationen vorhanden sind. +1 für eine sehr gut geschriebene erste Frage.

user_1818839

Die Steuerung eines Universalmotors auf diese Weise wird nicht ganz das tun, was Sie erwarten. Sie müssen die Feld- und Rotorwicklungen trennen und die Feldwicklung an die volle Versorgungsspannung angeschlossen halten (vorausgesetzt, es handelt sich um eine Nebenschlusswicklung). Andernfalls heben sich Beschleunigung (durch Feldreduzierung) und Verlangsamung (durch Rotorspannungsreduzierung) auf.

Benutzer80875

@Brian Drummond Universalmotoren sind per Definition in Reihe gewickelt.

Benutzer80875

Bist du sicher, dass der Motor ein Universalmotor ist?

HerrMongoloid

@Brian Drummond, sehr interessant. Deinen Vorschlag muss ich mir mal genauer anschauen. Sie meinen also, es wird überhaupt nicht funktionieren oder sich nur auf sehr unvorhersehbare Weise verhalten?

HerrMongoloid

@ Charles Cowie, ich bin mir nicht sicher, aber ich denke schon. Es hat Bürsten ect. Es ist kein Induktionsmotor, aber was könnte es sonst sein?

Benutzer80875

Wenn es einen Kommutator und Bürsten hat, ist es ein Universalmotor. Ich habe online ein paar Informationen gefunden, die zu bestätigen scheinen, dass es sich um einen Universalmotor handelt. Ich denke, der Motor sollte mit dem vorgeschlagenen Steuerschema gut funktionieren. Brian Drummond warnte nur vor nebenschlussgeschalteten Motoren, da ein Universalmotor in Reihe gewickelt ist, trifft das, was er sagte, nicht zu. Wenn es ein Nebenschluss wäre, würde es mit Wechselstrom überhaupt nicht funktionieren.

HerrMongoloid

Okay, danke, dass du das geklärt hast. Ich kann hinzufügen, dass ich den Motor direkt an der 240-VAC-Stromversorgung ausprobiert habe und es scheint gut zu funktionieren. Auch die Drehzahl stieg mit der Zeit immer weiter an.

Benutzer80875

Universalmotoren sind sehr belastungsempfindlich. Wenn Sie einen aus einer Maschine nehmen und ihn ohne irgendetwas an der Welle betreiben, läuft er sehr schnell. Die Geschwindigkeit wird nur durch die Reibung der Bürsten und Lager sowie den Luftwiderstand an den beweglichen Teilen begrenzt. Es ist möglich, dass das Erhitzen der Luft und des Schmiermittels die Last so weit reduziert, dass der Motor mit der Zeit schneller wird.

user_1818839

@CharlesCowie "Wenn es eine Nebenschlusswicklung wäre, würde es mit Wechselstrom überhaupt nicht funktionieren", was hindert es daran, mit Wechselstrom zu arbeiten? Sowohl Rotor als auch Feld kehren die Polarität gleichzeitig um, genau wie in der Serienform. Ist es die Phasenverschiebung, da die Feldwicklung fast rein induktiv ist?

Benutzer80875

Ich glaube, das R / L müsste sehr unterschiedlich sein, da Anker und Feld so ausgelegt sein müssten, dass sie mit derselben Spannung arbeiten, aber sehr unterschiedliche Ströme ziehen. Außerdem steuert die Gegen-EMK den Ankerstrom. Diese beiden Dinge würden eine Phasendifferenz zwischen Anker und Feld verursachen. Bei einem Reihenmotor gibt es nur einen Strompfad und somit keine Phasenverschiebung.

user_1818839

@CharlesCowie Danke! Ich habe das so gelesen, dass Shunt möglicherweise funktioniert, aber wahrscheinlich ineffizient ist, während Serie dank eines Strompfads nur viel einfacher richtig zu machen ist. Und das macht Serie zur allgemein gültigen Strategie.

Antworten (1)

Steuerung eines 240-V-Wechselstrom-Universalmotors mit Mikrocontroller, Optoisolator und TRIAC

Geben Sie die Motordetails in die Frage ein (anstatt sie in den Kommentaren zu verteilen), damit alle relevanten Informationen vorhanden sind. +1 für eine sehr gut geschriebene erste Frage.
Die Steuerung eines Universalmotors auf diese Weise wird nicht ganz das tun, was Sie erwarten. Sie müssen die Feld- und Rotorwicklungen trennen und die Feldwicklung an die volle Versorgungsspannung angeschlossen halten (vorausgesetzt, es handelt sich um eine Nebenschlusswicklung). Andernfalls heben sich Beschleunigung (durch Feldreduzierung) und Verlangsamung (durch Rotorspannungsreduzierung) auf.
@Brian Drummond Universalmotoren sind per Definition in Reihe gewickelt.
@Brian Drummond, sehr interessant. Deinen Vorschlag muss ich mir mal genauer anschauen. Sie meinen also, es wird überhaupt nicht funktionieren oder sich nur auf sehr unvorhersehbare Weise verhalten?
@ Charles Cowie, ich bin mir nicht sicher, aber ich denke schon. Es hat Bürsten ect. Es ist kein Induktionsmotor, aber was könnte es sonst sein?
Wenn es einen Kommutator und Bürsten hat, ist es ein Universalmotor. Ich habe online ein paar Informationen gefunden, die zu bestätigen scheinen, dass es sich um einen Universalmotor handelt. Ich denke, der Motor sollte mit dem vorgeschlagenen Steuerschema gut funktionieren. Brian Drummond warnte nur vor nebenschlussgeschalteten Motoren, da ein Universalmotor in Reihe gewickelt ist, trifft das, was er sagte, nicht zu. Wenn es ein Nebenschluss wäre, würde es mit Wechselstrom überhaupt nicht funktionieren.
Okay, danke, dass du das geklärt hast. Ich kann hinzufügen, dass ich den Motor direkt an der 240-VAC-Stromversorgung ausprobiert habe und es scheint gut zu funktionieren. Auch die Drehzahl stieg mit der Zeit immer weiter an.
Universalmotoren sind sehr belastungsempfindlich. Wenn Sie einen aus einer Maschine nehmen und ihn ohne irgendetwas an der Welle betreiben, läuft er sehr schnell. Die Geschwindigkeit wird nur durch die Reibung der Bürsten und Lager sowie den Luftwiderstand an den beweglichen Teilen begrenzt. Es ist möglich, dass das Erhitzen der Luft und des Schmiermittels die Last so weit reduziert, dass der Motor mit der Zeit schneller wird.
@CharlesCowie "Wenn es eine Nebenschlusswicklung wäre, würde es mit Wechselstrom überhaupt nicht funktionieren", was hindert es daran, mit Wechselstrom zu arbeiten? Sowohl Rotor als auch Feld kehren die Polarität gleichzeitig um, genau wie in der Serienform. Ist es die Phasenverschiebung, da die Feldwicklung fast rein induktiv ist?
Ich glaube, das R / L müsste sehr unterschiedlich sein, da Anker und Feld so ausgelegt sein müssten, dass sie mit derselben Spannung arbeiten, aber sehr unterschiedliche Ströme ziehen. Außerdem steuert die Gegen-EMK den Ankerstrom. Diese beiden Dinge würden eine Phasendifferenz zwischen Anker und Feld verursachen. Bei einem Reihenmotor gibt es nur einen Strompfad und somit keine Phasenverschiebung.
@CharlesCowie Danke! Ich habe das so gelesen, dass Shunt möglicherweise funktioniert, aber wahrscheinlich ineffizient ist, während Serie dank eines Strompfads nur viel einfacher richtig zu machen ist. Und das macht Serie zur allgemein gültigen Strategie.

Transistor · Answer 1

Also erstmal; Ich habe versucht, den TRIAC (2N6073AB) an 240 VAC anzuschließen, er zerfiel nach etwa 5 Sekunden in zwei Teile.

Ohne einen Schaltplan Ihrer Verkabelung können wir das nicht sagen. Es hört sich so an, als ob Sie es falsch verdrahtet oder auf einen Kurzschluss zwischen Netz und Neutral geschaltet hätten. Es gibt eine schematische Schaltfläche in der Editor-Symbolleiste, wenn Sie Ihre Frage aktualisieren möchten.

Für die obige Schaltung habe ich 1/4-Watt-Widerstände gekauft, und ich kann nicht verstehen, wie sie mit 240 VAC umgehen können, scheint mir wirklich seltsam. Oder können sie es vielleicht nicht? Wie ist das überhaupt möglich, wie der Kondensator in Reihe mit dem 39-Ohm-Widerstand?

Abbildung 1. Kohleschichtwiderstand mit freiliegender Kohlespirale (Tesla TR-212 1 kΩ). Quelle: Wikipedia Widerstand .

Bei der Verwendung von Widerständen sind drei Hauptspezifikationen zu beachten:

Der Widerstandswert. Das ist offensichtlich.
Die Nennspannung. In Abbildung 1 sehen wir eine spiralförmige Widerstandsbahn um einen Keramikkern. Die Bahn ist im abgewickelten Zustand wahrscheinlich etwa 20 bis 25 mm lang. Oberhalb einer bestimmten Spannung tritt am Widerstand ein elektrischer Durchbruch auf - möglicherweise springt er zwischen den Windungen der Spirale. Typischerweise sind sie gut bis 200 bis 250 V, aber die Netzspannung kann Spitzenwerte erreichen $\sqrt {2} V_{RMS}$ Wenn wir sie also an 230-V-Netzen verwenden, verwenden wir im Allgemeinen zwei in Reihe.
Die Verlustleistung muss unter der Nennleistung des Widerstands gehalten werden. Dies kann mit überprüft werden $P = \frac {V^2}{R}$ oder $P = I^2R$ .

Es kann hilfreich sein, Kondensatoren als zwei Folienschichten zu betrachten, die durch einen Isolierfilm getrennt sind. Alles, was erforderlich ist, ist, die Isolationsschicht dick genug zu machen, um der angelegten Spannung standzuhalten.

Welche Rolle spielt der 330-Ohm-Widerstand, warum wird dieser benötigt? Und es heißt auch "ändern Sie diesen Wert für hochinduktive Lasten auf 360 Ohm", welcher Wert? Ist es der 39 Ohm Widerstand? Und warum ändern, wegen des hohen Anlaufstroms für Motoren?

Es gibt drei Widerstände in Ihrer Schaltung.

Die Kondensatoren mit 39 Ω und 0,01 µF bilden einen Dämpfer, der den Triac vor plötzlichen Spannungsänderungen schützt. Sie müssen sich darüber keine großen Gedanken machen, aber siehe Littlefuse Phasensteuerung mit Thyristoren für weitere Informationen.
Die Wahl des 360-Ω-Widerstands wird in meiner Antwort auf Wie wird der Wert des Gate-Trigger-Widerstands für einen Triac berechnet? behandelt .
Der 330-Ω-Widerstand stellt einen neutralen Rückweg für den Nulldurchgangsdetektor bereit. Es wird in meiner Antwort auf Verwenden von Wechselstrom zum Auslösen von Triac erklärt .

Woher kommt dieser Wert für den 0,01-MikroFarrad-Kondensator? Und nach dem, was ich leise gelesen habe, soll die Snubber-Schaltung die durch den Motor verursachte Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom verhindern, oder? Reichen diese Kondensatoren aus: Blaue Keramikscheibenkondensatoren 1 kV 1000 V 103 PF 0,01 uF?

Oben abgedeckt. Ich weiß nicht, was 103PF bedeutet. Der Littlefuse-Artikel sollte Ihnen dazu genügend Details geben.

„Der Ausgang der meisten Mikrocomputer-Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (E/A) ist ein TTL-Signal, das mehrere TTL-Gatter ansteuern kann. Dies reicht nicht aus, um einen Nulldurchgangs-TRIAC-Treiber anzusteuern.“

Sie zitieren dafür keine Quelle, aber es sieht etwas veraltet aus. Die meisten Mikros können jetzt 20 mA schalten, was für eine Opto-Isolator-LED ausreichend ist.

Ich denke, das ist bei Arduino Nano nicht der Fall, da es ein PWM-Signal verwendet? Oder brauche ich noch das NAND-Gatter? Und wenn jemand erklären möchte, warum der Nulldurchgangs-TRIAC-Treiber bestimmte Signale nicht akzeptiert, wäre ich dankbar.

PWM wird nicht mit Triac-Steuerschaltungen verwendet. Dies wird in meiner Antwort auf Aktivieren von SSR für einen Wechselstrommotor über PWM-Eingang erklärt .

Weiterlesen:

Das 240-seitige Thyristor Theory and Design Considerations Handbook von ON Semiconductor bietet einen sehr detaillierten Einblick in das Thema, ist aber ziemlich lesbar, wenn Sie einen Aspekt von Interesse auswählen.

Danke für deine ausführliche Antwort. Es war sehr hilfreich, aber ich hatte noch keine Zeit, es mir genauer anzusehen, aber ich werde es sicher tun! "Es hört sich so an, als ob Sie es falsch verdrahtet oder auf einen Kurzschluss zwischen Netz und Neutral geschaltet haben." - Nun, ich hatte Angst, den MOC3041 und den Mikrocontroller zu beschädigen, also wollte ich zuerst den TRIAC testen. Aber hier ist, wie ich es angeschlossen habe: i.stack.imgur.com/UWvPV.png
Ich möchte auch hinzufügen, dass ich auch für all Ihre Links wirklich dankbar bin, ich werde sie auf jeden Fall lesen. Da ich es ziemlich schwierig fand, selbst gute Lektüre zu finden.
Die Verbindung sieht in Ordnung aus, aber es wird keine Triggerschaltung angezeigt. Übrigens gibt es eine Schaltplan-Schaltfläche in der Editor-Symbolleiste, die bearbeitbare Schaltpläne in Ihren Beitrag einbettet.
"(...) aber es wird keine Triggerschaltung angezeigt", so weit bin ich mit meinen Experimenten nicht gekommen, aber ich wollte die Schaltung verwenden, die ich in meinem Thema kurz erwähnt habe: imgur.com/d9nEwLQ . Ohne die Snubber-Schaltung, da ich dachte, das sei nicht so wichtig. Sag Bescheid, wenn ich dich falsch verstanden habe.
Laut dem von mir verwendeten Datenblatt gab es keinen Fehler in meiner Verbindung.
„Normalerweise sind sie für 200 bis 250 V geeignet, aber die Netzspannung kann Spitzenwerte von 2√VRMS erreichen. Wenn wir sie also an einem 230-V-Netz verwenden, verwenden wir im Allgemeinen zwei in Reihe.“ - Warum sind die Widerstände dadurch besser geeignet, der Hochspannung standzuhalten?
$230 \sqrt {2} = 325~V$ und das ist zu viel für einen Widerstand. Wenn wir zwei Widerstände in Reihe verwenden, jeder mit der Hälfte des gewünschten Werts, dann hat jeder nur 325/2 V = 162 V über jeden und das ist sicher.
Ja, natürlich. Ich war albern ... Ich denke, ich könnte auch zwei Widerstände parallel schalten, um die in jedem Widerstand erzeugte Wattmenge zu verringern.
Nein, nicht parallel. Das würde die volle Spannung über beide geben. In Reihe schalten, um die Spannung (und Leistung) jeweils auf die Hälfte zu reduzieren.
Hmm, wird der Strom nicht um 50% reduziert, wenn ich sie parallel schalte, da ich auch den Widerstandswert in jedem Widerstand verdoppeln muss? Aber ja, ich kann sehen, dass die Reihenschaltung auch die Leistung verringert.
Ich habe auch eine Ihrer Antworten gelesen, in der Sie von "Ein-Aus-Wechselstrom-Zeitsteuerung" und "Phasenanschnittsteuerung" gesprochen haben. Und um ehrlich zu sein, wollte ich die "Ein-Aus-AC-Zeitsteuerung". Aber da Sie Ihren Standpunkt zu Motorsteuerungsanwendungen angesprochen haben, könnte ich mich auch für die "Phasenanschnittsteuerung" entscheiden. Ich habe in letzter Zeit etwas über Phasenanschnittsteuerung gelesen, und wenn ich mich nicht irre, brauche ich eine Möglichkeit, die Nulldurchgangsspannung mit dem Mikrocontroller zu messen. Könnte ich dazu diese sehr einfache Schaltung verwenden: imgur.com/a/VK4AB ? In jedem Fall würde ich gerne Ihre Meinung hören.
(1) " ... wird der Strom nicht um 50% reduziert, wenn ich sie parallel schalte? " Ja, aber sie bekommen jeweils die volle Spannung . Wenn das innerhalb der Spezifikation des Widerstands liegt, ist das in Ordnung. (2) Auf dieser Seite finden Sie viele Fragen zur Nulldurchgangserkennung. Der ist fast ok. Die Spitzenspannung daraus wird sein $\sqrt {2}$ mal die Transformatorspannung, so dass Sie den Eingang des Mikrocontrollers schützen müssen.
Okay, eine letzte kurze Frage: Verhindert ein Optokoppler mit Nulldurchgangsschaltung (wie MOC3041) die Phasenanschnittsteuerung? Nach meinem Verständnis scheint es so.
Ja. Das wurde in den verlinkten Antworten ausführlich erklärt.