Плавный запуск двигателя постоянного тока схема. Плавный пуск двигателя постоянного тока с использованием таймеров. Способы пуска двигателя постоянного тока
Осложнен возникающими при пуске большими значениями пусковых токов и моментов. Но в отличие от асинхронных двигателей, в ДПТ пусковые токи превышают номинальные в 10-40 раз. Такое громадное превышение может привести к выводу двигателя из строя, повреждению связанных с двигателем механизмов и большим просадкам напряжения в сети, что может сказаться на других потребителях. Поэтому пусковые токи стараются ограничить до значений (1,5…2) Iн.
Для маломощных двигателей (до 1 кВт) при условии отсутствия нагрузки на валу, можно применить прямой пуск, то есть непосредственно от сети. Это связано с тем что масса движущихся частей двигателя не велика, а сопротивление обмотки относительно большое. При прямом пуске таких двигателей пусковые токи не превышают значений (3…5) Iн, что для таких двигателей не критично.
Когда двигатель работает при постоянном напряжении и сопротивлении обмотки якоря, ток в якоре можно найти с помощью формулы
В этой формуле U – напряжение питающей сети, Епр – противоЭДС, ∑r – сопротивление обмоток якоря. ПротивоЭДС Епр возникает при вращении якоря в магнитном поле статора, при этом в двигателе, она направлена против якоря. Но когда якорь не движется, Епр не возникает, а значит, выражение для тока примет следующий вид
Это и есть выражение для определения пускового тока.
Глядя на формулу можно прийти к выводу, что снижения пускового тока возможно либо снижением напряжения, либо увеличением сопротивления якорной обмотки.
Пуск двигателя снижением напряжения применяется, если питание двигателя организовано от независимого источника энергии, который можно регулировать. На практике такой пуск используется для двигателей средней и большой мощности.
Мы рассмотрим более подробно способ пуска двигателя постоянного тока с помощью введения дополнительного сопротивления в цепь якоря. При этом пусковой ток будет равен
Таким образом, можно добиться величины пускового тока, в нужном диапазоне, безопасном для двигателя. Добавочное сопротивление может быть как в виде реостата, так и в виде нескольких резисторов. Это нужно для того, чтобы в процессе запуска двигателя, менять сопротивление в якорной цепи.
Следует знать, что с дополнительным сопротивлением в обмотке якоря двигатель работает не на естественной, а на более мягкой искусственной характеристике, которая не подходит для нормальной работы двигателя.
Пуск двигателя осуществляется в несколько ступеней. После некоторого разгона двигателя, Епр ограничит ток, а следовательно пусковой момент, чтобы поддержать его на прежнем уровне, нужно уменьшить сопротивление, то есть переключить реостат или шунтировать резистор.
Допустим, что ступени у нас четыре, тогда механическая характеристика будет выглядеть следующим образом
На первой ступени, когда добавочное сопротивление максимально и равно R1+R2+R3 двигатель начинает свой разгон. После достижения определенной точки, которую получают с помощью расчетных данных, сопротивление R3 шунтируют. При этом двигатель переходит на новую характеристику, и разгоняется на ней все до той же точки. Таким образом, двигатель выходит на естественную характеристику, не пострадав от действия больших пусковых токов и моментов.
При исследовании пусковых характеристик стартерных электродвигателей выявлено, что при подаче напряжения на электродвигателе возникает импульс обратного тока напряжением более 2000 вольт. Изоляция обмоток электродвигателей может не выдержать и получить межвитковый пробой. Искрение коллектора при больших пусковых токах ведёт к прогоранию пластин коллектора. Избежать пробоя и аварийной ситуации при пуске электродвигателя можно, используя метод разгона оборотов во времени.
Пусковой ток в данной схеме снижен до приемлемой величины с 220 ампер до 20. Условия мягкого пуска созданы двойным уровнем тока - первый создаётся регулировочной характеристикой полевого транзистора в течении времени 0-10 мс,второй - контактами пускового реле от 10 до 60 мс. Ток во время пускового режима растёт почти линейно, что не ведёт к разрушению электрической части электродвигателя.
Схема на рисунке представляет собой гибрид из мощного полевого транзистора и пускового реле.
Полевой транзистор после нажатия кнопки «Старт» открывается подачей напряжения с аккумулятора GB1 на затвор через резистор R1. Цепь, параллельная затвору транзистора и минусу аккумулятора защищает транзистор и несколько увеличивает время включения с 0,02 до 1 мс, зависящего от номиналов резисторов R1,R2 и конденсатора C1 - подаёт с ростом напряжения питание на пусковой электродвигатель М1. Электродвигатель разгонится до номинальных оборотов, в конце этого процесса замкнутся мощные контакты К1.1 реле К1, ток через полевой транзистор прекратится, а рабочий ток электродвигателя не создаст искрения контактов, так как режим разгона выполнен.
Размыкание цепи «Старт» приведёт к размыканию цепи К1.1 и обесточиванию электродвигателя, с понижением тока по экспоненте.
В цепь затвора полевого транзистора в схеме введен стабилитрон для защиты от превышения порогового напряжения, в цепи истока транзистора, параллельно пусковому электродвигателю подключена цепь для гашения импульсного напряжения обратной полярности –диод VD2 и конденсатор С2.
Обмотка реле К1 защищена от импульсов обратной полярности двухполярным светодиодом HL1 с разрядным резистором R4, резистор R3 ограничивает ток питания цепи обмотки, снижает ее нагрев при длительном включении. Диод VD3 устраняет проникновение импульсных помех в цепи питания.
В схеме нет дефицитных радиодеталей: полевые транзисторы установлены на суммарный рабочий ток в 212 ампер. Резисторы типа МЛТ-0,25, R3 на один ватт. Диоды VD2, VD3 импульсного типа. Реле автомобильное -типа MG16566DX на ток контактов 30 ампер и напряжение 12 вольт, напряжение включения такого реле 7 вольт, отпускания 3,5 вольта. Светодиод HL1 заменим на КИПД 45Б -2 или КИПД 23 А1-К, кнопка пуска типа КМ 1-1. В конструкции использовался стартерный электродвигатель итальянского производства, исследования проводились и на других типах электродвигателей мощностью от 10 до 300 ватт..
Конструкция собрана в корпусе размерами 110 * 35 *55 и закреплена рядом со стартером, кнопка пуска установлена в удобном для включения месте и соединена многожильным изолированным проводом сечением 0,5 мм. Полевые транзисторы закреплены общим болтом к радиатору.
Светодиод можно использовать как индикатор пуска или оставить на плате.
Силовые цепи питания электродвигателя необходимо выполнить многожильным проводом сечением не менее 10 мм и как можно короче по длине, для снижения потерь напряжения.
Схема проверена на стенде с указанным двигателем на 250 ватт, для надёжности установить два полевика в параллель, закрепив с двух сторон радиатора, пусковой ток тогда может достигать 220 ампер. Ток в 130 Ампер берёт от аккумулятора стартер а/м "Жигули" ВАЗ 2107.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VT1 | MOSFET-транзистор | IRL2505L | 1 | В блокнот | ||
| VD1 | Стабилитрон | КС818Е | 1 | В блокнот | ||
| VD2, VD3 | Выпрямительный диод | 1N4003 | 2 | В блокнот | ||
| HL1 | Светодиод | L-57EGW | 1 | В блокнот | ||
| C1 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| C2 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 120 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 75 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 1 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R4 | Резистор | 3.3 кОм | 1 |
Для пуска двигателей постоянного тока могут быть применены три способа:
1) прямой пуск, при котором обмотка якоря подключена непосредственно к сети;
2) реостатный пуск с помощью пускового реостата, включаемого в цепь якоря для ограничения тока при пуске;
3) пуск путем плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря.
Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения I ном ∑r во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5–10% от U ном , поэтому при прямом пуске ток якоря I п = U ном /∑r = (10 ÷ 20) I ном, что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. По этой причине прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ∑r относительно велико, и лишь в отдельных случаях–для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей I п = (4 ÷ 6) I ном.
Переходный процесс изменения частоты вращения n и тока якоря i a в процессе пуска определяется нагрузкой двигателя и его электромеханической постоянной времени Т м . Для установления характера изменения n и i a при пуске двигателя с параллельным возбуждением будем исходить из уравнений:
где J – момент инерции вращающихся масс электродвигателя и сочлененного с ним производственного механизма; М н –тормозной момент, создаваемый нагрузкой.
Из (2.82б) определяем ток якоря
. (2.83)
Подставляя его значение в (2.82а), получаем
(2.84а)
, (2.84б)
U где – частота вращения при идеальном холостом ходе;
уменьшение частоты вращения при переходе
от холостого хода к нагрузке; n
н = n
0 – Δn
н –установившаяся частота вращения при нагрузке двигателя; 
– электромеханическая постоянная времени, определяющая скорость протекания переходного процесса.
При этом I н = М н /(с м Ф) – установившийся ток якоря после окончания процесса пуска, определяемый нагрузочным моментом М н .
Решая уравнение (2.84б), получаем
. (2.85а)
Постоянную интегрирования А находим из начальных условий: при t = 0; n = 0 и А = – n н . В результате имеем
. (2.85б)
Рис. 2.65 – Переходный процесс изменения частоты вращения и тока якоря при прямом пуске двигателя постоянного тока
Зависимость тока якоря от времени при пуске двигателя определяется из (2.83). Подставляя в него значение
, (2.85в)
полученное из (2.846) и (2.856), и заменяя n н = n 0 – Δn, имеем
. (2.86а)
Учитывая значение Δn н , n 0 , Т м и М н /с м Ф , получим
где I нач = U /∑r – начальный пусковой ток.
На рис. 2.65 приведены зависимости изменения тока якоря и частоты вращения (в относительных единицах) при прямом пуске двигателя с параллельным возбуждением. Время переходного процесса при пуске принимается равным (3–4) Т м. За это время частота вращения n достигает (0,95 – 0,98) от установившегося значения n н , а ток якоря I а также приближается к установившемуся значению.
Реостатный пуск. Этот способ получил наибольшее распространение. В начальный момент пуска при n = 0 ток I п = U/(∑r + r п). Максимальное сопротивление пускового реостата r п подбирается так, чтобы для машин большой и средней мощностей ток якоря при пуске I п = (1,4 ÷ 1,8) I ном, а для машин малой мощности I п = (2 ÷ 2,5) I ном. Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 6 (рис. 2.66, а ), соответствующей максимальному значению сопротивления r п пускового реостата; при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент М п.макс.
Рис. 2.66 – Изменение частоты вращения и момента при реостатном пуске двигателей с параллельным и последовательным возбуждением
Регулировочный реостат r р. в в этом случае выводится так, чтобы ток возбуждения I в и поток Ф были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением частоты вращения растет э. д. с. Е и уменьшается ток якоря I a =(U – E)/(∑r +r п ). При достижении некоторого значения М п.мин часть сопротивления пускового реостата выводится, вследствие чего момент снова возрастает до М п.макс. При этом двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 5 и разгоняется до достижения M п.мин. Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных характеристик 6,5,4,3 и 2 (см. жирные линии на рис. 2.66, а ) до выхода на естественную характеристику 1 . Средний вращающий момент при пуске М п.ср = 0,5 (М п.макс +М п.мин) = const, вследствие чего двигатель разгоняется с некоторым постоянным ускорением. Таким же образом пускается в ход двигатель с последовательным возбуждением (рис. 2.66, б ). Количество ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной характеристики и требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности M п.макс – М п.мин).
Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под током.
На рис. 2.67 показаны зависимости тока якоря i a , электромагнитного момента М, момента нагрузки М н и частоты вращения n при реостатном пуске двигателя (упрощенные диаграммы).
Рис. 2.67 – Переходный процесс изменения частоты вращения, момента и тока якоря при реостатном пуске двигателя постоянного тока
При выводе отдельных ступеней пускового реостата ток якоря i a достигает некоторого максимального значения, а затем уменьшается согласно уравнению (2.85б) до минимального значения. При этом электромеханическая постоянная времени и начальный ток будут иметь различные для каждой ступени пускового реостата значения:
;
В соответствии с изменением тока якоря изменяется и электромагнитный момент М. Частота вращения n изменяется согласно уравнению
где n нач –начальная частота вращения при работе на соответствующей ступени пускового реостата.
Заштрихованная на рис. 2.67 область соответствует значениям динамического момента М дин = М – М н,обеспечивающего разгон двигателя до установившейся частоты вращения.
Пуск путем плавного повышения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно значительные потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пуск двигателя осуществлять путем плавного повышения напряжения, подаваемого на его обмотку. Но для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой источник используют также для регулирования частоты вращения двигателя.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КАФЕДРА СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ І
ЕЛЕКТРОПРИВОДА
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
З ДИСЦИПЛІНИ: “ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА”
НА ТЕМУ: “ПЛАВНИЙ ПУСК ДВИГУНА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
ПО СИСТЕМІ “ ШИРОТНО ІМПУЛЬСНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ – ДВИГУН
ПОСТІЙНОГО СТРУМУ“
Розробив:
Керівник:
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
| № | Назва етапів курсового проекту | Строк виконання етапів проекту |
| 1 | Аналіз технічного завдання і вибір широтно імпульсного перетворювача | 15 жовтня 2002 |
| 2 | Аналіз функціональної схеми та розробка технічної документації | 30 жовтня 2002 |
| 3 | Розробка системи управління транзистором та виготовлення печатної плати | 20 листопада 2002 |
| 4 | Розрахунок схеми заміщення | 30 листопада 2002 |
| 5 | Побудова статичних, механічних та швидкісних характеристик | 5грудня 2002 |
| 6 | Вибір силових елементів та розрахунок параметрів схеми | 10 грудня 2002 |
| 7 | Розрахунок енергетичних характеристик | 25 грудня 2002 |
| 8 | Математичне моделювання | 10 січня 2003 |
| 9 | Оформлення проекту | 27 січня 2003 |
Студент _____________
Керівник _____________
“_______”______________________200 р
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
ШИП - широтно імпульсний перетворювач
ДПТ - двигун постійного струму
АД - асинхронний двигун
ИП - імпульсний перетворювач
ЭОМ – електронно-обчислювальна машина
ИДК - вимірювально діагностичний комплекс
ШД - шаговий двигун
ЧРП - частотно регульований привод
КПД - коефіцієнт корисної дії
ГПИ - генератор пилоподібних коливань
ЗАВДАННЯ
на курсовий проект студента
____________________________________
1. Тема роботи Плавний пуск двигуна постійного струму по системі “ Широтно імпульсний перетворювач – двигун постійного струму “. Основна частина – розробка системи плавного пуска двигуна постійного струму на базі мікроконтроллера PIC 16F 877
2. Строк здачі студентом закінченої роботи 28.01.03
3. Вихідні дані до роботи технічні характеристики двигуна, технічні характеристики існуючих систем широтно імпульсних модуляторів
4. Зміст розрахунково – пояснювальної записки аналіз існуючих імпульсних перетворювачів і вибір найбільш оптимальної, розробка технічної документації на стенд, розробка принципової та функціональної схем, вибір силових елементів.
5. Дата видачі завдання жовтня 200 р
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН.. 2
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ. 3
ЗАВДАННЯ.. 4
Введение. 6
1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ. 8
1.1 Импульсные преобразователи постоянного напряжения (общие сведения) 8
1.2 Анализ существующих импульсных преобразователей. 8
2. Функциональная схема лабораторного стенда. 11
3. Разработка технической документации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ. 13
3.1 Общий вид лабораторного стенда. 13
3.2 Принципиальная схема стенда после доработки. 15
3.3 Перечень функциональных возможностей лабораторного стенда. 16
3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877. 17
4. Расчет схемы замещения. 24
5. Статические характеристики системы ШИП – ДПТ. 26
6. Выбор силовых элементов. 31
6.1 Выбор силового трансформатора. 31
6.2 Выбор силового транзистора. 32
6.3 Выбор обратного диода. 33
7. Расчет преобразователя. 35
8. Расчет энергетических характеристик. 42
9. Математическая модель системы ШИП – ДПТ. 45
Введение
Сохранение электрической энергии становится важной частью общей тенденции по защите окружающей среды. Электродвигатели, приводящие в действие системы в быту и на производстве, потребляют значительную часть производимой энергии. Большинство этих двигателей работают в нерегулируемом режиме и, следовательно, с низкой эффективностью. Недавний прогресс в полупроводниковой индустрии, особенно в силовой электронике и микроконтроллерах, сделали приводы с регулированием скорости более практичными и значительно менее дорогими. Сегодня приводы с регулировкой скорости требуются не только в высокопрофессиональных и мощных промышленных применениях, таких как обрабатывающие машины или подъемные краны, но все больше и больше в бытовой технике, например, в стиральных машинах, компрессорах, небольших насосах, кондиционерах воздуха и т.п. Эти приводы, управляемые по развитым алгоритмам с помощью микроконтроллеров, имеют ряд преимуществ:
увеличение энергетической эффективности системы (регулирование скорости снижает потери мощности в двигателях)
усовершенствование функционирования (цифровое управление может добавить такие свойства, как интеллектуальные замкнутые контуры, изменение частотных свойств, диапазона контролируемых неисправностей и способность к взаимодействию с другими системами)
упрощение электромеханического преобразования энергии (регулируемые приводы позволяют устранить необходимость в трансмиссиях, коробках передач, редукторах) простота обновления программного обеспечения системы на базе микроконтроллеров с флэш-памятью могут быстро изменять при необходимости увеличивается. Основным условием их использования является сохранение общей стоимости системы в обоснованных границах. Для ряда систем, особенно в быту, общая стоимость должна быть эквивалентна стоимости нерегулируемого варианта.
1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ
1.1 Импульсные преобразователи постоянного напряжения (общие сведения)
Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.
С помощью импульсного преобразователя источник напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе преобразователя формируются импульсы напряжения. Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить тремя способами:
изменением интервала проводимости ключа при постоянной частоте переключения (широтно-импульсный)
изменением частоты переключения при постоянном интервале проводимости ключа (частотно-импульсный)
изменением частоты переключения и интервала проводимости ключа (время-импульсный)
При этом регулируется относительное время проводимости ключа, что приводит к плавному изменению среднего значения напряжения на нагрузке (в нашем случае на якоре ДПТ)
1.2 Анализ существующих импульсных преобразователей
Схема ШИП с параллельной емкостной коммутацией изображена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1. ШИП с параллельной емкостной коммутацией
Недостатком ШИП с параллельной емкостной коммутацией является то, что в процессе переключения напряжение на нагрузке достигает удвоенных значений питающего напряжения. Также недостатком является сложность настройки резонансного контура с конденсатором ‘C’ и дросселем ‘Др’.
На рисунке 1.2 изображена схема ШИП с дополнительным коммутирующим тиристором и линейным дросселем в узле коммутации.
Недостатком схемы является связь контура коммутации с цепью нагрузки. Эта особенность затрудняет коммутацию в режимах малых нагрузок и делает невозможной работу устройства на холостом ходу.
На рисунке 1.3 изображена схема нереверсивного ИП с последовательным ключевым элементом.
Рисунок 1.3. Нереверсивный ШИП
Данная схема является наиболее приемлемой для нашей цели, так как она отличается малым количеством элементов, простотой конструкции, достаточно высоким быстродействием и надежностью.
Принцип действия:
Когда транзистор VT отперт от источника питания потребляется энергия. При запирании транзистора VT ток нагрузки за счет Э.Д.С. самоиндукции сохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через обратный диод VD. В связи с тем что источник питания, как правило, обладает индуктивностью, для защиты транзистора от перенапряжений, возникающих при разрывах цепи питания, на входе ИП ставится фильтр нижних частот, выходным звеном которого является конденсатор Свх.
2. Функциональная схема лабораторного стенда
Функциональная схема уже существующего лабораторного стенда представлена на рисунке 2.1
Рисунок 2.1 Функциональная схема стенда
На функциональной схеме изображены основные элементы стенда и функциональные взаимодействия между ними.
Основным элементом стенда есть преобразователь частоты ACS 300. Через него питание подается на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М1 – АОЛ2-21-4. Стенд предусматривает возможность работы асинхронного режим динамического торможения. Также предусмотрена возможность контроля скорости асинхронного двигателя, токи и напряжения как АД так и ДПТ.
В силовой цепи АД расположены трехфазный датчик тока и трехфазный датчик напряжения, данные с которых подаются через блок связи на ЭОМ. Блок связи и ЭОМ образуют измерительно-диагностический комплекс (ИДК). На ИДК подаются сигналы и с других датчиков и контролирующих элементов
3. Разработка технической документации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ
3.1 Общий вид лабораторного стенда
Внешний вид проектируемого стенда показан на рисунке 3.1
1. Ручка нагрузочного резистора
2. Кнопка SB2 “Стоп АД”
Плавный пуск электродвигателя в последнее время применяется все чаще. Области его применения разнообразны и многочисленны. Это промышленность, электротранспорт, коммунальное и сельское хозяйство. Применение подобных устройств позволяет значительно снизить пусковые нагрузки на электродвигатель и исполнительные механизмы, тем самым, продлив срок их службы.
Пусковые токи
Пусковые токи достигают значений в 7…10 раз выше, чем в рабочем режиме. Это приводит к «просаживанию» напряжения в питающей сети, что отрицательно сказывается не только на работе остальных потребителей, но и самого двигателя. Время пуска затягивается, что может привести к перегреву обмоток и постепенному разрушению их изоляции. Это способствует преждевременному выходу электродвигателя из строя.
Устройства плавного пуска позволяют значительно снизить пусковые нагрузки на электродвигатель и электросеть, что особенно актуально в сельской местности либо при питании двигателя от автономной электростанции.
Перегрузки исполнительных механизмов
В момент запуска двигателя момент на его валу очень нестабилен и превышает номинальное значение более чем в пять раз. Поэтому пусковые нагрузки исполнительных механизмов также повышены по сравнению с работой в установившемся режиме и могут достигать до 500 процентов. Нестабильность момента при пуске приводит к ударным нагрузкам на зубья шестерен, срезанию шпонок и иногда даже к скручиванию валов.
Устройства плавного пуска электродвигателя значительно уменьшают пусковые нагрузки на механизм: плавно выбираются зазоры между зубьями шестерен, что препятствует их поломке. В ременных передачах также плавно натягиваются приводные ремни, что уменьшает износ механизмов.
Кроме плавного пуска на работе механизмов благотворно сказывается режим плавного торможения. Если двигатель приводит в движение насос, то плавное торможение позволяет избежать гидравлического удара при выключении агрегата.
Устройства плавного пуска промышленного изготовления
В настоящее время выпускается многими фирмами, например Siemens, Danfoss, Schneider Electric. Такие устройства обладают многими функциями, которые программируются пользователем. Это время разгона, время торможения, защита от перегрузок и множество других дополнительных функций.
При всех достоинствах фирменные устройства обладают одним недостатком, - достаточно высокой ценой. Вместе с тем можно создать подобное устройство самостоятельно. Стоимость его при этом получится небольшой.
Устройство плавного пуска на микросхеме КР1182ПМ1
В рассказывалось о специализированной микросхеме КР1182ПМ1 , представляющей фазовый регулятор мощности. Были рассмотрены типовые схемы ее включения, устройства плавного запуска ламп накаливания и просто регуляторы мощности в нагрузке. На основе этой микросхемы возможно создание достаточно простого устройства плавного пуска трехфазного электродвигателя. Схема устройства показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема устройства плавного пуска двигателя.
Плавный пуск осуществляется при помощи постепенного увеличения напряжения на обмотках двигателя от нулевого значения до номинального. Это достигается за счет увеличения угла открывания тиристорных ключей за время, называемое временем запуска.
Описание схемы
В конструкции используется трехфазный электродвигатель 50 Гц, 380 В. Обмотки двигателя, соединенные «звездой», подключаются к выходным цепям, обозначенным на схеме как L1, L2, L3. Средняя точка «звезды» подключается к сетевой нейтрали (N).
Выходные ключи выполнены на тиристорах включенных встречно - параллельно. В конструкции применены импортные тиристоры типа 40TPS12. При небольшой стоимости они обладают достаточно большим током - до 35 А, а их обратное напряжение 1200 В. Кроме них в ключах присутствуют еще несколько элементов. Их назначение следующее: демпфирующие RC цепочки, включенные параллельно тиристорам, предотвращают ложные включения последних (на схеме это R8C11, R9C12, R10C13), а с помощью варисторов RU1…RU3 поглощаются коммутационные помехи, амплитуда которых превышает 500 В.
В качестве управляющих узлов для выходных ключей используются микросхемы DA1…DA3 типа КР1182ПМ1. Эти микросхемы достаточно подробно были рассмотрены в . Конденсаторы С5…С10 внутри микросхемы формируют пилообразное напряжение, которое синхронизировано сетевым. Сигналы управления тиристорами в микросхеме формируются путем сравнения пилообразного напряжения с напряжением между выводами микросхемы 3 и 6.
Для питания реле К1…К3 в устройстве имеется блок питания, который состоит всего из нескольких элементов. Это трансформатор Т1, выпрямительный мостик VD1, сглаживающий конденсатор С4. На выходе выпрямителя установлен интегральный стабилизатор DA4 типа 7812 обеспечивающий на выходе напряжение 12 В, и защиту от коротких замыканий и перегрузок на выходе.
Описание работы устройства плавного пуска электродвигателей
Сетевое напряжение на схему подается при замыкании силового выключателя Q1. Однако, двигатель еще не запускается. Это происходит потому, что обмотки реле К1…К3 пока обесточены, и их нормально-замкнутые контакты шунтируют выводы 3 и 6 микросхем DA1…DA3 через резисторы R1…R3. Это обстоятельство не дает заряжаться конденсаторам С1…С3, поэтому управляющие импульсы микросхемы не вырабатывают.
Пуск устройства в работу
При замыкании тумблера SA1 напряжение 12 В включает реле К1…К3. Их нормально-замкнутые контакты размыкаются, что обеспечивает возможность зарядки конденсаторов С1…С3 от внутренних генераторов тока. Вместе с увеличением напряжения на этих конденсаторах увеличивается и угол открывания тиристоров. Тем самым достигается плавное увеличение напряжения на обмотках двигателя. Когда конденсаторы зарядятся полностью, угол включения тиристоров достигнет максимальной величины, и частота вращения электродвигателя достигнет номинальной.
Отключение двигателя, плавное торможение
Для выключения двигателя следует разомкнуть выключатель SA1, Это приведет к отключению реле К1…К3. Их нормально - замкнутые контакты замкнутся, что приведет к разряду конденсаторов С1…С3 через резисторы R1…R3. Разряд конденсаторов будет длиться несколько секунд, за это же время произойдет останов двигателя.
При пуске двигателя в нулевом проводе могут протекать значительные токи. Это происходит оттого, что в процессе плавного разгона токи в обмотках двигателя несинусоидальные, но особо бояться этого не стоит: процесс пуска достаточно кратковременный. В установившемся же режиме этот ток будет много меньше (не более десяти процентов тока фазы в номинальном режиме), что обусловлено лишь технологическим разбросом параметров обмоток и «перекосом» фаз. От этих явлений избавиться уже невозможно.
Детали и конструкция
Для сборки устройства необходимы следующие детали:
Трансформатор мощностью не более 15 Вт, с напряжением выходной обмотки 15…17 В.
В качестве реле К1…К3 подойдут любые с напряжением катушки 12 В, имеющие нормально-замкнутый или переключающий контакт, например TRU-12VDC-SB-SL.
Конденсаторы С11…С13 типа К73-17 на рабочее напряжение не менее 600 В.
Устройство выполнено на печатной плате. Собранное устройство следует поместить в пластмассовый корпус подходящих размеров, на лицевой панели которого разместить выключатель SA1 и светодиоды HL1 и HL2.
Подключение двигателя
Подключение выключателя Q1 и двигателя выполняется проводами, сечение которых соответствует мощности последнего. Нулевой провод выполняется тем же проводом, что и фазные. При указанных на схеме номиналах деталей возможно подключение двигателей мощностью до четырех киловатт.
Если предполагается использовать двигатель мощностью не более полутора киловатт, а частота пусков не будет превышать 10…15 в час, то мощность, рассеиваемая на тиристорных ключах незначительна, поэтому радиаторы можно не ставить.
Если же предполагается использовать более мощный двигатель или запуски будут более частыми, потребуется установка тиристоров на радиаторы, изготовленные из алюминиевой полосы. Если же радиатор предполагается использовать общий, то тиристоры следует изолировать от него при помощи слюдяных прокладок. Для улучшения условий охлаждения можно воспользоваться теплопроводящей пастой КПТ - 8.
Проверка и наладка устройства
Перед включением, прежде всего, следует проверить монтаж на соответствие принципиальной схеме. Это основное правило, и отступать от него нельзя. Ведь пренебрежение этой проверкой может привести к куче обугленных деталей, и надолго отбить охоту делать «опыты с электричеством». Найденные ошибки следует устранить, ведь все же эта схема питается от сети, а с нею шутки плохи. И даже после указанной проверки подключать двигатель еще рано.
Сначала следует вместо двигателя подключить три одинаковых лампы накаливания, мощностью 60…100 Вт. При испытаниях следует добиться, чтобы лампы «разжигались» равномерно.
Неравномерность времени включения обусловлена разбросом емкостей конденсаторов С1…С3, которые имеют значительный допуск по емкости. Поэтому лучше перед установкой сразу подобрать их с помощью прибора, хотя бы с точностью процентов до десяти.
Время выключения обусловлено еще сопротивлением резисторов R1…R3. С их помощью можно выровнять время выключения. Эти настройки следует выполнять в том случае, если разброс времени включения - выключения в разных фазах превышает 30 процентов.
Двигатель можно подключать лишь после того, как вышеуказанные проверки прошли нормально, не сказать бы даже на отлично.
Что можно еще добавить в конструкцию
Выше уже было сказано, что такие устройства в настоящее время выпускаются разными фирмами. Конечно, все функции фирменных устройств в подобном самодельном повторить невозможно, но одну все-таки, скопировать, наверно, удастся.
Речь идет о так называемом . Назначение его следующее: после того, как двигатель достиг номинальных оборотов, контактор просто перемыкает тиристорные ключи своими контактами. Ток идет через них в обход тиристоров. Такую конструкцию часто называют байпасом (от английского bypass - обход). Для такого усовершенствования придется ввести дополнительные элементы в блок управления.
Борис Аладышкин