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.

Плавный пуск асинхронного двигателя – это всегда трудная задача, потому что для запуска индукционного мотора требуется большой ток и крутящий момент, которые могут сжечь обмотку электродвигателя. Инженеры постоянно предлагают и реализуют интересные технические решения для преодоления этой проблемы, например, использование схемы включения , автотрансформатора и т. д.

В настоящее время подобные способы применяются в различных промышленных установках для бесперебойного функционирования электродвигателей.

Из физики известен принцип работы индукционного электродвигателя, вся суть которого заключается в использовании разницы между частотами вращения магнитных полей статора и ротора. Магнитное поле ротора, пытаясь догнать магнитное поле статора, способствует возбуждению большого пускового тока. Мотор работает на полной скорости, при этом значение крутящего момента вслед за током тоже увеличивается. В результате обмотка агрегата может быть повреждена из-за перегрева.

Таким образом, необходимой становится установка мягкого стартера. УПП для трехфазных асинхронных моторов позволяют защитить агрегаты от первоначального высокого тока и крутящего момента, возникающих вследствие эффекта скольжения при работе индукционного мотора.

Преимущественные особенности применения схемы с устройством плавного пуска (УПП):

1. снижение стартового тока;
2. уменьшение затрат на электроэнергию;
3. повышение эффективности;
4. сравнительно низкая стоимость;
5. достижение максимальной скорости без ущерба для агрегата.

Как плавно запустить двигатель?

Существует пять основных методов плавного пуска.

• Высокий крутящий момент может быть создан путем добавления внешнего сопротивления в цепь ротора, как показано на рисунке.

• С помощью включения в схему автоматического трансформатора можно поддерживать пусковой ток и крутящий момент за счет уменьшения начального напряжения. Смотрите рисунок ниже.

• Прямой запуск – это самый простой и дешевый способ, потому что асинхронный двигатель подключен напрямую к источнику питания.
• Соединения по специальной конфигурации обмоток – способ применим для двигателей, предназначенных для эксплуатации в нормальных условиях.

• Использование УПП – это наиболее передовой способ из всех перечисленных методов. Здесь полупроводниковые приборы, такие как тиристоры или тринисторы, регулирующие скорость асинхронного двигателя, успешно заменяют механические компоненты.

Регулятор оборотов коллекторного двигателя

Большинство схем бытовых аппаратов и электрических инструментов создано на базе коллекторного электродвигателя 220 В. Такая востребованность объясняется универсальностью. Для агрегатов возможно питание от постоянного либо переменного напряжения. Достоинство схемы обусловлены обеспечением эффективного пускового момента.

Чтобы достичь более плавного пуска и обладать возможностью настройки частоты вращения, применяются регуляторы оборотов.

Пуск электродвигателя своими руками можно сделать, к примеру, таким образом.

Пуск двигателя постоянного тока имеет ряд отличительных особенностей.

Объясняется это большим значением пускового тока, которое необходимо предварительно ограничить.

Если этого не сделать, то может повредиться внутренняя цепь обмотки якоря.

Существует несколько способов запуска: прямой, реостатный и метод плавного повышения питающего напряжения.

По мере нарастания токовой нагрузки на обмотке статора увеличивается крутящий момент электродвигателя, который через вал передается на его подвижную часть – ротор. Чем быстрее возрастает крутящий момент, тем сильнее разогревается обмотка статора.

Это явление может привести к:

• выходу из строя изоляции;
• возникновению вибраций;
• деформации механических частей двигателя;
• полному выходу из строя мотора.

Большой ток может вызвать бурное искрение под щетками, что приведет к выходу из строя коллектора.

Избежать поломки можно, понизив пусковой ток до номинальной частоты вращения сразу после старта электромотора. Добиться этого можно несколькими способами. Выбор оптимального варианта зависит от технических характеристик мотора и его назначения.

Прямой пуск

Данный метод основан на прямом подключении якорной обмотки к электрической сети при номинальном напряжении двигателя. Прямой пуск можно применять только в случае наличия стабильного питания мотора, жестко связанного с приводом.

Этот способ является одним из самых простых. Температура при прямом пуске повышается, по сравнению с прочими способами, незначительно.

Схема прямого пуска

Метод прямого пуска наиболее предпочтителен при отсутствии специальных ограничений на ток, поступающий от электросети.

Если электродвигатель работает в режиме частых запусков и отключений, его необходимо снабдить простейшим оборудованием. Его роль может выполнять расцепитель с ручным управлением. Напряжение в этом случае подается на клеммы электромотора.

Прямой пуск можно применять только на маломощных двигателях, поскольку пик нагрузки а крупных моделях может превышать номинальную нагрузку в 50 раз.

Реостатный пуск

Метод пригоден для запуска оборудования большой мощности. Процесс осуществляется следующим образом:

1. Из провода, разделенного на секции и имеющего высокое удельное сопротивление, изготавливается реостат.
2. Устанавливается ток возбуждения на уровне номинального значения.
3. Во время запуска последовательно уменьшается сопротивление реостата, исключая таким образом скачки электрического тока.

Включение в схему реостата обеспечивает безопасность запуска двигателей самой высокой мощности.

Реостатный пуск

При реостатном пуске разгон двигателя происходит постепенно с постоянным ускорением. Количество ступеней реостата зависит от требований к плавности запуска мотора и разности

Значения их сопротивлений определяется расчетом. В среднем пусковые реостаты имеют 2-7 ступеней.

Главная задача проектировщика – обеспечить одинаковое значение максимального и минимального тока на всех ступенях при их переключении в заданных временных интервалах.

Процесс переключения пускового реостата практически не поддается автоматизации. Если это необходимо (например, в автоматизированных установках), применяются пусковые сопротивления, поочередно шунтируемые контактами контакторов, работающих автоматически.

Как только двигатель войдет в рабочий режим, сопротивление реостата необходимо полностью вывести, поскольку рассчитывается оно только на кратковременную работу. Если ток будет проходить через реостат длительное время, он просто выйдет из строя.

Уменьшается сопротивление тоже ступенчато.

Пуск путем плавного повышения питающего напряжения

В обмотках двигателей насосов, конвейеров, воздуходувок в момент запуска возникают повышенные токи, превышающие их номинальное значение в 6 раз. Это явление отрицательно сказывается на составных частях мотора, снижая их долговечность. Поэтому в электрооборудовании мощностью свыше 1 кВт используют плавный пуск.

Смысл данного способа заключается в следующем: питающее напряжение повышается постепенно до тех пор, пока двигатель не выйдет на рабочий режим. Регулировка производится при помощи тиристоров или симисторов. Они располагаются «спина к спине» и устанавливаются на каждой из питающих линий .

Устройство плавного пуска

Приводятся в действие тиристоры на начальном этапе, причем их включают последовательно с небольшой задержкой для каждого полупериода. Такая схема работы способствует эффективному наращиванию напряжения (среднего переменного) на электродвигателе вплоть до его выхода на номинальное напряжение электросети.

Как только мотор достигнет номинальной скорости вращения, его можно переключить напрямую по схеме байпас.

Осуществляется посредством установок плавного пуска или частотных преобразователей.

Но эти устройства с успехом заменяют:

• выключателями;
• разъединителями полного напряжения.

Последний подает полное напряжение на клеммы электродвигателя (принцип прямого пуска). Но такая схема возможна только на маломощных электроустановках.

Способ плавного пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Существуют и другие мягкие пускатели, обеспечивающие плавную остановку двигателя. Они необходимы в устройствах, которые при резком снижении скорости вращения могут привести к их поломке или нарушениям разного характера. В качестве примера можно привести насос, быстрая остановка которого вызовет возникновение гидроудара в системе. Нежелательна резкая остановка конвейерных лент, в результате которой полотно может выйти из строя.

Особенности плавного пуска трехфазных двигателей

На электродвигателях данного типа применяется мягкий пуск «звезда-треугольник». Схема работает следующим образом:

• изначально обмотки мотора соединены звездой;
• при выходе двигателя на заданные параметры они переключаются в соединение треугольником.

Система управления трёхфазным двигателем (инвертор)

В схему устройства входят:

• контакторы на каждую фазу;
• таймера, задающего интервал времени;
• реле перегрузки.

Такой способ позволяет держать пусковой ток на уровне 30% от его значения при прямом пуске. Соответственно, и крутящий момент ниже – не более 25%.

Применять метод «звезда-треугольник» можно только при наличии нагрузки на двигателе в момент его пуска.

Но чрезмерно нагруженное электрооборудование разогнать до номинальной скорости не удастся из-за недостаточного крутящего момента.

Устройства плавного могут играть роль регулятора напряжения электродвигателя, если в схеме присутствует соответствующий контроллер. Его задача – отслеживать коэффициент мощности мотора. Зависит он от нагрузки: при ее небольшом значении контроллер понизит напряжение и ток электродвигателя.

Пуск при пониженном напряжении цепи якоря

Обмотка возбуждения питается от другого источника с полным напряжением, обеспечивающим полный пусковой ток.

Такой способ используется для запуска мощных двигателей с регулируемой скоростью вращения.

Реверсирование (изменение направления вращения) выполняется путем изменения направления тока в обмотке возбуждения или якоре.

Характерным для любого электродвигателя в процессе запуска является многократное превышение тока и механической нагрузки на приводимое в действие оборудование. При этом также возникают перегрузки питающей сети, создающие просадку напряжения и ухудшающие качество электроэнергии. Во многих случаях требуется устройство плавного пуска (УПП).

Необходимость плавного пуска электродвигателей

Статорная обмотка является катушкой индуктивности, состоящей из активного сопротивления и реактивного. Значение последнего зависит от частоты подаваемого напряжения. При запуске двигателя реактивное сопротивление изменяется от нуля, а пусковой ток имеет большую величину, многократно превышающую номинальный. Момент вращения также велик и может разрушить приводимое в движение оборудование. В режиме торможения также появляются броски тока, приводящие к повышению температуры статорных обмоток. При аварийной ситуации, связанной с перегревом двигателя, возможен ремонт, но параметры трансформаторной стали изменяются и номинальная мощность снижается на 30 %. Поэтому необходим плавный пуск.

Запуск электродвигателя переключением обмоток

Обмотки статора могут соединяться "звездой" и "треугольником". Когда у двигателя выведены все концы обмоток, можно снаружи коммутировать схемы "звезда" и "треугольник".

Устройство плавного пуска электродвигателя собирается из 3 контакторов, реле нагрузки и времени.

Электродвигатель запускается по схеме "звезда", когда контакты К1 и К3 замкнуты. Через интервал, заданный реле времени, К3 отключается и производится подключение схемы "треугольник" контактором К2. При этом двигатель выходит на полные обороты. Когда он разгоняется до номинальных оборотов, пусковые токи не такие большие.

Недостатком схемы является возникновение короткого замыкания при одновременном включении двух автоматов. Этого можно избежать, применив вместо них рубильник. Для организации реверса нужен еще один блок управления. Кроме того, по схеме "треугольник" электродвигатель больше нагревается и жестко работает.

Частотное регулирование скорости вращения

Вал электродвигателя вращается магнитным полем статора. Скорость зависит от частоты питающего напряжения. Электропривод будет работать эффективней, если дополнительно менять напряжение.

В состав устройства плавного пуска асинхронных двигателей может входить частотный преобразователь.

Первой ступенью устройства является выпрямитель, на который подается напряжение трехфазной или однофазной сети. Он собирается на диодах или тиристорах и предназначен для формирования пульсирующего напряжения постоянного тока.

В промежуточной цепи пульсации сглаживаются.

В инверторе выходной сигнал преобразуется в переменный заданной частоты и амплитуды. Он работает по принципу изменения амплитуды или ширины импульсов.

Все три элемента получают сигналы от электронной схемы управления.

Принцип действия УПП

Увеличение пускового тока в 6-8 раз и вращающего момента требуют применения УПП для выполнения следующих действий при запуске или торможении двигателя :

• постепенное увеличение нагрузки;
• снижение просадки напряжения;
• управление запуском и торможением в определенные моменты времени;
• снижение помех;
• защита от скачков напряжения, при пропадании фазы и др.;
• повышение надежности электропривода.

Устройство плавного пуска двигателя ограничивает величину напряжения, подаваемого в момент пуска. Оно регулируется путем изменения угла открытия симисторов, подключенных к обмоткам.

Пусковые токи необходимо снижать до величины, не более чем в 2-4 раза превышающей номинал. Наличие байпасного контактора предотвращает перегрев симисторов после его подключения после того, как двигатель раскрутится. Варианты включения бывают одно-, двух- и трехфазные. Каждая схема функционально отличается и имеет разную стоимость. Наиболее совершенным является трехфазное регулирование. Оно наиболее функционально.

Недостатки УПП на симисторах:

• простые схемы применяются только с небольшими нагрузками или при холостом запуске;
• продолжительный запуск приводит к перегреву обмоток и полупроводниковых элементов;
• момент вращения вала снижается и двигатель может не запуститься.

Виды УПП

Наиболее распространены регуляторы без обратной связи по двум или трем фазам. Для этого предварительно устанавливается напряжение и время пуска. Недостатком является отсутствие регулирования момента по нагрузке на двигатель. Эту проблему решает устройство с обратной связью наряду с выполнением дополнительных функций снижения пускового тока, создания защиты от перекоса фаз, перегрузки и пр.

Наиболее современные УПП имеют цепи непрерывного слежения за нагрузкой. Они подходят для тяжело нагруженных приводов.

Выбор УПП

Большинство УПП - это регуляторы напряжения на симисторах, различающиеся функциями, схемами регулирования и алгоритмами изменения напряжения. В современных моделях софтстартеров применяются фазовые методы регулирования электроприводов с любыми режимами пуска. Электрические схемы могут быть с тиристорными модулями на разное количество фаз.

Одно из самых простых - это устройство плавного пуска с однофазным регулированием через один симистор, позволяющее только смягчать механические ударные нагрузки двигателей мощностью до 11 кВт.

Двухфазное регулирование также смягчает механические удары, но не ограничивает токовые нагрузки. Допустимая мощность двигателя составляет 250 кВт. Оба способа применяются из расчета приемлемых цен и особенностей конкретных механизмов.

Многофункциональное устройство плавного пуска с трехфазным регулированием имеет самые лучшие технические характеристики. Здесь обеспечивается возможность динамического торможения и оптимизации его работы. В качестве недостатков можно отметить только большие цены и габариты.

В качестве примера можно взять устройство плавного пуска Altistart. Можно подобрать модели для запуска асинхронных двигателей, мощность которых достигает 400 кВт.

Устройство выбирается по номинальной мощности и режиму работы (нормальный или тяжелый).

Выбор УПП

Основными параметрами, по которым выбираются устройства плавного пуска, являются:

• предельная сила тока УПП и двигателя должны быть правильно подобраны и соответствовать друг другу;
• параметр количества запусков в час задается как характеристика софтстартера и не должен превышаться при эксплуатации двигателя;
• заданное напряжение устройства не должно быть меньше сетевого.

УПП для насосов

Устройство плавного пуска для насоса предназначено преимущественно для снижения гидравлических ударов в трубопроводах. Для работы с приводами насосов подходят УПП Advanced Control. Устройства практически полностью устраняют гидроудары при заполненных трубопроводах, позволяя увеличить ресурс оборудования.

Плавный запуск электроинструментов

Для электроинструмента характерны высокие динамические нагрузки и большие обороты. Его наглядным представителем является угловая шлифовальная машинка (УШМ). На рабочий диск действуют значительные силы инерции в начале вращения редуктора. Большие перегрузки по току возникают не только при запуске, но и при каждой подаче инструмента.

Устройство плавного пуска электроинструмента применяется только для дорогих моделей. Экономичным решением является его установка своими руками. Это может быть готовый блок, который помещается внутри корпуса инструмента. Но многие пользователи собирают простую схему самостоятельно и подключают ее в разрыв питающего кабеля.

При замыкании цепи двигателя, на регулятор фазы КР1182ПМ1 подается напряжение и начинает заряжаться конденсатор С2. За счет этого симистор VS1 включается с задержкой, которая постепенно уменьшается. Ток двигателя плавно нарастает и обороты набираются постепенно. Двигатель разгоняется примерно за 2 сек. Мощность, отдаваемая в нагрузку, достигает 2,2 кВт.

Устройство можно применять для любого электроинструмента.

Заключение

Выбирая устройство плавного пуска, необходимо анализировать требования к механизму и характеристикам электродвигателя. Характеристики производителя находятся в прилагаемой к оборудованию документации. Ошибки при выборе быть не должно, поскольку нарушится функционирование устройства. Важен учет диапазона скоростей, чтобы выбрать лучшее сочетание преобразователя и двигателя.

Плавный пуск

коллекторного двигателя постоянного тока

(ДПТ)

Случается необходимость плавно включить коллекторный двигатель, например с целью предотвращения бросков токов в цепях питания. Либо предотвращения резких ударов на трансмиссию привода. Не лишне поставить на включение фар, для увеличения ресурса работы ламп.

В моем случае требовалось подать максимальную мощность на ходовой электродвигатель электромобиля с выводом электронного ключа управления из режима ШИМ-управления, для предотвращения его перегрева при максимальной нагрузке.

На рис. 1 и рис. 2 приведены две схемы реализации таких устройств.

Конструкция 1:

Простая схема схема плавного пуска на интегральном таймере КР1006ВИ1 (или импортная серия 555)

Рис.1. Конструкция 1

При подаче напряжения 12в таймер с элементами обвязки (ШИМ) запускается и начинает генерировать импульсы на выходе 3 ИС с постоянной частотой и изменяющийся во времени шириной следования импульса. Время задается емкостью конденсатора С1. Далее, эти импульсы подаются на затвор мощного полевого транзистора который управляет нагрузкой на выходе устройства. R3 строго 2Мом. Рабочее напряжение электролитических конденсаторов 25 вольт.
Примечание: Данное устройство размещается максимально близко к вентилятору иначе могут образоваться помехи, которые будут мешать нормальной работе автомобиля (естественно "Жигулям" не помеха).

Конструкция 2:

Не менее простая схема на том же интегральном таймере.

Рис.2 Конструкция 2

Конструкция 3:

Схема примененная на электромобиле. Запуск устройства производится кнопкой "Пуск".

Рис.2 Конструкция 3

Значение резистора R2 должно быть не менее 2.2 мом, иначе не будет полного (100%) открытия транзисторов.
Питание схемы ограничено на уровне 7.5в с помощью стабилитрона КС175Ж с целью ограничения напряжения управления подаваемого на затвор транзисторов. Иначе базы транзисторов входят в насыщение.
Включение устройства производится кнопкой "Вкл" подачей питания, с одновременной разблокировкой силовых транзисторов. При выключении устройства предотвращается линейный режим при снижении питания цепей управления, транзисторы мгновенно закрываются.