Схема плавного пуска для двигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока имеют ряд недостатков, хотя и множество очевидных преимуществ. Одним из них является гораздо более высокое потребление тока при пуске по сравнению с током, потребляемым при нормальной работе, что может привести к перегрузке источника питания в начальный момент времени. Предлагаемый модуль софт-старта мотора имеет напряжение питания от 12 до 35 В, собственный ток потребления около 10 мА. Нагрузка может достигать десятки Ампер.

Схема плавного пуска на 555 и MOSFET

Принципиальная схема мягкий старт показана на рисунке. Таймер 555 работает в типичном мультивибраторном включении и создает прямоугольный сигнал с частотой около 2,2 кГц и заполнением (скважностью) около 85%. Состоит частотозадающая цепь из сопротивления R3 и конденсатора C5 на 100 нФ.

Этот сигнал поступает на инвертируемый вход компаратора LM311. Делитель напряжения, который подает приблизительно 4,5 В к инвертирующему входу, также подключен. Конденсатор C6 22 мкФ делает так, что напряжение при включении питания почти равно напряжению источника питания (78L09 это 9 В), а затем медленно падает до номинального значения.

Путем сравнения уменьшающегося напряжения на входе инвертора и треугольной формы волны, на входе неинвертора получается прямоугольный сигнал со скважностью растущей от нуля до 100%.

Зарядный конденсатор играет ключевую роль в определении заряда. Скважность составляет 100% через 7 секунд после включения, и N-канальный MOSFET полевой транзистор IRF3205 переходит в открытый режим.

Схема смонтирована на односторонней печатной плате 25 х 50 мм. Все компоненты, кроме транзистора T1 и D2, устанавливаются на одной поверхности. Рекомендуется установить небольшой кулер на транзистор.

Более сильный мотор, лампа и другая нагрузка тоже сюда отлично подойдёт. Естественно с использованием мощного Мосфета. Может быть установлен даже транзистор с токами до 50 А.

Мягкий пуск стартерного электродвигателя постоянного тока

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.

Устройство плавного пуска электродвигателя. Пример применения

Устройство плавного пуска ABB PSR-25-600

Всем привет! Сегодня будет статья, в которой показан реальный пример использования устройства плавного пуска (мягкого пускателя) на практике. Плавный пуск электродвигателя установлен мною на реальном устройстве, приводятся фото и схемы.

Что это за устройство, я ранее подробно рассказывал в статье про мягкий пускатель. Напоминаю, что мягкий пускатель и устройство плавного пуска суть одно и то же устройство. Названия эти берутся от английского Soft Starter. В статье я буду называть этот блок и так, и эдак, привыкайте). Информации по устройствам плавного пуска в интернете достаточно, рекомендую также почитать здесь.

Моё мнение по пуску асинхронных двигателей, подтвержденное многолетними наблюдениями и практикой. При мощности двигателя более 4 кВт стоит подумать, чтобы обеспечить плавный разгон двигателя. Это нужно при тяжелой, инерционной нагрузке, которая как раз и подключается на вал такого двигателя. Если двигатель используется с редуктором, то ситуация полегче.

Простейший и самый дешевый вариант плавного пуска – вариант с включением двигателя через схему “Звезда-Треугольник”. Более “плавные” и гибкие варианты – устройство плавного пуска и преобразователь частоты (в народе – “частотник”). Есть ещё древний способ, который уже почти не применяется – двухскоростные двигатели.

Кстати, верный признак того, что двигатель питается через частотник – хорошо слышимый писк с частотой около 8 кГц, особенно на низких оборотах.

Я уже использовал устройство плавного пуска от Schneider Electric, был такой положительный опыт в моей деятельности. Тогда нужно было плавно включать/выключать длинный круговой конвейер с заготовками (двигатель 2,2 кВт с редуктором). Жаль, что фотоаппарата тогда не было под рукой. Но в этот раз всё рассмотрим очень детально!

Зачем понадобился плавный пуск двигателя

Итак, проблема — на котельной есть насосы подпитки котла водой. Всего два насоса, и включаются они по команде от системы слежения за уровнем воды в котле. Одновременно может работать только один насос, выбор насоса осуществляет оператор котельной путем переключения водяных кранов и электрических переключателей.

Насосы приводятся в действие обычными асинхронными двигателями. Асинхронные двигатели 7,5 кВт включаются через обычные контакторы (магнитными пускателями). А поскольку мощность большая, то пуск очень жесткий. Каждый раз при пуске возникает ощутимый гидроудар. Портятся и сами двигатели, и насосы, и гидросистема. Иногда такое ощущение, что трубы и краны сейчас разлетятся вдребезги.

Кроме того, когда котёл остывший, и в него резко подается горячая вода (более 95 °С), то происходят неприятные явления, напоминающие взрывообразное бурление. Бывает и наоборот, воду с температурой 100 °С можно назвать холодной – когда в котле находится сухой пар с температурой почти 200 °С. В этом случае тоже происходят вредные гидроудары.

Всего на котельной два идентичных котла, но во втором установлены частотники на насосы. Котлы (точнее, парогенераторы) вырабатывают пар с температурой более 115 °С и давлением до 14 кгс/см2.

Жаль, что конструкцией котла в электросхеме не предусмотрено было плавное включение двигателей насоса. Хотя котлы итальянские, на этом было решено сэкономить…

Повторюсь, что для плавного включения асинхронных двигателей мы имеем на выбор такие варианты:

В данном случае необходимо было выбрать тот вариант, при котором бы было минимальное вмешательство в рабочую схему управления котлом.

Дело в том, что любые изменения в работе котла должны быть обязательно согласованы с производителем котла (либо сертифицированной организацией) и с надзорной организацией. Поэтому изменения должны быть внесены незаметно и без лишнего шума. Хотя, в систему безопасности я не вмешиваюсь, поэтому тут не так строго.

Мои постоянные читатели знают, что теперь, после сдачи экзаменов в Ростехнадзоре, я имею полное право выполнять работы по КИПиА в котельной.

Выбор устройства плавного пуска

Для начала посмотрим на шильдик двигателя:

Двигатель насоса, который подключается к схеме плавного пуска

Мощность двигателя – 7,5 кВт, обмотки соединены в схему “треугольник”, номинальный потребляемый при этом ток – 14,7А.

Вот как выглядела система пуска (“жёсткая”):

Система прямого пуска двигателей насосов

Напоминаю, что у нас два двигателя, и запускаются они контакторами 07КМ1 и 07КМ2. Контакторы снабжены блоками дополнительных контактов – для индикации и контроля включения.

В качестве альтернативы было выбрано устройство плавного пуска ABB PSR-25-600. Его максимальный ток – 25 Ампер, так что запас у нас хороший. Особенно, если учесть, что работать придётся в тяжелых условиях – количество пусков/стопов, высокая температура. Фото – в начале статьи.

Вот наклейка на софтстартере с параметрами:

Soft Starter ABB PSR-25-600 – параметры

• FLA – Full Load Amps – значение силы тока при полной нагрузке – почти 25А,
• Uc – рабочее напряжение,
• Us – напряжение цепи управления.

Установка УПП

Примерил для начала:

Пробная установка блока плавного пуска

По высоте подходит один в один, по ширине тоже, только длина чуть больше, но место есть.

Теперь вопрос по цепям управления. Контакторы в исходной схеме включались напряжением 24 VAC, а наши АББ управляются напряжением минимум 100 VAC. Налицо необходимость промежуточного реле либо изменения напряжения питания цепи управления.

Однако, на официальном сайте ABB я нашёл схему, где показано, что это устройство способно работать и при 24 VAC. Попытал счастья – не получилось, не запускается…

Что же, ставим промежуточное реле, которое приводит напряжение к нужному уровню:

Пример монтажа системы плавного пуска электродвигателей

Вот с другого ракурса:

Пример монтажа системы плавного пуска электродвигателей

Вот и всё. Промежуточные реле обозвал 07КМ11 и 07КМ21. Кстати, они также нужны и для дополнительных цепей. Через них включаются индикаторы, и сухие контакты для внешнего устройства (пока не используются, в старой схеме – оранжевые провода).

Когда хотел управление использовать напрямую, без реле (24 VAC), планировал индикаторы включения пустить через контакты Com – Run, которые теперь остались неиспользованные.

Схемы плавного пуска

Вот исходная схема.

Схема жесткого пуска двигателей, через контакторы (исходная)

А вот как нехитро я изменил схему:

Схема с плавным пуском двигателей на софтстартерах

По настройкам – коротко. Тут три регулировки – время разгона, время замедления, и начальное напряжение.

Можно было бы использовать одно устройство плавного пуска, и контакторы выбора двигателя (переключать одно устройство на два двигателя). Но это усложнит и сильно изменит схему, и понизит надежность. Что для такого стратегического объекта, как котельная, очень важно.

Осциллограммы напряжения

Орешек знанья твёрд, но всё же
мы не привыкли отступать!
Нам расколоть его поможет
киножурнал «Хочу всё знать!»

Собрать схему отверткой всякий может. А для тех, кто хочет увидеть напряжение и понять, какие реальные процессы происходят, без осциллографа не обойтись. Публикую осциллограммы на выходе 2Т1 устройства плавного пуска.

Двигатель выключен. Чистый синус.

Не правда ли, логическая нестыковка – двигатель выключен, а напряжение на нём есть?! Это особенность некоторых устройств мягкого пуска. Неприятная и опасная. Да, на двигателе есть напряжение 220В, даже когда он стоит.

Дело в том, что управление происходит только по двум фазам, а третья (L3 – T3) подключена к двигателю напрямую. А так как тока нет, то на всех выходах устройства действует напряжение фазы L3, которое проходит через обмотки двигателя. Та же ерунда бывает и в трехфазных твердотельных реле, вот моя статья.

Будьте осторожны! При обслуживании двигателя, подключенного к устройству мягкого пуска, отключайте вводные автоматы, и проверяйте отсутствие напряжения!

Запуск. Тиристоры режут фазу нещадно.

Поскольку нагрузка индуктивная, то синусоида не только режется на куски, но и сильно искажается.

Помеха прёт, и это надо учитывать – возможны сбои в работе контроллеров и другой слаботочки. Чтобы это влияние уменьшить, надо разносить и экранировать цепи, устанавливать дроссели на входе, и др.

Двигатель почти включен. Около 90% от энергии синуса.

Фото сделано да пару секунд до того, как включился внутренний контактор (байпас), который подал полное напряжение на двигатель.

Видео про работу и настройку УПП ABB

Фото корпуса

Ещё небольшой бонус – несколько фото внешнего вида устройства плавного пуска ABB PSR-25-600.

ABB PSR-25-600 – вид снизу

Опция – разъем и крепления для подключения вентилятора охлаждения, в случае больших нагрузок

ABB PSR-25-600 – входные силовые клеммы и клеммы питания и управления.

Крепёж на ДИН-рейку. Надежный и качественный, как и вся продукция ABB.

Пока всё, вопросы и критика в комментариях по плавному пуску электродвигателей приветствуются!

Скачать инструкции и другие файлы по софтстартерам и двигателям

Если тема интересует более глубоко, рекомендую ознакомиться с литературой, приведенной на странице Скачать.

Вот одна из книг, приведенных там:

• Ломоносов, В.Ю.; Поливанов, К.М.; Михайлов, О.П. Электротехника. / Ломоносов, В.Ю.; Поливанов, К.М.; Михайлов, О.П. Электротехника. Одна из лучших книг, посвящённых основам электротехники. Изложение начинается с самых основ: объясняется, что такое напряжение, сила тока и сопротивление, приводятся указания по расчёту простейших электрических цепей, рассказывается о взаимосвязи и взаимозависимости электрических и магнитных явлений. Объясняется, что такое переменный ток, как устроен генератор переменного тока. Описывается, что такое конденсатор и что собой представляет катушка индуктивности, какова их роль в цепях переменного тока. Объясняется, что такое трёхфазный ток, как устроены генераторы трёхфазного тока и как организуется его передача. Отдельная глава посвящена полупроводниковым приборам: в ней речь идёт о полупроводниковых диодах, о транзисторах и о тиристорах; об использовании полупроводниковых приборов для выпрямления переменного тока и в качестве полупроводниковых ключей. Коротко описываются достижения микроэлектроники. Последняя треть книги целиком посвящена электрическим машинам, агрегатам и оборудованию: в 10 главе речь идёт о машинах постоянного тока (генераторах и двигателях); 11 глава посвящена трансформаторам; о машинах переменного тока (однофазных и трёхфазных, синхронных и асинхронных) подробно рассказывается в 12 главе; выключатели, электромагниты и реле описываются в главе 13; в главе 14 речь идёт о составлении электрических схем. Последняя, 15 глава, посвящена измерениям в электротехнике. Эта книга — отличный способ изучить основы электротехники, понять основополагающие принципы работы электрических машин и агрегатов., zip, 13.87 MB, скачан: 1324 раз./

Инструкции и описания софтстартеров различных фирм – известных и бюджетных.

• Устройства плавного пуска PSR, PSS, PST / Устройства плавного пуска ABB PSR, PSS, PST. Принципы работы, параметры, схемы включения, pdf, 430.55 kB, скачан: 83 раз./
• PRS2_softstarter_user manual_rus / Prostar PRS2_softstarter_usermanual_rus. Бюджетные модели. Полное описание софтстартеров, pdf, 2.42 MB, скачан: 57 раз./
• Siemens SoftStarter 3RW44 manual / Siemens SoftStarter 3RW44 — подробное руководство по софтстартерам Сименс, pdf, 1.37 MB, скачан: 55 раз./
• Soft Starter VTdriveFWI-SS3 manual rus / Soft Starter VTdrive FWI-SS3 manual на русском, pdf, 2 MB, скачан: 53 раз./
• Устройства плавного пуска / Устройства плавного пуска. Подробное описание принципов действия, примеров установки и параметров моделей софтстартеров ABB, pdf, 6.19 MB, скачан: 63 раз./

Ещё пособие по двигателям:

• Пуск и защита двигателей переменного тока / Пуск и защита двигателей переменного тока. Системы пуска и торможения двигателей переменного тока. Устройства защиты и анализ неисправностей двигателей переменного тока. Руководство по выбору устройств защиты. Руководство от Schneider Electric, pdf, 1.17 MB, скачан: 983 раз./

На сегодня всё, задавайте вопросы в комментариях!