Устройство плавного пуска для асинхронного двигателя

Асинхронные электрические машины с короткозамкнутым ротором имеют достаточно низкую стоимость, оптимальное соотношение “мощность-масса”. Их также отличает простота обслуживания и ремонта, надежность. Один из основных недостатков двигателей этой конструкции – увеличение тока в 5-10 раз при пуске. При этом величина напряжения в сети уменьшается. Для устранения нежелательных явлений применяют различные устройства и схемы подключения электродвигателей.

Необходимость плавного запуска

При плавном запуске асинхронного двигателя возможно снизить недостатки таких электрических машин и обеспечить:

• Снижение затрат на ремонт. Пусковые токи вызывают перегрев обмотки, что существенно снижает эксплуатационный ресурс машин.
• Отсутствие рывков. Резкий старт двигателя приводит к увеличению износа шестеренчатых передаточных механизмов, гидроударам в сети подачи жидкости, другим нежелательным последствиям.
• Снижение потребляемой электроэнергии. Прямой пуск вызывает дополнительные энергозатраты. Кроме того, просадки напряжения в условиях ограниченной мощности сети отрицательно влияют на все подключенные устройства.
• Уменьшение расходов на оборудование коммутации. Электротехнические устройства для асинхронного привода выбирают с большим запасом мощности. Плавный пуск позволяет подключать более дешевые аппараты коммутации и защиты.

Плавный старт и разгон существенно расширяет сферы применения асинхронных электродвигателей.

Способы пуска асинхронных электродвигателей

Для запуска асинхронных двигателей используется разные методы. На практике наибольшее распространение получили следующие способы:

Устройство и схема плавного пуска асинхронного электродвигателя

Плавный пуск асинхронного электродвигателя необходим для продления его срока эксплуатации и минимизации работ, связанных с устранением возможных поломок.

Необходимость плавного запуска

Для того чтобы обеспечить необходимую пусковую мощность, следует увеличить номинальную мощность питающей сети. По этой причине оборудование может значительно подорожать. Причем очевиден и перерасход электроэнергии.

Одним из недостатков асинхронного электродвигателя является большой ток пуска. Он превышает номинальный в 5 — 10 раз. Ток с большими бросками может также возникнуть при торможении двигателя или при его реверсе. Это ведет к нагреву обмоток статора, а также слишком больших электродинамических усилий в частях статора и ротора.

Если вследствие возникшей аварийной ситуации двигатель перегрелся и вышел из строя всегда рассматривается возможность его ремонта. Но после перегрева параметры трансформаторной стали изменяются. Отремонтированный электродвигатель обладает номинальной мощностью на 30% меньшей, чем у него была ранее.

Для того чтобы ток ограничить используют пусковые реакторы, автотрансформаторы, резисторы и устройства плавного пуска двигателей — софт-стартеры.

Прямой запуск

В электросхеме прямого пуска машина непосредственно подключена к сетевому напряжению питания.

На схеме выше показана характеристика пускового тока при прямом старте. При таком подключении повышение температуры в обмотках машины минимальное.

Подключение осуществляется с помощью контактора (пускателя). В схеме применяется реле перегрузки для защиты электродвигателя. Однако такой метод применим, когда нет ограничений по току.

Во время старта машины пусковой момент ограничивают, чтобы сгладить резкий рывок, вследствие которого могут выйти из строя механические части привода и подсоединенные механизмы.

По этой причине производители крупных электродвигателей запрещают их прямой пуск.

Подключение «звезда-треугольник»

Одним из основных способов запуска машины является электросхема «звезда-треугольник». Такой старт возможен, для двигателей, у которых все начала и концы обмоток выведены.

Управление стартом по этой схеме состоит из трех контакторов, реле перегрузки и реле времени, управляющим контакторами.

Первоначально коммутация с сетью происходит по схеме «звезда». Контакторы К1 и К3 замкнуты. Затем, через определенное время, обмотки переключаются автоматически на схему «треугольник». Контакты К3 размыкаются, а контакты К2, наоборот, замыкаются. Реле времени в электросхеме служит для управления их переключением. На нем выставляется время разгона двигателя. При этом пусковые токи существенно снижаются.

Такой способ эффективен, но применяется он не всегда.

Старт через автотрансформатор

Однако здесь есть и недостаток. В процессе работы машина переключается на сетевое напряжение, что приводит к резкому скачку тока.

Устройства плавного пуска

В условиях плавного старта асинхронной машины с использованием в электросхеме силового блока тиристоров подается ток несинусоидальной формы. Ускорение и торможение происходят за короткий промежуток времени. Многие собирают устройство плавного пуска своими руками. Это намного снижает его цену.

В этой схеме тиристоры подключены в цепи параллельно по встречному принципу. К общему электроду поступает управляющее напряжение. Такое устройство принято называть симистором. В случае трехфазной системы он присутствует в каждом проводе.

Для того чтобы отвести тепло, выделяемое при нагревании полупроводников, применяются радиаторы. Габариты, вес и цена устройств при этом возрастает.

Существует и другой вариант для решения проблемы нагрева. В схему подключают шунтирующий контакт. После старта контакты замыкаются. В этом случае возникает параллельная цепь, сопротивление которой меньше сопротивления полупроводников. А ток, как известно, выбирает путь наименьшего сопротивления. Пока происходит этот процесс, симисторы остывают. Пример такого подключения приведен ниже на рисунке.

Типы устройств плавного старта

Их можно разделить на четыре категории.

• Регулирующие пусковой момент. Принцип действия их таков, что они осуществляют контроль одной фазы. Но при контроле плавного старта не снижают пусковые токи. Поэтому спектр применения их ограничен.
• Регулирующие напряжение с отсутствием сигнала обратной связи. Работают они по заданной программе и являются одними из самых распространенных в использовании.
• Регулирующие напряжение с сигналом обратной связи. Их принцип действия — способность менять напряжение и регулировать величину тока в заданном диапазоне.
• Регулирующие ток с наличием сигнала обратной связи. Являются самыми современными из всех устройств подобного типа. Обеспечивают наибольшую точность управления.

Софт-стартеры

Современные устройства плавного пуска выполнены, на микропроцессорах. И это существенно увеличивает их функциональные возможности по сравнению с аналоговыми. Эти устройства называют софт-стартерами. Они увеличивают срок службы исполнительных механизмов и самих электродвигателей.

С ними старт электродвигателя происходит с постепенным увеличением напряжения. Кроме этого, регулируется время разгона и время его торможения. Для того чтобы пониженное начальное напряжение не могло в электросхеме значительно снизить пусковой момент, его устанавливают в диапазоне 30 — 60% от номинального.

Плавная регулировка напряжения дает возможность плавного ускорения двигателя до номинальной скорости.

Необходимо отметить, что с применением софт-стартеров уменьшилось количество реле и контакторов в электрической цепи. Само по себе устройство софт-стартеров не является сложным. Они просты в монтаже и эксплуатации. Электросхема подключения показана на рисунке справа.

Однако существует ряд особенностей, которые обязательно следует учитывать при их выборе.

• Первое — это обязательный учет тока асинхронной машины. Поэтому выбор софт-стартера необходимо осуществлять учитывая полный ток нагрузки, не превышающий тока предельной нагрузки самого устройства,
• Второе — максимальное число стартов в час. Как правило, оно ограничено софт-стартером. Число запусков в час самой машины не должно превышать этот параметр,
• Третье — это напряжение самой электрической сети. Оно должно соответствовать паспортному значению устройства. Несоответствие может привести к его поломке.

Плавный пуск и регулировка оборотов электродвигателя с помощью таймера NE555

Притащил недавно зять, отец некоторых моих внуков, в гараж к себе довольно побитый детский электромобильчик (далее — машинка), что бы самые младшие ПДД осваивали. Мужик он рукастый, механику и электрику сам запустил, ко мне обратился вот почему — при трогании с места резкий рывок, у дитенка аж башка дергается. Он знал, что несколько лет назад я устанавливал устройства плавного пуска в машинки, которые в парках в выходные (и не только, возле каждого крупного магазина) сдавались в прокат, детям покататься, и припахал меня. Ну, наработки остались, почему бы и нет.

Машинка такого класса имеет:
— «газ», педаль, включатель без намека на регулирование;
— «коробка», переключатель быстро-медленно, включает оба двигателя либо параллельно (быстро), либо последовательно (медленно);
— «реверс», переключает полярность напряжения, подаваемого на двигатели. И все. Даже машинки, управляемые через блютуз, имеют такую же структурную схему. Есть варианты с использованием реле для ШИМ, но, как сказано в одном фильме: «Это несерьезно!» Итак, сильно упрощенная схема выглядит так. Рядом — включение нашего модуля.

Частотозадающая цепь состоит из С1 и R1, а соотношение лог. 1 и 0 – скважность – от положения ползунка R1, точнее, от соотношения сопротивлений верхней и нижней частей резистора. Эти части управляют скорость заряда или разряда конденсатора, зависит от диода. Когда они равны, длительность свечения и «несвечения» светодиода будут равны. В одном из крайних положений ползунка будет длительное свечение при коротком времени погасания, в другом – короткие вспышки.

Но изображенная схема хорошо работает при ручной регулировке, для нашей цели – плавного пуска – лучше использовать таймер NE555 (далее просто таймер), «заточенный» именно под такие режимы. Отечественный аналог КР1006ВИ1, другие аналоги: Philips — EGG955M, Maxim — ICM755, Motorola — MC1455/MC1555, National — LM1455/KM555C, NTE Silvania — NTE955M, Raytheon — RM555/RC555, RCA — CA555/CA555C, Sanyo — LC7555, Texas instruments — SN52555/SN72555. Полное описание приводить смысла нет, есть справочники, но суть в том, что у него есть вход «Контроль» (CTRL), 5 ножка микросхемы. Вот описание с «Радиокота»:
…5. Контроль. Этот вывод позволяет получить доступ к опорному напряжению компаратора №1, которое равно 2/3Vпит. Обычно, этот вывод не используется. Однако его использование может весьма существенно расширить возможности управления таймером. Все дело в том, что подачей напряжения на этот вывод можно управлять длительностью выходных импульсов таймера и, таким образом, забить на RC времязадающую цепочку. Подаваемое напряжение на этот вход в режиме моностабильного мультивибратора может составлять от 45% до 90% напряжения питания. А в режиме мультивибратора от 1,7в до напряжения питания. При этом мы получаем ШИМ сигнал на выходе. Если же этот вывод не используется, то его рекомендуется подключить к общему проводу через конденсатор 0,01мкФ (10нФ) для уменьшения уровня помех и всяких других неприятностей….

От себя добавлю, что если напряжение на 5 ноге равно или больше напряжения питания, генерация срывается, на выходе единица, ключ полностью открыт (что нам и надо).

Рассмотрим реальные схемы.
Самая первая серийная схема, разработанная и изготовленная на биполярных транзисторах. (Под словом «серийная» подразумевается, что их я изготовил более 10 штук).

Особенности этой схемы:
— куча мощных транзисторов (КТ819, потом КТ863) — плохо, занимают много места, нагрев;
— куча выравнивающих резисторов – очень плохо, занимают место, сильный нагрев;
— реле времени на тиристоре – большой конденсатор, занимает место;
— наушник, звуковой иммитатор разгона – хорошо, но занимает место.

Далее основная серийная схема. Эту рассмотрим подробнее.
Обеспечивает плавное трогание вперед, задний ход включается рывком. Для экономии заказчик с этим согласился. От звукового иммитатора отказались. Полевые транзисторы 55N06, выписанные из Китая, на 20% ушли в брак, но оставшиеся работали настолько хорошо (малые потери и нагрев), что от РВ не сразу, но отказались (детали K1, VD4, VT2, C5 и R5 не устанавливались). Интенсивность разгона определяется конденсатором С3 (от 1000,0 до 4700,0 мкФ) и резистором R1, номинал подобран экспериментально. Получить ограничение или возможность регулировки оборотов несложно, надо подключить параллельно С3 переменный или подстроечный резистор номиналом около 10…20 кОм, ползунок которого соединить с 5 ножкой таймера.

При движении назад плюс и минус меняются местами, питание 555 отсекается диодом VD2. Ток двигателя проходит через встроенный в полевик VT1 диод, у которого допустимый ток такой же, как и у основной структуры. Включенный последовательно с демпферным диодом VD3 резистор R8 мало влияет на его демпфирующие свойства, но защищает его от перегрузки при реверсе. Таймер здесь включен по нетиповой схеме, деталей меньше, функции те же. Питание на таймер подается через резистор R3 не только для улучшения фильтрации питания, а в основном для создания превышения напряжения на 5 ноге над напряжением питания таймера для «затыкания» его в нужном нам положении. Номинал его при использовании аналогов таймера может сильно отличаться из-за разного тока потребления. Резистор R6 и диоды VD2 и VD4 – для разрядки времязадающих конденсаторов С3 и С5 при отключении питания. Для устранения паузы в начале трогания между минусом С3 и минусом питания может устанавливаться не указанный на схеме подстроечный резистор порядка 1 кОм, настройка индивидуальная. Используется в описываемом изделии. Частота генерации определяется С2 и R2, при этих номиналах примерно 300…500 Гц, звуковой иммитатор дает приличную иммитацию разгона. Для более плавного разгона C3 можно увеличить до 4700,0 мкФ.

И схема с плавным пуском в обе стороны. Основные особенности:
— два транзисторных ключа 55N06;
— включение таймера через диодный мост, при любом подключении питание на него приходит в правильной полярности;
— т.к. падение напряжения на встроенном диоде неработающего полевика ощутимо, обязательно применение РВ, так же включенного через мост и имеющего две группы замыкающихся контактов;
— демпфер – конденсатор вместо диода.

Можно подавать напряжение в любой полярности – двигатель будет плавно разгоняться в нужную сторону.
По этой схеме и будем собирать наше изделие.

Немного о напряжении питания. Приходилось сталкиваться с 6, 12, 18 и 24 вольтовыми системами. 6В – маломощные устаревшие, приходилось ставить дефицитные 5-вольтовые реле. 12-вольтовые типовые, на 18 и 24 В надо ставить стабилитрон на таймер (как в самой первой схеме, либо микросхему типа 7812). На 24 вольтовых, самых быстрых, иногда, при большом накате, для ускоренной остановки нужен тормоз, это несложно.

При отключении питания реле закорачивает двигатель (динамическое торможение) через проволочный подстроечный резистор R1 номиналом несколько десятков Ом, которым подбирается интенсивность торможения.

Переходим к изготовлению.

Корпус есть. Небольшая доработка по выламыванию ненужных внутренностей.

Заготовки печатной платы сохранились, травить не надо.

Естественно, сразу не все пошло, но с помощью сами знаете чего изделие все-таки собрано.

Сейчас снимем ролик и вставим.

Показаны пуски двигателей напрямую и через наше изделие, всего 50 сек.

И еще о вариантах этих схем. Если будет интересно, обсудим.

Высоковольтный регулятор, есть хитрая функция.