Пуск электродвигателя постоянного тока

Подписка на рассылку

При подаче напряжения на электродвигатель происходит скачок напряжения, который называется пусковым током. Пусковой ток часто выше номинального от 5 до 10 раз, но отличается своей кратковременностью.

Процессы, протекающие при пуске двигателя

Когда на обмотке статора увеличивается токовая нагрузка, одновременно с этим увеличивается крутящий момент двигателя, передающийся на вал ротора. Резкое увеличение крутящего момента может вызвать резкое повышение температуры обмотки статора и привести к неисправностям в изоляции, что может стать причиной вибраций, механических деформаций и выхода двигателя из строя.

Чтобы избежать поломки электродвигателя, сразу после начала его работы пусковой ток понижается до номинальных частот вращения. Для снижения пускового тока применяют несколько способов, которые также позволяют стабилизировать напряжение электропитания. Существует несколько способов запуска двигателей постоянного тока.

При прямом пуске подключение обмотки якоря происходит непосредственно к электрической сети. Это означает, что двигатель подключается к источнику электропитания при своем номинальном напряжении. Прямой пуск электродвигателя используется, когда есть стабильное питание двигателя, который жестко связан с приводом. Это один из самых простых методов пуска.

Преимуществом прямого пуска является то, что при таком запуске температура повышается не столь значительно, если сравнивать с другими методиками. Если отсутствуют специальные ограничения на поступающий от электросети ток, то такой способ считается наиболее предпочтительным. Те электродвигатели, что предназначаются для частых пусков и отключений, оборудуются специальной системой управления, с контактором и термореле, которые защищают прибор от поломки.

Если электродвигатели имеют малую мощность и работают без частых остановок и пусков, то для его включения требуется самое примитивное оборудование. Обычно им является вручную работающий расцепитель. При такой схеме непосредственно на сами клеммы двигателя и подается напряжение. Для электродвигателей небольших размеров пусковой момент составляет 150–300 % от номинального, а сам пусковой ток — 300–800%.

Прямой пуск имеет то ограничение, что пик нагрузки некоторых крупных двигателей может быть в 15, а иногда и в 50 раз больше номинального. Такие нагрузки совершенно недопустимы, поэтому такой способ пуска применяется лишь на двигателях малой мощности.

Реостатный пуск электродвигателя постоянного тока

Реостатный пуск, в отличие от прямого, не имеет ограничений на мощность двигателя, поэтому его часто применяют на приборах большой мощности. Реостат для пуска изготавливается из провода, который имеет высокое удельное сопротивление и разделен на секции. Ток возбуждения, который возникает при включении двигателя, устанавливается таким образом, чтобы соответствовать номинальным значениям. Это необходимо для того, чтобы при пуске развивался максимально большой допустимый момент, что необходимо для быстрого разгона двигателя.

Реостатный пуск осуществляется вместе с последовательным уменьшением сопротивления реостата, что позволяет не допускать скачков электрического тока и гарантирует безопасность при включении даже самых мощных электродвигателей.

Пуск электродвигателя путем изменения питающего напряжения

Пуск путем изменения питающего напряжения является еще одним способом начать работу электродвигателя. При использовании реостатного пуска могут возникнуть большие потери энергии непосредственно в самом пусковом реостате. Для того чтобы избежать этих потерь и повысить экономичность и энергоэффективность, двигатель запускается с помощью очень плавного постепенного повышения напряжения, которое подается на обмотку якоря. Для такого способа требуется отдельный источник постоянного тока, с помощью которого можно регулировать напряжение. Для этого используют генераторы и управляемые выпрямители. Пуск путем изменения питающего напряжения двигателя является обычной практикой на тепловозах.

Способы запуска электродвигателя постоянного тока

Хорошие тяговые характеристики электрических машин постоянного тока сделали их неотъемлемым элементом большинства устройств промышленной и бытовой механизации. Но вместе с тем возникает и существенная проблема значительных пусковых токов, в сравнении с асинхронными электродвигателями, работающих на переменном напряжении. Именно поэтому многие специалисты детально изучают способы запуска электродвигателя постоянного тока, прежде чем включить агрегат.

Прямой пуск

Из всех электродвигателей постоянного тока основная градация при выборе способа их запуска должна учитывать мощность устройства.

В целом выделяют три вида пуска:

• малой мощности;
• средней;
• большой мощности.

Для прямого запуска подойдут только маломощные электродвигатели, которые потребляют до 1кВт электроэнергии в сети. При прямых запусках электродвигателя все напряжение сразу подается на рабочую обмотку. Это обуславливает возникновение максимального пускового тока из-за отсутствия естественной компенсации за счет ЭДС противодействия.

С физической точки зрения ситуация в обмотках ротора будет выглядеть следующим образом: в момент подачи напряжения сила тока в обмотках равна нулю, поэтому его значение будет определяться по формуле:

U – приложенная к выводам номинальное напряжение, R_обм – сопротивление катушки.

В этот момент величина токовой нагрузки электродвигателя постоянного тока является максимальной, он может отличаться от номинального значения в 1,5 – 2,5 раза. После этого протекание тока обуславливает генерацию ЭДС противодействия, которая компенсирует пусковую нагрузку до установки номинальной мощности, тогда ток станет:

В мощных устройствах сопротивление обмоток якоря может равняться 1 или 0,5 Ом, из-за чего ток при запуске электродвигателя может достигнуть 200 – 500 А, что в 10 – 50 раз будет превышать допустимые величины. Это, в свою очередь, может привести к термическому отпуску металла, деформации проводников, разрушению колец или щеток скользящего контакта. Поэтому двигатели постоянного тока средней и большой мощности должны вводиться в работу реостатным запуском или путем подачи заведомо пониженного напряжения, прямой пуск для них крайне опасен.

Пуск с помощью пускового реостата

В этом случае в цепь вводится переменное сопротивление, которое на начальном этапе обеспечивает снижение токовой нагрузки, пока вращение ротора не достигнет установленных оборотов. По мере стабилизации ампеража до стандартной величины в реостате уменьшается сопротивление от максимального значения до минимального.

Расчет электрической величины в этом случае будет производиться по формуле:

В лабораторных условиях уменьшение нагрузки может производиться вручную – посредством перемещения ползунка реостата. Однако в промышленности такой метод не получил широкого распространения, так как процесс не согласовывается с токовыми величинами. Поэтому применяется регулировка по току, по ЭДС или по времени, в первом случае задействуется измерение величины в обмотках возбуждения, во втором, на каждую ступень применяется выдержка времени.

Оба метода используются для запуска электродвигателей:

• с последовательным;
• с параллельным возбуждением;
• с независимым возбуждением.

Запуск ДПТ с параллельным возбуждением

Такой запуск электродвигателя осуществляется посредством включения и обмотки возбуждения, и якорной к напряжению питания электросети, друг относительно друга они располагаются параллельно. То есть каждая из обмоток электродвигателя постоянного тока находятся под одинаковой разностью потенциалов. Этот метод запуска обеспечивает жесткий режим работы, используемый в станочном оборудовании. Токовая нагрузка во вспомогательной обмотке при запуске имеет сравнительно меньший ток, чем обмотки статора или ротора.

Для контроля пусковых характеристик сопротивления вводятся в обе цепи:

Рис 1. Запуск ДПТ с параллельным возбуждением

На начальном этапе вращения вала позиции реостата обеспечивают снижение нагрузки на электродвигатель, а затем их обратно выводят в положение нулевого сопротивления. При затяжных запусках выполняется автоматизация и комбинация нескольких ступеней пусковых реостатов или отдельных резисторов, пример такой схемы включения приведен на рисунке ниже:

Рис. 2. Ступенчатый пуск двигателя параллельного возбуждения

• При подаче напряжения питания на электродвигатель ток, протекающий через рабочие обмотки и обмотку возбуждения, за счет магазина сопротивлений R_пуск1, R_пуск2, R_пуск3 нагрузка ограничивается до минимальной величины.
• После достижения порогового значения минимума токовой величины происходит последовательное срабатывание реле K1, K2, K3.
• В результате замыкания контактов реле K1.1 шунтируется первый резистор, рабочая характеристика в цепи питания электродвигателя скачкообразно повышается.
• Но после снижения ниже установленного предела замыкаются контакты K2.2 и процесс повторяется снова, пока электрическая машина не достигнет номинальной частоты вращения.

Торможение электродвигателя постоянного тока может производиться в обратной последовательности за счет тех же резисторов.

Запуск ДПТ с последовательным возбуждением

На рисунке выше приведена принципиальная схема подключения электродвигателя с последовательным возбуждением. Ее отличительная особенность заключается в последовательном соединении катушки возбуждения L_{возбуждения} и непосредственно мотора, переменное сопротивление R_якоря также вводится последовательно.

По цепи обеих катушек протекает одинаковая токовая величина, эта схема обладает хорошими параметрами запуска, поэтому ее часто используют в электрическом транспорте. Такой электродвигатель запрещено включать без усилия на валу, а регулирование частоты осуществляется в соответствии с нагрузкой.

Пуск ДПТ с независимым возбуждением

Подключение электродвигателя в цепь с независимым возбуждением производится путем ее запитки от отдельного источника.

Рис. 4. Запуск ДПТ с независимым возбуждением

На схеме приведен пример независимого подключения, здесь катушка L_{возбуждения} и сопротивление в ее цепи R_{возбуждения} получают питание отдельно от обмоток двигателя током независимого устройства. Для обмоток двигателя также включается регулировочный реостат R_якоря. При этом способе запуска машина постоянного тока не должна включаться без нагрузки или с минимальным усилием на валу, так как это приведет к нарастанию оборотов и последующей поломке.

Пуск путем изменения питающего напряжения

Одним из вариантов снижения токовой нагрузки при запуске электродвигателя является уменьшение питающего номинала посредством генератора постоянного напряжения или управляемого выпрямителя.

С физической точки зрения установка реостата обеспечивает тот же эффект, но с увеличением мощности электродвигателя возрастает и постоянная токовая нагрузка, существенно повышаются потери на реостатах. Поэтому снижение постоянного напряжения выполняет отдельное устройство на базе микросхемы, пример которого приведен на рисунке ниже:

Рис. 5. Схема пуска с изменением питающего напряжения

Как происходит пуск двигателя постоянного тока

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.

Что происходит при пуске двигателя

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.

• 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.

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.

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.

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 переменного тока.

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.

Управление большими двигателями 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%.

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.