Устройства плавного пуска электродвигателя: возможности, виды и стоимость решений. Устройства плавного пуска (Софтстартеры)

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

Устройство плавного пуска (УПП) — это устройство механического, электротехнического или электромеханического типа, которое необходимо для электродвигателей. Оно позволяет запустить либо остановить мотор без перегрузки (с большим моментом страгивания). Также УПП влияет на высоту пускового тока . Регулировка крутящего момента двигателя — основная особенность механизма. В данном случае оказывается меньшая нагрузка на мотор. Всё это позволяет уменьшить износ привода. Стандартный двигатель при пуске за
очень короткое время достигает высокого крутящего момента. Также изменения происходят по параметру пускового тока. Нагрузку на электрическую сеть можно оценить, подключив мощный двигатель с включенной лампой. При резком старте можно наблюдать повышение нагрузки в цепи, и лампа в этот момент не будет ярко светить. Для промышленного предприятия такие проблемы недопустимы. Стоит учитывать номинальное напряжение устройств. Единственным правильным решением считается контроль уровня пускового тока. Это достигается за счёт плавного увеличения напряжения на обмотках электродвигателя.

При подключенном устройстве плавного пуска обмотка не перегревается, и нет проблем с износом механической части привода. Также серьезной проблемой считается повреждение задвижек. При резком пуске или остановке данные элементы испытывают большие нагрузки за счёт гидравлических ударов. Сразу стоит сказать, что многое зависит от настройки УПП.

По конструкции различают:

Механические устройства. (делаются с тумблером, который переключается вручную).
Электронные УПП (делаются с контактором, который включает устройство автоматически при запуске мотора).
Электромеханические модели (делаются с тумблером включения и контактором).

По принципу работы разделяет:

Однофазные модели.
Двухфазные устройства.
Трехфазный тип.

Механические устройства работают в цепи переменного тока, и подходят для двигателей разной мощности . Устройства хорошо справляются с защитой привода от перегрузки, а также перегрева при значительном крутящем моменте. При правильной настройке УПП снижается риск износа в контактах вследствие влияния электромагнитных помех.

Электромеханические модели функционируют от полупроводниковой платы , неотъемлемой частью которой является байпасный контактор . В момент, когда мотор достигает своей номинальной мощности, представленный элемент напрямую может влиять на величину напряжения.

Электронные УПП являются наиболее распространенным. Современные модели способны быстро ограничивать ток. Без какого-либо перекоса по фазам УПП влияют на силу магнитного поля. Устройства могут функционировать с функцией обратной связи, а также без неё . Первый тип считается усовершенствованным за счёт возможности регулировки фазового сдвига. УПП с функцией обратной связи напрямую влияют на уровень тока в обмотках двигателя. Модели без этой опции работают в двухфазной и трехфазной цепи. В данном случае изменения токовые нагрузки происходит согласно заранее произведенным настройкам.

Примером однофазного УПП является модель SOFT-START AST2-30A ,
номинальная мощность которой составляет 15 кВт. Устройство имеет надежную систему защиты, и предельное напряжение равняется 480 Вольт. Рабочая частота заявлено на уровне 60 Гц. Устройство является довольно компактным и весит лишь 1,5 кг.

Примером двухфазного устройства плавного пуска электродвигателя является модель SOFT-START AST2-85A . Тут предусмотрена защита от пропадания входной фазы. Если говорить про показатели, то номинальный ток равняется 85 А, и устройство работает в сети с напряжением 480 Вольт. Номинальная мощность — 45 кВт, а частота не превышает 60 Гц. Наличие защиты от потери фазы двигателем — очередное преимущество. Если говорить про физические параметры, то длина оборудования равняется 330 мм при ширине 150 мм, а вес устройства — 55 кг.

Устройство

Стандартный УПП включает в себя следующие узлы:

Тиристоры для регулировки напряжения.
Блок печатных плат, необходимых для управления тиристорами.
Радиаторы, обеспечивающие рассеивание тепла.
Трансформатор тока для измерения основных показателей.
Корпус устройства.

Выбор качественной модели

При подборе УПП стоит учитывать мощность двигателя , и обращать внимание на такой параметр, как номинальный ток . Сразу стоит сказать, что лидерами на рынке устройств плавного пуска считаются компаний 220 вольт и Сименс. В первую очередь рекомендуется рассмотреть модели с номинальным током от 3 до 29 ампер. Такие устройства подходят для двигателей мощностью от 3 кВт. У стандартной модели напряжение цепи управления (максимальное) составляет 415 Вольт. Специалисты рекомендуют обращать внимание на такие дополнительные параметры:

Рассеиваемая мощность.
Частота источника питания (предельная).
Габариты.
Минимальная рабочая температура.
Ток дискретного выхода.
Продолжительность работы.
Отклонение частоты.

Модели низкой ценовой категории не подходят для конвейеров и мощных ленточных транспортеров. Чаще всего такие устройства выбираются для насосов и вентиляторов. Для компрессоров стоит подбирать устройство плавного пуска двигателя с надежной системой защиты. В этом плане хорошо показали себя модели компании 220 вольт. Если рассматривать модификации на 25 Ампер, то она хорошо подойдет для двигателя на 10 кВт.

Стандартное устройство может свободно работать в сети трехфазного переменного тока . Частота питающей сети стартует от 50 Гц. Важно уточнить информацию по току дискретного выхода, и не забывать про минимальную рабочую температуру. Если подбирать устройство Сименс, можно найти интересные варианты на 82 и 130 ампер. У моделей частота питающей сети составляет 50-60 Гц. Ток дискретного выхода при этом не превышает 2 ампер, а напряжение (максимальное) находится на уровне 40 В. Большинство моделей могут применяться в сети трехфазного переменного тока. Предельное напряжение источников питания составляет 300 и более вольт. Также стоит обратить внимание на конструктивные особенности УПП. У многих современных моделей используются внутренние реле байпаса. Лучше не рассматривать устройства, при установке которых требуется гальваническая развязка.

Особенности подключения оборудования

При проведении монтажных работ следует учесть, что поднимать УПП за соединительные шины строго настрого запрещается. Стандартная модель, как правило, устанавливается при помощи болтов М6 , а также дополнительных фиксаторов . Существуют модификации, для которых подбирается защитный корпус. В инструкции к товару всегда можно ознакомиться с физическими размерами оборудования.

Также в документации приводятся данные по фиксации защитного корпуса. Стоит учесть, что он не должен быть слишком мал, поскольку это приводит к перегреву тиристора. Выбор места установки — еще один важный аспект. Снизу и сверху оборудования должно быть достаточно места для циркуляции воздуха. Также следует исключить случаи попадания на устройство какой-либо жидкости либо пыли. Важно отметить, что полупроводники не способны заменить воздушную изоляцию. Таким образом, при монтаже применяется линейный контактор.

Все работы проводятся при отключенном напряжении. Модификации двухфазного типа подключаются последовательно по схеме. Отдельно стоит рассмотреть УПП с соединительным модулем. При монтаже таких устройств с кабелей снимается изоляция. На первом этапе они подсоединяется к клеммам. Далее кабели подводятся к электродвигателю.

Принцип работы устройств плавного пуска

Есть большое количество величин, влияющих на работу асинхронного электропривода. Для изменения переходных процессов используется коммутационная аппаратура . За счёт неё достигается изменение уровня сопротивления и затухание магнитного поля. У
некоторых моделей для этого предусмотрены специальные муфты либо блокираторы. Регулировка пропускаемого тока происходит благодаря полупроводниковым вентилям, которые управляются. Они считаются эффективным коммутирующим элементом. Благодаря тиристорам можно первоначально задавать необходимые условия работы. Так, можно менять показатели питающей системы напряжения.

Асинхронный электродвигатель имеет возможность самостоятельного запуска из-за взаимодействия между вращающимся потоком магнитного поля и потоком обмотки ротора, вызывая высокий ток в нём. В результате статор потребляет большой ток, который к моменту достижения двигателем полной скорости становится больше номинального, что может привести к нагреву двигателя и его повреждению. Для предотвращения этого необходимо устройство плавного пуска электродвигателя (УПП).

Принцип работы пускателя

Он заключается в том, что устройство регулирует напряжение, приложенное к двигателю во время пуска, контролируя характеристики тока. Для асинхронных двигателей пусковой момент приблизительно пропорционален квадрату пускового тока. Он пропорционален приложенному напряжению. Крутящий момент также можно считать приблизительно пропорциональным приложенному напряжению, таки образом регулируя напряжение во время пуска, ток, потребляемый машиной, и его крутящий момент контролируются устройством и могут быть уменьшены.

Используя шесть SCR в конфигурации, как показано на рисунке устройство плавного пуска может регулировать напряжение, подаваемое на двигатель при запуске от 0 вольт до номинального линейного напряжения. Плавный пуск электродвигателя может осуществляться тремя способами:

Прямой запуск с применение полного напряжения нагрузки.
Применяя постепенно пониженное.
Применение пуска частичной обмотки с помощью стартёра автотрансформатора.

УПП могут быть двух типов:

Открытое управление : напряжение пуска подаётся с задержкой во времени независимо от тока или скорости двигателя. Для каждой фазы два SCR проводятся сначала с задержкой на 180 градусов в течение соответствующих полуволновых циклов (для которых выполняется каждый SCR). Эта задержка постепенно уменьшается со временем до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет номинального значения. Она также известна, как система временного напряжения. Этот метод фактически не контролирует ускорение двигателя.
Контроль замкнутого контура : контролируются любые характеристики выходного сигнала двигателя, такие как текущий ток или скорость. Пусковое напряжение изменяется соответственно для получения требуемого отклика. Таким образом, задачей УПП является контроль угла проводимости SCR и управление напряжением питания.

Преимущества плавного пуска

Твердотельные плавные пускатели используют полупроводниковые приборы для временного снижения параметров на клеммах двигателя. Это обеспечивает контроль тока двигателя, чтобы уменьшить крутящий момент предельного значения двигателя. Управление основано на управлении напряжением клемм двигателя на двух или трёх фазах.

Несколько причин, почему этот метод предпочтительнее других:

Повышенная эффективность : эффективность системы УПП с использованием твердотельных переключателей обусловлена в основном низким состоянием напряжения.
Управляемый запуск : пусковые параметры можно контролировать, легко изменяя их, что обеспечивает запуск его без каких-либо рывков.
Управляемое ускорение : ускорение двигателя контролируется плавно.
Низкая стоимость и размер : это обеспечивается с использованием твердотельных переключателей.

Компоненты твердотельных устройств

Выключатели питания, такие как SCR, которые подвергаются фазовому контролю для каждой части цикла. Для трехфазного двигателя два SCR подключаются к каждой фазе. Реле плавного пуска электродвигателя должны быть рассчитаны как минимум в три раза больше, чем линейное напряжение.

Рабочий пример системы для трехфазного асинхронного двигателя. Система состоит из 6 SCR, контрольной логической схемы в виде двух компараторов - LM324 и LM339 для получения уровня и напряжения рампы и оптоизолятора для управления приложением напряжения затвора к SCR на каждой фазе.

Таким образом, управляя длительностью между импульсами или их задержкой, управляемый угол SCR контролируется и регулируется подача питания на этапе пуска двигателя. Весь процесс на самом деле представляет собой систему управления с разомкнутым контуром, в которой контролируется время применения импульсов запуска затвора для каждого SCR.

Основы SCR

SCR (Silicon Controlled Rectifier) представляет собой управляемый стабилизатор мощности постоянного тока с высокой мощностью. Устройства плавного пуска асинхронных двигателей SCR представляет собой четырехслойное кремниевое полупроводниковое устройство PNPN. Оно имеет три внешних терминала и использует альтернативные символы на рисунке 2 (a) и имеет транзисторную эквивалентную схему на рисунке 2 (b).

Основной способ использования SCR в качестве переключателя с анодом, положительным относительно катода, управляемым в момент запуска машины.

Основные характеристики SCR можно понять с помощью этих диаграмм. Устройство плавного пуска электродвигателя можно включить и заставить действовать как выпрямитель с прямым смещением кремния, кратковременно применяя к нему ток затвора через S2. SCR быстро (в течение нескольких микросекунд) автоматически защёлкивается во включённое состояние и остаётся включённым даже при удалении привода затвора.

Это действие показано на рисунке 2 (b) ток начального затвора включается Q1, а ток коллектора Q1 включается Q2, ток коллектора Q2 затем удерживает Q1, даже когда привод затвора удаляется. Потенциал насыщения составляет 1 В или около того и создаётся между анодом и катодом.

Для включения SCR требуется только короткий импульс затвора. Как только SCR будет зафиксирован, он может быть снова отключён, кратковременно уменьшая его ток анода ниже определённого значения, как правило, несколько миллиампер, в приложениях АС выключение происходит автоматически в точке пересечения нуля в каждом полупериоде.

Значительный коэффициент усиления доступен между затвором и анодом SCR, а низкие значения тока затвора (обычно несколько мА или меньше) могут контролировать высокие значения анодного тока (до десятков усилителей). Большинство SCR имеют анодные номиналы в сотни вольт. Характеристики затвора SCR аналогичны характеристикам транзисторного соединения - эмиттера транзистора (см. Рис. 2 (b)).

Внутренняя ёмкость (несколько pF) существует между анодом и затвором SCR, и резко возрастающее напряжение, появляющееся на аноде, может вызвать достаточный прорыв сигнала к затвору для включения SCR. Этот «эффект скорости» может быть вызван переходными процессами на линии питания и т. д. Проблемы с эффектом скорости можно преодолеть, проводя сеть сглаживания CR между анодом и катодом, чтобы ограничить скорость подъёма до безопасного значения.

Сетевое напряжение переменного тока (рис. 5) выпрямляется с помощью пассивного диодного моста. Это означает, что диоды срабатывают, когда линейное напряжение больше напряжения на секции конденсатора. Результирующая форма волны имеет два импульса в течение каждого полупериода, по одному для каждого окна диодной проводимости.

Форма волны показывает некоторый непрерывный ток, когда проводимость переходит от одного диода к следующему. Это типично, когда он используется в звене постоянного тока привода и присутствует некоторая нагрузка. Инверторы используют широко-импульсную модуляцию для создания выходных сигналов. Треугольный сигнал генерируется на несущей частоты, с которой инвертор IGBT переключится.

Эта форма сигнала сравнивается с синусоидальной формой волны на основной частоте, которая должна быть доведена до двигателя. Результатом является волновая форма U, показанная на рисунке.

Выход инвертора может быть любой частотой ниже или выше частоты линии до пределов инвертора и/или механические пределы двигателя. Нужно обратить внимание на то, что привод всегда работает в пределах рейтинга скольжения двигателя.

Процесс регулирования пуска

Сроки включения SCR - это ключ к управлению выходом напряжения для УПП. В течение пуска логическая схема УПП определяет, когда включить SCR. Он не включает SCR в точке, где напряжение идёт от отрицательного к положительному, но ждёт некоторое время после этого. Это известный процесс, называемый как «постепенное восстановление» SCR. Точка включения SCR установлена или запрограммирована тем, что начальный крутящий момент, начальный ток или ограничение тока строго регулируется.

Результат поэтапного восстановления SCR представляет собой несинусоидальное пониженное напряжение на выводах двигателя, которое показано на рисунках. Поскольку двигатель является индуктивным, а ток отстаёт от напряжения, SCR остаётся включённым и проводит, пока ток не достигнет нуля. Это происходит после того, как напряжение стало отрицательным. Выход напряжения индивидуального SCR.

Если сравнивать с формой полного напряжения, можно видеть, что пиковое напряжение совпадает с полным волновым напряжения. Однако ток не увеличивается до того же уровня, что и при приложении полного напряжения из-за индуктивного характера двигателей. Когда это напряжение подаётся на двигатель, выходной ток выглядит, как на рисунке.

Поскольку частота напряжения равна так же, как и линейная, частота тока тоже одинакова. SCR поэтапно переходят к полной проводимости, пробелы в токе заполняются до тех пор, пока волновая форма не будет выглядеть так же, как у двигателя.

Такой плавный пуск асинхронного электродвигателя в отличие от привода переменного тока, имеет характеристики тока в сети и тока двигателя всегда одинаковыми. Во время запуска изменение тока зависит напрямую от величины приложенного напряжения. Крутящий момент двигателя изменяется, как квадрат приложенное напряжение или тока.

Наиболее важным фактором при оценке является крутящий момент двигателя. Стандартные двигатели производят приблизительно 180% от момента полной нагрузки при запуске. Следовательно, 25%-е снижение параметров будет равно крутящему моменту полной нагрузки. Если двигатель потребляет 600% от полного тока нагрузки при запуске, то ток в этой схеме уменьшит пусковой ток от 600% до 450% нагрузки.

Схемы подключения пускателей

Существует два варианта, с помощью которых стартер осуществляет запуск электродвигателя: стандартная схема и внутри треугольника.

Стандартная схема. Пускатель соединён последовательно с линейным напряжением, подаваемым на двигатель.

Внутри треугольника существует ещё одна схема, по которой подключён пускатель, называется схемой внутренней дельты. В этой схеме два кабеля, которые подключаются к одному из двигателей, присоединяются непосредственно к источнику питания I/P, а другой кабель будет подключён через пускатель. Одна особенность этой схемы заключается в том, что пускатель можно использовать для больших двигателей, например, для двигателей мощностью 100 кВт, поскольку фазные токи делятся на 2 части.

Электрические двигатели получили широкое применение в любых сферах деятельности человека. Однако при запуске электродвигателя происходит семикратное потребление тока, вызывающее не только перегрузку сети питания, но и нагрев обмоток статора, а также выход из строя механических частей. Для устранения этого нежелательного эффекта радиолюбители советуют применять устройства плавного пуска электродвигателя.

Плавный пуск двигателя

Статор электродвигателя представляет собой катушку индуктивности, следовательно, существуют активная и реактивная составляющие сопротивления (R). Значение реактивной составляющей зависит от частотных характеристик питания и во время запуска колеблется в пределах от 0 до расчетного значения (при работе инструмента). Кроме того, изменяется ток, называемый пусковым.

Ток пуска превышает в 7 раз значение номинального. При этом процессе происходит нагрев обмоток статорной катушки и, в том случае, если провод, из которого состоит обмотка, является старым, то возможно межвитковое КЗ (при уменьшении величины R ток достигает максимального значения). Перегрев влечет снижение срока эксплуатации инструмента. Для предотвращения этой проблемы существуют несколько вариантов использования устройств плавного пуска.

Переключением обмоток устройство плавного пуска двигателя (УПП) состоит из следующих основных узлов: 2 вида реле (управление временем включения и нагрузкой) , трех контакторов (рисунок 1).

Рисунок 1 - Общая схема устройства плавного пуска асинхронных двигателей (мягкого пуска).

На рисунке 1 изображен асинхронный двигатель. Его обмотки соединены по типу подключения «звезда». Запуск осуществляется при замкнутых контакторах K1 и K3. Через определенный временной интервал (задается при помощи реле времени) контактор К3 размыкает свой контакт (происходит отключение) и происходит включение контактом К2. Схема на рисунке 1 применима и для УПП двигателей различного типа.

Главным недостатком считается образование токов КЗ при одновременном включении 2-х автоматов. Эта проблема исправляется внедрением в схему вместо контакторов рубильника. Однако обмотки статора продолжают греться.

При электронном регулировании частоты пуска электромотора используется принцип частотного изменения питающего напряжения. Основным элементом этих преобразователей является преобразователь частоты, включающий в себя:

Выпрямитель собирается на полупроводниковых мощных диодах (возможен вариант тиристорного исполнения). Он преобразует величину сетевого напряжения в пульсирующий постоянный ток.
Промежуточная цепь сглаживает помехи и пульсации.
Инвертор необходим для преобразования сигнала, полученного на выходе промежуточной цепи, в сигнал переменной амплитудной и частотной характеристиками.
Электронная схема управления генерирует сигналы для всех узлов преобразователя.

Принцип действия, виды и выбор

Во время увеличения вращающего момента ротора и Iп в 7 раз для продления срока службы необходимо использовать УПП, которое отвечает следующим требованиям:

Равномерное и плавное увеличение всех показателей.
Управление электроторможением и пуском двигателя в определенные временные интервалы.
Защита от скачков напряжения, пропадании какой-либо фазы (для 3-х фазного электродвигателя) и помех различного рода.
Повышение износостойкости.

Принцип действия симисторного УПП: ограничение величины напряжения благодаря изменению угла открытия симисторных полупроводников (симисторов) при подключении к статорным катушкам электродвигателя (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема плавного пуска электродвигателя на симисторах.

Благодаря применению симисторов появляется возможность снизить пусковые токи в 2 и более раз, а наличие контактора позволяет избежать перегрева симисторов (на рисунке 2: Bypass). Основные недостатки симисторных УПП:

Применение простых схем возможно только при небольших нагрузках или холостом запуске. В противном случае схема усложняется.
Происходит перегрев обмоток и полупроводниковых приборов при продолжительном запуске.
Двигатель иногда не запускается (приводит к значительному перегреву обмоток).
При электротормозе электромотора возможен перегрев обмоток.

Широко применяются УПП с регуляторами, в которых отсутствует обратная связь (по 1 или 3 фазам). В моделях этого типа необходимо устанавливать время пуска электромотора и напряжение непосредственно перед началом пуска. Недостаток устройств - невозможность регулировать вращающий момент подвижных механических частей по нагрузке. Для устранения этой проблемы нужно применить устройство по снижению Iп, защиты от различной разности фаз (возникает во время перекоса фаз) и механических перегрузок.

Более дорогостоящие модели УПП включают в себя возможность слежения за параметрами работы электродвигателя в непрерывном режиме.

В устройствах, содержащих электромоторы, предусмотрены УПП на симисторах. Они отличаются схемой и способом регуляции сетевого напряжения. Простейшие схемы - схемы с однофазным регулированием. Они исполняются на одном симисторе и позволяют смягчить нагрузки на механическую часть, и применяются для электромоторов с мощностью менее 12 кВ. На предприятиях применяется 3-х фазное регулирование напряжения для электромоторов мощностью до 260 кВт. При выборе вида УПП необходимо руководствоваться следующими параметрами:

Мощность устройства.
Режим работы.
Равенство Iп двигателя и УПП.
Количество запусков за определенное время.

Для защиты насосов подходят УПП, защищающие от ударов с гидравлической составляющей трубы (Advanced Control). УПП для инструментов выбираются, исходя из нагрузок и больших оборотов. В дорогих моделях этот тип защиты в виде УПП присутствует, а для бюджетных необходимо изготавливать его своими руками. Применяется в химических лабораториях для плавного запуска вентилятора, охлаждающего жидкости.

Причины применения в болгарке

Благодаря особенностям конструкции при старте угловой шлифовальной машинки происходят высокие динамические нагрузки на детали инструмента. При начальном вращении диска, ось редуктора подвержена действию сил инерции:

Инерционный рывок может вырвать болгарку из рук. Происходит угроза жизни и здоровью, так как этот инструмент очень опасен и требует строгого соблюдения техники безопасности.
При запуске происходит перегрузка по току (Iпуска = 7*Iном). Происходит преждевременный износ щеток, перегрев обмоток.
Изнашивается редуктор.
Разрушение режущего диска.

Ненастроенный инструмент становится очень опасным, ведь существует вероятность причинения вреда здоровью и жизни. Поэтому необходимо его обезопасить. Для этого и собираются УПП для электроинструмента своими руками.

Создание своими руками

Для бюджетных моделей угловой шлифовальной машинки и другого инструмента необходимо собрать свое УПП. Сделать это несложно, ведь благодаря интернету, можно найти огромное количество схем. Наиболее простая и, в то же время, эффективная - универсальная схема УПП на симисторе и микросхеме.

При включении болгарки или другого инструмента происходит повреждение обмоток и редуктора инструмента, связанного с резким запуском. Радиолюбители нашли выход из этой ситуации и предложили простой плавный пуск для электроинструмента своими руками (схема 1), собранную в отдельном блоке (в корпусе очень мало места).

Схема 1 - Схема плавного пуска электроинструмента.

УПП своими руками реализуется на основе КР118ПМ1 (фазовое регулирование) и силовой части на симисторах. Основной изюминкой устройства является его универсальность, ведь его можно подключить к любому электроинструменту. Оно не только легко монтируется, но и не требует предварительной настройки. В основном подключение системы к инструменту не является сложным и устанавливается в разрыв кабеля питания.

Особенности работы модуля УПП

При включении болгарки на КР118ПМ1 подается напряжение и на управляющем конденсаторе (С2) происходит плавный рост напряжения по мере роста заряда. Тиристоры, находящиеся в микросхеме, открываются постепенно с определенной задержкой. Симистор открывается с паузой, равной задержке тиристоров. Для каждого последующего периода напряжения происходит постепенное уменьшение задержки и инструмент плавно запускается.

Зависит время набора оборотов от емкости С2 (при 47 мк время запуска равно 2 секунды). Эта задержка является оптимальной, хотя ее можно менять путем увеличения емкости С2. После выключения углошлифовальной машинки (УШМ) происходит разряд конденсатора С2 благодаря резистору R1 (время разрядки примерно равно 3 секунды при 68к).

Эту схему для регулировки оборотов электродвигателя можно модернизировать путем замены R1 на переменный резистор. При изменении величины сопротивления переменного резистора меняется мощность электромотора. Резистор R2 выполняет функцию контроля величины силы тока, который протекает через вход симистора VS1 (желательно предусмотреть охлаждение вентилятором), являющийся управляющим. Конденсаторы С1 и С3 служат для защиты и управлением микросхемы.

Симистор подбирается со следующими характеристиками: напряжение прямое максимальное до 400–500 В и минимальный ток пропускания через переходы должен быть не менее 25 А. При изготовлении УПП по этой схеме запас по мощности может колебаться от 2 кВт до 5 кВт.

Таким образом, для увеличения срока службы инструментов и двигателей, необходимо производить их плавный запуск. Это связано с конструктивной особенностью электромоторов асинхронного и коллекторного типов. При запуске происходит стремительное потребление тока, из-за которого происходит износ электрической и механической частей. Использование УПП позволяет обезопасить электроинструмент, благодаря соблюдению правил техники безопасности. При модернизации инструмента возможна покупка уже готовых моделей, а также сборка простого и надежного универсального устройства, которое не только отличается, но и даже превосходит некоторые заводские УПП.

Устройства плавного пуска электродвигателей являются статическими электронными или электромеханическими устройствами, предназначенными для плавного ускорения и плавного замедления, а также для защиты трехфазных индукционных электродвигателей.

Устройства плавного пуска УПП осуществляют действия по снижению величины пускового тока и помогают осуществить согласование крутящего момента двигателя и момента нагрузки.

Принцип работы устройства плавного пуска

Управление напряжением, подаваемым на двигатель, осуществляется посредством изменения угла открытия тиристоров. В устройстве находятся два встречно-включенных тиристора, предназначенных для положительного и отрицательного полупериодов. Сила тока в третьей фазе, оставшейся без управления складывается из токов фаз под управлением.

После осуществления настройки, значение вращающего момента при пуске машины оптимизируется до предельно низкой величины пускового тока. Значение тока электродвигателя уменьшается параллельно значению установленного пускового напряжения на пуске. Величина пускового момента уменьшается в квадратичном отношении к напряжению.

Уровень напряжения осуществляет контроль пускового тока и момента двигателя при запуске и остановке двигателя.

Наличие в устройстве байпасных контактов, которые шунтируют тиристоры, способствует понижению тепловых потерь в тиристорах, а соответственно понижению нагрева всего устройства. Встроенная электронная дугогасительная система защищает контакты в случае появления повреждений в результате непредвиденных сбоев в работе, например, при прерывании подачи напряжения, возникновении вибрации или дефекте контактов.

Баланс полярности

Недостаток 2-фазного управления в устройстве плавного пуска асинхронного двигателя проявляется в появлении постоянного тока, вызванного фазовой отсечкой и наложением фазных токов, при которых возникает сильный акустический шум, выделяемый электродвигателем.

Применение метода «баланс полярности» значительно понижает влияние значений постоянного тока во время разгона двигателя, соответственно снижается акустическая характеристика запуска, достигается это благодаря балансированию полуволн различной полярности в процессе разгона двигателя.

Интерфейс устройства

Интерфейс устройства плавного пуска УПП «человек-машина» разрешает производить настройку параметров, существенно облегчая и упрощая осуществление процесса запуска и эксплуатации двигателя. Встроенная функция управления насосом предотвращает возникновение гидравлического удара.

Рис 4. Устройство плавного пуска электродвигателя — схема фидерной комбинации с AS -интерфейсом

Интерфейс состоит из двух дисплеев с сегментными индикаторами и ЖК-дисплеем, позволяющим обеспечить видимость на значительном расстоянии, включает в свой состав описание параметров и сообщений.

В возможности аппаратуры входит выбор режима программирования и языковые опции. Осуществляет копирование параметров из одного устройства в другое, увеличивая скорость программирования, повышая надежность оборудования и получая возможность корректирования и внесения идентичных параметров на одинаковых машинах.

Плавный пуск для однофазного двигателя

Устройство плавного пуска однофазного электродвигателя, применяемого в быту, активируется при подаче ~Uк выводам L1 и L2.

Происходит увеличение значение линейного напряжения в течение определенного отрезка времени до достижения его предельного значения. Выводы Т-2 и Т-3 постоянно запитаны от питающей сети. Время процесса регулируется регулятором, в диапазоне до 20 сек. С повышением параметров напряжения происходит увеличение вращающего момента. После окончания запуска, через шунтирующий контактор (байпас) происходит подключение двигателя от сети.

Устройство плавного пуска электродвигателя насоса

Устройство плавного пуска для насоса с использованием преобразователя частоты осуществляет следующие операции это:

Осуществление плавного пуска и торможения насосного агрегата.
Производство автоматического коммутирования в зависимости от показателей уровня и параметров давления жидкости.
Защиту агрегата от «сухого хода», то есть без жидкости.
Защита агрегата при критическом снижении параметров напряжения.
Осуществление защитных действий от перенапряжения на входе преобразователя.
Сигнализирует о включении, отключении агрегата, а также при аварии.
Осуществляет местный обогрев.

Подключение электродвигателя осуществляется от контактов U,V,W преобразующего частотного устройства. Пусковая кнопка SB2 вызывает срабатывание реле К1 через ее контактную группу происходит соединение вводов STF и PS частотного преобразователя, который производит плавный запуск электрического насоса, который осуществляется по заложенному программному обеспечению, включенному в настройку устройства.

Датчик определяющий давление ВР1 запитан от ввода преобразователя, делает возможной наличие обратной связи в цепи стабилизирующей давление. Работа этой системы происходит при обеспечении ПИД-регулятора. Потенциометр К1 или частотный преобразователь выполняют функцию по поддержанию заданных параметров давления. Насосный агрегата, при появлении «сухого» хода, должен отключаться для зашиты, в этом случае, контакты 7-8 в цепи катушки реле К3 замыкаются, отключение происходит при срабатывании датчика «сухого» хода подключенного от реле сопротивления А2 . Реле К2 осуществляет защитную функцию по отключению электродвигателя агрегата при аварии. При аварии происходит включение лампыНL1, лампа НL2 зажигается после срабатывания датчика реагирующего на понижение водяного уровня, на недопустимое значение.

Термореле ВК1 осуществляет включение подогрева шкафа управления контактором КМ1, электронагревателей ЕК1 и ЕК2. Защита устройства от тока короткого замыкания и перегруза производится автоматом QF1.

Высоковольтное устройство плавного пуска его отличительные особенности

К отличительным особенностям относятся:

Наличие оптоволоконного управления тиристорами.
Управление на микропроцессорах.
Способность к работе при повышенной температуре.
Возможность задания различных алгоритмов и характеристик пуска и торможения для разных видов нагрузки.
Способность к интеллектуальной защите.
Возможность осуществления пуска при слабых источниках питания.
Осуществление степени защиты от IP 00 доIP 65

Важно: при наладке устройства плавного пуска нужно чтобы установленное время разгона было больше физического времени разгона двигателя, иначе присутствует возможность получения повреждения устройства, так внутренние байпасные контакты замыкаются по истечении времени пуска. В том случае если не произошел разгон двигателя, может выйти из строя система байпасных контактов.

Важно: автоматический повторный пуск опасен не только повреждением устройства, но и может привести к смерти людей и тяжелому травматизму.

Команда запуск, обязана сбрасываться до команды сброса, так как при наличии команды запуска после команды сброса, автоматически выполняется повторный перезапуск. Особенно это касается защиты двигателя.

Для безопасности желательно присоединить выход общей ошибки в систему управления.

Рекомендация: нежелательность автоматического пуска, диктует необходимость присоединения дополнительных компонентов, например, устройства выпадения фазы или нагрузки, с цепями управляющего и главного тока.