Плавный двигатель


PSoC – «Плавный» ход шагового двигателя

PSoC – «Плавный» ход шагового двигателя

Стандартный шаговый двигатель от 5-дюймового дисководаможно заставить вращаться плавно и использовать, например, для привода секундной стрелки в часах.Тока, отдаваемого микросхемой PSoC, оказывается достаточно для прямого подключения обмоток двигателя к выводам микросхемы.

Для «плавного» вращения шагового (синхронного) двигателя обычно используется микрошаговый режим. Это означает, что токи в обмотках по мере их переключения меняются не скачком, а достаточно плавно – ток в одной обмотке постепенно замещается током в другой. Ротор, следуя за магнитным полем, проходит при этом все промежуточные положения. Приставка «микро-» отражает невозможность получения в цифровых системах бесконечно малых приращений. Конечная величина дробления шага задает лишь иллюзию «плавности».

В двигателях, специально «заточенных» под промежуточные положения ротора, приняты меры по обеспечению точного профилирования магнитного поля. В результате этого нарастающий и ниспадающий по закону синуса ток в обмотках приводит к строго пропорциональному перемещению ротора между крайними точками. Крутящий момент на валу при этом остается постоянным.

В обычных шаговых двигателях (которые можно встретить в принтерах и дисководах) линейность перемещения и постоянство момента внутри шага не нормируется, поэтому мне было интересно оценить их возможности. Свои эксперименты я ставил с двигателями от приводов 5-дюймовых дисков (уже ушедших в Небытие).

Такой двигатель имеет 6 проводов (две обмотки с отводами от середин, хотя попадаются экземпляры и с 5 проводами, у которых средние точки соединены внутри), и на нем написано: 1.8 deg./step, 0.16A/phase. Это означает, что подавая последовательно на каждую полуобмотку ток (в данном случае 0,16 А максимум, а средние точки обычно подключаются к «+» питания), мы заставим его каждый раз поворачиваться на угол 1,8о. Сопротивления полуобмоток составляют 75 ом и легко «вызваниваются» мультиметром. Обычно средним точкам соответствуют провода красного цвета. Чтобы совершить полный оборот, надо сделать цепочку из 50 х 4 = 200 переключений.

Если при отсоединенных обмотках попробовать вручную провернуть вал, то рука почувствует едва ощутимое сопротивление в виде дрожи. Это – так называемое «магнитное залипание», явление, обусловленное неоднородностью взаимодействия магнитных систем ротора и статора, а также наличием остаточной намагниченности статора (магнитопровода, на котором расположены обмотки). Это «залипание» не только ухудшает линейность перемещения внутри шага, но и создает определенный порог по току, ниже которого двигатель не удается привести во вращение даже на холостом ходу.

Ставя эксперименты, мне хотелось решить два вопроса:1. Хватит ли тока, генерируемого микроконтроллером, чтобы вращать вал на малой нагрузке или, хотя бы, на холостом ходу?2. Так ли уж необходим классический закон синуса-косинуса для равномерного вращения?

Для экспериментов была собрана схема, показанная на рисунке. Собственно «собираться» было нечему, т.к. была использована плата Программатора микросхем PSoC, имеющая панельку под микросхему в корпусе DIP8 и 6-контактный разъем для макетирования простейших устройств. Ввиду отсутствия на плате кварца, отладка производилась без него, с использованием внутреннего тактового генератора микросхемы. Следует отметить, что цепи возбуждения кварца у микросхем PSoC очень капризные, и следует руководствоваться рекомендациями AN2027 «Using the PSoC Microcontroller External Crystal Oscillator» (использовать несимметричную схему включения и подключение конденсаторов к «плюсу» питания). Также учтите, что при так называемом «программировании в устройстве» емкость С4 может оказаться чересчур большой для программатора (для 8-выводных чипов используется специальный режим программирования – «по подаче питания»), и потребуется ее временное отключение.

В схеме не используются отводы от середин, и полуобмотки работают как единая обмотка. Это сделано по двум соображениям. Во-первых – для универсальности (двигатели от 3-дюймовых дисководов отводов не имеют). Второе – уменьшить до приемлемых величин управляющий ток (сопротивление возрастает вдвое). Импульсы самоиндукции (шаговый двигатель – индуктивная нагрузка) гасятся встроенными в микросхему диодами.

При 3-вольтовом питании через обмотку сопротивлением 150 ом потечет ток 20 мА, что ниже максимально допустимых 25 мА для цифровых выходов PSoC. При питании от 5 вольт ток не достигнет ожидаемых 33 мА и ограничится на уровне 25 мА. У выходов же, сконфигурированных как аналоговые, допустимый ток составляет 50 мА, и они будут работать в штатном режиме во всем диапазоне питающих напряжений.

Вначале была создана Конфигурация 1 (см. рисунок). Ток через обмотки задается с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции), которую вырабатывает единственный модуль PWM8_1. Частота ШИМ постоянна и составляет 7,8 кГц, а вот скважность меняется от 0 до 100% по линейной зависимости программным путем (прямой записью в соответствующий регистр модуля). Выход модуля через блоки LUT0...LUT3 («LookUp Table» – блоки с программируемой передаточной функцией) распределяется по ножкам микросхемы в соответствии с приведенной диаграммой. Смена функций LUT также осуществляется программно. Учтите, что на диаграммах показано не текущее значение счетного регистра PWM8_1, а то, как относительно медленно меняется скважность (т.е. ток через обмотки) на разных фазах вращения ротора.

Технические подробности. Каждые 1/512 секунды (используются прерывания от «спящего таймера») значение регистра ШИМ увеличивается в среднем на 1,666 (цель – получить требуемый темп вращения 1 оборот за 60 сек). «В среднем» означает, что использован некий трюк («Dithering») для реализации дробного исчисления, заключающийся в варьировании приращения (1 или 2) в зависимости от состояния вспомогательной переменной [cnt], циклически меняющей значения от 1 до 3. Сделать именно так мне показалось проще.

И начальная инициализация, и тело обработчика прерывания находятся в файле main.asm. Сам проект находится в папке /TestSMotor-lin/ прилагаемого архива (ссылка дана в конце статьи). Готовый файл прошивки testsmotor.hex находится в папке /output/ этого проекта. Порог срабатывания встроенного в микросхему «детектора напряжения» выставлен 2,92 В, что соответствует минимально возможному снижению напряжению питания.

Визуальные впечатления: стрелка, прикрепленная к валу двигателя, вращается достаточно равномерно. Рывки, конечно, заметны, если на них акцентировать внимание. Посмотрим, что даст классическое управление с помощью синуса-косинуса.

Для этого была создана Конфигурация 2 (см. рисунок). Ток через обмотки задается с помощью двух модулей ЦАП DAC9_1 и DAC9_2 (оба модуля имеют разрядность 9 бит). 8-битное значение выбирается из таблицы размером 256 байт, в которой содержатся значения синуса за 1/4 периода. Остальные значения вычисляются путем зеркальных переворотов этой «четвертинки» относительно осей X и Y, причем к 8-битовому значению добавляется 9-ый знаковый бит. Выходные аналоговые буферы микросхемы, в отличие от внутренних аналоговых блоков, не являются «rail-to-rail» узлами (т.е. работающими «от края до края» питающих напряжений). Чтобы предотвратить связанное с этим ограничение выходного сигнала, размах табличного синуса взят не на полную шкалу, а с некоторым запасом. В качестве опорного напряжения для ЦАП выбрана опция «1/2 от питающего напряжения» (при снижении напряжения питания, выходные напряжения будут также пропорционально снижаться). Проект находится в папке /TestSMotor-sin/.

Визуальные впечатления: Практически то же самое. Вышеупомянутые эффекты не позволяют ротору совершать идеальное равномерное движение. Возможно, если немного «подправить» синус, результат будет лучше, но это требует дополнительной исследовательской работы и привяжет «прошивку» к конкретному экземпляру двигателя (между прочим, хорошая тема для курсовой работы!).

В заключение приведу средние токи потребления привода в зависимости от питающих напряжений (в скобках даны токи, потребляемые только микросхемой). Видно, что вовлечение в работу аналоговых блоков увеличивает токопотребление микросхемы. Сам шаговый двигатель в конфигурации «Sin-Cos» также потребляет больше, поскольку в момент равенства токов через обмотки их суммарное значение в корень из двух раз больше, чем в конфигурации «Линейный режим» (хотя это и сказывается положительно на крутящем моменте), а сам ток потребления из-за этого становится пульсирующим.

.

3 В

5 В

«Линейный режим»

14 мА (4 мА микросхема)

24 мА (6 мА микросхема)

«Sin-Cos»

30 мА (14 мА микросхема)

47 мА (18 мА микросхема)

.

Дополнительные материалы:Testsmotor.zip (89 кБ) – архив с проектами (в папках /output/ находятся готовые файлы прошивки *.hex, которые продублированы в корневой директории).Текст программы – ассемблер. Среда разработки – PSoC Designer 4.3.

antiradio.narod.ru/psocДата создания документа: 05.04.2011. Последнее обновление: 23.08.2016.

antiradio.narod.ru

Устройство плавного пуска двигателей - Сайт по ремонту, подключению, установке электрики своими руками!

Здравствуйте, уважаемые мои читатели. В этой статье мы рассмотрим возможные варианты плавного запуска двигателей.

Уже давно ни для кого не секрет, что все электродвигатели в момент запуска страдают одной неприятной болезнью – большими пусковыми токами. Без специальных «лекарств» это никак не лечится. Если вкратце, то полное (или эквивалентное) сопротивление катушки индуктивности (обмотка двигателя, как частный случай) состоит из активного (сопротивление катушки постоянному току) сопротивления и индуктивного (реактивного), которое зависит от частоты переменного напряжения и индуктивности. Более подробно о сопротивлениях можно прочитать в этой статье.

Вот тут-то и кроется причина болезни двигателей. Когда двигатель развивает номинальные обороты индуктивное сопротивление очень велико, и, следовательно, сумма сопротивлений активного и реактивного тоже велика, но когда двигатель остановлен, индуктивное сопротивление практически равно нулю, остается только активное, а оно мало. По закону Ома сила тока в цепи обратно пропорциональна сопротивлению, т.е. чем оно меньше, тем больше ток. Ну а там, где большие токи ничего хорошего не ждите. Большой ток означает большую силу, а большая сила в большинстве своем старается сломать все на своем пути. Вот здесь то и пригодятся устройства плавного пуска.

Одним из вариантов можно рассматривать применение частотных преобразователей. Преимуществом такого способа плавного пуска является возможность регулировки оборотов двигателя в очень точных пределах, гибкая регулировка времени запуска, возможность удаленной регулировки оборотов и запуска, применение в зависимых схемах (когда скорость оборотов регулируется от какого-либо прибора, датчика и т.д.). Недостаток этого способа только цена и сложность настройки в некоторых моделях. Ну и довольно часто бывает так, что покупаем дорогую «игрушку» а используем процентов 15 из того, что она может.

Есть другой, довольно интересный, но в тоже время недорогой способ плавного запуска. Но тут есть одна маленькая загвоздка. Двигатель нужно подобрать такой, чтобы при способе соединения «треугольник» он подходил для нашего напряжения, то есть если у нас имеется три фазы с напряжением между ними 380 вольт, то двигатель должен быть 660/380 вольт. Принцип заключается в том, что при соединении звездой двигатель работает более плавно и, кстати сказать, не развивает своей номинальной мощности. При соединении обмоток треугольником двигатель выдает заявленную мощность полностью, но при этом «рвет с места». Данная схема позволяет раскрутить двигатель на «звезде» фактически на пониженном напряжении (то есть двигателю в нашем примере надо 660 вольт при соединении звездой, а мы ему даем 380), а потом мы его переключаем в треугольник, но он уже работает на номинальных или близко к номинальным оборотам и сильного броска тока не произойдет.

Простота схемы имеет ряд недостатков. Лучше всего использовать не два автомата, а рубильник, который будет переключать контакты. Ибо если включить сразу два автомата произойдет короткое замыкание. Еще один недостаток в том, что при такой схеме довольно сложно организовать реверсирование, только если делать еще один блок управления, но только уже реверсом. Ну и общий недостаток асинхронных трехфазных двигателей в том, что при соединении в треугольник температура двигателя выше и работает он жестче, чем при соединении звездой, но это и понятно, он ведь выдает полную мощность.

Еще один способ использование реостатов. Сложность заключается в том, что они должны быть мощные, их должно быть три штуки, и они должны регулироваться одновременно. Принцип работы мы рассмотрим чуть ниже.

Мир не стоит на месте и в сфере электроники придумали решение для таких случаев. Это решение называется «софстартер». Если говорить грубо, это почти частотный преобразователь, но простой до безобразия. В нем нет таких возможностей для программирования, как в преобразователе. А какие возможности есть, мы сейчас узнаем.

Принцип действия устройства плавного пуска двигателей

Оно простое. Вспоминаем закон Ома, сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, а значит, чтобы уменьшить ток, надо уменьшит напряжение. Именно этим и занимается софстартер. По сути, это замена реостатов, о которых мы говорили выше. Принципиальная схема такого устройства вполне может выглядеть так:

Мы видим набор микросхем, управляющих тиристорными ключами, которые ограничивают напряжение, подаваемое на двигатель. В данном случае, схема очень примитивна, временной интервал здесь задан жестко и не регулируется. В современных моделях имеются различные настройки.

Принцип работы прост. Схемой задается некое начальное напряжение (30-60% от номинального) и задается время, в течение которого это начальное напряжение поднимется до номинального значения.На что стоит обратить внимание при выборе такого устройства. В первую очередь, конечно же, мощность (в ответственных случаях имеет смысл взять с запасом не менее 30%, это позволяет надеяться на то, что устройство проработает дольше), второй параметр это время повторного запуска (этот показатель говорит о том, через какой промежуток времени вы снова можете запустить полностью остановившийся двигатель). Остальные параметры определит только ваш аппетит и ваши запросы. Ну и как обычно – пожелание: удачных вам творений!

jelektro.ru

Плавный пуск электродвигателя » как продлить жизнь оборудованию.

 

Тема: продление жизни двигателю через плавный запуск электродвигателя.

 

Любой персонал, связанный с электричеством знает, как запускаются асинхронные электродвигателя. Это сильный удар и почти мгновенная равная номинальной, скорость вращения ротора электродвигателя. Вот такие технические характеристики асинхронных двигателей, а что творится с токами питания они 5-ть 7-мь раз выше номинала. Что очень старит изоляцию проводников и вызывает утечки тока, а далее приводит к пробоям изоляции и выходу из строя двигателя, а так же вызывает повышенный износ пускового оборудования. Не зря, если агрегат, приводимый в движение очень громоздок, его вообще стараются не отключать. А что творится с механикой представить страшно.

 

В начале происходит возникновение резкого момента сил на валах, зубья шестерен бьются вдруг друга, скручивающий момент сил дергает подшипники. А смазка ещё недостаточна, поверхности трущихся деталей не имеют в своем большинстве масленой пленки, если только нет специального смазочной системы, насосов запускаемых перед стартом основного оборудования. И персонал, работающий при таких тяжелых пусках оборудования, старается облегчить последние, в основном это выражается в запуске оборудования без нагрузки на него, то есть в холостом режиме. Выход остается один,  после запуска агрегата плавно повысить нагрузку на него, подавая постепенно рабочий материал.

 

Ну вот, как гробить оборудование я вас научил. Теперь поговорим о том, как его уберечь. Представим себе следующую картину: Ротор электродвигателя медленно с плавным ускорением начинает вращаться, шарикоподшипники своими сепараторами медленно начинают расталкивать смазку и сразу её прогревать, придавая её пластичные смачивающие свойства, зубья шестерён не бьются друг, об друга разрушая поверхностный слой цементации металла, а плавно надавливают друг на друга, скручивающий момент сил на валах очень мал и не происходит возникновение микротрещин  в  поверхностных  слоях вала.

 

 

Вот вы и поняли, для чего нужен плавный пуск асинхронного короткозамкнутого электродвигателя. Не правда ли все просто. А теперь самое интересное. Как заставить двигатель этого типа работать в режиме плавного запуска, ведь этот режим ему просто не свойственен. Можно пойти четырьмя путями, но все их я рассказывать не буду, слишком большая статья получиться. Расскажу лишь о самом распространенном из них. Это запуск с помощью симисторов или тиристоров, кто не понял о чем речь, не огорчайтесь, сейчас все станет понятно.

 

Представьте электрический двигатель, он, грубо говоря, состоит из двух больших частей. Ротора - подвижной части в нем сделана обмотка из прутьев похожая на беличье колесо и статор неподвижная часть, где намотано множество обмоток по кругу, они подключаются в питающую промышленную сеть, это - трехфазное питание с межфазным напряжением 380 вольт.

 

Как мы знаем, что бы беличье колесо (ротор двигателя) внутри двигателя начало вращатся нужно, чтобы по обмоткам по окружности двигателя стал перемещаться магнитный поток, и, реагируя на него, беличье колесо так же придет во вращение. А что у нас создает вращающийся магнитный поток, правильно токи, протекающие в определенные моменты по определенным обмоткам статора. Ну а что если этот магнитный поток внутри двигателя будет слабее номинала, беличье колесо будет реагировать так же медленнее.

 

Значит, если мы вначале дадим маленький вращающийся магнитный поток, то ротор придет в небольшое вращение, пусть, даже если магнитный движущийся поток по кольцу статорных обмоток эл. двигателя много раз обгоняет вращающийся ротор. Ротор все равно будет вращаться медленно. Наращивая силу магнитного потока определенной скоростью, мы увеличим силу, с которой беличье колесо начинает вращаться, доведя последнее до номинальной скорости вращения. И тут все двигатель работает в своем номинальном режиме.

 

 

А причем все тиристоры симисторы спросите вы? Так вот. Тиристорные блоки будут управлять токами, которые создают вращающийся магнитный поток в эл. двигателе, то есть ток у нас в сети передается по синусоидальному закону. И пропустив сквозь себя небольшую его часть в определенные периоды времени, мы ограничиваем магнитный поток в своей мощности внутри электродвигателя, соответственно ограничивается сила вращения ротора.

 

Принцип вы поняли, но самое интересное, что несколько способов, не описанных здесь плавного запуска, работают по этому принципу. Если читателю будет интересно можно рассказать и схемотехнику. Но пока был важен физический принцип запуска электродвигателя. Сейчас существуют разные специальные  промышленные устройства, выпускаемые популярными фирмами «Сименс», «АББ», «Шнайдер Электрик», «Вег» и так далее, называют их устройствами плавного пуска. Принцип работы у них тот же что и описан мною выше. Они снабжены микроконтроллерами управления где вы можете регулировать различные параметры, это время разгона, торможения электродвигателя, режимы запуска, токи работы и так далее, имеется у этих устройств и внешнее управление.

 

То есть где-то далеко от устройства в пульте управления данным агрегатом стоят кнопки включения и отключения агрегата через устройство плавного пуска. К каждому такому промышленному плавному пуску есть своя инструкция по настройке и режиму эксплуатации. Там все кроме принципиальной схемы самого устройства расписано и рассказано и любой грамотный электрик сможет подключить и отрегулировать это хитрое устройство.

 

P.S. законы физики никто не отменял, естественно, что в любой системе слишком большая интенсивность, воздействуя на более слабые, тонкие, хрупкие процессы, может привести к нарушению изначальной структурности, что ведёт к различным деффектным и ненормальным состояниям. Данный пример с жёстким пуском электродвигатлеля тоже не исключение, действительно, плавный пуск электрического двигателя може значительно продлить ему жизнь эксплуатации.

Понравилось?Поставь Плюс »

 

 

 

 

electrohobby.ru

Плавный пуск двигателя постоянного тока (ДПТ)

 

Плавный пуск

коллекторного двигателя постоянного тока

(ДПТ)

 

Случается необходимость плавно включить коллекторный двигатель, например с целью предотвращения бросков токов в цепях питания. Либо предотвращения резких ударов на трансмиссию привода. Не лишне поставить на включение фар, для увеличения ресурса работы ламп. В моем случае требовалось подать максимальную мощность на ходовой электродвигатель электромобиля с выводом электронного ключа управления из режима ШИМ-управления, для предотвращения его перегрева при максимальной нагрузке. На рис. 1 и рис. 2 приведены две схемы реализации таких устройств.

Конструкция 1:

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

 

 

Рис.1. Конструкция 1

 

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

Конструкция 2:

Не менее простая схема на том же интегральном таймере.

 

 

Рис.2 Конструкция 2

 

Конструкция 3:

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

 

 

Рис.2 Конструкция 3

 

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

 

 

elektrocar.narod.ru

Плавный пуск асинхронного электродвигателя своими руками (схема)

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

ОГЛАВЛЕНИЕ

  • Необходимость плавного запуска
  • Прямой запуск
  • Подключение «звезда-треугольник»
  • Старт через автотрансформатор
  • Устройства плавного пуска
  • Типы устройств плавного старта
  • Софт-стартеры

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

Этот способ применяется с использованием в электросхеме автотрансформатора, который соединен с машиной последовательно. Он служит для того, чтобы запуск произошел при пониженном на 50 — 80% от номинального напряжении. Вследствие этого пусковой ток и вращающий пусковой момент уменьшатся. Временной интервал переключения от пониженного напряжения к полному корректируется.

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.

electricvdele.ru

Устройство плавного пуска электродвигателя. Как это работает

Другие статьи по теме:

По всем категориямБрендыДатчики давления, энкодерКонденсаторные установкиУстройство плавного пускаЧастотные преобразователиНасосыАвтоматические выключателиТермостатыТрансформаторные подстанцииТрансформаторы силовыеМотор-редукторыСтанции управленияЭлектротехнические шкафыТерминыЭлектродвигатели

Устройство плавного пуска — электротехническое устройство, используемое в асинхронных электродвигателях, которое позволяет во время запуска удерживать параметры двигателя (тока, напряжения и т.д.) в в безопасных пределах. Его применение уменьшает пусковые токи, снижает вероятность перегрева двигателя, устраняет рывки в механических приводах, что, в конечном итоге, повышает срок службы электродвигателя.

Назначение

Управление процессом запуска, работы и остановки электродвигателей. Основными проблемами асинхронных электродвигателей являются:

  • невозможность согласования крутящего момента двигателя с моментом нагрузки,
  • высокий пусковой ток.

Во время пуска крутящий момент за доли секунды часто достигает 150-200%, что может привести к выходу из строя кинематической цепи привода. При этом стартовый ток может быть в 6-8 раз больше номинального, порождая проблемы со стабильностью питания. Устройство плавного пуска позволяют избежать этих проблем, делая разгон и торможение двигателя более медленными. Это позволяет снизить пусковые токи и избежать рывков в механической части привода или гидравлических ударов в трубах и задвижках в момент пуска и остановки двигателей.

Принцип действия устройство плавного пуска

Основной проблемой асинхронных электродвигателей является то, что момент силы, развиваемый электродвигателем, пропорционален квадрату приложенного к нему напряжения, что создаёт резкие рывки ротора при пуске и остановке двигателя, которые, в свою очередь, вызывают большой индукционный ток.

Софтстартеры могут быть как механическими, так и электрическими, либо сочетать то и другое.

Механические устройства непосредственно противодействуют резкому нарастанию оборотов двигателя, ограничивая крутящий момент. Они могут представлять собой тормозные колодки, жидкостные муфты, магнитные блокираторы, противовесы с дробью и прочее.

Данные электрические устройства позволяют постепенно повышать ток или напряжение от начального пониженного уровня (опорного напряжения) до максимального, чтобы плавно запустить и разогнать электродвигатель до его номинальных оборотов. Такие УПП обычно используют амплитудные методы управления и поэтому справляются с запуском оборудования в холостом или слабо нагруженном режиме. Более современное поколение УПП (например, устройства ЭнерджиСейвер) используют фазовые методы управления и потому способны запускать электроприводы, характеризующиеся тяжелыми пусковыми режимами "номинал в номинал". Такие УПП позволяют производить запуски чаще и имеют встроенный режим энергосбережения и коррекции коэффициента мощности.

Выбор устройства плавного пуска

При включении асинхронного двигателя в его роторе на короткое время возникает ток короткого замыкания, сила которого после набора оборотов снижается до номинального значения, соответствующего потребляемой электрической машиной мощности. Это явление усугубляется тем, что в момент разгона скачкообразно растет и крутящий момент на валу. В результате может произойти срабатывание защитных автоматических выключателей, а если они не установлены, то и выход из строя других электротехнических устройств, подключенных к той же линии. И в любом случае, даже если аварии не произошло, при пуске электромоторов отмечается повышенный расход электроэнергии. Для компенсации или полного устранения этого явления используются устройства плавного пуска (УПП).

Как реализуется плавный пуск

Чтобы плавно запустить электродвигатель и не допустить броска тока, используются два способа:

  1. Ограничивают ток в обмотке ротора. Для этого ее делают состоящей из трех катушек, соединенных по схеме «звезда». Их свободные концы выводят на контактные кольца (коллекторы), закрепленные на хвостовике вала. К коллектору подключают реостат, сопротивление которого в момент пуска максимальное. По мере его снижения ток ротора растет и двигатель раскручивается. Такие машины называются двигателями с фазным ротором. Они используются в крановом оборудовании и в качестве тяговых электромоторов троллейбусов, трамваев.
  2. Уменьшают напряжение и токи, подаваемые на статор. В свою очередь, это реализуется с помощью:

а) автотрансформатора или реостата;

б) ключевыми схемами на базе тиристоров или симисторов.

Именно ключевые схемы и являются основой построения электротехнических приборов, которые принято назвать устройствами плавного пуска или софтстартерами. Обратите внимание, что частотные преобразователи так же позволяют плавно запустить электродвигатель, но они лишь компенсируют резкое возрастание крутящего момента, не ограничивая при этом пускового тока.

Принцип работы ключевой схемы основывается на том, что тиристоры отпираются на определенное время в момент прохождения синусоидой ноля. Обычно в той части фазы, когда напряжение растет. Реже – при его падении. В результате на выходе УПП регистрируется пульсирующее напряжение, форма которого лишь приблизительно похожа на синусоиду. Амплитуда этой кривой растет по мере того, как увеличивается временной интервал, когда тиристор отперт.

Критерии выбора софтстартера

По степени снижения степени важности критерии выбора устройства располагаются в следующей последовательности:

  • Мощность.
  • Количество управляемых фаз.
  • Обратная связь.
  • Функциональность.
  • Способ управления.
  • Дополнительные возможности.

Мощность

Главным параметром УПП является величина Iном – сила тока, на которую рассчитаны тиристоры. Она должна быть в несколько раз больше значения силы тока, проходящего через обмотку двигателя, вышедшего на номинальные обороты. Кратность зависит от тяжести пуска. Если он легкий – металлорежущие станки, вентиляторы, насосы, то пусковой ток в три раза выше номинального. Тяжелый пуск характерен для приводов, имеющих значительный момент инерции. Таковы, например, вертикальные конвейеры, пилорамы, прессы. Ток выше номинального в пять раз. Существует и особо тяжелый пуск, который сопровождает работу поршневых насосов, центрифуг, ленточных пил... Тогда Iном софтстартера должен быть в 8-10 раз больше.

Тяжесть пуска влияет и на время его завершения. Он может длиться от десяти до сорока секунд. За это время тиристоры сильно нагреваются, поскольку рассеивают часть электрической мощности. Для повторения им надо остыть, а на это уходит столько же, сколько на рабочий цикл. Поэтому если технологический процесс требует частого включения-выключения, то выбирайте софтстартер как для тяжелого пуска. Даже если ваше устройство не нагружено и легко набирает обороты.

Количество фаз

Можно управлять одной, двумя или тремя фазами. В первом случае устройство в большей степени смягчает рост пускового момента, чем тока. Чаще всего используются двухфазные пускатели. А для случаев тяжелого и особо тяжелого пуска – трехфазные.

Обратная связь

УПП может работать по заданной программе – увеличить напряжение до номинала за указанное время. Это наиболее простое и распространенное решение. Наличие обратной связи делает процесс управления более гибким. Параметрами для нее служат сравнение напряжения и вращающего момента или фазный сдвиг между токами ротора и статора.

Функциональность

Возможность работать на разгон или торможение. Наличие дополнительного контактора, который шунтирует ключевую схему и позволяет ей остыть, а также ликвидирует несимметричность фаз из-за нарушения формы синусоиды, которое приводит к перегреву обмоток.

Способ управления

Бывает аналоговым, посредством вращения потенциометров на панели, и цифровым, с применением цифрового микроконтроллера.

Дополнительные функции

Все виды защиты, режим экономии электроэнергии, возможность пуска с рывка, работы на пониженной скорости (псевдочастотное регулирование).

Правильно подобранный УПП увеличивает вдвое рабочий ресурс электродвигателей, экономит до 30 процентов электроэнергии.

Зачем нужно устройство плавного пуска (софтстартера)

Все чаще при запуске электроприводов насосов, вентиляторов применяются устройство плавного пуска (софтстартер). С чем это связано? В нашей статье мы постараемся осветить этот вопрос.

Асинхронные двигатели используются уже более ста лет, и за это время относительно мало изменилось их функционирование. Запуск этих устройств и связанные с ним проблемы хорошо известны их владельцам. Пусковые токи приводят к просадкам напряжения и перегрузкам проводки, вследствие чего:

  • некоторая электротехника может самопроизвольно отключаться;

  • возможен сбой оборудования и т. д.

Своевременно установленный приобретенный и подключенный софтстартер позволяет избежать лишних трат денег и головной боли.

Что такое пусковой ток

В основе принципа действия асинхронных двигателей лежит явление электромагнитной индукции. Наращивание обратной электродвижущей силы (э. д. с), которая создается путем применения изменяющегося магнитного поля во время запуска двигателя, приводит к переходным процессам в электрической системе. Этот переходной режим может повлиять на систему электропитания и другое оборудование, подключенное к нему.

Во время запуска электродвигатель разгоняется до полной скорости. Продолжительность начальных переходных процессов зависит от конструкции агрегата и характеристик нагрузки. Пусковой момент должен быть наибольшим, а пусковые токи – наименьшими. Последние влекут за собой пагубные последствия для самого агрегата, системы электроснабжения и оборудования, подключенного к нему.

В течение начального периода пусковой ток может достигать пяти-восьмикратного тока полной нагрузки. Во время пуска электродвигателя кабели вынуждены пропускать больше тока, чем во время периода стабильного состояния. Падение напряжения в системе также будет намного больше при пуске, чем во время стабильной работы – это становится особенно очевидным при запуске мощного агрегата или большого числа электродвигателей одновременно.

Способы защиты электродвигателя

Поскольку использование электродвигателей стало широко распространенным, преодоление проблем с их запуском стало проблемой. На протяжении многих лет для решения этих задач были разработано несколько методов, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения.

В последнее время были достигнуты значительные успехи в использовании электроники в регулировании электроэнергии для двигателей. Все чаще при запуске электроприводов насосов, вентиляторов применяются устройство плавного пуска. Всё дело в том, что прибор имеет ряд особенностей.

Особенностью устройства пуска является то, что он плавно подаёт на обмотки двигателя напряжение от нуля до номинального значения, позволяя двигателю плавно разгоняться до максимальной скорости. Развиваемый электродвигателем механический момент пропорционален квадрату приложенного к нему напряжения.

В процессе пуска УПП постепенно увеличивает подаваемое напряжение, и электромотор разгоняется до номинальной скорости вращения без большого момента и пиковых скачков тока.

Виды устройств плавного пуска   

На сегодняшний день для плавного запуска техники используются три типа УПП: с одной, двумя и со всеми управляемыми фазами.

Первый тип применяется для однофазного двигателя для обеспечения надежной защиты от перегрузки, перегрева и снижения влияния электромагнитных помех.

Как правило, схема второго типа помимо полупроводниковой платы управления включает в себя байпасный контактор. После того как двигатель раскрутится до номинальной скорости, байпасный контактор срабатывает и обеспечивает прямую подачу напряжения на электродвигатель.

Трехфазный тип является самым оптимальным и технически совершенным решением. Он обеспечивает ограничение тока и силы магнитного поля без перекосов по фазам.

Зачем же нужно устройство плавного пуска?

Благодаря относительно невысокой цене популярность софтстартеров набирает обороты на современном рынке промышленной и бытовой техники. УПП для асинхронного электродвигателя необходимо для продления его срока службы. Большим преимуществом софтстартера является то, что пуск осуществляется с плавным ускорением, без рывков.

elleron.ru

Схема плавного запуска трехфазного двигателя, выполненная на базе микросхем КР1182ПМ1

Устройства плавного пуска электродвигателя

Плавный пуск электродвигателя в последнее время применяется все чаще. Области его применении 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 достигают значений в 7-10 раз выше, чем в рабочем режиме. Это привод 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.

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 позволяют избежать гидравлического удара при выключении агрегата.

Устройства плавного пуска промышленного изготовления

Устройства плавного пуска в настоящее время выпускается многими фирмами, например, Siemens, Danfoss, Scheider 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 фирменных 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

На основе микросхемы КР1182ПМ1 возможно создание достаточно простого устройства плавного пуска трехфазного электродвигателя. Схема устройства показана на Рис.1.

Рис.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, 350 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 40ТРS12. 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 R8С11, R9С12, R10С13), а с помощью варисторов RU1- RU3 поглощаются коммутационные помехи, амплитуда которых превышает 500В.

В качестве управляющих узлов для выходных ключей используются микросхемы DA1-DA3 типа КР1182ПМ1. 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 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 шунтирующем контакторе. 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.

(Количество просмотров: 29, сегодня: 1)

meandr.org


Смотрите также