Схема для плавного пуска

Случающиеся иногда отказы ручного электроинструмента - шлифовальных машин, электрических дрелей и лобзиков - зачастую бывают связаны с их большим пусковым током и значительными динамическими нагрузками на детали редукторов, возникающими при резком пуске двигателя.

Применив микросхему фазового регулятора КР1182ПМ1 , удалось изготовить значительно более простое устройство аналогичного назначения, не требующее налаживания. К нему можно без всякой доработки подключать любой ручной электроинструмент, питающийся от однофазной сети 220 В, 50 Гц.

Пуск и остановка двигателя производятся выключателем электроинструмента, причем в его выключенном состоянии устройство ток не потребляет и может неограниченное время оставаться подключенным к сети.

Схема предлагаемого устройства изображена на рисунке. Вилку ХР1 включают в сетевую розетку, а в розетку XS1 вставляют сетевую вилку электроинструмента. Можно установить и соединить параллельно несколько розеток для инструментов, работающих поочередно.

При замыкании цепи двигателя электроинструмента его собственным выключателем на фазовый регулятор DA1 поступает напряжение. Начинается зарядка конденсатора С2, напряжение на нем постепенно увеличивается. В результате задержка включения внутренних тиристоров регулятора, а с ними и симистора VS1 в каждом последующем полупериоде сетевого напряжения уменьшается, что приводит к плавному нарастанию протекающего через двигатель тока и, как следствие, увеличению его оборотов.

При указанной на схеме емкости конденсатора С2 разгон электродвигателя до максимальных оборотов занимает 2…2,5 с, что практически не создает задержки в работе, но полностью исключает тепловые и динамические удары в механизме инструмента.

После выключения двигателя конденсатор С2 разряжается через резистор R1, и через 2…3 с все готово к повторному запуску. Заменив постоянный резистор R1 переменным, можно плавно регулировать отдаваемую в нагрузку мощность. Она снижается с уменьшением сопротивления.

Резистор R2 ограничивает ток управляющего электрода симистора, а конденсаторы С1 и С3 - элементы типовой схемы включения фазового регулятора DA1.

Все резисторы и конденсаторы припаяны непосредственно к выводам микросхемы DA1. Вместе с ними она помещена в алюминиевый корпус от стартера люминесцентной лампы и залита эпоксидным компаундом. Наружу выведены лишь два провода, подключаемые к выводам симистора.

Перед заливкой в нижней части корпуса просверлено отверстие, в которое вставлен резьбой наружу винт М3. Этим винтом узел закреплен на теплоотводе симистора VS1 площадью 100 см 2 . Такая конструкция показала себя достаточно надежной при эксплуатации в условиях повышенной влажности и запыленности.

Какого-либо налаживания устройство не требует. Симистор можно использовать любой, класса по напряжению не менее 4 (то есть с максимальным рабочим напряжением не менее 400 В) и с максимальным током 25…50 А. Благодаря плавному старту двигателя пусковой ток не превышает номинального. Запас необходим лишь на случай заклинивания инструмента.

Устройство испытано с электроинструментами мощностью до 2,2 кВт. Так как регулятор DA1 обеспечивает протекание тока в цепи управляющего электрода симистора VS1 в течение всей активной части полупериода, нет ограничения на минимальную мощность нагрузки.

Кому хочется напрягаться, тратить свои деньги и время на переоборудование устройств и механизмов, которые и так прекрасно работают? Как показывает практика – многим. Хоть и не каждый в жизни сталкивается с промышленным оборудованием, оснащённым мощными электродвигателями, но, постоянно встречается пусть с не столь прожорливыми и мощными, электромоторами в быту. Ну а лифтом, наверняка, пользовался каждый.

Электродвигатели и нагрузки - проблема?

Дело в том, что фактически любые электродвигатели, в момент пуска или остановки ротора, испытывают огромные нагрузки. Чем мощнее двигатель и оборудование, приводимое им в движение, тем грандиозней затраты на его запуск.

Наверное, самая значительная нагрузка, приходящаяся на двигатель в момент пуска, это многократное, хоть и кратковременное, превышение номинального рабочего тока агрегата. Уже через несколько секунд работы, когда электромотор выйдет на свои штатные обороты, ток, потребляемый им, тоже вернётся к нормальному уровню. Для обеспечения необходимого электроснабжения приходиться наращивать мощность электрооборудования и токопроводящих магистралей , что приводит к их подорожанию.

При запуске мощного электродвигателя, из-за его большого потребления, происходит «просадка» напряжения питания, которая может привести к сбоям или выходу из строя оборудования, запитанного с ним от одной линии. Ко всему прочему, снижается срок службы аппаратуры электроснабжения.

При возникновении нештатных ситуаций, повлёкших перегорание двигателя или его сильный перегрев, свойства трансформаторной стали могут измениться настолько, что после ремонта двигатель потеряет до тридцати процентов мощности. При таких обстоятельствах, к дальнейшей эксплуатации он уже непригоден и требует замены, что тоже недешево.

Для чего нужен плавный пуск?

Казалось бы, все правильно, да и оборудование на это рассчитано. Вот только всегда есть «но». В нашем случае их несколько:

• в момент запуска электродвигателя, ток питания может превышать номинальный в четыре с половиной-пять раз, что приводит к значительному нагреву обмоток, а это не очень хорошо;
• старт двигателя прямым включением приводит к рывкам, которые в первую очередь влияют на плотность тех же обмоток, увеличивая трение проводников во время работы, ускоряет разрушение их изоляции и, со временем, может привести к межвитковому замыканию;
• вышеупомянутые рывки и вибрация передаются на весь приводимый в движение агрегат. Это уже совсем нездорово, потому что может привести к повреждению его движущихся элементов : систем зубчатых передач, приводных ремней, конвейерных лент или просто представьте себя едущим в дёргающемся лифте. В случае насосов и вентиляторов - это риск деформации и разрушения турбин и лопастей;
• не стоит также забывать об изделиях, возможно находящихся на производственной линии. Они могут упасть, рассыпаться или разбиться из-за такого рывка;
• ну, и наверно, последний из моментов, заслуживающих внимание - стоимость эксплуатации такого оборудования. Речь идёт не только о дорогостоящих ремонтах, связанных с частыми критическими нагрузками, но и об ощутимом количестве не эффективно израсходованной электроэнергии.

Казалось бы, все вышеперечисленные сложности эксплуатации присущи лишь мощному и громоздкому промышленному оборудованию, однако, это не так. Все это может стать головной болью любого среднестатистического обывателя. В первую очередь это касается электроинструмента.

Специфика применения таких агрегатов, как электролобзики, дрели, болгарки и им подобных, предполагают многократные циклы запуска и остановки, в течение относительно небольшого промежутка времени. Такой режим эксплуатации, в той же мере, влияет на их долговечность и энергопотребление, как и у их промышленных собратьев. При всем этом не стоит забывать, что системы плавного запуска не могут регулировать рабочие обороты мотора или реверсировать их направление. Также невозможно увеличить пусковой момент или снизить ток ниже, чем требуется для начала вращения ротора электродвигателя.

Видео: Плавный пуск, регулировка и защита колектор. двигателя

Варианты систем плавного пуска электродвигателей

Система «звезда-треугольник»

Одна из наиболее широко применяемых систем запуска промышленных асинхронных двигателей. Основным её преимуществом является простота. Двигатель запускается при коммутации обмоток системы «звезда», после чего, при наборе штатных оборотов, автоматически переключается на коммутацию «треугольник». Такой вариант старта позволяет добиться тока почти на треть ниже , чем при прямом запуске электромотора.

Однако, этот способ не подойдёт для механизмов с небольшой инерцией вращения. К таким, к примеру, относятся вентиляторы и небольшие насосы, из-за малых размеров и массы их турбин. В момент перехода с конфигурации «звезда» на «треугольник», они резко снизят обороты или вовсе остановятся. В результате после переключения, электродвигатель по сути, запускается заново. То есть в конечном счёте вы не добьётесь не только экономии ресурса двигателя, но и, вероятнее всего, получите перерасход электроэнергии.

Видео: Подключение трёхфазного асинхронного электродвигателя звездой или треугольником

Электронная система плавного пуска электродвигателя

Плавный пуск двигателя может быть произведён с помощью симисторов, включённых в цепи управления. Существует три схемы такого включения: однофазные, двухфазные и трехфазные. Каждая из них отличается своими функциональными возможностями и конечной стоимостью соответственно.

С помощью таких схем, обычно, удаётся снизить пусковой ток до двух–трёх номинальных. Кроме этого, удаётся снизить существенный нагрев, присущий вышеупомянутой системе «звезда-треугольник», что способствует увеличению срока службы электродвигателей. Благодаря тому, что управление запуска двигателя происходит за счёт снижения напряжения, разгон ротора осуществляется плавно, а не скачкообразно, как у других схем.

В целом, на системы плавного пуска двигателя возлагаются несколько ключевых задач:

• основная – понижение пускового тока до трёх–четырёх номинальных;
• снижение напряжения питания двигателя, при наличии соответствующих мощностей и проводки;
• улучшение параметров пуска и торможения;
• аварийная защита сети от перегрузок по току.

Однофазная схема пуска

Данная схема предназначена для запуска электродвигателей мощностью не более одиннадцати киловатт. Применяют такой вариант в том случае, если требуется смягчить удар при запуске, а торможение, плавный пуск и понижение пускового тока не имеют значения. В первую очередь из-за невозможности организации последних, в такой схеме. Но по причине удешевления производства полупроводников, в том числе и симисторов, они сняты с производства и редко встречаются;

Двухфазная схема пуска

Такая схема предназначена для регулирования и пуска двигателей мощностью до двухсот пятидесяти ватт. Такие системы плавного пуска иногда комплектуют обходным контактором для удешевления прибора, однако, это не решает проблемы несимметричности питания фаз, что может привести к перегреву;

Трехфазная схема пуска

Эта схема является наиболее надёжной и универсальной системой плавного пуска электродвигателей. Максимальная мощность, управляемых таким устройством двигателей, ограничена исключительно максимальной температурной и электрической выносливостью применённых симисторов. Его универсальность позволяет реализовать массу функций , таких как: динамический тормоз, подхват обратного хода или балансировку ограничения магнитного поля и тока.

Важным элементом последней, из упомянутых схем, является обходной контактор, о котором говорилось раньше. Он позволяет обеспечить правильный тепловой режим системы плавного пуска электродвигателя , после выхода двигателя на штатные рабочие обороты, предотвращая его перегрев.

Существующие на сегодняшний день устройства плавного пуска электродвигателей, помимо приведённых выше свойств, рассчитаны на их совместную работу с различными контроллерами и системами автоматизации. Имеют возможность включения по команде оператора или глобальной системы управления. При таких обстоятельствах, в момент включения нагрузок, возможно появление помех, могущих привести к сбоям в работе автоматики, а следовательно, стоит озаботиться системами защиты. Использование схем плавного пуска, способно значительно уменьшить их влияние.

Плавный пуск своими руками

Большинство перечисленных выше систем фактически неприменимы в бытовых условиях. В первую очередь по той причине, что дома мы крайне редко используем трехфазные асинхронные двигатели. Зато коллекторных однофазных моторов - хоть отбавляй.

Существует немало схем устройства плавного запуска двигателей. Выбор конкретной зависит исключительно от вас, но в принципе, имея определённые знания радиотехники, умелые руки и желание, вполне можно собрать приличный самодельный пускатель , который продлит жизнь вашего электроинструмента и бытовой техники на долгие годы.

Как известно, пусковой ток электро двигателя может в несколько раз превышать номинальный, и если двигатель мощный, его включение вызывает провал напряжения в питающей сети, что может стать причиной сбоя в работе чувствительных к таким провалам устройств.
Сказанное в полной мере относится и к электроинструментам, основой которых являются электродвигатели. Характерный пусковой рывок при включении мощного ручного электроинструмента (он как бы "пытается вырваться" из рук) может при неумелом пользовании привести к травме.

Кроме того, пусковые режимы вызывают повышенный износ его механических узлов. Избежать этих негативных последствий можно, реализовав так называемый плавный пуск электродвигателя, при котором его частота вращения увеличивается от нуля до номинальной в течение нескольких секунд.
Именно эту задачу решает предлагаемое вниманию читателей устройство. Его прототипом послужил электронный блок, применяемый в ручном электроинструменте некоторых фирм. В качестве дополнительной функции предусмотрено плавное ручное регулирование частоты вращения.
Устройство может быть использовано в электроинструменте с напряжением питания 220 В и потребляемым током до 16 А. На практике лучше ограничиться нагрузкой мощностью не более 2,5 кВт.
Описанное устройство встроено автором в угловую шлифовальную машину фирмы Sparky мощностью 2,1 кВт. Фото смонтированного устройства в ее корпусе представлено на рис. 5.

Плавный пуск болгарки схема, которого построена на микросхеме КР1182ПМ1 (микросхема фазового регулирования), позволяет плавно и безопасно запускать не только болгарку, но и любой мощный электроинструмент. Схема плавного пуска достаточно проста и не требует какой-либо настройки.

К схеме возможно без какого-либо изменения включать всякий электроинструмент, который работает от электросети 220 вольт. Запуск и выключение электродвигателя болгарки осуществляется электрической кнопкой самого электроинструмента.

Схема плавного пуска для болгарки приведена на рисунке ниже. Разъем ХР1 подключают в розетку электросети 220 вольт, а в XS1 (розетка) втыкают вилку болгарки. Возможно поставить и подсоединить в параллель несколько розеток для электроинструментов, действующих попеременно.

При нажатии кнопки электроинструмента, цепь замыкается и на DA1 (фазовый регулятор) подается напряжение питания. При этом конденсатор С2 начинает заряжаться, что приводит к плавному нарастанию напряжения на нем. Результатом этого является задержка открытия тиристоров (внутри) регулятора, и вместе с ними и симистора VSI. Задержка уменьшается в каждом полупериоде сетевого напряжения, в результате чего напряжение, протекающее через электродвигатель болгарки, плавно возрастает и, следовательно, плавно возрастают и ее обороты.

При той величине емкости конденсатора С2, которая указана на данной схеме, плавный набор оборотов с минимального количества до номинального занимает около 2 секунд, что вполне достаточно чтобы защитить электроинструмент от динамического и теплового удара, и в то же время обеспечить комфортную работу с болгаркой.

После отключении электродвигателя болгарки, емкость С2 через сопротивление R1 разряжается и спустя 3 секунды схема плавного пуска болгарки готова к новому пуску. Сменив постоянное сопротивление R1 переменным, возможно плавно изменять мощность подаваемую на электродвигатель. Сопротивление R2 уменьшает ток протекающий через управляющий электрод симистора, а емкости С1 и СЗ – радиокомпоненты типовой схемы подключения микросхемы КР1182ПМ1.
Все сопротивления и емкости подпаяны прямо к выводам микросхемы КР1182ПМ1.

Симистор возможно применить любой, с максимальным рабочим напряжением более 400 В и с максимальным током не менее 25 ампер (в зависимости от мощности болгарки). За счет плавного пуска электродвигателя болгарки, ее пусковой ток не больше номинального. Запас по току нужен только на случай заклинивания электроинструмента.
Схема плавного запуска опробовано с инструментами мощностью до 2,2 кВт. Так как микросхема КР1182ПМ1 гарантирует протекание тока в цепи электрода (управляющего) симистора VS1 в течение всей активной фазы полу-периода, то нет никаких ограничений на минимальную мощность подключаемой нагрузки.

Плавный пуск асинхронного двигателя – это всегда трудная задача, потому что для запуска индукционного мотора требуется большой ток и крутящий момент, которые могут сжечь обмотку электродвигателя. Инженеры постоянно предлагают и реализуют интересные технические решения для преодоления этой проблемы, например, использование схемы включения , автотрансформатора и т. д.

В настоящее время подобные способы применяются в различных промышленных установках для бесперебойного функционирования электродвигателей.

Из физики известен принцип работы индукционного электродвигателя, вся суть которого заключается в использовании разницы между частотами вращения магнитных полей статора и ротора. Магнитное поле ротора, пытаясь догнать магнитное поле статора, способствует возбуждению большого пускового тока. Мотор работает на полной скорости, при этом значение крутящего момента вслед за током тоже увеличивается. В результате обмотка агрегата может быть повреждена из-за перегрева.

Таким образом, необходимой становится установка мягкого стартера. УПП для трехфазных асинхронных моторов позволяют защитить агрегаты от первоначального высокого тока и крутящего момента, возникающих вследствие эффекта скольжения при работе индукционного мотора.

Преимущественные особенности применения схемы с устройством плавного пуска (УПП):

1. снижение стартового тока;
2. уменьшение затрат на электроэнергию;
3. повышение эффективности;
4. сравнительно низкая стоимость;
5. достижение максимальной скорости без ущерба для агрегата.

Как плавно запустить двигатель?

Существует пять основных методов плавного пуска.

• Высокий крутящий момент может быть создан путем добавления внешнего сопротивления в цепь ротора, как показано на рисунке.

• С помощью включения в схему автоматического трансформатора можно поддерживать пусковой ток и крутящий момент за счет уменьшения начального напряжения. Смотрите рисунок ниже.

• Прямой запуск – это самый простой и дешевый способ, потому что асинхронный двигатель подключен напрямую к источнику питания.
• Соединения по специальной конфигурации обмоток – способ применим для двигателей, предназначенных для эксплуатации в нормальных условиях.

• Использование УПП – это наиболее передовой способ из всех перечисленных методов. Здесь полупроводниковые приборы, такие как тиристоры или тринисторы, регулирующие скорость асинхронного двигателя, успешно заменяют механические компоненты.

Регулятор оборотов коллекторного двигателя

Большинство схем бытовых аппаратов и электрических инструментов создано на базе коллекторного электродвигателя 220 В. Такая востребованность объясняется универсальностью. Для агрегатов возможно питание от постоянного либо переменного напряжения. Достоинство схемы обусловлены обеспечением эффективного пускового момента.

Чтобы достичь более плавного пуска и обладать возможностью настройки частоты вращения, применяются регуляторы оборотов.

Пуск электродвигателя своими руками можно сделать, к примеру, таким образом.