Плавный пуск электродвигателя 12в своими руками: Схема плавного пуска и остановки для нагрузок постоянного тока

Устройство плавного пуска электродвигателей постоянного тока серии УППДПТ и УППДПТ-4

 

Устройство предназначено для плавного пуска двигателей постоянного тока независимого возбуждения с заданным уровнем токоограничения.

Состав устройства:

• IGBT-модуль, состоящий из IGBT-транзистора V1.1 и обратного диода V1.2;
• драйвер;
• емкостной фильтр С1;
• пусковое реле К1;
• зарядный резистор R1;
• блок управления;
• датчик тока ДТ.

Устройство УППДПТ и УППДПТ-4 может применяться при необходимости пуска электродвигателя от сети постоянного тока малой мощности, например, от аккумуляторов.

После поступления команды на запуск электродвигателя устройство плавного пуска УППДПТ и УППДПТ-4 выполняет функцию регулятора напряжения, обеспечивающего ограничение тока якоря электродвигателя на заданном уровне, превышающем ток, определяемый нагрузкой на валу электродвигателя, вплоть до достижения скоростью величины близкой к номинальной.

При достижении этой величины скорости прекращается регулирование напряжения, подаваемого на якорь электродвигателя, и электродвигатель переходит на естественную характеристику, соответствующую полному напряжению, определяемому напряжением источника питания (сети постоянного тока или аккумуляторной батареи).

С целью исключения неэффективных потерь энергии и перегрева обмотки возбуждения электродвигателя питание на обмотку возбуждения подается сразу же в момент поступления команды на запуск электродвигателя. Снимается напряжение питания обмотки возбуждения сразу после торможения электродвигателя.

Подключение к сети производится внешним контактором. Контактор в состав устройства плавного пуска не входит, но может быть поставлен в комплекте с ним по специальному заказу.

В УППДПТ-4 дополнительно предусмотрены изолированные дискретные выходы «Готовность к работе» и «Пуск завершен».

Технические характеристики УППДПТ, УППДПТ-4

Номинальные значения климатических факторов внешней среды по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70, при этом:

• температура окружающего воздуха от плюс 5 до 40°С для исполнения УХЛ4;
• высота над уровнем моря не более 4300 м;
• при высотах свыше 1000 м до 4300 м максимальная температура окружающей среды должна быть снижена на 0,6°С на каждые 100 м свыше 1000 м;
• окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая значительного количества агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию, не насыщенная водяными парами, токопроводящей пылью;
• в части коррозийной активности атмосферы устройства соответствуют группе условий эксплуатации «1» для металлических изделий.

В части воздействия механических факторов внешней среды устройства соответствуют группе условий эксплуатации М2. Степень жесткости II по ГОСТ 17516-90:

• рабочее положение — вертикальное, допускается отклонение от вертикального положения не более 5° в любую сторону.

Устройства питаются от сети постоянного тока напряжением 220 В. Допустимые отклонения напряжения питающей сети от плюс 20 до минус 20 % от номинального значения.

Номинальный ток:

• УППДПТ — 100 А;
• УППДПТ4 — 50 А.

Максимальный ток:

• УППДПТ — 150 А;
• УППДПТ4 — 80 А

Режим работы — длительный.

краткий обзор существующих методов понижения пускового тока

Пуск двигателя постоянного тока имеет ряд отличительных особенностей.

Объясняется это большим значением пускового тока, которое необходимо предварительно ограничить.

Если этого не сделать, то может повредиться внутренняя цепь обмотки якоря.

Существует несколько способов запуска: прямой, реостатный и метод плавного повышения питающего напряжения.

Что происходит при пуске двигателя

По мере нарастания токовой нагрузки на обмотке статора увеличивается крутящий момент электродвигателя, который через вал передается на его подвижную часть – ротор. Чем быстрее возрастает крутящий момент, тем сильнее разогревается обмотка статора.

Это явление может привести к:

• выходу из строя изоляции;
• возникновению вибраций;
• деформации механических частей двигателя;
• полному выходу из строя мотора.

Большой ток может вызвать бурное искрение под щетками, что приведет к выходу из строя коллектора.

Избежать поломки можно, понизив пусковой ток до номинальной частоты вращения сразу после старта электромотора. Добиться этого можно несколькими способами. Выбор оптимального варианта зависит от технических характеристик мотора и его назначения.

Прямой пуск

Данный метод основан на прямом подключении якорной обмотки к электрической сети при номинальном напряжении двигателя. Прямой пуск можно применять только в случае наличия стабильного питания мотора, жестко связанного с приводом.

Этот способ является одним из самых простых. Температура при прямом пуске повышается, по сравнению с прочими способами, незначительно.

Схема прямого пуска

Метод прямого пуска наиболее предпочтителен при отсутствии специальных ограничений на ток, поступающий от электросети.

Если электродвигатель работает в режиме частых запусков и отключений, его необходимо снабдить простейшим оборудованием. Его роль может выполнять расцепитель с ручным управлением. Напряжение в этом случае подается на клеммы электромотора.

Прямой пуск можно применять только на маломощных двигателях, поскольку пик нагрузки а крупных моделях может превышать номинальную нагрузку в 50 раз.

Реостатный пуск

Метод пригоден для запуска оборудования большой мощности. Процесс осуществляется следующим образом:

1. Из провода, разделенного на секции и имеющего высокое удельное сопротивление, изготавливается реостат.
2. Устанавливается ток возбуждения на уровне номинального значения.
3. Во время запуска последовательно уменьшается сопротивление реостата, исключая таким образом скачки электрического тока.

Включение в схему реостата обеспечивает безопасность запуска двигателей самой высокой мощности.

Реостатный пуск

При реостатном пуске разгон двигателя происходит постепенно с постоянным ускорением. Количество ступеней реостата зависит от требований к плавности запуска мотора и разности

Imax – Imin.

Значения их сопротивлений определяется расчетом. В среднем пусковые реостаты имеют 2-7 ступеней.

Главная задача проектировщика – обеспечить одинаковое значение максимального и минимального тока на всех ступенях при их переключении в заданных временных интервалах.

Процесс переключения пускового реостата практически не поддается автоматизации. Если это необходимо (например, в автоматизированных установках), применяются пусковые сопротивления, поочередно шунтируемые контактами контакторов, работающих автоматически.

Как только двигатель войдет в рабочий режим, сопротивление реостата необходимо полностью вывести, поскольку рассчитывается оно только на кратковременную работу. Если ток будет проходить через реостат длительное время, он просто выйдет из строя.

Уменьшается сопротивление тоже ступенчато.

Пуск путем плавного повышения питающего напряжения

В обмотках двигателей насосов, конвейеров, воздуходувок в момент запуска возникают повышенные токи, превышающие их номинальное значение в 6 раз. Это явление отрицательно сказывается на составных частях мотора, снижая их долговечность. Поэтому в электрооборудовании мощностью свыше 1 кВт используют плавный пуск.

Смысл данного способа заключается в следующем: питающее напряжение повышается постепенно до тех пор, пока двигатель не выйдет на рабочий режим. Регулировка производится при помощи тиристоров или симисторов. Они располагаются «спина к спине» и устанавливаются на каждой из питающих линий переменного тока.

Устройство плавного пуска

Приводятся в действие тиристоры на начальном этапе, причем их включают последовательно с небольшой задержкой для каждого полупериода. Такая схема работы способствует эффективному наращиванию напряжения (среднего переменного) на электродвигателе вплоть до его выхода на номинальное напряжение электросети.

Как только мотор достигнет номинальной скорости вращения, его можно переключить напрямую по схеме байпас.

Управление большими двигателями осуществляется посредством установок плавного пуска или частотных преобразователей.

Но эти устройства с успехом заменяют:

• выключателями;
• разъединителями полного напряжения.

Последний подает полное напряжение на клеммы электродвигателя (принцип прямого пуска). Но такая схема возможна только на маломощных электроустановках.

Способ плавного пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Существуют и другие мягкие пускатели, обеспечивающие плавную остановку двигателя. Они необходимы в устройствах, которые при резком снижении скорости вращения могут привести к их поломке или нарушениям разного характера. В качестве примера можно привести насос, быстрая остановка которого вызовет возникновение гидроудара в системе. Нежелательна резкая остановка конвейерных лент, в результате которой полотно может выйти из строя.

Плавный останов осуществляется по такому же принципу, что и плавный пуск – с использованием силовых полупроводников.

Особенности плавного пуска трехфазных двигателей

На электродвигателях данного типа применяется мягкий пуск «звезда-треугольник». Схема работает следующим образом:

• изначально обмотки мотора соединены звездой;
• при выходе двигателя на заданные параметры они переключаются в соединение треугольником.

Система управления трёхфазным двигателем (инвертор)

В схему устройства входят:

• контакторы на каждую фазу;
• таймера, задающего интервал времени;
• реле перегрузки.

Такой способ позволяет держать пусковой ток на уровне 30% от его значения при прямом пуске. Соответственно, и крутящий момент ниже – не более 25%.

Применять метод «звезда-треугольник» можно только при наличии нагрузки на двигателе в момент его пуска.

Но чрезмерно нагруженное электрооборудование разогнать до номинальной скорости не удастся из-за недостаточного крутящего момента.

Устройства плавного могут играть роль регулятора напряжения электродвигателя, если в схеме присутствует соответствующий контроллер. Его задача – отслеживать коэффициент мощности мотора. Зависит он от нагрузки: при ее небольшом значении контроллер понизит напряжение и ток электродвигателя.

Пуск при пониженном напряжении цепи якоря

Ограничить пусковой ток можно, задействовав управляемый выпрямитель или отдельный генератор постоянного тока.

Обмотка возбуждения питается от другого источника с полным напряжением, обеспечивающим полный пусковой ток.

Такой способ используется для запуска мощных двигателей с регулируемой скоростью вращения.

Реверсирование (изменение направления вращения) выполняется путем изменения направления тока в обмотке возбуждения или якоре.

Понимание и создание собственного

Одним из наиболее существенных недостатков электродвигателей является то, что при запуске им требуется относительно большое количество энергии. По крайней мере, по сравнению с количеством энергии, необходимой для нормальной работы. Если вы используете недостаточный источник питания, двигатель постоянного тока может потенциально перегрузить его во время запуска. Лучший способ защитить ваше оборудование — реализовать плавный пуск (или плавный пуск/стартер). В следующем руководстве будет рассказано, что такое плавный пуск двигателя постоянного тока и как вы можете создать и реализовать свой собственный.

 

Содержание

Зачем нужны плавные пуски?

 

Устройство плавного пуска RSBT Источник: Wikimedia Commons

 

Как и в большинстве случаев, для запуска двигателей требуется значительная энергия. Но как только он запускается и стабилизируется, количество потребляемой мощности падает и становится постоянным. Это совместимо с принципом сохранения импульса. Тем не менее, этот внезапный резкий скачок энергопотребления во время запуска может повредить ваши выключатели и предохранители. Эта деградация может произойти не мгновенно. Мы можем предотвратить и исправить это, внедрив схему плавного пуска.

 

Как работает плавный пуск? Источник: Wikimedia Commons Это достигается за счет минимизации крутящего момента двигателя. Следовательно, это приводит к более контролируемому и плавному пуску, когда плавный пуск подает ток по фазам.

Кроме того, несмотря на то, что большинство устройств плавного пуска двигателей насосов, как правило, механические, существуют полупроводниковые версии. Они функционируют одинаково, но через разные механизмы. В этом руководстве мы будем создавать такое устройство.

 

Приложение для устройств плавного пуска

 

Большой промышленный двигатель с гидравлическим насосом

 

Один из вопросов, который вы можете себе задать: «Для всех ли двигателей постоянного тока нужны пускатели?» . Короткий ответ — нет.» Это необходимо только для нескольких машин и электроники. Двигатели постоянного тока явно не требуют плавного пуска. Однако устройство плавного пуска или схема плавного пуска могут продлить срок службы вашего оборудования. Таким образом, вы не должны испытывать никакого давления, чтобы внедрить его в свое оборудование.

Тем не менее, существует множество машин с двигателями постоянного тока, которые выиграли бы от включения устройства плавного пуска. Конечно, некоторые двигатели могут иметь более значительные преимущества, чем другие. Поскольку некоторые двигатели постоянного тока больше подвержены риску повреждения или износа, чем другие, из-за чрезмерного тока. Этот факт чаще всего встречается в двигателях для:

• Конвейерных лент
• Применение насосов
• Большие вентиляторы и системы охлаждения
• Вертолеты на электрической базе
• Радиочастотные устройства

 

Преимущества устройств плавного пуска для двигателей постоянного тока

 

Малые электрические двигатели постоянного тока Однако, помимо продления срока службы оборудования, использование устройства плавного пуска имеет и другие преимущества. К этим преимуществам относятся: 

• Более эффективное использование энергии для более бесперебойной работы
• Снижение риска скачков напряжения
• Некоторые устройства плавного пуска позволяют управлять скоростью или продолжительностью пуска.
• Устройства плавного пуска потенциально могут увеличить количество пусков в час
• Снижает риск перегрева двигателей при запуске
• Использование устройства плавного пуска оптимизирует общую эффективность работы двигателя и оборудования

 

 

В этом разделе руководства мы расскажем, как спроектировать и построить схему плавного пуска. Следующий проект должен быть достаточно простым для начинающих, но достаточным для практического применения.

 

Необходимые компоненты

 

Для создания схемы плавного пуска двигателя постоянного тока вам потребуется следующий список электронных компонентов:

• Силовой резистор (R1)
• Статическое реле 12 В (K1)
• МОП-транзистор IRFZ44N (Q1)
• Конденсатор 10 мкФ (C1)
• Резистор 100 кОм x 2 (R2, R3)

Если вы не можете позволить себе использовать 12-вольтовое статическое реле, вы можете использовать диод 1N4002 вместе с 12-вольтовым реле с механическими компонентами. Кроме того, вам потребуется 12-вольтовый источник питания для питания схемы.

 

Рекомендуемые инструменты

 

Следующий список состоит из инструментов, которые вам, скорее всего, понадобятся для компиляции этого проекта. Это означает, что вы будете зависеть от вашего опыта и набора навыков. Например, вам не нужно использовать паяльник вместе с припоем. Вместо них можно использовать провода.

• Рабочие перчатки

Техник в рабочих перчатках

• Припой
• Паяльник и схема
• Проволока 20 калибра
• Универсальный нож

Универсальный нож

• Линейка/рулетка

Рулетка

• Отвертка с плоской и звездообразной головкой

Отвертка с плоской и звездообразной головкой

• Плоскогубцы

Плоскогубцы

Схема

Пояснение и действия

 

Убедившись, что у вас есть нужные компоненты и оборудование, вы можете выполнить следующие шаги для сборки схемы плавного пуска:

• Протяните провод или припаяйте соединение от 12-вольтового источника питания
• Затем подключите последовательно два резистора 100 кОм от источника питания
.
• Заземлить резисторы
• Затем создайте параллельную цепь и подключите провод (или припаяйте резистор) к конденсатору.
• Заземлить резистор
• Затем подключите конденсатор к MOSFET
• Заземление МОП-транзистора
• Затем выполните подключение MOSFET к статическому реле
• Наконец, создайте небольшую параллельную цепь с силовым резистором и подключите ее к выходным контактам реле
.

Если вы решили использовать механический полевой МОП-транзистор вместе с диодом, вам нужно щелкнуть диод параллельно механическому реле. Кроме того, вы должны щелкнуть диодом на входных контактах реле.

Когда вы закончите сборку схемы, вы можете подключить ее к инвертору. Затем вы можете подключить его к двигателю постоянного тока. В качестве альтернативы вы можете присоединиться к ходу с двигателем постоянного тока. Однако такая установка была бы менее желательной.

 

Заключение

 

Для инженера-электронщика важно создавать новые и инновационные устройства. Однако мы можем постоянно улучшать дизайн старых изобретений. В этом состоит назначение плавных пускателей. Они замедляют раскрутку двигателя, чтобы стабилизировать ток, подаваемый на него источником питания. Это продлевает срок службы ваших машин. В свою очередь, это сэкономит вам деньги в долгосрочной перспективе. Хотя проект, который мы включили в это руководство, достаточно прост в сборке, вы можете упростить его, добавив печатную плату или макетную плату.

Тем не менее, помните об осторожности при работе с электронными компонентами. Как всегда, мы надеемся, что вы нашли это руководство полезным. Спасибо за чтение.

 

 

реле — двигатель постоянного тока 12 В потребляет значительный ток при изменении направления

Как объяснил пользователь 287001, когда вы меняете полярность двигателя, он действует как генератор, но его полярность противоположна напряжение питания, поэтому он будет потреблять намного больше тока, чем даже его пусковой ток. Вы можете думать об этом «генераторе» как о подключении батареи к источнику питания, но с неправильной полярностью.

Слева полевой транзистор включен, и двигатель включен (я нарисовал его как источник напряжения с внутренним сопротивлением и индуктивностью). Ток течет по красным стрелкам.

На второй схеме реле просто изменило полярность двигателя, поэтому полярность источника напряжения и полярность катушки индуктивности также инвертированы на схеме. Из-за перевернутой индуктивности двигателя ток меняется на противоположный. Это не проблема, если полевой транзистор включен, он пройдет через полевой транзистор, в противном случае он пройдет через диод корпуса. Это длится очень недолго.

Схема 3: Когда индуктивность разряжена, двигатель все еще остается генератором, но его полярность теперь противоположна источнику питания. Следовательно, ток будет намного больше, чем пусковой ток двигателя. Когда двигатель действует как генератор, выходное напряжение примерно пропорционально оборотам, поэтому чем быстрее он работает, тем больше проблем у вас будет при смене полярности. Кроме того, двигатель почти удваивает обычное напряжение и ток, поэтому, если источник питания не слабеет, он будет обеспечивать удвоенный крутящий момент … и крутящий момент будет очень быстро менять знак … что означает, что некоторые крепеж, рассчитанный на номинальный крутящий момент, может просто не выдержать. По сути, смена полярности на двигателе, работающем на полных оборотах, может иметь довольно впечатляющие эффекты, например, машина спрыгивает с пола и разбрасывает запасные части.

Схема 4: если вы установите ШИМ на ноль (выключите полевой МОП-транзистор), однако полярность выходного напряжения двигателя-генератора такова, что оно будет закорочено диодом.

Таким образом, вы не можете переключить полярность и включить полную мощность за копейки. Вы можете изменить полярность и одновременно установить ШИМ на ноль, а затем подождать некоторое время, пока энергия, запасенная в инерции вращения двигателя, не рассеется как на диоде, так и на сопротивлении обмотки двигателя. Убедитесь, что диод выдержит это, иначе он сгорит. Затем подождите, пока двигатель замедлится. Как только он достаточно замедлится, вы можете увеличить ШИМ, чтобы запустить его в другом направлении. Диод обеспечивает удобный способ закоротить двигатель, чтобы замедлить его быстрее, но он будет делать это только в том случае, если реле меняет полярность, а полевой транзистор выключен. Если реле не перевернуто, а полевой транзистор выключен, двигатель просто остановится. Таким образом, в зависимости от положения реле вы получаете либо торможение, либо движение по инерции.

Можно использовать драйвер MOSFET со встроенной защелкой RS и компаратором, например MCP1630, или другую подобную схему. По сути, токоизмерительный резистор в источнике MOSFET отслеживает ток двигателя и отключает FET, когда он превышает установленное значение, что сокращает цикл ШИМ и гарантирует, что ток никогда не превысит максимум, который может выдержать ваш источник питания или батарея.

В противном случае вам придется использовать фиксированные задержки в своем коде или каким-либо образом контролировать ток двигателя, чтобы обеспечить достаточную задержку между изменением полярности и повторным включением MOSFET.

Итак, если вы хотите иметь возможность быстро изменить направление своего ROV, все зависит от инерции двигателей и гребных винтов. Больше инерции означает, что вам придется ждать дольше.

Поскольку это подводный ROV, вода сама по себе может нагрузить двигатели настолько, что замедлит их, что позволит быстрее сменить полярность. Но может быть и обратное: если ROV продвигается вперед, а двигатели отключены, его скорость в воде может заставить пропеллеры вращаться, и тогда ваш двигатель может не замедляться так быстро, как вам хотелось бы. Я понятия не имею, кто из двоих победит. Испытания на стенде в воздухе также не дадут ответа на этот вопрос.

Итак, я думаю, вам нужно провести тест в воде: перейти на полную скорость, перевернуть реле и установить ШИМ на ноль, закоротить двигатели с помощью диодов и замерить, сколько времени им потребуется, чтобы перейти от полных оборотов в минуту к что-то более легкое, например, 25% оборотов в минуту. Посмотрите, устраивают ли эту задержку, не слишком ли она велика, чтобы оператор чувствовал себя вялым.