Своими руками плавный запуск асинхронного двигателя. Что такое плавный пуск электродвигателя? Прибор плавного запуска своими руками

Плавный пуск получил широкое применение в безопасном запуске электродвигателей. Во время запуска двигателя происходит превышение номинального тока (Iн) в 7 раз. В результате этого процесса происходит уменьшение эксплуатационного периода мотора, а именно обмоток статора и значительная нагрузка на подшипники. Именно из-за этой причины и рекомендуется сделать плавный пуск для электроинструмента своими руками, где он не предусмотрен.

Общие сведения

Статор электродвигателя представляет собой катушку индуктивности, следовательно, существуют сопротивления с активной и реактивной составляющей.

При протекании электрического тока через радиоэлементы , имеющие сопротивление с активной составляющей, происходят потери, связанные с преобразованием части мощности в тепловой вид энергии. Например, резистор и обмотки статора электродвигателя обладают сопротивлением с активной составляющей. Вычислить активное сопротивление не составляет труда, так как происходит совпадение фаз тока (I) и напряжения (U). Используя закон Ома для участка цепи, можно рассчитать активное сопротивление: R = U/I. Оно зависит от материала, площади поперечного сечения, длины и его температуры.

Если ток проходит через реактивный тип элементов (с емкостными и индуктивными характеристиками), то, в этом случае, появляется реактивное R. Катушка индуктивности, не имеющая практически активного сопротивления (при расчетах не учитывается R ее обмоток). Этот вид R создается благодаря Электродвижущей силе (ЭДС) самоиндукции, которая прямо пропорционально зависит от индуктивности и частоты I, проходящего через ее витки: Xl = wL, где w — угловая частота переменного тока (w = 2*Пи*f, причем f — частота тока сети) и L — индуктивность (L = n * n / Rm, n — число витков и Rm - магнитное сопротивление).

При включении электродвигателя пусковой ток в 7 раз больше номинального (ток, потребляемый при работе инструмента) и происходит нагрев обмоток статора. Если статорная катушка является старой, то может произойти межвитковое КЗ, которое повлечет выход электроинструмента из строя. Для этого нужно применить устройство плавного пуска электроинструмента.

Одним из методов снижения пускового тока (Iп) является переключение обмоток. Для его осуществления необходимы 2 типа реле (времени и нагрузки) и наличие трех контакторов.

Пуск электромотора с обмотками, соединенными по типу «звезда» возможен только при 2-х не одновременно замкнутых контакторах. Через определенный интервал времени, который задает реле времени, один из контакторов отключается и включается еще один, не задействованный ранее. Благодаря такому чередованию включения обмоток и происходит снижение пускового тока. Этот способ обладает существенным недостатком, так как при одновременно замыкании двух контакторов возникает ток КЗ. Однако при использовании этого способа обмотки продолжают нагреваться.

Еще одним способом снижения пускового тока является частотное регулирование запуска электродвигателя. Принципом такого подхода является частотное изменение питающего U. Основной элемент этого вида устройств плавного пуска является частотный преобразователь, состоящий из следующих элементов:

1. Выпрямитель.
2. Промежуточная цепь.
3. Инвертор.
4. Электронная схема управления.

Выпрямитель изготавливается из мощных диодов или тиристоров , выполняющий роль преобразователя U питания сети в постоянный пульсирующий ток. Промежуточная цепь сглаживает пульсирующий постоянный ток на выходе выпрямителя, которая собирается на конденсаторах большой емкости. Инвертор необходим для непосредственного преобразования сигнала на выходе промежуточной цепи в сигнал амплитуды и частоты переменной составляющей. Электронная схема управления нужна для генерации сигналов, необходимых для управления выпрямителем, инвертором.

Принцип действия

Во время пуска электродвигателя коллекторного типа происходит значительное кратковременное увеличение тока потребления, которое и служит причиной преждевременного выхода из строя электроинструмента и сдачей его в ремонт. Происходит износ электрических частей (превышение тока в 7 раз) и механических (резкий запуск). Для организации «мягкого» пуска следует применять устройства плавного пуска (далее УПП). Эти устройства должны соответствовать основным требованиям:

Наиболее широкое распространение получили симисторные УПП, принципом действия которых является плавное регулирование U при помощи регулировки угла открытия перехода симистора. Симистор нужно подключить напрямую к обмоткам двигателя и это позволяет уменьшить пусковой ток от 2 до 5 раз (зависит от симистора и схемы управления). К основным недостаткам симисторных УПП являются следующие:

1. Сложные схемы.
2. Перегрев обмоток при длительном запуске.
3. Проблемы с запуском двигателя (приводит к значительному нагреву статорных обмоток).

Схемы усложняются при использовании мощных двигателей, однако, при небольших нагрузках и холостом ходе возможно использование простых схем.

УПП с регуляторами без обратной связи (по 1 или 3 фазам) получили широкое распространение. В моделях этого типа появляется возможность предварительного выставления времени пуска и величины U перед пуском двигателя. Однако, в этом случае невозможно регулировать величину вращающего момента при нагрузке. С этой моделью применяется специальное устройство для снижения пускового тока, защиты от пропадания и перекоса фаз, а также от перегрузок. Заводские модели имеют функцию слежения за состоянием электромотора.

Простейшие схемы однофазного регулирования исполняются на одном симисторе и используются для инструмента с мощностью до 12 кВт. Существуют более сложные схемы, позволяющие производить регулировку параметров питания двигателя мощностью до 260 кВт. При выборе УПП заводского производства необходимо учесть такие параметры: мощность, возможные режимы работы, равенство допустимы токов и количество запусков в определенный промежуток времени.

Применение в болгарке

Во время запуска угловой шлифовальной машинки (УШМ) появляются высокие нагрузки динамического характера на детали инструмента.

Дорогие модели снабжены УПП, но не обыкновенные разновидности, например, УШМ фирмы «Интерскол». Инерционный рывок способен вырвать из рук УШМ, при этом происходит угроза жизни и здоровью. Кроме того, при пуске электродвигателя инструмента происходит перегрузка по току и в результате этого - износ щеток и значительный нагрев статорных обмоток, изнашивается редуктор и возможно разрушение режущего диска, который может треснуть в любой момент и причинить вред здоровью, а может даже и жизни. Инструмент нужно обезопасить и для этого следует сделать и плавным пуском своими руками.

Самодельные варианты

Существует множество схем модернизации электроинструмента при помощи УПП. Среди всех разновидностей широкое применение получили устройства на симисторах. Симистор - полупроводниковый элемент, позволяющий плавно регулировать параметры питания. Существуют простые и сложные схемы, которые отличаются между собой вариантами исполнения, а также поддерживаемой мощностью, подключаемого электроинструмента. В конструктивном исполнении бывают внутренние, позволяющие встраиваться внутрь корпуса, и внешние, изготавливаемые в виде отдельного модуля, выполняющего роль ограничителя оборотов и пускового тока при непосредственном пуске УШМ.

Простейшая схема

УПП с регулированием оборотов на тиристоре КУ 202 получил широкое применение благодаря очень простой схеме исполнения (схема 1). Его подключение не требует особых навыков. Радиоэлементы для него достать очень просто. Состоит эта модель регулятора из диодного моста, переменного резистора (выполняет роль регулятора U) и схемы настройки тиристора (подача U на управляющий выход номиналом 6,3 вольта) отечественного производителя.

Схема 1. Электросхема внутреннего блока с регулировкой оборотов и плавным пуском (схема электрическая принципиальная)

Благодаря размерам и количеству деталей регулятор этого типа можно встроить в корпус электроинструмента. Кроме того, следует вывести ручку переменного резистора и сам регулятор оборотов можно доработать, встроив кнопку перед диодным мостом.

Основной принцип работы заключается в регулировке оборотов электродвигателя инструмента благодаря ограничению мощности в ручном режиме. Эта схема позволяет использовать электроинструмент мощностью до 1,5 кВт. Для увеличения этого показателя необходимо заменить тиристор на более мощный (информацию об этом можно найти в интернете или справочнике). Кроме того, нужно учесть и тот факт, что схема управления тиристором будет отличаться от исходной. КУ 202 является отличным тиристором, но его существенный недостаток состоит в его настройке (подборка деталей для схемы управления). Для осуществления плавного пуска в автоматическом режиме применяется схема 2 (УПП на микросхеме).

Плавный пуск на микросхеме

Оптимальным вариантом для изготовления УПП является схема УПП на одном симисторе и микросхеме, которая управляет плавным открытием перехода p-n типа. Питается устройство от сети 220 В и ее несложно собрать самому. Очень простая и универсальная схема плавного пуска электродвигателя позволяет также и регулировать обороты (схема 2). Симистор возможно заменить аналогичным или с характеристиками, превышающими исходные, согласно справочнику радиоэлементов полупроводникового типа.

Схема 2. Схема плавного пуска электроинструмента

Устройство реализуется на основе микросхемы КР118ПМ1 и симисторе. Благодаря универсальности устройства его можно использовать для любого инструмента. Он не требует настройки и устанавливается в разрыв кабеля питания.

При пуске электродвигателя происходит подача U на КР118ПМ1 и плавный рост заряда конденсатора С2. Тиристор открывается постепенно с задержкой, зависящей от емкости управляющего конденсатора С2. При емкости С2 = 47 мкФ происходит задержка при запуске около 2 секунд. Она зависит прямо пропорционально от емкости конденсатора (при большей емкости время запуска увеличивается). При отключении УШМ конденсатор С2 разряжается при помощи резистора R2, сопротивление которого равно 68 к, а время разрядки составляет около 4 секунд.

Для регулирования оборотов нужно заменить R1 на резистор переменного типа. При изменении параметра переменного резистора происходит изменение мощности электромотора. R2 изменяет величину тока, протекающего через вход симистора. Симистор нуждается в охлаждении и, следовательно, в корпус модуля можно встроить вентилятор.

Основной функцией конденсаторов C1 и C3 является защита и управление микросхемой. Симистор следует подбирать, руководствуясь следующими характеристиками: прямое U должно составлять 400..500 В и прямой ток должен быть не менее 25 А. При таких номиналах радиоэлементов к УПП возможно подключать инструмент с мощностью от 2 кВт до 5 кВт.

Таким образом, для запуска электродвигателей различного инструмента необходимо использовать УПП заводского изготовления или самодельные. УПП применяются для увеличения срока эксплуатации инструмента. При запуске двигателя происходит резкое увеличение тока потребления в 7 раз. Из-за этого возможно подгорание статорных обмоток и износ механической части. УПП позволяют значительно снизить пусковой ток. При изготовлении УПП самостоятельно нужно соблюдать правила безопасности при работе с электричеством.

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.

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

• Прямой запуск
• Устройства плавного пуска

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.

Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют "Экономитель энергии Electricity Saving Box". Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

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.

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.

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

Принцип работы пускателя

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

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

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

УПП могут быть двух типов:

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

Преимущества плавного пуска

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

Несколько причин, почему этот метод предпочтительнее других:

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

Компоненты твердотельных устройств

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

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

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

Основы SCR

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Процесс регулирования пуска

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

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

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

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

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

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

Схемы подключения пускателей

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

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

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

Сопряжен с высокими динамическими нагрузками. За счет массы рабочего диска, в начале вращения на ось редуктора действуют силы инерции. Это влечет за собой некоторые негативные моменты:

1. Нагрузки на ось при резком старте создают инерционный рывок, который при большом диаметре и массе диска может вырвать электроинструмент из рук;

ВАЖНО! При запуске болгарки, всегда держите инструмент обеими руками, и будьте готовы к его удержанию. В противном случае можно получить травму. Данное предупреждение особенно актуально для тяжелых алмазных или стальных дисков.

2. При резкой подаче рабочего напряжения на двигатель, возникает перегрузка по току, которая проходит после набора номинальных оборотов;

В результате чего изнашиваются щетки и перегреваются обе обмотки электромотора. При постоянном включении и выключении электроинструмента, перегрев может оплавить изоляцию обмоток и привести к короткому замыканию, с последующим дорогостоящим ремонтом.

3. Большой крутящий момент при резком наборе оборотов преждевременно изнашивает шестерни редуктора УШМ;

В некоторых случаях возможно отламывание зубьев и заклинивание редуктора.

4. Перегрузки, которые воспринимает рабочий диск, могут разрушить его при запуске двигателя.

Поэтому наличие защитного кожуха обязательно.

ВАЖНО! Во время запуска болгарки, открытый сектор кожуха должен быть направлен в сторону, противоположную от оператора.

Чтобы лучше понять механику работы, рассмотрим устройство болгарки на чертеже. Хорошо видны все элементы, испытывающие перегрузку при резком старте.

Схематический чертеж расположение рабочих органов и систем управления в болгарке

Для уменьшения пагубных воздействий резкого пуска, производители выпускают болгарки с регулировкой оборотов и плавным пуском.

Регулировка оборотов находится на рукоятке инструмента

Но таким приспособлением оснащаются лишь модели средней и высокой ценовой категории. Многие домашние мастера приобретают УШМ без регулятора и замедления пусковых оборотов. Особенно это касается мощных экземпляров с диаметром отрезного диска более 200 мм. Такую болгарку мало того что тяжело удержать в руках во время запуска, износ механики и электрической части происходит гораздо быстрее.
Выход один – установить плавный пуск болгарки самостоятельно. Существуют готовые заводские устройства с регулятором оборотов и замедлением старта двигателя при запуске.

Готовое устройство для регулировки плавного пуска

Такие блоки устанавливаются внутрь корпуса, при наличии свободного места. Однако, большинство пользователей УШМ предпочитают изготавливать схему для плавного пуска болгарки самостоятельно, и подключать ее в разрыв питающего кабеля.

Как изготовить схему плавного пуска угловой шлифовальной машины своими руками

Популярная схема реализуется на основе управляющей микросхемы фазового регулирования КР118ПМ1, а силовая часть выполнена на симисторах. Такое устройство достаточно просто монтируется, не требует дополнительной настройки после сборки, а стало быть, изготовить ее может мастер без специализированного образования, достаточно уметь держать в руках паяльник.

Электрическая схема регулировки плавного пуска для болгарки

Предложенный блок можно подключить к любому электроинструменту, рассчитанному на переменное напряжение 220 вольт. Отдельный вынос кнопки питания не требуется, доработанный электроинструмент включается штатной клавишей. Схему можно установить как внутрь корпуса болгарки, таки и в разрыв питающего кабеля в отдельном корпусе.

Наиболее практичным является подключение блока плавного пуска к розетке, от которой запитывается электроинструмент. На вход (разъем ХР1) подается питание от сети 220 вольт. К выходу (разъем XS1) подключается расходная розетка, в которую втыкается вилка УШМ.

При замыкании клавиши пуска болгарки, по общей цепи питания подается напряжение на микросхему DA1. На управляющем конденсаторе происходит плавное нарастание напряжения. По мере заряда оно достигает рабочей величины. За счет этого тиристоры в составе микросхемы открываются не сразу, а с задержкой, время которой определяется зарядом конденсатора. Симистор VS1, управляемый тиристорами, открывается с такой же паузой.

Посмотрите видео с подробным разъяснением как сделать и какую схему применить

В каждом полупериоде переменного напряжения, задержка уменьшается в арифметической прогрессии, в результате чего напряжение на входе в электроинструмент плавно возрастает. Этот эффект и определяет плавность запуска двигателя болгарки. Следовательно обороты диска возрастают постепенно, и вал редуктора не испытывает инерционного шока.

Время набора оборотов до рабочего значения определяется емкостью конденсатора С2. Величина 47 мкФ обеспечивает плавный пуск за 2 секунды. При такой задержке нет особого дискомфорта для начала работы с инструментом, и в то же время сам электроинструмент не подвергается избыточным нагрузкам от резкого старта.

После выключения УШМ, конденсатор С2 разряжается сопротивлением резистора R1. При номинале 68 кОм время разряда составляет 3 секунды. После чего устройство плавного пуска готово к новому циклу запуска болгарки.
При небольшой доработке, схему можно модернизировать до регулятора оборотов двигателя. Для этого резистор R1 заменяется на переменный. Регулируя сопротивление, мы контролируем мощность двигателя, меняя его обороты.

Таким образом, в одном корпусе можно выполнить регулятор оборотов двигателя и устройство плавного пуска электроинструмента.

Остальные детали схемы работают следующим образом:

• Резистор R2 контролирует величину силы тока, протекающую через управляющий вход симистора VS1;
• Конденсаторы С1 и С2 являются компонентами управления микросхемой КР118ПМ1, используемыми в типовой схеме включения.

Для простоты и компактности монтажа, резисторы и конденсаторы припаиваются прямо к ножкам микросхемы.

Симистор VS1 может быть любым, со следующими характеристиками: максимальное напряжение до 400 вольт, минимальный пропускной ток 25 ампер. Величина тока зависит от мощности угловой шлифовальной машины.

По причине плавного пуска болгарки, ток не будет превышать номинального рабочего значения для выбранного электроинструмента. Для экстренных случаев, например, заклинивания диска УШМ – необходим запас по току. Поэтому значение номинальной величины в амперах следует увеличить вдвое.

Номиналы радиодеталей, использованных в предлагаемой электросхеме – испытаны на УШМ мощностью 2 кВт. Запас по мощности имеется до 5 кВт, это связано с особенностью работы микросхемы КР118ПМ1.
Схема рабочая, многократно исполненная домашними мастерами.