Страничка электрика
Электронный запуск электродвигателей
В статье приведены схемы электронного запуска электродвигателей с пусковой обмоткой различной бытовой и промышленной техники, которая выпускается с пусковыми устройствами, содержащими электрические контакты. Описываются принципы работы, наладки и конструктивные особенности электронных пусковых устройств на тиристорах и симисторах, даны рекомендации по изготовлению и эксплуатации этих устройств.
Однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой применяются в холодильниках, электрозаточных, деревообрабатывающих станках и другой разнообразной бытовой технике.
Для запуска таких двигателей применяются пусковые реле или специальные выключатели, которые после запуска двигателя выключают пусковую обмотку. Подача и отключение напряжения в этих устройствах осуществляется через электрические контакты, которые, естественно, искрят и подгорают в процессе эксплуатации, что существенно снижает их срок службы, а при потере контакта приводит к повреждению двигателя.
Некоторыми авторами предложены схемы с электронными устройствами, которые снижают токи через электрические контакты, но не исключают их полностью.
Автором разработана и использована для некоторых бытовых устройств электронная схема запуска, которая в течение длительного времени показала надежную работу.
Работа данной схемы основана на запирании диодного моста, включенного в цепь управления тиристоров или симистора, при заряде конденсатора постоянным током диодного моста (рис.1). Во время заряда конденсатора тиристоры открыты, и все напряжение поступает в нагрузку. После полного заряда конденсатора ток через управляющие электроды прекращается, тиристоры запираются, и напряжение от нагрузки отключается. Время открытого состояния тиристоров определяется емкостью конденсатора, т.е. это своего рода реле времени, которое через определенное время отключает нагрузку. Для повторного включения нагрузки необходимо разрядить конденсатор, иначе он длительное время будет держать диоды моста и тиристоры в закрытом состоянии.
Для устройств, которые включаются с помощью выключателя, необходимо использовать тумблер с двумя перекидными контактами, один из которых при включении нагрузки подключал бы к конденсатору резистор номиналом 10. 100 кОм Практически действующая схема для запуска электродвигателя бытового заточного станка мощностью 210 Вт показана на рис.2.
В связи с разбросом параметров тиристоров схема требует несложной наладки, которая заключается в подборе конденсатора необходимой емкости, от которой зависит время подачи напряжения на пусковую обмотку. Это время должно быть минимальным, но достаточным для надежного запуска двигателя при пониженном напряжении питающей сети до допустимого минимума 180 В.
Необходимо отметить, что ток заряда конденсатора составляет доли миллиампера, поэтому диодный мост может быть маломощным, но рассчитанным на напряжение не менее 300 В, а конденсатор — на напряжение не менее 400 В, так как при пробое конденсатора пусковая обмотка окажется под полным напряжением сети, что может вывести из строя электродвигатель. К этому также может привести пробой любого элемента схемы. Учитывая, что надежность используемых элементов часто неизвестна, необходимо некоторое время понаблюдать за работой схемы. Для этого временно или постоянно параллельно электронному выключателю необходимо подключить светодиод с гасящим резистором. После запуска двигателя на электронном выключателе появляется сетевое напряжение, и светодиод начинает светиться, что свидетельствует о том, что пусковая обмотка отключено.
Для электродвигателей, которые включаются и выключаются автоматически, как в холодильнике, разряд конденсатора осуществляется через резистор от 10 до 100 МОм, подключенный параллельно конденсатору. Этот резистор большого номинала не влияет на заряд конденсатора и не открывает тиристоры, так как ток через этот резистор мал (составляет микроамперы) и его недостаточно для открывания тиристоров. После запуска двигателя заряд конденсатора (R1 отключен от С1) поддерживается микротоками, не способными открыть тиристоры. После автоматического отключения двигателя датчиком устройства конденсатор успевает разрядиться до следующей подачи напряжения на двигатель.
Эксперименты показали, что чем больше мощность двигателя, тем большего номинала требуется резистор R1. Например, при тех же тиристорах для двигателя мощностью 210 Вт минимальное сопротивление резистора составляло 9 МОм, а для двигателя мощностью 800 Вт — 18 МОм. После снятия напряжения, через несколько секунд, двигатель готов нормально запуститься. Это говорит о том, что увеличение сопротивления данного резистора на 30. 50% от минимального не повлияет на работу устройства, например холодильника, а только повысит надежность отключения пусковой обмотки при завышенном напряжении сети. Например, разряд конденсатора емкостью 0,1 мкФ на резистор сопротивлением 20 МОм происходит за время t=RC=2 с. Эксперименты также показали, что емкость конденсатора и сопротивление разрядного резистора подбираются индивидуально в зависимости от параметров тиристоров или симистора, мощности двигателя и необходимого времени надежного запуска
Практическая схема электронного запуска двигателя заточного станка мощностью 210 Вт на симисторе показана на рис.3. Наладка данной схемы аналогична схеме на тиристорах.
Для двигателей мощностью до 2 кВт тиристоры могут устанавливаться без радиаторов. Диоды VD1 и VD2 (рис.2) можно заменить резисторами номиналом 120. 160 кОм, а при использовании тиристоров с близкими параметрами схема нормально работает и без этих элементов. Детали R2, VD3 и VD4 можно убрать после испытаний схемы в течение некоторого времени. Отключение пусковой обмотки в период испытаний схемы можно контролировать вольтметром. Необходимо отметить, что приведенные схемы также можно использовать в качестве таймеров для бесконтактного отключения мощных электрических устройств через необходимое время, подобрав соответствующий номинал С1 и тип симистора (тиристоров), например аппаратов точечной сварки, нагревателей для сварки пластиковых труб, кратковременного освещения больших помещений и т.п.
Схемы пуска и торможения двигателя
В настоящее время наиболее распространены трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Пуск и остановка таких двигателей при включении на полное напряжение сети осуществляются дистанционно при помощи магнитных пускателей.
Наиболее часто используется схема с одним пускателем и кнопками управления «Пуск» и «Стоп». Для того, чтобы обеспечить вращение вала двигателя в обе стороны используется схема с двумя пускателями (или с реверсивным пускателем) и тремя кнопками. Такая схема позволяет менять направление вращения вала двигателя «на ходу» без его предварительной остановки.
Схемы пуска двигателя
Электрический двигатель М питается от трехфазной сети переменного напряжения. Трехфазный автоматический выключатель QF предназначен для отключения схемы при коротком замыкании. Однофазный автоматический выключатель SF защищает цепи управления.
Основным элементом магнитного пускателя является контактор (мощное реле для коммутации больших токов) КМ. Его силовые контакты коммутируют три фазы, подходящие к электродвигателю. Кнопка SB1 («Пуск») предназначена для пуска двигателя, а кнопка SB2 («Стоп») — для остановки. Тепловые биметаллические реле KK1 и КК2 осуществляют отключение схемы при превышении тока, потребляемого электродвигателем.
Рис. 1. Схема пуска трехфазного асинхронного двигателя с помощью магнитного пускателя
При нажатии кнопки SB1 контактор КМ срабатывает и контактами KM.1, КМ.2, КМ.3 подключает электродвигатель к сети, а контактом КМ.4 блокирует кнопку (самоблокировка).
Для остановки электродвигателя достаточно нажать кнопку SB2, при этом контактор КМ отпускает и отключает электродвигатель.
Важным свойством магнитного пускателя является то, что при случайном пропадании напряжения в сети двигатель отключается, но восстановление напряжения в сети не приводит к самопроизвольному запуску двигателя, так как при отключении напряжения отпускает контактор КМ, и для повторного включения необходимо нажать кнопку SB1.
При неисправности установки, например, при заклинивании и остановке ротора двигателя, ток, потребляемый двигателем, возрастает в несколько раз, что приводит к срабатыванию тепловых реле, размыканию контактов KK1, КК2 и отключению установки. Возврат контактов КК в замкнутое состояние производится вручную после устранения неисправности.
Реверсивный магнитный пускатель позволяет не только запускать и останавливать электрический двигатель, но изменять направление вращения ротора. Для этого схема пускателя (рис. 2) содержит два комплекта контакторов и кнопок пуска.
Рис. 2. Схема пуска двигателя с помощью реверсивного магнитного пускателя
Контактор КМ1 и кнопка SB1 с самоблокировкой предназначены для включения двигателя в режиме «вперед», а контактор КМ2 и кнопка SB2 включают режим «назад». Для изменения направления вращения ротора трехфазного двигателя достаточно поменять местами любые две из трех фаз питающего напряжения, что и обеспечивается основными контактами контакторов.
Кнопка SB3 предназначена для остановки двигателя, контакты КМ 1.5 и КМ2.5 осуществляют взаимоблокировку, а тепловые реле КК1 и КК2 — защиту при превышении тока.
Включение двигателя на полное напряжение сети сопровождается большими пусковыми токами, что может быть недопустимо для сети ограниченной мощности.
Схема пуска электродвигателя с ограничением пускового тока (рис. 3) содержит резисторы R1, R2, R3, включенные последовательно с обмотками электродвигателя. Эти резисторы ограничивают ток в момент пуска при срабатывании контактора КМ после нажатия кнопки SB1. Одновременно с КМ при замыкании контакта КМ.5 срабатывает реле времени КТ.
Выдержка, осуществляемая реле времени, должна быть достаточной для разгона электродвигателя. По окончании времени выдержки замыкается контакт КТ, срабатывает реле К и своими контактами K.1, К.2, К.3 шунтирует пусковые резисторы. Процесс пуска завершен, на двигатель подается полное напряжение.
Рис. 3. Схема пуска двигателя с ограничением пускового тока
Далее будут рассмотрены две наиболее популярных схемы торможения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором: схема динамического торможения и схема торможения противовключением.
Схемы торможения двигателя
После снятия напряжения с двигателя его ротор какое-то время продолжает вращаться за счет инерции. В ряде устройств, например, в подъемно-транспортных механизмах, требуется осуществлять принудительное торможение для уменьшения величины выбега. Динамическое торможение заключается в том, что после снятия переменного напряжения через обмотки электродвигателя пропускается постоянный ток.
Схема динамического торможения показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема динамического торможения двигателя
В схеме, помимо основного контактора КМ, присутствует реле К, включающее режим торможения. Поскольку реле и контактор не могут быть включены одновременно, применена схема взаимоблокировки (контакты КМ.5 и К.3).
При нажатии кнопки SB1 срабатывает контактор КМ, подает питание на двигатель (контакты КМ.1 КМ.2, КМ.3), блокирует кнопку (КМ.4) и блокирует реле К (КМ.5). Замыкание КМ.6 вызывает срабатывание реле времени КТ и замыкание контакта КТ без выдержки времени. Таким образом осуществляется пуск двигателя.
Для остановки двигателя следует нажать кнопку SB2. Контактор КМ отпускает, размыкаются контакты KM.1 — KM.3, отключая двигатель, замыкает контакт КМ.5, что вызывает срабатывание реле К. Контакты K.1 и К.2 замыкаются, подавая постоянный ток в обмотки. Происходит быстрое торможение.
При размыкании контакта КМ.6 реле времени КТ отпускает, начинается выдержка времени. Величина выдержки должна быть достаточна для полной остановки электродвигателя. По окончании выдержки времени контакт КТ размыкается, реле К отпускает и снимает постоянное напряжение с обмоток электродвигателя.
Наиболее эффективным способом торможения является реверсирование двигателя, когда сразу после снятия питания на электродвигатель подается напряжение, вызывающее появление встречного вращающего момента. Схема торможения противовключением приведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема торможения двигателя противовключением
Частота вращения ротора двигателя контролируется с помощью реле частоты вращения с контактом SR. Если частота вращения больше некоторого значения, контакт SR замкнут. При остановке двигателя контакт SR размыкается. Кроме контактора прямого включения KM1 схема содержит контактор для реверсирования КМ2.
При пуске двигателя срабатывает контактор KM1 и контактом КМ 1.5 разрывает цепь катушки КМ2. С достижением определенной частоты вращения замыкается контакт SR подготавливая цепь для включения реверса.
При останове двигателя контактор KM1 отпускает и замыкает контакт КМ1.5. В результате этого контактор КМ2 срабатывает и подает на электродвигатель реверсирующее напряжение для торможения. Снижение частоты вращения ротора вызывает размыкание SR, контактор КМ2 отпускает, торможение прекращается.
Способы пуска и схемы подключения синхронного двигателя
Синхронные электрические машины обладают рядом преимуществ в сравнении с другими типами агрегатов. Но в то же время, включать их напрямую в сеть под нагрузку нельзя. Поэтому в данной статье мы рассмотрим способы пуска и схемы подключения синхронного двигателя.
Способы пуска
За счет значительной инерции ротора он не способен сдвинуться под нагрузкой полем статора. В случае подачи рабочего напряжения не удастся получить устойчивую магнитную связь и вращение не начнется. Для решения этой задачи применяются способы запуска ротора до определенной скорости вращения. Как правило, это то число оборотов, которое приближается к значению в режиме синхронной работы.
Среди наиболее распространенных способов приведения синхронного двигателя в движение можно выделить:
- Асинхронный пуск – этот способ обеспечивается путем введения в конструкцию ротора стальных элементов в форме беличьей клетки. При подаче напряжения в клетке наводится ЭДС и возникает магнитное взаимодействие. Основным недостатком данного способа являются большие пусковые токи, в разы превышающие номинальный режим синхронного двигателя. Поэтому в схеме запуска используются реакторы или автотрансформаторы для снижения негативного воздействия.
- Частотный пуск – обеспечивается посредством частотных преобразователей. Которые снижают частоту питающего напряжения на рабочих обмотках. Это позволяет замедлить скорость вращения магнитного поля синхронного двигателя. Благодаря чему начинается вращение ротора.
- Двигательный пуск – для начала движения вал синхронного агрегата подсоединяется к разгонному двигателю. На этапе старта вращение обеспечивается от приводной электрической машины. Как только основной двигатель выйдет на подсинхронную скорость, разгонный агрегат выводится из работы.
Для каждого из способов используются соответствующие схемы и оборудование, позволяющие оптимизировать режим работы. Поэтому далее рассмотрим несколько характерных примеров для каждого способа запуска.
Асинхронный пуск
В этом способе используются синхронные двигатели специального типа, но скорость нарастания тока и его величину в рабочих обмотках принудительно снижают. Для этого устанавливаются реакторы или автотрансформаторы.
Как видите на схеме, в цепь питания каждой фазной обмотки синхронного двигателя устанавливается реактор. При включении контактора К2 напряжение подается на обмотки ток в реакторе не может вырасти скачкообразно. Поэтому пуск электродвигателя получается более плавным, чем в случае прямого включения. При разгоне электрической машины до подсинхронной скорости шунтирующий выключатель К1 выводит индуктивный элемент из цепи и агрегат работает в штатном режиме.
В данной схеме происходит автоматическое снижение напряжения на рабочих обмотках синхронного двигателя за счет автотрансформатора. Регулятор Р3 плавно повышает разность потенциалов до установившейся величины, ток при этом пропорционально нарастает. После достижения номинального момента, выключатель К1 зашунтирует автотрансформатор. Этот способ позволяет снижать пусковые токи со значительно большим усилием, чем в случае применения реакторов.
Частотный пуск
Основой современного частотного пуска являются схемы на полупроводниковых элементах, как правило, тиристорных преобразователях. Такие устройства снижают частоту изменения кривой напряжения, но практически не нарушают действующее значение.
Такой способ запуска сокращает время на разгон синхронного двигателя и снижает значение токовой нагрузки в момент пуска. Однако, современная схема частотного пуска имеет куда более сложную реализацию:
Двигательный пуск
Способ двигательного запуска предусматривает одновременную установку на один вал и синхронного, и разгонного двигателя. Старт вращения обеспечивает асинхронный разгонный электродвигатель, который легко набирает обороты под нагрузкой. Синхронный агрегат включается в работу при достижении подсинхронной скорости вращения.
Однако существенным недостатком такого способа является длительный промежуток времени от старта до момента вхождения электрической машины в синхронизм.
Еще больше деталей смотрите в нашем видео ниже:
