Плавный пуск коллекторного двигателя. Сначала ничего не вышло, но все закончилось хорошо

Плавный пуск электродвигателя в последнее время применяется все чаще. Области его применения разнообразны и многочисленны. Это промышленность, электротранспорт, коммунальное и сельское хозяйство. Применение подобных устройств позволяет значительно снизить пусковые нагрузки на электродвигатель и исполнительные механизмы, тем самым, продлив срок их службы.

Пусковые токи

Пусковые токи достигают значений в 7…10 раз выше, чем в рабочем режиме. Это приводит к «просаживанию» напряжения в питающей сети, что отрицательно сказывается не только на работе остальных потребителей, но и самого двигателя. Время пуска затягивается, что может привести к перегреву обмоток и постепенному разрушению их изоляции. Это способствует преждевременному выходу электродвигателя из строя.

Устройства плавного пуска позволяют значительно снизить пусковые нагрузки на электродвигатель и электросеть, что особенно актуально в сельской местности либо при питании двигателя от автономной электростанции.

Перегрузки исполнительных механизмов

В момент запуска двигателя момент на его валу очень нестабилен и превышает номинальное значение более чем в пять раз. Поэтому пусковые нагрузки исполнительных механизмов также повышены по сравнению с работой в установившемся режиме и могут достигать до 500 процентов. Нестабильность момента при пуске приводит к ударным нагрузкам на зубья шестерен, срезанию шпонок и иногда даже к скручиванию валов.

Устройства плавного пуска электродвигателя значительно уменьшают пусковые нагрузки на механизм: плавно выбираются зазоры между зубьями шестерен, что препятствует их поломке. В ременных передачах также плавно натягиваются приводные ремни, что уменьшает износ механизмов.

Кроме плавного пуска на работе механизмов благотворно сказывается режим плавного торможения. Если двигатель приводит в движение насос, то плавное торможение позволяет избежать гидравлического удара при выключении агрегата.

Устройства плавного пуска промышленного изготовления

В настоящее время выпускается многими фирмами, например Siemens, Danfoss, Schneider Electric. Такие устройства обладают многими функциями, которые программируются пользователем. Это время разгона, время торможения, защита от перегрузок и множество других дополнительных функций.

При всех достоинствах фирменные устройства обладают одним недостатком, - достаточно высокой ценой. Вместе с тем можно создать подобное устройство самостоятельно. Стоимость его при этом получится небольшой.

Устройство плавного пуска на микросхеме КР1182ПМ1

В рассказывалось о специализированной микросхеме КР1182ПМ1 , представляющей фазовый регулятор мощности. Были рассмотрены типовые схемы ее включения, устройства плавного запуска ламп накаливания и просто регуляторы мощности в нагрузке. На основе этой микросхемы возможно создание достаточно простого устройства плавного пуска трехфазного электродвигателя. Схема устройства показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема устройства плавного пуска двигателя.

Плавный пуск осуществляется при помощи постепенного увеличения напряжения на обмотках двигателя от нулевого значения до номинального. Это достигается за счет увеличения угла открывания тиристорных ключей за время, называемое временем запуска.

Описание схемы

В конструкции используется трехфазный электродвигатель 50 Гц, 380 В. Обмотки двигателя, соединенные «звездой», подключаются к выходным цепям, обозначенным на схеме как L1, L2, L3. Средняя точка «звезды» подключается к сетевой нейтрали (N).

Выходные ключи выполнены на тиристорах включенных встречно - параллельно. В конструкции применены импортные тиристоры типа 40TPS12. При небольшой стоимости они обладают достаточно большим током - до 35 А, а их обратное напряжение 1200 В. Кроме них в ключах присутствуют еще несколько элементов. Их назначение следующее: демпфирующие RC цепочки, включенные параллельно тиристорам, предотвращают ложные включения последних (на схеме это R8C11, R9C12, R10C13), а с помощью варисторов RU1…RU3 поглощаются коммутационные помехи, амплитуда которых превышает 500 В.

В качестве управляющих узлов для выходных ключей используются микросхемы DA1…DA3 типа КР1182ПМ1. Эти микросхемы достаточно подробно были рассмотрены в . Конденсаторы С5…С10 внутри микросхемы формируют пилообразное напряжение, которое синхронизировано сетевым. Сигналы управления тиристорами в микросхеме формируются путем сравнения пилообразного напряжения с напряжением между выводами микросхемы 3 и 6.

Для питания реле К1…К3 в устройстве имеется блок питания, который состоит всего из нескольких элементов. Это трансформатор Т1, выпрямительный мостик VD1, сглаживающий конденсатор С4. На выходе выпрямителя установлен интегральный стабилизатор DA4 типа 7812 обеспечивающий на выходе напряжение 12 В, и защиту от коротких замыканий и перегрузок на выходе.

Описание работы устройства плавного пуска электродвигателей

Сетевое напряжение на схему подается при замыкании силового выключателя Q1. Однако, двигатель еще не запускается. Это происходит потому, что обмотки реле К1…К3 пока обесточены, и их нормально-замкнутые контакты шунтируют выводы 3 и 6 микросхем DA1…DA3 через резисторы R1…R3. Это обстоятельство не дает заряжаться конденсаторам С1…С3, поэтому управляющие импульсы микросхемы не вырабатывают.

Пуск устройства в работу

При замыкании тумблера SA1 напряжение 12 В включает реле К1…К3. Их нормально-замкнутые контакты размыкаются, что обеспечивает возможность зарядки конденсаторов С1…С3 от внутренних генераторов тока. Вместе с увеличением напряжения на этих конденсаторах увеличивается и угол открывания тиристоров. Тем самым достигается плавное увеличение напряжения на обмотках двигателя. Когда конденсаторы зарядятся полностью, угол включения тиристоров достигнет максимальной величины, и частота вращения электродвигателя достигнет номинальной.

Отключение двигателя, плавное торможение

Для выключения двигателя следует разомкнуть выключатель SA1, Это приведет к отключению реле К1…К3. Их нормально - замкнутые контакты замкнутся, что приведет к разряду конденсаторов С1…С3 через резисторы R1…R3. Разряд конденсаторов будет длиться несколько секунд, за это же время произойдет останов двигателя.

При пуске двигателя в нулевом проводе могут протекать значительные токи. Это происходит оттого, что в процессе плавного разгона токи в обмотках двигателя несинусоидальные, но особо бояться этого не стоит: процесс пуска достаточно кратковременный. В установившемся же режиме этот ток будет много меньше (не более десяти процентов тока фазы в номинальном режиме), что обусловлено лишь технологическим разбросом параметров обмоток и «перекосом» фаз. От этих явлений избавиться уже невозможно.

Детали и конструкция

Для сборки устройства необходимы следующие детали:

Трансформатор мощностью не более 15 Вт, с напряжением выходной обмотки 15…17 В.

В качестве реле К1…К3 подойдут любые с напряжением катушки 12 В, имеющие нормально-замкнутый или переключающий контакт, например TRU-12VDC-SB-SL.

Конденсаторы С11…С13 типа К73-17 на рабочее напряжение не менее 600 В.

Устройство выполнено на печатной плате. Собранное устройство следует поместить в пластмассовый корпус подходящих размеров, на лицевой панели которого разместить выключатель SA1 и светодиоды HL1 и HL2.

Подключение двигателя

Подключение выключателя Q1 и двигателя выполняется проводами, сечение которых соответствует мощности последнего. Нулевой провод выполняется тем же проводом, что и фазные. При указанных на схеме номиналах деталей возможно подключение двигателей мощностью до четырех киловатт.

Если предполагается использовать двигатель мощностью не более полутора киловатт, а частота пусков не будет превышать 10…15 в час, то мощность, рассеиваемая на тиристорных ключах незначительна, поэтому радиаторы можно не ставить.

Если же предполагается использовать более мощный двигатель или запуски будут более частыми, потребуется установка тиристоров на радиаторы, изготовленные из алюминиевой полосы. Если же радиатор предполагается использовать общий, то тиристоры следует изолировать от него при помощи слюдяных прокладок. Для улучшения условий охлаждения можно воспользоваться теплопроводящей пастой КПТ - 8.

Проверка и наладка устройства

Перед включением, прежде всего, следует проверить монтаж на соответствие принципиальной схеме. Это основное правило, и отступать от него нельзя. Ведь пренебрежение этой проверкой может привести к куче обугленных деталей, и надолго отбить охоту делать «опыты с электричеством». Найденные ошибки следует устранить, ведь все же эта схема питается от сети, а с нею шутки плохи. И даже после указанной проверки подключать двигатель еще рано.

Сначала следует вместо двигателя подключить три одинаковых лампы накаливания, мощностью 60…100 Вт. При испытаниях следует добиться, чтобы лампы «разжигались» равномерно.

Неравномерность времени включения обусловлена разбросом емкостей конденсаторов С1…С3, которые имеют значительный допуск по емкости. Поэтому лучше перед установкой сразу подобрать их с помощью прибора, хотя бы с точностью процентов до десяти.

Время выключения обусловлено еще сопротивлением резисторов R1…R3. С их помощью можно выровнять время выключения. Эти настройки следует выполнять в том случае, если разброс времени включения - выключения в разных фазах превышает 30 процентов.

Двигатель можно подключать лишь после того, как вышеуказанные проверки прошли нормально, не сказать бы даже на отлично.

Что можно еще добавить в конструкцию

Выше уже было сказано, что такие устройства в настоящее время выпускаются разными фирмами. Конечно, все функции фирменных устройств в подобном самодельном повторить невозможно, но одну все-таки, скопировать, наверно, удастся.

Речь идет о так называемом . Назначение его следующее: после того, как двигатель достиг номинальных оборотов, контактор просто перемыкает тиристорные ключи своими контактами. Ток идет через них в обход тиристоров. Такую конструкцию часто называют байпасом (от английского bypass - обход). Для такого усовершенствования придется ввести дополнительные элементы в блок управления.

Борис Аладышкин

Полупроводниковые низковольтные устройства (SSRV) электродвигателя служат для снижения разрушающего воздействия резких бросков тока, вызывающих механические напряжения в оборудовании и компонентах системы. В фирмы ABB Inc. основной упор делают на расширение функций "мягких" пускателей, которые могут использоваться и в качестве устройств защитного отключения двигателя. Работа таких пускателей основана на контроле электродвигателя, напряжения и температуры. Новый подход к решению проблемы состоит в плавном увеличении вращающего момента, а не напряжения на двигателе.Устройство плавного пуска рассчитывает реальную мощность статора, его убытки и. как результат, реальную мощность, переданную на ротор. Схемы таймер для периодического включения нагрузки Важно, что вращающий момент двигателя больше не зависит напрямую от подаваемого на мотор напряжения или от его механических характеристик. Увеличение вращающего момента происходит в соответствии с рассчитанным по времени графиком разгона.Низковольтные "мягкие" пускатели фирмы Eaton (S752. SB01 и S811) используют для менеджмента обмоткой контактора напряжение с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) амплитудой 24 В. При этом в установившемся режиме устройство потребляет всего 5 Вт. Устройства менеджмента двигателем Ci-tronic фирмы Danfoss охватывают диапазон до 20 кВт (в зависимости от входного напряжения). Самый малогабаритный модуль устройства плавного пуска MCI-3 имеет ширину всего 22.5 мм. Модуль MCI-15 рассчитан на работу с двигателем мощностью до 7.5 кВт при напряжении 480 В.Важной характеристикой пускателей SSRV является плавная остановка двигателя. Устройства...

Для схемы "Устройство плавного пуска электроинструмента"

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.Устройство плавного пуска коллекторного электродвигателя, описанное в , сложно по схеме, в нем имеется несколько прецизионных резисторов и оно требует кропотливого налаживания. Применив микросхему фазового регулятора КР1182ПМ1 , удалось изготовить немаловажно 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 пора оставаться подключенным к сети. Схема предлагаемого устройства изображена на рисунке. Вилку ХР1 включают в сетевую розетку, а в розетку XS1 вставляют сетевую вилку электроинструмента. Схемы удвоения постоянного напряжения на 2кв Можно установить и соединить параллельно несколько розеток для инструментов, работающих поочередно.При замыкании цепи 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 VSI в каждом последующем полупериоде сетевого напряжения уменьшается, что приводит к плавному нарастанию протекающего через мотор и, как следствие, подъему его оборотов. При указанной на схеме емкости конденсатора С2 разгон электродвигателя до мак...

Для схемы "Преобразователь постоянного тока, формирующий два напряжения"

ЭлектропитаниеПреобразователь тока, формирующий два напряженияSteven Sarns.(Донвер, шт. Колорадо)Передача данных по шине RS-232-C - один из многих примеров, когда надобно иметь небольшую плату, обеспечивающую как положительное, так и отрицательное напряжение питания. Схема, приведенная на рисунке, удовлетворяет указанным требованиям и содержит существенно меньшее число компонентов, чем подобные устройства, благодаря тому, что она одновременно выполняет функции повышающего и инвертирующего индуктивного преобразователя.Базовая схема такого преобразователя включает в себя источник четырехфазных синхроимпульсов, катушку индуктивности и два переключателя (рис.1). рис.1В течение первой фазы синхроимпульсов катушка индуктивности L запасается энергией через переключатели S1 и S2. Регулятор мощности на тс122 25 В течение второй фазы переключатель S2 размыкается, и энергия передается на шину положительного выходного напряжения. Во пора третьей фазы замыкаются оба переключателя, в результате чего катушка индуктивности снова накапливает энергию. При размыкании переключателя S1 во пора заключительной фазы синхроимпульсов эта энергия передается на отрицательную шину питания.В практической схеме (рис.2) D-триггер U1 формирует четырехфазные синхроимпульсы, а транзисторы Q1 и Q2 выполняют функции переключателей. рис.2При поступлении на вход синхроимпульсов с частотой 8 кГц обеспечивает напряжения ±12 В для питания линейного формирователя ши...

Для схемы "ГЕНЕРАТОР СТАБИЛЬНОГО ТОКА"

Радиолюбителю-конструкторуГЕНЕРАТОР СТАБИЛЬНОГО Генераторами стабильного тока принято называть устройства. выходной ток которых практически не зависит от сопротивления нагрузки. Он может найти применение, например.в омметрах с линейной шкалой. На рис. 1 приведена принципиальная генератора стабильного на двух кремниевых транзисторах. Величина коллекторного транзистора V2 определяется отношениемIк=0,66/R2.Puc.1Например, при R2, равном 2,2 к0м. ток коллектора транзистора V2 будет равен 0,3 мА и остается практически постоянным при изменении сопротивления резистора Rx от 0 до 30 к0м. Схема простого радиопередатчика на 6п45с При необходимости величина постоянного тока может быть увеличена до 3 мА, для этого сопротивление резистора R2 нужно уменьшить до 180 Ом. Дальнейшее подъем при сохранении высокой стабильности его величины как при смене нагрузки, так и при увеличении температуры быть может лишь при использовании трехтранзисторного генератора, показанного на рис.2. При этом транзисторы V2 и V3 должны быть средней мощности, а напряжение второго источника питания - в 2...3 раза больше напряжения питания транзисторов V1, V2. Сопротивление резистора R3 рассчитывается по вышеприведенной формуле, но дополнительно корректируется с учетом разброса характеристик транзисторов. Puc.2"Elektrotehnicar" (СФРЮ), 1976, N 7-8 ...

Для схемы "УКВ гетеродин с ФАПЧ"

Узлы радиолюбительской техникиУКВ гетеродин с ФАПЧГетеродины с фазовой автоподстройкой частоты(ФАПЧ) позволяют довольно простыми средствами решить проблемусоздания высокостабильного источника сигнала переменной частотыдля спортивной УКВ аппаратуры. такого гетеродина приведенана рисунке. Он был применен в приемнике на диапазон 144- 146 МГцс одним преобразованием частоты и промежуточной частотой 10,7МГц.Гетеродин состоит из управляемого генератора натранзисторе V1. опорного кварцевого генератора (КГ) ивысокостабильного генератора диапазона (ГПД), смесителяна транзисторе V3, фазового детектора на диодах V1, V5 иусилителя на микросхеме А1. Схемы на тс106-10 Элементы кварцевогои высокостабильного генератора диапазона на рисунке непоказаны. Управляемый генератор вырабатывает сигнал, изменяющийсяпри подаче управляющего напряжения на варикап V2, в пределах154,7- 156.7 МГц. Сигнал с этого генератора поступает на один иззатворов транзистора V3 и через буферный каскад - на первыйсмеситель приемника. На второй затвор полевого транзистора сопорного кварцевого генератора подается сигнал частотой 161 МГц.Разностный сигнал, частота которого может лежать в пределах4,3-6.3 МГц выделяется на полосовом фильтре L5C10C11L6C12. Этотсигнал совместно с высокочастотным напряжением с генератора диапазона поступает на фазовый детектор. Сигнал ошибки, прошедшийчерез фильтр нижних частот L7C15 и...

Для схемы "Преобразователя постоянного напряжения 12 В в переменное 220 В"

ЭлектропитаниеПреобразователя напряжения 12 В в переменное 220 В Антон Стоилов Предлагается схема преобразователя постоянного напряжения 12 В в переменное 220 В, который при подключении к автомобильному аккумулятору емкостью 44 А-ч может питать 100-ваттную нагрузку в течение 2-3 часов. Он состоит из задающего генератора на симметричном мультивибраторе VT1, VT2, нагруженного на мощные парафазные ключи VT3-VT8, коммутирующие ток в первичной обмотке повышающего трансформатора TV. VD3 и VD4 защищают мощные транзисторы VT7 и VT8 от перенапряжений при работе без нагрузки. Трансформатор выполнен на магнитопроводе Ш36х36, обмотки W1 и W1" имеют по 28 витков ПЭЛ 2,1, a W2 - 600 витков ПЭЛ 0,59, причем сначала мотают W2, а поверх нее двойным проводом (с поставленной задачей достижения симметрии полуобмоток) W1. При налаживании триммером RP1 добиваются минимальных искажений формы выходного напряжения "Радио Телевизия Електроника" N6/98, с. 12,13....

Для схемы "Универсальный регулятор напряжения и зарядно-пусковое устройство для"

Довольно часто в радиолюбительской практике возникает необходимость регулировки переменного напряжения в пределах 0...220 В. Широко используются для этой цели ЛАТРы (автотрансформаторы). Но их век уже прошел и на смену этим громоздким аппаратам пришли современные тиристорные регуляторы, которые имеют один недостаток: напряжение в таких устройствах регулируется путем изменения длительности импульсов переменного напряжения. Из-за этого к ним невозможно подключить высокоиндуктивную нагрузку (например, трансформатор или дроссель, а также любое другое радиоустройство, содержащее в себе перечисленные выше элементы).От этого недостатка свободен регулятор напряжения, приведенный на рисунке. Он сочетает в себе: устройство защиты от токовых перегрузок, тиристорный регулятор напряжения с мостовым регулятором, рослый КПД (92...98%). Кроме того, регулятор работает совместно с мощным трансформатором и выпрямителем, который может быть использован для заАвтоматическое отключение радиоаппаратуры рядки автомобильных аккумуляторов и в качестве пускового устройства при разряженной АБ.Основные параметры регулятора напряжения:Номинальное напряжение питания, В 220 ± 10%; Выходное напряжение переменного тока, В 0...215; КПД, не менее, процент(ов) 92; Максимальная мощность нагрузки, кВт 2.Основные параметры зарядно-пускового устройства: Выходное напряжение постоянного тока, В 0...40; Постоянный ток, потребляемый нагрузкой, А 0...20; Пусковой ток (при длительности пуска 10 c), A 100.Переключателем SA2 выбирается либо регулировка переменного напряжения в пределах 0...98% от сетевого,...

Для схемы "Тиристорное реле указателя поворотов"

Автомобильная электроникаТиристорное реле указателя поворотовг. Казань А. СТАХОВБесконтактное реле сигнализации поворотов автомобиля может быть сконструировано с использованием кремниевых управляемых диодов - тиристоров. Схема такого реле показана на рисунке.Реле представляет собой обычный мультивибратор на транзисторахТ1 и Т2;, частота переключения которого определяет частоту мигания ламп, так как тот самый мультивибратор управляет выключателем на тиристорах Д1 и Д4.В мультивибраторе могут работать любые маломощные низкочастотные транзисторы.При подключении переключателем П1 сигнальных ламп переднего и заднего подфарников сигнал мультивибратора открывает тиристор Д1 и напряжение аккумуляторной батареи прикладывается к сигнальным лампам. При этом правая обкладка конденсатора С1 заряжается положительно (относительно левой обкладки) через резистор R5. Схема терморегулятора на симисторе Когда запускающий импульс мультивибратора подается на тиристор Д4, то тот самый тиристор открывается и заряженный конденсатор C1 оказывается подсоединенным к тиристору Д1 так, что он мгновенно получает обратное напряжение между анодом и катодом. Это обратное напряжение закрывает тиристор Д1, что прерывает ток в нагрузке. Следующий запускающий импульс мультивибратора снова открывает тиристор Д1 и весь процесс повторяется. Диоды Д223 применены для ограничения отрицательных выбросов тока и улучшения запуска тиристоров.В выключателе могут быть применены любые маломощные тиристоры с любыми буквенными индексами. При использовании ти...

Для схемы "Утюг со звуковой индикацией нагрева"

Предлагаю простой способ замены световой индикации нагрева спирали утюга на звуковую.Микросхему DD1, уже спаянную с динамиком ВА, я взял из музыкальной открытки. Она питается от элемента СЦ21 1,5 В постоянного тока, а лампочка в утюге от 1,5 В переменного тока, поэтому в схему надобно включить диод VD1 КД105Б и конденсатор С1. Мелодия в открытке включалась соединением двух контактов, поэтому их надобно спаять между собой. Этим мы установили режим "начало мелодии". Вынув компонент питания из схемы, освобождаем выводы 1 и 2 для последующего соединения с контактами утюга. К одному из выводов припаиваем диод.Собранная схема подключается к контактам лампочки и закрепляется внутри корпуса утюга. Проверяется схема включением утюга в сеть (мелодия включается) и нагревом спирали до определенной температуры, после чего мелодия выключается, сигнализируя о выключении спирали.Д.Печеньков, Минский р-он...

Для схемы "Микропередатчик со стабилизатором тока"

Радиошпион - Микропередатчик со стабилизатором Схема проста в настройке и изготовлении, позволяет изменять частоту в широких пределах.Устройствосохраняет роботоспособность при величине питающего напряжения више 1В.Рис.1...

Для пуска двигателей постоянного тока могут быть применены три способа:

1) прямой пуск, при котором обмотка якоря подключена непосредственно к сети;

2) реостатный пуск с помощью пускового реостата, включаемого в цепь якоря для ограничения тока при пуске;

3) пуск путем плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря.

Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения I ном ∑r во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5–10% от U ном , поэтому при прямом пуске ток якоря I п = U ном /∑r = (10 ÷ 20) I ном, что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. По этой причине прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ∑r относительно велико, и лишь в отдельных случаях–для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей I п = (4 ÷ 6) I ном.

Переходный процесс изменения частоты вращения n и тока якоря i a в процессе пуска определяется нагрузкой двигателя и его электромеханической постоянной времени Т м . Для установления характера изменения n и i a при пуске двигателя с параллельным возбуждением будем исходить из уравнений:

где J – момент инерции вращающихся масс электродвигателя и сочлененного с ним производственного механизма; М н –тормозной момент, создаваемый нагрузкой.

Из (2.82б) определяем ток якоря

. (2.83)

Подставляя его значение в (2.82а), получаем

(2.84а)

, (2.84б)

U где – частота вращения при идеальном холостом ходе;

уменьшение частоты вращения при переходе

от холостого хода к нагрузке; n н = n 0 – Δn н –установившаяся частота вращения при нагрузке двигателя; – электромеханическая постоянная времени, определяющая скорость протекания переходного процесса.

При этом I н = М н /(с м Ф) – установившийся ток якоря после окончания процесса пуска, определяемый нагрузочным моментом М н .

Решая уравнение (2.84б), получаем

. (2.85а)

Постоянную интегрирования А находим из начальных условий: при t = 0; n = 0 и А = – n н . В результате имеем

. (2.85б)

Рис. 2.65 – Переходный процесс изменения частоты вращения и тока якоря при прямом пуске двигателя постоянного тока

Зависимость тока якоря от времени при пуске двигателя определяется из (2.83). Подставляя в него значение

, (2.85в)

полученное из (2.846) и (2.856), и заменяя n н = n 0 – Δn, имеем

. (2.86а)

Учитывая значение Δn н , n 0 , Т м и М н /с м Ф , получим

где I нач = U /∑r – начальный пусковой ток.

На рис. 2.65 приведены зависимости изменения тока якоря и частоты вращения (в относительных единицах) при прямом пуске двигателя с параллельным возбуждением. Время переходного процесса при пуске принимается равным (3–4) Т м. За это время частота вращения n достигает (0,95 – 0,98) от установившегося значения n н , а ток якоря I а также приближается к установившемуся значению.

Реостатный пуск. Этот способ получил наибольшее распространение. В начальный момент пуска при n = 0 ток I п = U/(∑r + r п). Максимальное сопротивление пускового реостата r п подбирается так, чтобы для машин большой и средней мощностей ток якоря при пуске I п = (1,4 ÷ 1,8) I ном, а для машин малой мощности I п = (2 ÷ 2,5) I ном. Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 6 (рис. 2.66, а ), соответствующей максимальному значению сопротивления r п пускового реостата; при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент М п.макс.

Рис. 2.66 – Изменение частоты вращения и момента при реостатном пуске двигателей с параллельным и последовательным возбуждением

Регулировочный реостат r р. в в этом случае выводится так, чтобы ток возбуждения I в и поток Ф были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением частоты вращения растет э. д. с. Е и уменьшается ток якоря I a =(U – E)/(∑r +r п ). При достижении некоторого значения М п.мин часть сопротивления пускового реостата выводится, вследствие чего момент снова возрастает до М п.макс. При этом двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 5 и разгоняется до достижения M п.мин. Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных характеристик 6,5,4,3 и 2 (см. жирные линии на рис. 2.66, а ) до выхода на естественную характеристику 1 . Средний вращающий момент при пуске М п.ср = 0,5 (М п.макс +М п.мин) = const, вследствие чего двигатель разгоняется с некоторым постоянным ускорением. Таким же образом пускается в ход двигатель с последовательным возбуждением (рис. 2.66, б ). Количество ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной характеристики и требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности M п.макс – М п.мин).

Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под током.

На рис. 2.67 показаны зависимости тока якоря i a , электромагнитного момента М, момента нагрузки М н и частоты вращения n при реостатном пуске двигателя (упрощенные диаграммы).

Рис. 2.67 – Переходный процесс изменения частоты вращения, момента и тока якоря при реостатном пуске двигателя постоянного тока

При выводе отдельных ступеней пускового реостата ток якоря i a достигает некоторого максимального значения, а затем уменьшается согласно уравнению (2.85б) до минимального значения. При этом электромеханическая постоянная времени и начальный ток будут иметь различные для каждой ступени пускового реостата значения:

;

В соответствии с изменением тока якоря изменяется и электромагнитный момент М. Частота вращения n изменяется согласно уравнению

где n нач –начальная частота вращения при работе на соответствующей ступени пускового реостата.

Заштрихованная на рис. 2.67 область соответствует значениям динамического момента М дин = М – М н,обеспечивающего разгон двигателя до установившейся частоты вращения.

Пуск путем плавного повышения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно значительные потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пуск двигателя осуществлять путем плавного повышения напряжения, подаваемого на его обмотку. Но для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой источник используют также для регулирования частоты вращения двигателя.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КАФЕДРА СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ І

ЕЛЕКТРОПРИВОДА

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

З ДИСЦИПЛІНИ: “ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА”

НА ТЕМУ: “ПЛАВНИЙ ПУСК ДВИГУНА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

ПО СИСТЕМІ “ ШИРОТНО ІМПУЛЬСНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ – ДВИГУН

ПОСТІЙНОГО СТРУМУ“

Розробив:

Керівник:

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№	Назва етапів курсового проекту	Строк виконання етапів проекту
1	Аналіз технічного завдання і вибір широтно імпульсного перетворювача	15 жовтня 2002
2	Аналіз функціональної схеми та розробка технічної документації	30 жовтня 2002
3	Розробка системи управління транзистором та виготовлення печатної плати	20 листопада 2002
4	Розрахунок схеми заміщення	30 листопада 2002
5	Побудова статичних, механічних та швидкісних характеристик	5грудня 2002
6	Вибір силових елементів та розрахунок параметрів схеми	10 грудня 2002
7	Розрахунок енергетичних характеристик	25 грудня 2002
8	Математичне моделювання	10 січня 2003
9	Оформлення проекту	27 січня 2003

Студент _____________

Керівник _____________

“_______”______________________200 р

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

ШИП - широтно імпульсний перетворювач

ДПТ - двигун постійного струму

АД - асинхронний двигун

ИП - імпульсний перетворювач

ЭОМ – електронно-обчислювальна машина

ИДК - вимірювально діагностичний комплекс

ШД - шаговий двигун

ЧРП - частотно регульований привод

КПД - коефіцієнт корисної дії

ГПИ - генератор пилоподібних коливань

ЗАВДАННЯ

на курсовий проект студента

____________________________________

1. Тема роботи Плавний пуск двигуна постійного струму по системі “ Широтно імпульсний перетворювач – двигун постійного струму “. Основна частина – розробка системи плавного пуска двигуна постійного струму на базі мікроконтроллера PIC 16F 877

2. Строк здачі студентом закінченої роботи 28.01.03

3. Вихідні дані до роботи технічні характеристики двигуна, технічні характеристики існуючих систем широтно імпульсних модуляторів

4. Зміст розрахунково – пояснювальної записки аналіз існуючих імпульсних перетворювачів і вибір найбільш оптимальної, розробка технічної документації на стенд, розробка принципової та функціональної схем, вибір силових елементів.

5. Дата видачі завдання жовтня 200 р

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН.. 2

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ. 3

ЗАВДАННЯ.. 4

Введение. 6

1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ. 8

1.1 Импульсные преобразователи постоянного напряжения (общие сведения) 8

1.2 Анализ существующих импульсных преобразователей. 8

2. Функциональная схема лабораторного стенда. 11

3. Разработка технической документации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ. 13

3.1 Общий вид лабораторного стенда. 13

3.2 Принципиальная схема стенда после доработки. 15

3.3 Перечень функциональных возможностей лабораторного стенда. 16

3.4 Система управления на базе микроконтроллера PIC 16F 877. 17

4. Расчет схемы замещения. 24

5. Статические характеристики системы ШИП – ДПТ. 26

6. Выбор силовых элементов. 31

6.1 Выбор силового трансформатора. 31

6.2 Выбор силового транзистора. 32

6.3 Выбор обратного диода. 33

7. Расчет преобразователя. 35

8. Расчет энергетических характеристик. 42

9. Математическая модель системы ШИП – ДПТ. 45

Введение

Сохранение электрической энергии становится важной частью общей тенденции по защите окружающей среды. Электродвигатели, приводящие в действие системы в быту и на производстве, потребляют значительную часть производимой энергии. Большинство этих двигателей работают в нерегулируемом режиме и, следовательно, с низкой эффективностью. Недавний прогресс в полупроводниковой индустрии, особенно в силовой электронике и микроконтроллерах, сделали приводы с регулированием скорости более практичными и значительно менее дорогими. Сегодня приводы с регулировкой скорости требуются не только в высокопрофессиональных и мощных промышленных применениях, таких как обрабатывающие машины или подъемные краны, но все больше и больше в бытовой технике, например, в стиральных машинах, компрессорах, небольших насосах, кондиционерах воздуха и т.п. Эти приводы, управляемые по развитым алгоритмам с помощью микроконтроллеров, имеют ряд преимуществ:

увеличение энергетической эффективности системы (регулирование скорости снижает потери мощности в двигателях)

усовершенствование функционирования (цифровое управление может добавить такие свойства, как интеллектуальные замкнутые контуры, изменение частотных свойств, диапазона контролируемых неисправностей и способность к взаимодействию с другими системами)

упрощение электромеханического преобразования энергии (регулируемые приводы позволяют устранить необходимость в трансмиссиях, коробках передач, редукторах) простота обновления программного обеспечения системы на базе микроконтроллеров с флэш-памятью могут быстро изменять при необходимости увеличивается. Основным условием их использования является сохранение общей стоимости системы в обоснованных границах. Для ряда систем, особенно в быту, общая стоимость должна быть эквивалентна стоимости нерегулируемого варианта.

1. Преимущества и недостатки системы ШИП – ДПТ

1.1 Импульсные преобразователи постоянного напряжения (общие сведения)

Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.

С помощью импульсного преобразователя источник напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе преобразователя формируются импульсы напряжения. Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить тремя способами:

изменением интервала проводимости ключа при постоянной частоте переключения (широтно-импульсный)

изменением частоты переключения при постоянном интервале проводимости ключа (частотно-импульсный)

изменением частоты переключения и интервала проводимости ключа (время-импульсный)

При этом регулируется относительное время проводимости ключа, что приводит к плавному изменению среднего значения напряжения на нагрузке (в нашем случае на якоре ДПТ)

1.2 Анализ существующих импульсных преобразователей

Схема ШИП с параллельной емкостной коммутацией изображена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. ШИП с параллельной емкостной коммутацией

Недостатком ШИП с параллельной емкостной коммутацией является то, что в процессе переключения напряжение на нагрузке достигает удвоенных значений питающего напряжения. Также недостатком является сложность настройки резонансного контура с конденсатором ‘C’ и дросселем ‘Др’.

На рисунке 1.2 изображена схема ШИП с дополнительным коммутирующим тиристором и линейным дросселем в узле коммутации.

Недостатком схемы является связь контура коммутации с цепью нагрузки. Эта особенность затрудняет коммутацию в режимах малых нагрузок и делает невозможной работу устройства на холостом ходу.

На рисунке 1.3 изображена схема нереверсивного ИП с последовательным ключевым элементом.

Рисунок 1.3. Нереверсивный ШИП

Данная схема является наиболее приемлемой для нашей цели, так как она отличается малым количеством элементов, простотой конструкции, достаточно высоким быстродействием и надежностью.

Принцип действия:

Когда транзистор VT отперт от источника питания потребляется энергия. При запирании транзистора VT ток нагрузки за счет Э.Д.С. самоиндукции сохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через обратный диод VD. В связи с тем что источник питания, как правило, обладает индуктивностью, для защиты транзистора от перенапряжений, возникающих при разрывах цепи питания, на входе ИП ставится фильтр нижних частот, выходным звеном которого является конденсатор Свх.

2. Функциональная схема лабораторного стенда

Функциональная схема уже существующего лабораторного стенда представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 Функциональная схема стенда

На функциональной схеме изображены основные элементы стенда и функциональные взаимодействия между ними.

Основным элементом стенда есть преобразователь частоты ACS 300. Через него питание подается на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М1 – АОЛ2-21-4. Стенд предусматривает возможность работы асинхронного режим динамического торможения. Также предусмотрена возможность контроля скорости асинхронного двигателя, токи и напряжения как АД так и ДПТ.

В силовой цепи АД расположены трехфазный датчик тока и трехфазный датчик напряжения, данные с которых подаются через блок связи на ЭОМ. Блок связи и ЭОМ образуют измерительно-диагностический комплекс (ИДК). На ИДК подаются сигналы и с других датчиков и контролирующих элементов

3. Разработка технической документации на лабораторный стенд системы ШИП – ДПТ

3.1 Общий вид лабораторного стенда

Внешний вид проектируемого стенда показан на рисунке 3.1

1. Ручка нагрузочного резистора

2. Кнопка SB2 “Стоп АД”

При управлении двигателями постоянного тока иногда возникает необходимость резкого изменения скорости (на пример пуск c 0% на 100% мощности или изменение скорости на протвоположную). Но такой режим работы двигателя требует очень высоких токов – в несколько раз больше, чем простое движение. Если, например, при вращении с постоянной скоростью двигатель потребляет ток порядка 500мА, то в момент пуска это значение может достигать 2-3 А. Из за этого приходится применять более мощное подсистему питания и контроллер.

Решить проблему пусковых токов можно плавным повышением скорости. Т.е. вместо мгновенного разгона двигатель будет разгоняться постепенно, при этом сглаживая пик потребления тока в момент пуска.

Подключим двигатель к motor-shield на безе L298P, как и в предыдущем примере:

Не забываем, что двигатель не имеет обатной связи, поэтому для контроля текущей скорости воспользуемя дополнительной переменной motorPower

unsigned long StartTimer; // Таймер для плавного пуска

pinMode (I1, OUTPUT);

for (motorPower=0;motorPower {

delay(StartTimeStep);

Теперь двигатель разгоняется более плавно. Разгон от 0 до 255 займет почти пол секунды, а установить интервал изменения в 1 мс – то вообще за четверть секунды. Невооруженным глазом разница не очень заметна. Но такое разгон намного более щадящий для силовой части. К тому-же скорость разгона мы можем регулировать, добиваясь нужного ускорения.

Вот только использование delay() не дает использовать параллельно

никаких других действий, поэтому реализуем плавный пуск с помощью таймеров, как при .

byte E1=5; // Управление скоростью двигателя – подключение к 5 выходу

byte I1=4; // Управление направлением вращения – подключение к 4 выходу

unsigned long StartTimer; // счетчик время для плавного пуска

int StartTimeStep=2; // Интервал изменения мощности двигателя, в мс

int StartPowerStep=1; // Один шаг изменения мощности двигателя

int motorPower; // Мощность двигателя

pinMode (E1, OUTPUT); // Задаем работу соответствующих пинов в качестве выходов

pinMode (I1, OUTPUT);

motorPower=0; // Начальная мощность - 0

digitalWrite (I1, HIGH); // На вывод I1 подан высокий логический уровень, мотор вращается в одну сторону

if (motorPower if ((millis()-StartTimer)>= StartTimeStep) // Проверяем, сколько прошло с последнего изменения скорости

// если больше, чем заданный интервал – увеличим скорость еще на один шаг

motorPower+= StartPowerStep; // увеличение скорости

analogWrite (E1, motorPower); // На выводе ENABLE управляющий сигнал с новой скоростью

StartTimer=millis(); // Начало нового шага

Теперь двигатель разгоняется плавно, причем параллельно с разгоном можно выполнять любые другие действия