Устройство плавного пуска для асинхронного двигателя

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:

1. Плавное увеличение нагрузки.
2. Возможность запуска двигателя через определенные интервалы времени.
3. Обеспечение защиты от линейных скачков U, пропадания фазы (для 3-фазного электродвигателя) и различных помех электрической составляющей.
4. Значительно повышение срока эксплуатации.

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.

  Электрическая пила для женщины: особенности выбора

Делаем переноску с плавным пуском для электроинструмента

Если вы часто пользуетесь электроинструментом, то наверняка пользовались УШМ (Болгаркой) с плавным пуском и без. Согласитесь, электроинструмент с плавным набором оборотов гораздо приятнее в эксплуатации, да и служит он дольше обычного. В этом материале я расскажу и покажу как можно доработать обычную переноску, чтобы электроинструмент, включенный через нее, был с плавным пуском.

Почему плавный пуск лучше

Прежде чем приступить к самому процессу переделки, хочу сказать пару слов о пользе плавного пуска. Итак, плавный пуск позволяет:
1. Меньше изнашиваться шестерням механизма, ведь при старте не происходит первоначального удара по ним.
yandex.ru
2. Отсутствует бросок тока, что благотворно сказывается на работоспособности всей вашей питающей сети.
3. В электроинструменте с плавным пуском реже выходят из строя обмотки статора и ротора.
4. При плавном пуске электроинструмент не вырывается из ваших рук, что с точки зрения безопасности хорошо.
Итак плюсы плавного пуска очевидны, теперь давайте перейдем к самой доработке переноски.

Готовим инвентарь

Для того, чтобы выполнить эту работу нам с вами понадобится:
Блок KRRQD12A, переноска (про то, как собрать качественную переноску написано на канале), розетка внешней установки, паяльник с припоем, небольшой кусок провода ПВС 3*2,5, канцелярский нож, термоусадка (или изолента), кусок фанеры и час свободного времени.

Что такое блок KRRQD12A

Самым главным элементов во всей нашей конструкции является блок плавного пуска KRRQD12A, который как раз и предназначен для модернизации электроинструмента. Данный блок рассчитан на рабочий ток 12 ампер, что идеально вписывается в ампераж наших розеток (16 А).
Примечание. В продаже также имеется KRRQD20A (рассчитанный на 20 Ампер), который внешне ничем не отличим от блока на 12 Ампер, но я не рекомендую его для установки в розетку, так как это может привести к перегреву контактов розетки из-за превышения ампеража.

Модернизируем переноску

Итак, теперь разбираем нашу переноску и осматриваем внутренности:
Как видно в этой переноске контакты закреплены на винтовой зажим, а чтобы не запихивать под один зажим два провода, я решил припаять провода к площадкам на контактных губках
После этого в корпусе переноски проделываем аккуратное отверстие для нашего нового провода и ее можно закрывать.
Далее берем розетку внешней установки, располагаем ее рядом с закрепленной переноской.
Затем крепим наш блок KRRQD12A согласно следующей схеме:
yandex.ru
То есть блок подключается последовательным образом. Место соединения провода от переноски с блоком пропаиваем и изолируем с помощью термоусадки.
Далее просто подключаем розетку и аккуратно размещаем блок KRRQD12A в корпусе следующим образом:
Теперь просто аккуратно закрываем крышки.
Все, можно процесс нашей с вами модернизации считать оконченным. Теперь осталось все проверить на работоспособность:

Заключение

Сферы применения устройств плавного пуска

Прежде чем ознакомиться с параметрами выбора УПП, рассмотрим, при каких режимах пуска и условиях требуется установка этого электроаппарата.

По нагрузке и разности пусковых и номинальных токов различают следующие типы пусков электродвигателей:

• Легкий пуск. При запуске электропривода ток не превышает номинального значения умноженного на три, переходной процесс длится не более 20 секунд. Для такого оборудования используют простейшие УПП.
• Тяжелый пуск. В производственном оборудовании со значительной инерцией или с запуском под нагрузкой, токи возрастают более чем в 4 раза, длительность переходного процесса составляет более 30 секунд.
• Особо тяжелый пуск. При таких условиях величина пускового тока может составлять 6-ти, 8-ми кратное значение от номинала. Разгон электродвигателя также занимает значительное время.

УПП применяются в составе электропривода различного производственного оборудования и технологических установках с тяжелыми и особо тяжелыми условиями пуска. Кроме того, их применение обосновано:

• При ограниченной мощности электросети. Пусковые токи создают перегрузку, при которой падает напряжение, срабатывает защита, перегреваются и отключаются генераторы. В таких случаях установка УПП является решением проблемы. При этом следует учесть, что устройство снижает пусковой ток в лучшем случае в 2,5 раза. Если мощности сети недостаточно, следует установить частотный преобразователь.
• При недопустимости быстрого пуска. При непосредственном запуске момент на валу электродвигателя гораздо выше номинального. Это приводит к ударным нагрузкам на механическую часть оборудования, вызывает его поломки. УПП обеспечивает ограничение пускового момента и с успехом решает эту проблему.

При срабатывании автоматического выключателя до того, как вал двигателя достигает номинальной скорости вращения, также же может помочь установка устройства плавного пуска.

УПП устанавливают:

• На электроприводе насосных агрегатов. При пуске с повышенным моментом и резкой остановке насосных установок в сети возникают гидравлические удары, повреждающие запорно-регулирующую арматуру, контрольно-измерительные приборы, трубопровод. Плавный пуск и остановка агрегатов, которые обеспечивают УПП, позволяет избежать этих проблем.
• На вентиляционном оборудовании. Высокий пусковой момент вызывает обрыв ременной передачи, увеличивает износ подшипников. Вентиляторы также требуют плавного запуска и остановки приводного двигателя.
• На компрессорном оборудовании и центрифугах. Для привода такого оборудования необходимо согласование момента на валу и фактической нагрузки. Пульсации, возникающие при резком пуске и разгоне электродвигателя, отрицательно сказываются на работе таких промышленных установок.
• На мельницах, дробильных установках и другом оборудовании с постоянным моментом нагрузки. Использование привода с УПП исключает механические удары при запуске.
• На конвейерах и других промышленных установках с приводом через редуктор. Применение УПП снижает ударную нагрузку на шестеренки и продлевает срок службы оборудования.

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.

Изготовление розетки плавного пуска

Самое главное требование для такой розетки — это ее мобильность. Поэтому вам понадобится переноска.

С помощью нее можно будет плавно запускать инструмент в любом месте — в гараже, на даче, при строительстве своего дома на разных участках стройплощадки.

Первым делом переноску нужно разобрать.

Основные провода питания в ней могут быть либо припаяны, либо подсоединены на винтовых зажимах.

В зависимости от этого, также будет происходить и подключение вашей дополнительной розетки. Это должна быть именно дополнительная розетка возле переноски, чтобы иметь возможность одновременно подключать инструмент в разных режимах.

Кстати, если вы по ошибке включите болгарку или циркулярку, имеющие заводской встроенный плавный пуск в розетку, также снабженной таким УПП, то на удивление все будет работать. Единственный момент — получится задержка запуска пилы или оборотов диска на пару секунд, что не очень удобно в работе и без привычки может озадачить.

Вот реальные испытания такого подключения, проведенные одним мастером с ютуб BaRmAgLoT777. Его комментарий после таких опробований на гравере типа Dremel, дреле Bosch, фрезере Makita, циркулярной пиле Интерскол:

Далее для сборки розетки берете многожильный медный провод сечением 2,5мм2 и зачищаете его концы.

После чего необходимо залудить контактную площадку на переноске, куда будет припаиваться этот провод.

Надежно припаиваете жилы кабеля к этим площадкам.

Аккуратно укладываете провода и закрываете удлинитель.

Берете квадратную наружную розетку для установки на внешней поверхности стен, и в ее корпус примеряете блок плавного пуска. Так как он имеет компактные прямоугольные размеры, то должен поместиться туда без особых проблем.

Монтируете и закрепляете корпус розетки на одной площадке с удлинителем.

Блочок ПП подключаете в разрыв любого провода, фазного или нулевого. Не перепутайте, на него не подается одновременно фаза и ноль, т.е. 220В.

Он устанавливается на какой-то один из проводов.

Также для этого БПП, нет никакой разницы с какой стороны сделать вход, а с какой выход. Скрутки пропаиваются и изолируются термоусадкой.

После чего, все внутренности розетки собираются в корпус и остается всю конструкцию закрыть крышкой.

На этом вся переделка переноски и изготовление розетки можно считать завершенной. По времени это займет у вас не более 15 минут.

Установка софтстартера

Примерил для начала:

Пробная установка блока плавного пуска

По высоте подходит один в один, по ширине тоже, только длина чуть больше, но место есть.

Теперь вопрос по цепям управления. Контакторы в исходной схеме включались напряжением 24 VAC, а наши АББ управляются напряжением минимум 100 VAC. Налицо необходимость промежуточного реле либо изменения напряжения питания цепи управления.

Однако, на официальном сайте ABB я нашёл схему, где показано, что это устройство способно работать и при 24 VAC. Попытал счастья – не получилось, не запускается…

Что же, ставим промежуточное реле, которое приводит напряжение к нужному уровню:

Пример монтажа системы плавного пуска электродвигателей

Вот с другого ракурса:

Пример монтажа системы плавного пуска электродвигателей

Вот и всё. Промежуточные реле обозвал 07КМ11 и 07КМ21. Кстати, они также нужны и для дополнительных цепей. Через них включаются индикаторы, и сухие контакты для внешнего устройства (пока не используются, в старой схеме – оранжевые провода).

Когда хотел управление использовать напрямую, без реле (24 VAC), планировал индикаторы включения пустить через контакты Com – Run, которые теперь остались неиспользованные.

Характеристики УПП

Основными критериями выбора УПП являются диапазон ограничения тока, степень защиты корпуса, допустимое количество пусков за единицу времени, номинальный ток и напряжение, допустимая мощность электродвигателя, возможность параллельного включения шунтирующего электроаппарата. Выбор устройства осуществляется по стандартным методикам.

При выборе УПП также необходимо учесть наличие следующих функций:

• Запуск в функции тока или напряжения. Устройства плавного пуска с такой функцией применяют при ограниченной мощности питающей сети. Такие УПП позволяют осуществлять регулировку тока и избежать перегрева кабелей, сработки защиты, остановку генераторов, чувствительных к резким колебаниям потребляемого нагрузкой тока. Для технологического оборудования, где недопустим быстрый пуск с повышенным моментом, используют УПП с пуском в функции напряжения. Такие устройства плавно увеличивают напряжение в обмотках электрических машин. Для более точной регулировки используют УПП с обратной связью по току и напряжению.
• Количество фаз. Для пуска электродвигателей используются УПП с регулировкой электрических параметров по одной, двум и трем фазам. Устройства первых двух типов используются для привода оборудования с нечастым запуском, так как несимметричная нагрузка в момент пуска отрицательно сказывается на работе электрической машины.
• Наличие шунтирующего контактора. При завершении переходного процесса целесообразно отключить подачу тока через устройство плавного пуска, чтобы исключить перегрев симистров. Это достигается параллельным включением в цепь контактора, который замыкает силовые контакты после разгона электродвигателя. Существуют модели УПП, не предусматривающие параллельного подключения контакторов, однако, для мощного двигателя лучше выбрать устройство с шунтирующим коммутирующим аппаратом.
• Функции защиты. Многие УПП имеют встроенную защиту от перегрева самого устройства, изменения частоты питающего напряжения, снижения величины выходного тока, а также функции отключения нагрузки при превышении времени разгона, обрыва фаз, неравномерной нагрузки. В некоторых моделях также возможно подключение датчика нагрева обмоток электродвигателя. Для защиты привода с УПП от коротких замыканий необходимы предохранители или автоматические выключатели.
• Функции регулирования скорости. Существуют УПП, где реализована возможность снижения частоты вращения электродвигателя. Однако, УПП не заменяют частотный преобразователь. Регулировка скорости осуществляется ступенчато. При длительной работе на пониженной скорости УПП сильно перегревается. Устройство плавного пуска не обеспечивает долговременной работы двигателя в режиме пониженной скорости. Такие режимы применяются при регулировке и наладке производственного оборудования.
• Режим торможения. Для приводов инерционного оборудования следует выбрать УПП с функцией торможения. В этом режиме на обмотки электродвигателя подается напряжение, вызывающее торможение электрической машины. Такие устройства применяют для подъемников, транспортеров, тяговых вентиляторов.
• Контроль состояния байпасного контактора. При незамкнутых силовых контактах шунтирующего контактора по достижении номинальной частоты вращения ротора электродвигателя, УПП осуществляет отключение привода.
• Пуск с максимальным моментом. Устройства плавного пуска с этой функцией подают на обмотки номинальное напряжение питающей сети. После резкого пускового толчка, напряжение ограничивается. Далее разгон электрической машины осуществляется в плавном режиме. УПП с такой функцией используется для приводов оборудования с включением под значительной нагрузкой.

Как сделать блок пуска для электроинструмента

Существует достаточно много вариантов самостоятельного оборудования болгарки устройством плавного пуска. Некоторые из них представлены в авторских видео.

Блок пуска на базе микросхемы LM358

В следующем видео автор делится опытом самостоятельного изготовления платы блока плавного пуска по схеме, взятой из интернета, на базе микросхемы LM358. Корпус для платы автор изготовил из коробочки из-под шампуня, что говорит о богатой фантазии мастеров самодеятельного творчества. Автор не просто слепо скопировал схему из интернета, а доработал с заменой характеристик некоторых ее элементов: транзисторов, диодов, резисторов. Радиатор для охлаждения полупроводниковых приборов взят из магнитофона. Для того, чтобы была возможность разместить блок плавного пуска внутри корпуса болгарки, а не как в случае предложенного варианта, разработана плата меньшего размера.

Технология работ по изготовлению блока пуска

Автор следующего видео подробно описывает приемы работ, применяемые комплектующие и вспомогательные технологические материалы для изготовления устройства плавного пуска. Здесь в качестве базового элемента взята микросхема к1182. Технология не рассчитана на применение в качестве основы печатной платы, автор называет такую сборку технологией «навесного монтажа». При таком производстве работ кроме пайки применяется крепление отдельных элементов с помощью крепежных изделий, например, так крепится симистор к теплоотводу. Готовый блок пуска не универсален для всех болгарок. На двух отдельно взятых автором УШМ они выходили на режим за ощутимо разный промежуток времени.

Один из вариантов компоновки самодельного блока пуска

В качестве исходного варианта автор следующего видео выбрал известную в интернете сборку с микросхемой LM358.Так как собранный пусковой блок не поместился внутри корпуса болгарки, автор «упаковал» внутрь лишь симистор с радиатором, по причине хороших условий охлаждения от колеса вентилятора болгарки. Остальную часть блока вместе с микросхемой закрепил на корпусе УШМ.

Использование утюга в качестве дополнительной нагрузки для снижения оборотов болгарки

Этот способ не относится конкретно к теме плавного пуска болгарки. Однако, для понимания принципа действия электронного устройства диммер, который используется для регулировки мощности (или количества оборотов) болгарки вполне приемлем. В следующем видео утюг забирает определенную мощность у УШМ, тем самым снижая ее обороты.

Типовую схему блока пуска следует дорабатывать для каждого отдельного электроинструмента

Автор следующего видео рассказывает как оборудовал свою бытовую болгарку устройством плавного пуска для увеличения срока эксплуатации.

Важно: схема может отлично работать для регулировки яркости лампы, но для необходимого функционирования болгарки при пуске быть неспособной выполнять задачу. Для эффективной работы ее следует «настроить», а именно подобрать нужные величины резисторов, емкостей конденсаторов и возможно изменить характеристики полупроводниковых приборов.. https://www.youtube.com/embed/-_-tAsrUyCM

Как приспособить в болгарке штатный диммер для регулировки оборотов

В следующем видео автор доработал кнопку включения (сделал ее подпружиненной) с целью использования возможностей покупного диммера для регулировки оборотов болгарки. После включения болгарки перемещением кнопки устанавливается требуемый режим оборотов. Диммер фиксирует этот режим и при повторном включении производится его установка.