Плавный пуск электродвигателя своими руками. Применение микросхемы КР1182ПМ1

20.Способы пуска двигателя постоянного тока.

Возможны три способа пуска двигателя в ход:

1) прямой пуск, когда цепь якоря приключается непосредственно к сети на ее полное напряжение;

2) пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений, включаемых последовательно в цепь якоря;

3) пуск при пониженном напряжении цепи якоря.

прямой пуск применяется только для двигателей мощностью до нескольких сотен ватт, у которых Ra относительно велико и поэтому при пуске процесс пуска длится не более 1-2 сек.

Самым распространенным является пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений

Способы пуска двигателя постоянного тока

1. Прямой пуск - обмотка якоря подключается непосредственно к сети.

Ток якоря двигателя определяется формулой . (4.1) Если считать, что при прямом пуске значения напряженияпитания U и сопротивления якорной обмотки R я остаются неизменными, то ток якоря зависит от противо - ЭДС Е . В начальный момент пуска якоря двигатель неподвижен ( =0) и в его обмотке Е=0 .Поэтому при подключении к сети в обмотке возникает пусковой ток
. (4.2) Обычно сопротивление R я невелико, особенно у двигателей большой мощности, поэтому значение пускового тока достигает 20 раз превышающих номинальный ток двигателя.недопустимо больших значений, в 10 При этом создается опасность поломки вала машины и появляется сильное искрение под щетками коллектора. По этой причине такой пуск применяется только для двигателей малой мощности, у которых  R я относительно велико.

2)Реостатный пуск - в цепь якоря включается пусковой реостат для ограничения тока. В начальный момент пуска при  =0 и R п =мах ток якоря будет равен

. (4.3) Максимальное значение R п подбирают так, чтобы для машин большой и средней мощности ток якоря при пуске
, а для машин малой мощности
. Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением рис 4.1. В начальный момент пуск осуществляется по реостатной характеристике 4, соответствующей максимальному значению сопротивленияR п , при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент М пmax .Регулировочный реостат R р выводится так, чтобы I в и Ф были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением скорости вращения ротора растет и ЭДС Е , а как следствие, уменьшается ток якоря, определяющий его величину. При достижении некоторого значения М пmin часть сопротивления R п выводится, вследствие чего момент снова возрастает до М пmax , двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 3 и разгоняется до значения М пmin . Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатной характеристики до выхода на естественную характеристику 1.Средний вращающий момент при пуске определяется из выражения
. (4.4) двигатель при этом разгоняется с некоторым постоянным ускорением.

Аналогичный пуск возможен и для двигателей последовательного возбуждения. Количество ступеней пуска зависит от жесткости естественной характеристики и требований предъявляемых к плавности пуска. Пусковые реостаты рассчитываются на кратковременную работу под током.

В реальных устройствах пуск осуществляется автоматически. Микроконтроллер, по заданному алгоритму, управляет коммутирующими элементами (релейное управление), отключая секции пускового реостата и практически реализуя описанный выше процесс.

Алгоритм управления может быть построен с использованием трех основных принципов:

1) Принцип ЭДС

2) Принцип тока

3) Принцип времени.

Идею реализации данных принципов можно пояснить с помощью пусковой схемы на электромагнитных реле (что практически применялось до широкого внедрения микропроцессорных систем управления) рисунок 4.3. К якорю машины подключается параллельно ряд реле, которые с ростом скорости вращения, а значит, ЭДС, последовательно срабатывают и своими контактами выводят из работы секции пускового реостата, постепенно уменьшая сопротивление якорной цепи.

При использования принципа тока применяются последовательно включенные реле тока, которые дают команду через свои нормально замкнутые контакты на последовательное включение соответствующих контакторов К i при снижении тока до заданного уровня.

Принцип времени предполагает применение реле времени, которые через расчетные уставки времени дают команду на шунтирование секций реостата.

4)Пуск путем плавного повышения питающего напряжения - пуск осуществляется от отдельного регулируемого источника питания. Применяется для двигателей большой мощности, где нецелесообразно применять громоздкие реостаты из-за значительных потерь электроэнергии.

Осложнен возникающими при пуске большими значениями пусковых токов и моментов. Но в отличие от асинхронных двигателей, в ДПТ пусковые токи превышают номинальные в 10-40 раз. Такое громадное превышение может привести к выводу двигателя из строя, повреждению связанных с двигателем механизмов и большим просадкам напряжения в сети, что может сказаться на других потребителях. Поэтому пусковые токи стараются ограничить до значений (1,5…2) Iн.

Для маломощных двигателей (до 1 кВт) при условии отсутствия нагрузки на валу, можно применить прямой пуск, то есть непосредственно от сети. Это связано с тем что масса движущихся частей двигателя не велика, а сопротивление обмотки относительно большое. При прямом пуске таких двигателей пусковые токи не превышают значений (3…5) Iн, что для таких двигателей не критично.

Когда двигатель работает при постоянном напряжении и сопротивлении обмотки якоря, ток в якоре можно найти с помощью формулы

В этой формуле U – напряжение питающей сети, Епр – противоЭДС, ∑r – сопротивление обмоток якоря. ПротивоЭДС Епр возникает при вращении якоря в магнитном поле статора, при этом в двигателе, она направлена против якоря. Но когда якорь не движется, Епр не возникает, а значит, выражение для тока примет следующий вид

Это и есть выражение для определения пускового тока.

Глядя на формулу можно прийти к выводу, что снижения пускового тока возможно либо снижением напряжения, либо увеличением сопротивления якорной обмотки.

Пуск двигателя снижением напряжения применяется, если питание двигателя организовано от независимого источника энергии, который можно регулировать. На практике такой пуск используется для двигателей средней и большой мощности.

Мы рассмотрим более подробно способ пуска двигателя постоянного тока с помощью введения дополнительного сопротивления в цепь якоря. При этом пусковой ток будет равен

Таким образом, можно добиться величины пускового тока, в нужном диапазоне, безопасном для двигателя. Добавочное сопротивление может быть как в виде реостата, так и в виде нескольких резисторов. Это нужно для того, чтобы в процессе запуска двигателя, менять сопротивление в якорной цепи.

Следует знать, что с дополнительным сопротивлением в обмотке якоря двигатель работает не на естественной, а на более мягкой искусственной характеристике, которая не подходит для нормальной работы двигателя.

Пуск двигателя осуществляется в несколько ступеней. После некоторого разгона двигателя, Епр ограничит ток, а следовательно пусковой момент, чтобы поддержать его на прежнем уровне, нужно уменьшить сопротивление, то есть переключить реостат или шунтировать резистор.

Допустим, что ступени у нас четыре, тогда механическая характеристика будет выглядеть следующим образом

На первой ступени, когда добавочное сопротивление максимально и равно R1+R2+R3 двигатель начинает свой разгон. После достижения определенной точки, которую получают с помощью расчетных данных, сопротивление R3 шунтируют. При этом двигатель переходит на новую характеристику, и разгоняется на ней все до той же точки. Таким образом, двигатель выходит на естественную характеристику, не пострадав от действия больших пусковых токов и моментов.

Плавный пуск

коллекторного двигателя постоянного тока

(ДПТ)

Случается необходимость плавно включить коллекторный двигатель, например с целью предотвращения бросков токов в цепях питания. Либо предотвращения резких ударов на трансмиссию привода. Не лишне поставить на включение фар, для увеличения ресурса работы ламп.

В моем случае требовалось подать максимальную мощность на ходовой электродвигатель электромобиля с выводом электронного ключа управления из режима ШИМ-управления, для предотвращения его перегрева при максимальной нагрузке.

На рис. 1 и рис. 2 приведены две схемы реализации таких устройств.

Конструкция 1:

Простая схема схема плавного пуска на интегральном таймере КР1006ВИ1 (или импортная серия 555)

Рис.1. Конструкция 1

При подаче напряжения 12в таймер с элементами обвязки (ШИМ) запускается и начинает генерировать импульсы на выходе 3 ИС с постоянной частотой и изменяющийся во времени шириной следования импульса. Время задается емкостью конденсатора С1. Далее, эти импульсы подаются на затвор мощного полевого транзистора который управляет нагрузкой на выходе устройства. R3 строго 2Мом. Рабочее напряжение электролитических конденсаторов 25 вольт.
Примечание: Данное устройство размещается максимально близко к вентилятору иначе могут образоваться помехи, которые будут мешать нормальной работе автомобиля (естественно "Жигулям" не помеха).

Конструкция 2:

Не менее простая схема на том же интегральном таймере.

Рис.2 Конструкция 2

Конструкция 3:

Схема примененная на электромобиле. Запуск устройства производится кнопкой "Пуск".

Рис.2 Конструкция 3

Значение резистора R2 должно быть не менее 2.2 мом, иначе не будет полного (100%) открытия транзисторов.
Питание схемы ограничено на уровне 7.5в с помощью стабилитрона КС175Ж с целью ограничения напряжения управления подаваемого на затвор транзисторов. Иначе базы транзисторов входят в насыщение.
Включение устройства производится кнопкой "Вкл" подачей питания, с одновременной разблокировкой силовых транзисторов. При выключении устройства предотвращается линейный режим при снижении питания цепей управления, транзисторы мгновенно закрываются.

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.

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