Електричні двигуни отримали широке застосування в будь-яких сферах діяльності людини. Однак при запуску електродвигуна відбувається семиразове споживання струму, що викликає не тільки перевантаження мережі живлення, але і нагрів обмоток статора, а також вихід з ладу механічних частин. Для усунення цього небажаного ефекту радіоаматори радять застосовувати пристрої плавного пуску електродвигуна.
Плавний пуск двигуна
Статор електродвигуна являє собою котушку індуктивності, отже, існують активна і реактивна складові опору (R). Значення реактивної складової залежить від частотних характеристик харчування і під час запуску коливається в межах від 0 до розрахункового значення (при роботі інструмента). Крім того, змінюється струм, званий пусковим.
Струм пуску перевищує в 7 разів значення номінального. При цьому процесі відбувається нагрів обмоток статора котушки і, в тому випадку, якщо провід, з якого складається обмотка, є старим, то можливо межвитковое КЗ (при зменшенні величини R струм досягає максимального значення). Перегрів спричиняє зниження терміну експлуатації інструменту. Для запобігання цієї проблеми існують кілька варіантів використання пристроїв плавного пуску.
Перемиканням обмоток пристрій плавного пуску двигуна (УПП) складається з наступних основних вузлів: 2 види реле (управління часом включення і навантаженням), трьох контакторів (рисунок 1).
Малюнок 1 - Загальна схема пристрою плавного пуску асинхронних двигунів (м'якого пуску).
На малюнку 1 зображено асинхронний двигун. Його обмотки з'єднані за типом підключення «зірка». Запуск здійснюється при замкнутих контакторах K1 і K3. Через певний часовий інтервал (задається за допомогою реле часу) контактор К3 розмикає свій контакт (відбувається відключення) і відбувається включення контактом К2. Схема на малюнку 1 може бути застосована і для УПП двигунів різного типу.
Головним недоліком вважається освіту струмів КЗ при одночасному включенні 2-х автоматів. Ця проблема виправляється впровадженням в схему замість контакторів рубильника. Однак обмотки статора продовжують грітися.
При електронному регулюванні частоти пуску електродвигуна використовується принцип частотного зміни напруги живлення. Основним елементом цих перетворювачів є перетворювач частоти, що включає в себе:
- Випрямляч збирається на напівпровідникових потужних діодах (можливий варіант тиристорного виконання). Він перетворює величину напруги в пульсуюче постійний струм.
- Проміжна ланцюг згладжує перешкоди і пульсації.
- Інвертор необхідний для перетворення сигналу, отриманого на виході проміжної ланцюга, в сигнал змінної амплітудної і частотної характеристиками.
- Електронна схема управління генерує сигнали для всіх вузлів перетворювача.
Принцип дії, види і вибір
Під час збільшення крутного моменту ротора і Iп в 7 разів для продовження терміну служби необхідно використовувати УПП, яке відповідає таким вимогам:
- Рівномірний і плавне збільшення всіх показників.
- Управління електроторможеніем і пуском двигуна в певні часові інтервали.
- Захист від стрибків напруги, пропажі будь-якої фази (для 3-х фазного електродвигуна) і перешкод різного роду.
- Підвищення зносостійкості.
Принцип дії сімісторного УПП: обмеження величини напруги завдяки зміні кута відкриття симісторних напівпровідників (сімісторов) при підключенні до статорних котушок електродвигуна (малюнок 2).
Малюнок 2 - Схема плавного пуску електродвигуна на сімісторов.
Завдяки застосуванню сімісторов з'являється можливість знизити пускові струми в 2 і більше разів, а наявність контактора дозволяє уникнути перегріву сімісторов (на малюнку 2: Bypass). Основні недоліки симісторних УПП:
- Застосування простих схем можливо тільки при невеликих навантаженнях або холостому запуску. В іншому випадку схема ускладнюється.
- Відбувається перегрів обмоток і напівпровідникових приладів при тривалому запуску.
- Двигун іноді не запускається (призводить до значного перегріву обмоток).
- При електрогальмами електромотора можливий перегрів обмоток.
Широко застосовуються УПП з регуляторами, в яких відсутній зворотний зв'язок (по 1 або 3 фаз). У моделях цього типу необхідно встановлювати час пуску електродвигуна і напруга безпосередньо перед початком пуску. Недолік пристроїв - неможливість регулювати крутний момент рухомих механічних частин по навантаженню. Для усунення цієї проблеми потрібно застосувати пристрій по зниженню Iп, захисту від різної різниці фаз (виникає під час перекосу фаз) і механічних перевантажень.
Більш дорогі моделі УПП включають в себе можливість стеження за параметрами роботи електродвигуна в безперервному режимі.
У пристроях, що містять електромотори, передбачені УПП на сімісторов. Вони відрізняються схемою і способом регуляції напруги. Найпростіші схеми - схеми з однофазним регулюванням. Вони виконуються на одному сімісторов і дозволяють пом'якшити навантаження на механічну частину, і застосовуються для електромоторів з потужністю менше 12 кВ. На підприємствах застосовується 3-х фазну регулювання напруги для електромоторів потужністю до 260 кВт. При виборі виду УПП необхідно керуватися наступними параметрами:
- Потужність пристрою.
- Режим роботи.
- Рівність Iп двигуна і УПП.
- Кількість запусків за певний час.
Для захисту насосів підходять УПП, що захищають від ударів з гідравлічної складової труби (Advanced Control). УПП для інструментів вибираються, виходячи з навантажень і більших обертів. У дорогих моделях цей тип захисту у вигляді УПП присутня, а для бюджетних необхідно виготовляти його своїми руками. Застосовується в хімічних лабораторіях для плавного запуску вентилятора, що охолоджує рідини.
Причини застосування в болгарки
Завдяки особливостям конструкції при старті кутової шліфувальної машинки відбуваються високі динамічні навантаження на деталі інструменту. При початковому обертанні диска, вісь редуктора схильна до дії сил інерції:
- Інерційний ривок може вирвати болгарку з рук. Відбувається загроза життю і здоров'ю, так як цей інструмент дуже небезпечний і вимагає суворого дотримання техніки безпеки.
- При запуску відбувається перевантаження по струму (Iпуска = 7 * Iном). Відбувається передчасний знос щіток, перегрів обмоток.
- Зношується редуктор.
- Руйнування ріжучого диска.
Ненастроєного інструмент стає дуже небезпечним, адже існує ймовірність заподіяння шкоди здоров'ю та життю. Тому необхідно його убезпечити. Для цього і збираються УПП для електроінструменту своїми руками.
Створення своїми руками
Для бюджетних моделей кутової шліфувальної машинки і іншого інструменту необхідно зібрати своє УПП. Зробити це нескладно, адже завдяки інтернету, можна знайти величезну кількість схем. Найбільш проста і, в той же час, ефективна - універсальна схема УПП на сімісторов і мікросхемі.
При включенні болгарки або іншого інструменту відбувається пошкодження обмоток та редуктора інструменту, пов'язаного з різким запуском. Радіоаматори знайшли вихід з цієї ситуації і запропонували простий плавний пуск для електроінструменту своїми руками (схема 1), зібрану в окремому блоці (в корпусі дуже мало місця).
Схема 1 - Схема плавного пуску електроінструменту.
УПП своїми руками реалізується на основі КР118ПМ1 (фазовий регулювання) і силовий частини на сімісторов. Основною родзинкою пристрою є його універсальність, адже його можна підключити до будь-якого електроінструменту. Воно не тільки легко монтується, але і не вимагає попереднього налаштування. В основному підключення системи до інструменту не є складним і встановлюється в розрив кабелю живлення.
Особливості роботи модуля УПП
При включенні болгарки на КР118ПМ1 подається напруга і на керуючому конденсаторі (С2) відбувається плавне зростання напруги в міру зростання заряду. Тиристори, що знаходяться в мікросхемі, відкриваються поступово з певною затримкою. Симистор відкривається з паузою, рівною затримки тиристорів. Для кожного наступного періоду напруги відбувається поступове зменшення затримки і інструмент плавно запускається.
Залежить час набору оборотів від ємності С2 (при 47 мк час запуску дорівнює 2 секунди). Ця затримка є оптимальною, хоча її можна міняти шляхом збільшення ємності С2. Після виключення углошлифовальной машинки (УШМ) відбувається розряд конденсатора С2 завдяки резистору R1 (час розрядки приблизно дорівнює 3 секунди при 68К).
Цю схему для регулювання обертів електродвигуна можна модернізувати шляхом заміни R1 на змінний резистор. При зміні величини опору змінного резистора змінюється потужність електромотора. Резистор R2 виконує функцію контролю величини сили струму, який протікає через вхід симистора VS1 (бажано передбачити охолодження вентилятором), що є керує. Конденсатори С1 і С3 служать для захисту і управлінням мікросхеми.
Симистор підбирається з наступними характеристиками: напруга пряме максимальне до 400-500 В і мінімальний струм пропускання через переходи повинен бути не менше 25 А. При виготовленні УПП за цією схемою запас по потужності може коливатися від 2 кВт до 5 кВт.
Таким чином, для збільшення терміну служби інструментів і двигунів, необхідно проводити їх плавний запуск. Це пов'язано з конструктивною особливістю електромоторів асинхронного і колекторного типів. При запуску відбувається стрімке споживання струму, через якого відбувається знос електричної і механічної частин. Використання УПП дозволяє убезпечити електроінструмент, завдяки дотриманню правил техніки безпеки. При модернізації інструменту можлива покупка вже готових моделей, а також збірка простого і надійного універсального пристрою, який не тільки відрізняється, але і навіть перевершує деякі заводські УПП.