ПЛАВНЫЙ ПУСК НА 12 В

Случается нужно часто подключать устройство к чему-то, что имеет напряжение. Однако в том устройстве, например, на входе имеются конденсаторы высокой ёмкости, которые вызывают большой скачок тока и, следовательно, скачок напряжения, что может привести к нестабильной работе включенного устройства и даже к отключению питания, вызванному такой мощной нагрузкой. Так что в некоторых случая имеет смысл сделать такой простейший блок софт старта. Его конструктивная примитивность приводит к тому, что он:

• Работает в узком диапазоне напряжений 10-14 В.
• Не имеет защиты — ни тепловой, ни от перенапряжения.
• Не отключается мгновенно, поскольку включенный транзистор имеет некий обратный ток.

Схема модуля плавного пуска

В общем это схема простого плавного пуска на 12 В. Время включения задано емкостью С1 — на схеме 1 нФ, но может быть даже 470 нФ, время переключения было установлено примерно на 0,5 секунд. Вместе с емкостью Cgs транзистора заряжается через резистор R2.

Время выключения нагрузки немного быстрее, потому что емкость после падения напряжения разряжается диодом D1 и резистором R1. Однако транзистор находится во включенном состоянии до тех пор, пока емкость, которая может находиться в выходной схеме, не разрядится.

Стабилитрон является здесь элементом, который повышает напряжение в контрольной точке для напряжения открытия затвора, что вызывает более плавное открывание полевого транзистора.

Следует помнить, что напряжение затвор-исток должно соответствовать транзистору, когда напряжение питания уменьшается за счет уменьшения стабилитрона. Также надо чтобы мосфет имел низкие сопротивления Rdson.

Транзистор получает повышенное тепловыделение при включении. Например ток до 1 A транзистор IRF9540 заставляет незначительно нагреваться, но при частом включении-выключении растет количество выделяемого тепла.

Схема плавного пуска для двигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока имеют ряд недостатков, хотя и множество очевидных преимуществ. Одним из них является гораздо более высокое потребление тока при пуске по сравнению с током, потребляемым при нормальной работе, что может привести к перегрузке источника питания в начальный момент времени. Предлагаемый модуль софт-старта мотора имеет напряжение питания от 12 до 35 В, собственный ток потребления около 10 мА. Нагрузка может достигать десятки Ампер.

Схема плавного пуска на 555 и MOSFET

Принципиальная схема мягкий старт показана на рисунке. Таймер 555 работает в типичном мультивибраторном включении и создает прямоугольный сигнал с частотой около 2,2 кГц и заполнением (скважностью) около 85%. Состоит частотозадающая цепь из сопротивления R3 и конденсатора C5 на 100 нФ.

Этот сигнал поступает на инвертируемый вход компаратора LM311. Делитель напряжения, который подает приблизительно 4,5 В к инвертирующему входу, также подключен. Конденсатор C6 22 мкФ делает так, что напряжение при включении питания почти равно напряжению источника питания (78L09 это 9 В), а затем медленно падает до номинального значения.

Путем сравнения уменьшающегося напряжения на входе инвертора и треугольной формы волны, на входе неинвертора получается прямоугольный сигнал со скважностью растущей от нуля до 100%.

Зарядный конденсатор играет ключевую роль в определении заряда. Скважность составляет 100% через 7 секунд после включения, и N-канальный MOSFET полевой транзистор IRF3205 переходит в открытый режим.

Схема смонтирована на односторонней печатной плате 25 х 50 мм. Все компоненты, кроме транзистора T1 и D2, устанавливаются на одной поверхности. Рекомендуется установить небольшой кулер на транзистор.

Более сильный мотор, лампа и другая нагрузка тоже сюда отлично подойдёт. Естественно с использованием мощного Мосфета. Может быть установлен даже транзистор с токами до 50 А.

Мягкий пуск стартерного электродвигателя постоянного тока

При исследовании пусковых характеристик стартерных электродвигателей выявлено, что при подаче напряжения на электродвигателе возникает импульс обратного тока напряжением более 2000 вольт. Изоляция обмоток электродвигателей может не выдержать и получить межвитковый пробой. Искрение коллектора при больших пусковых токах ведёт к прогоранию пластин коллектора. Избежать пробоя и аварийной ситуации при пуске электродвигателя можно, используя метод разгона оборотов во времени.

Пусковой ток в данной схеме снижен до приемлемой величины с 220 ампер до 20. Условия мягкого пуска созданы двойным уровнем тока — первый создаётся регулировочной характеристикой полевого транзистора в течении времени 0-10 мс,второй — контактами пускового реле от 10 до 60 мс. Ток во время пускового режима растёт почти линейно, что не ведёт к разрушению электрической части электродвигателя.

Схема на рисунке представляет собой гибрид из мощного полевого транзистора и пускового реле.

Полевой транзистор после нажатия кнопки «Старт» открывается подачей напряжения с аккумулятора GB1 на затвор через резистор R1. Цепь, параллельная затвору транзистора и минусу аккумулятора защищает транзистор и несколько увеличивает время включения с 0,02 до 1 мс, зависящего от номиналов резисторов R1,R2 и конденсатора C1 — подаёт с ростом напряжения питание на пусковой электродвигатель М1. Электродвигатель разгонится до номинальных оборотов, в конце этого процесса замкнутся мощные контакты К1.1 реле К1, ток через полевой транзистор прекратится, а рабочий ток электродвигателя не создаст искрения контактов, так как режим разгона выполнен.

Размыкание цепи «Старт» приведёт к размыканию цепи К1.1 и обесточиванию электродвигателя, с понижением тока по экспоненте.

В цепь затвора полевого транзистора в схеме введен стабилитрон для защиты от превышения порогового напряжения, в цепи истока транзистора, параллельно пусковому электродвигателю подключена цепь для гашения импульсного напряжения обратной полярности –диод VD2 и конденсатор С2.

Обмотка реле К1 защищена от импульсов обратной полярности двухполярным светодиодом HL1 с разрядным резистором R4, резистор R3 ограничивает ток питания цепи обмотки, снижает ее нагрев при длительном включении. Диод VD3 устраняет проникновение импульсных помех в цепи питания.

В схеме нет дефицитных радиодеталей: полевые транзисторы установлены на суммарный рабочий ток в 212 ампер. Резисторы типа МЛТ-0,25, R3 на один ватт. Диоды VD2, VD3 импульсного типа. Реле автомобильное -типа MG16566DX на ток контактов 30 ампер и напряжение 12 вольт, напряжение включения такого реле 7 вольт, отпускания 3,5 вольта. Светодиод HL1 заменим на КИПД 45Б -2 или КИПД 23 А1-К, кнопка пуска типа КМ 1-1. В конструкции использовался стартерный электродвигатель итальянского производства, исследования проводились и на других типах электродвигателей мощностью от 10 до 300 ватт..

Конструкция собрана в корпусе размерами 110 * 35 *55 и закреплена рядом со стартером, кнопка пуска установлена в удобном для включения месте и соединена многожильным изолированным проводом сечением 0,5 мм. Полевые транзисторы закреплены общим болтом к радиатору.

Светодиод можно использовать как индикатор пуска или оставить на плате.

Силовые цепи питания электродвигателя необходимо выполнить многожильным проводом сечением не менее 10 мм и как можно короче по длине, для снижения потерь напряжения.

Схема проверена на стенде с указанным двигателем на 250 ватт, для надёжности установить два полевика в параллель, закрепив с двух сторон радиатора, пусковой ток тогда может достигать 220 ампер. Ток в 130 Ампер берёт от аккумулятора стартер а/м «Жигули» ВАЗ 2107.

Плавный Пуск и Бесконтактный реверс DC-электродвигателя

Сегодня рассмотрим довольно простую схему устройства управления двигателем постоянного тока, которая позволяет осуществлять его плавный запуск и останов, а также менять направление вращения без использования механических или релейных переключателей. Применение такая схема может найти самое широкое, это и робототехника, и различные станки, или механизмы, использующие двунаправленное механическое вращение.

В качестве интерфейса управления человек-машина здесь выступает манипулятор в основе которого лежит обычный переменный резистор (потенциометр), это может быть, например, так называемый « джойстик », который находясь в среднем положении останавливает вращение, а при крайних — плавно запускает электродвигатель в прямом и обратном направлении.

Сразу обозначу с какими электродвигателями может работать эта схема, в плане мощности. На схеме представлен вариант для 12-ти вольтового электродвигателя, питание электродвигателя и схемы управления общее. Мощность ограничена способностью транзисторов силового H- моста рассеять выделяемую тепловую энергию, т.к. они работают в крайних положениях манипулятора в линейном режиме. При мощности электродвигателя 320 Вт , силовой H -мост должен будет рассеять около 50 Вт , что вполне приемлемо для корпуса TO-220 .

Схему условно можно разделить на 4 функциональных части: силовой мост ( H-bridge ) через который запитан электродвигатель; компараторы напряжений DA1.3 и DA1.4 с которых управляется мост; генератор треугольного напряжения DA1.2 ; узел установки напряжения смещения

Работа силового моста, в « буржуинском » наименовании « H-bridge », подробно описана во многих технических источниках. Напомню, что при вращении электродвигателя, одновременно работают только два транзистора из противоположных плеч, например, VT1 и VT4 . Для смены направления вращения, VT1 и VT4 необходимо закрыть, а VT2 и VT3 открыть.

Управляются пары транзисторов моста через два компаратора DA1.3 и DA1.4 . Управляющее напряжение на их выходах при среднем положении резистора R2 противоположное: DA1.4 — +12B , DA1.3 — -12В — пары транзисторов моста закрыты, двигатель остановлен. При крайних положениях R2 , напряжение с одного из компараторов станет близким к нулю, что позволит открыться соответствующей паре транзисторов.

Опорное напряжение для компараторов берётся с цепи R7R8R9 на прямой вход DA1.4 и инверсный DA1.3 . На два других входа поступает пилообразное напряжение с частотой

270 Гц , амплитудой около 2В и постоянной составляющей от 1 до 5В с генератора на DA1.2. Постоянная составляющая регулируется как раз потенциометром R2 через DA1.1 . Делитель R7R8R9 рассчитан таким образом, чтобы в промежуточных состояниях резистора R2 от середины до максимального значения и минимального, напряжение с выходов одного из компараторов прежде чем стать близким к нулю модулируется частотой генератора DA1.2 , и как итог в зависимости от уровня постоянной составляющей (напряжения смещения) с DA1.1 принимает форму ШИМ . Это и позволяет плавно запускать и останавливать электродвигатель.

Печатная плата показана на рисунке сверху. Теплоотвод от транзисторов должен быть рассчитан на рассеивание тепловой энергии, в зависимости от мощности электродвигателя. Напомню, что при использовании электродвигателя 12В , 320 Вт , она составит 50 Вт .

Способы запуска электродвигателя постоянного тока

Хорошие тяговые характеристики электрических машин постоянного тока сделали их неотъемлемым элементом большинства устройств промышленной и бытовой механизации. Но вместе с тем возникает и существенная проблема значительных пусковых токов, в сравнении с асинхронными электродвигателями, работающих на переменном напряжении. Именно поэтому многие специалисты детально изучают способы запуска электродвигателя постоянного тока, прежде чем включить агрегат.

Прямой пуск

Из всех электродвигателей постоянного тока основная градация при выборе способа их запуска должна учитывать мощность устройства.

В целом выделяют три вида пуска:

• малой мощности;
• средней;
• большой мощности.

Для прямого запуска подойдут только маломощные электродвигатели, которые потребляют до 1кВт электроэнергии в сети. При прямых запусках электродвигателя все напряжение сразу подается на рабочую обмотку. Это обуславливает возникновение максимального пускового тока из-за отсутствия естественной компенсации за счет ЭДС противодействия.

С физической точки зрения ситуация в обмотках ротора будет выглядеть следующим образом: в момент подачи напряжения сила тока в обмотках равна нулю, поэтому его значение будет определяться по формуле:

U – приложенная к выводам номинальное напряжение, R_обм – сопротивление катушки.

В этот момент величина токовой нагрузки электродвигателя постоянного тока является максимальной, он может отличаться от номинального значения в 1,5 – 2,5 раза. После этого протекание тока обуславливает генерацию ЭДС противодействия, которая компенсирует пусковую нагрузку до установки номинальной мощности, тогда ток станет:

В мощных устройствах сопротивление обмоток якоря может равняться 1 или 0,5 Ом, из-за чего ток при запуске электродвигателя может достигнуть 200 – 500 А, что в 10 – 50 раз будет превышать допустимые величины. Это, в свою очередь, может привести к термическому отпуску металла, деформации проводников, разрушению колец или щеток скользящего контакта. Поэтому двигатели постоянного тока средней и большой мощности должны вводиться в работу реостатным запуском или путем подачи заведомо пониженного напряжения, прямой пуск для них крайне опасен.

Пуск с помощью пускового реостата

В этом случае в цепь вводится переменное сопротивление, которое на начальном этапе обеспечивает снижение токовой нагрузки, пока вращение ротора не достигнет установленных оборотов. По мере стабилизации ампеража до стандартной величины в реостате уменьшается сопротивление от максимального значения до минимального.

Расчет электрической величины в этом случае будет производиться по формуле:

В лабораторных условиях уменьшение нагрузки может производиться вручную – посредством перемещения ползунка реостата. Однако в промышленности такой метод не получил широкого распространения, так как процесс не согласовывается с токовыми величинами. Поэтому применяется регулировка по току, по ЭДС или по времени, в первом случае задействуется измерение величины в обмотках возбуждения, во втором, на каждую ступень применяется выдержка времени.

Оба метода используются для запуска электродвигателей:

• с последовательным;
• с параллельным возбуждением;
• с независимым возбуждением.

Запуск ДПТ с параллельным возбуждением

Такой запуск электродвигателя осуществляется посредством включения и обмотки возбуждения, и якорной к напряжению питания электросети, друг относительно друга они располагаются параллельно. То есть каждая из обмоток электродвигателя постоянного тока находятся под одинаковой разностью потенциалов. Этот метод запуска обеспечивает жесткий режим работы, используемый в станочном оборудовании. Токовая нагрузка во вспомогательной обмотке при запуске имеет сравнительно меньший ток, чем обмотки статора или ротора.

Для контроля пусковых характеристик сопротивления вводятся в обе цепи:

Рис 1. Запуск ДПТ с параллельным возбуждением

На начальном этапе вращения вала позиции реостата обеспечивают снижение нагрузки на электродвигатель, а затем их обратно выводят в положение нулевого сопротивления. При затяжных запусках выполняется автоматизация и комбинация нескольких ступеней пусковых реостатов или отдельных резисторов, пример такой схемы включения приведен на рисунке ниже:

Рис. 2. Ступенчатый пуск двигателя параллельного возбуждения

• При подаче напряжения питания на электродвигатель ток, протекающий через рабочие обмотки и обмотку возбуждения, за счет магазина сопротивлений R_пуск1, R_пуск2, R_пуск3 нагрузка ограничивается до минимальной величины.
• После достижения порогового значения минимума токовой величины происходит последовательное срабатывание реле K1, K2, K3.
• В результате замыкания контактов реле K1.1 шунтируется первый резистор, рабочая характеристика в цепи питания электродвигателя скачкообразно повышается.
• Но после снижения ниже установленного предела замыкаются контакты K2.2 и процесс повторяется снова, пока электрическая машина не достигнет номинальной частоты вращения.

Торможение электродвигателя постоянного тока может производиться в обратной последовательности за счет тех же резисторов.

Запуск ДПТ с последовательным возбуждением

На рисунке выше приведена принципиальная схема подключения электродвигателя с последовательным возбуждением. Ее отличительная особенность заключается в последовательном соединении катушки возбуждения L_{возбуждения} и непосредственно мотора, переменное сопротивление R_якоря также вводится последовательно.

По цепи обеих катушек протекает одинаковая токовая величина, эта схема обладает хорошими параметрами запуска, поэтому ее часто используют в электрическом транспорте. Такой электродвигатель запрещено включать без усилия на валу, а регулирование частоты осуществляется в соответствии с нагрузкой.

Пуск ДПТ с независимым возбуждением

Подключение электродвигателя в цепь с независимым возбуждением производится путем ее запитки от отдельного источника.

Рис. 4. Запуск ДПТ с независимым возбуждением

На схеме приведен пример независимого подключения, здесь катушка L_{возбуждения} и сопротивление в ее цепи R_{возбуждения} получают питание отдельно от обмоток двигателя током независимого устройства. Для обмоток двигателя также включается регулировочный реостат R_якоря. При этом способе запуска машина постоянного тока не должна включаться без нагрузки или с минимальным усилием на валу, так как это приведет к нарастанию оборотов и последующей поломке.

Пуск путем изменения питающего напряжения

Одним из вариантов снижения токовой нагрузки при запуске электродвигателя является уменьшение питающего номинала посредством генератора постоянного напряжения или управляемого выпрямителя.

С физической точки зрения установка реостата обеспечивает тот же эффект, но с увеличением мощности электродвигателя возрастает и постоянная токовая нагрузка, существенно повышаются потери на реостатах. Поэтому снижение постоянного напряжения выполняет отдельное устройство на базе микросхемы, пример которого приведен на рисунке ниже:

Рис. 5. Схема пуска с изменением питающего напряжения