Схема пуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения в функции тока

Данная схема реализована при помощи реле максимального тока KА1, КА2 которые срабатывают при пусковом токе I1 и отпадают при минимальном токе I2.

Перед изучением принципа работы схемы — рекомендуется ознакомиться с данным материалом.

Пуск двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) осуществляется с полностью ведённым резистором в цепи якоря. По мере разгона двигателя — пусковой ток уменьшается до значения I2, при котором токовое реле KA1 отпускает свои контакты, тем самым запитывая контактор КМ2. КМ2 в свою очередь шунтирует первую ступень реостата. Аналогично выводится вторая ступень резистора (КА2 — КМ3).

Для правильной работы схемы необходимо: что бы собственное время срабатывания токовых реле было меньше собственного времени срабатывания контактора!

Сопротивления ступеней резистора выбираются таким образом, чтобы в момент включения двигателя и шунтирования ступеней, ток I1 и момент М1 не превышали допустимых значений.

Принцип работы схемы

Включением автоматического выключателя QF1 напряжение поступает на обмотку возбуждения LM двигателя и катушку реле КА, которое замыкает свой контакт КА. Реле минимального тока КА служит для защиты двигателя от обрыва в цепи возбуждения.

Нажатием кнопки SB1 производится пуск двигателя. Магнитный пускатель КМ1 срабатывает и замыкает контакты — в цепи якоря начинает протекать пусковой ток I1. Под действием тока I1 срабатывает реле максимального тока КА1. Его нормально замкнутый контакт КА1 размыкается, препятствуя срабатыванию КМ2. Двигатель разгоняется по искусственной характеристике 1.

С ростом скорости двигателя пусковой ток уменьшается. При достижении значения I2 — токовое реле КА1 замыкает контакт КА1 в цепи катушки контактора КМ2. КМ2 срабатывает и шунтирует контактом КМ2.1 первую ступень резистора и реле КА1.

Пусковой ток после переключения протекает через КА2 и возрастает до значения I1. Под действием тока I1 токовое реле КА2 срабатывает и размыкает свои контакты в цепи катушки контактора КМ3. Двигатель разгоняется по искусственной характеристике 2.

При достижении частоты вращения n2, пусковой ток уменьшается до значения I2. Реле КА2 отпускает свои контакты и запитывает контактор КМ3. КМ3 срабатывает и полностью шунтирует пусковой резистор. Двигатель выходит на естественную характеристику 3, по которой разгоняется до номинальной частоты. Пуск окончен.

Для работы схемы необходимо, что бы время срабатывания КА1 и КА2 было меньше времени срабатывания контакторов.

Останов двигателя осуществляется нажатием кнопки «Стоп» SB2.

Типовая схема пуска двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в функции времени

Данная схема (рис.1) содержит кнопки управления SB1 (пуск) и SB2 (останов, стоп ДПТ), линейный контактор КМ1, обеспечивающий подключение ДПТ к сети, и контактор ускорения КМ2 для выключения (закорачивания) пускового резистора Rд. В качестве датчика времени в схеме использовано электромагнитное реле времени КТ. При подключении схемы к источнику питания происходит возбуждение ДПТ и срабатывает реле КТ, размыкая свой размыкающий контакт в цепи контактора КМ2 и подготавливая двигатель к пуску.

Пуск ДПТ начинается после нажатия кнопки SB1, в результате чего получает питание контактор КМ1, который своим главным контактом подключает ДПТ к источнику питания. Двигатель начинает разбег с резистором в цепи якоря. Одновременно замыкающий блок-контакт контактора КМ1 шунтирует кнопку SB1 и она может быть отпущена, а размыкающий блок-контакт КМ1 разрывает цепь питания катушки реле времени КТ. Через интервал времени Δtкт после прекращения питания катушки реле времени, называемый выдержкой времени, размыкающий контакт КТ замкнется в цепи катушки контактора КМ2, последний включится и своим главным контактом закоротит пусковой резистор Rд в цепи якоря.

Таким образом, при пуске ДПТ в течение времени Δtкт разгоняется по искусственной характеристике 1 (рис.2,б), а после шунтирования резистора — по естественной 2. Величина сопротивления резистора Rд выбрана таким образом, что в момент включения двигателя ток I в цепи якоря и соответственно момент М не превосходят допустимого уровня. За время Δtкт после начала пуска скорость вращения двигателя достигает величины ω1, а ток в цепи якоря снижается до уровня I2. После шунтирования Rд происходит бросок тока в цепи якоря от I2 до I1 который не превышает допустимого уровня. Изменение скорости, тока и момента во времени происходит по экспоненте и может быть рассчитано. Время изменения скорости от нуля до установившегося определяется настройкой реле времени.

Рисунок 1 — Схема (а) пуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения в функции времени, (б)механические характеристики

Схема пуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения в функции времени

Схема пуска двигателя постоянного тока НВ в функции времени построена на применении реле времени, которые по истечению выдержки времени поэтапно выводят ступени пускового резистора.

Перед изучением принципа работы схемы — рекомендуется ознакомиться с данным материалом.

Принцип работы схемы

Пуск двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) осуществляется с полностью ведённым резистором в цепи якоря. После включения автоматического выключателя QF1 напряжение поступает на обмотку возбуждения LM, катушку реле КА и катушку реле времени КТ1.

Что приводит к их срабатыванию. Контакт КТ1 размыкается в цепи катушки контактора КМ2, а контакт КА замыкается в цепи КМ1.

Реле минимального тока КА служит для защиты двигателя. При возникновении обрыва в цепи возбуждения — реле отпускает контакт КА и обесточивает цепь якоря ДПТ через КМ1.

После нажатия кнопки “Пуск” SB1, запитывается магнитный пускатель КМ1, который своими контактами:

• КМ1.2 — шунтирует кнопку “Пуск” (позволяет не удерживать кнопку SB1 в нажатом положении)
• КМ1.1 запитывает цепь якоря — двигатель запускается с двумя ступенями реостата, так как контакторы КМ2 и КМ3 питания не получают.
• КМ1.3 обесточивает реле времени КТ1.

После выдержки времени КТ1 замыкает свой контакт в цепи катушки контактора КМ2.

КМ2 срабатывает и замыкает свои контакты:

• КМ2.1 — шунтируя первую ступень резистора (Двигатель разгоняется по искусственной механической характеристике 2);
• КМ2.2 — запитывая реле времени КТ2.

Реле времени КТ2 срабатывает после выдержки времени, и замыкает цепь питания катушки контактора КМ3.

КМ3 срабатывая шунтирует вторую ступень резистора и двигатель выходит на естественную характеристику 3. Пуск окончен.

Останов двигателя осуществляется нажатием кнопки «стоп» SB2.

К достоинствам схемы можно отнести простоту управления, стабильность процесса разгона и торможения, отсутствие задержки электропривода на промежуточных скоростях.

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