Автомат плавного пуска коллекторных электродвигателей
С. БИРЮКОВ, г. Москва
Тот, кто имел депо с мощным коллекторным электродвигателем, замечал, как резко пригашали осветительные лампы накаливания в момент пуска двигателя. Однако большой пусковой ток вреден не столько миганием ламп, сколько возможным разрушением коллектора самого двигателя и редуктора электроинструмента из-за теплового и динамического удара. Автор публикуемой статьи предлагает устройство, обеспечивающее плавное увеличение тока в двигателе. Оно, кроме того, "по совместительству" выполняет функцию регулятора мощности нагрузки и электронного предохранителя, исключающего порчу инструмента при большой перегрузке или его заклинивании.
В "Радио' описано много различных устройств плавного включения электрс-ламп, но для пуска электродвигателей они мало подходят, поскольку включаются со стороны сети и, следовательно, исключается возможность использования выключателя самого электроинструмен та. По той же причине неудобно пользоваться устройством, описанным, например, в [1|. Схема предлагаемого автомата приве-дена на рис 1. Пуск его осуществляется выключателем эпоктроинструмента без какой-либо его доработки. Основой устройства послужил симисторный регупя-тор с фазоимпульсныи управлением, описанный в [2]. Диоды VD1 и VD2. стабипи трон VDЗ, конденсаторы С1, С2 и резистор R1 образуют источник питания устройства напряжением около 10 В, а транзисторы VT1, VT2 и резисторы R2 - R4-формирователь коротких импульсов низ кого уровня, соответствующий моменту прохождения сетевого напряжения через "нуль". Конденсаторы СЗ - С5 - блокировочные а цепях питания микросхем. При положительной полуволне напряжений на верхнем (по схеме) сетевом проводе транзистор VT1, включенный по схеме с общим эмиттером, открыт и насы щей - напряжение на его коллекторе близко к эмиттерному, Транзистор VT2. включенный по схеме с общей базой, в это время закрыт, При отрицательном полупериоде транзистор VT1 закрыт, но открыт и насыщен транзистор VT2 - напряжение на его коллекторе имеет тот же знак и значение. Лишь и моменты, когда сетевое напряжение по абсолютному зна чению меньше 60...70 В. оба транзистора закрыты и напряжение на их коллекторах близко к напряжению на выводе 7 микросхем DD1 и DD2. Триггер Шмитта DD2.1 формирует крутые фронт и спад образующегося импульса и через эмитгерныи повторитель VTЗ заряжает конденсатор СЮ практически до напряжения на выводе 14 микросхем. Разряжается конденсатор через резисто ру R19-R21 и открытый транзистор VT4 При снижении напряжения на конденсаторе С10 до порогового значения зле мент DD2.4 переключается, фронт импульса с его выхода дифференцируется цепью С11R22 и в виде импульса длительностью около 100 мкс через элемен ты DD2.2, DD2.3 и транзистор VT5 включает симистор VS1.
В исходном состоянии транзистор VT4 закрыт и разрядка конденсатора С10 про исходит только через резисторR21. Его сопротивление подобрано так, что симистор включается в конце каждого популяриода, поэтому на выход устройства подается относительно небольшое "дежурное" сетевое напряжение.
При включении нагрузки через резистор R5 начинает протекать ток, создаю щий на нем падение напряжения (в виде импупьсов изменяющейся полярности) амплитудой 10...30 мВ. Движок подстро-ечного резистора R7 устанавливают в такое положение, чтобы напряжение на прямом входе ОУ DA1 .1 было несколько меньше, чем на инверсном, и на выходе ОУ был сигнал низкого уровня. Импульсы с полярностью, при которой на правом (по схеме) выводе резистора R5 - плюс, переключают ОУ DA1. 1, в результате чего на его выводе формируются импульсы положительной полярности амплитудой, близкой к напряжению источника питания микросхем. С выхода ОУ DA1.1 импупьсы поступают на вход узла, состоящего из диода VD6. резистора R15, элементов DD1.1, DD1,2 и конденсатора С7, выполняющего функцию одновибратора с перезапуском Пока на его входе присутствуют им-пульсы положительной полярности, на выводе элемента DD1.2- сигнал высокого уровни. Конденсатор С9 плавно заряжается через резистор R17, транзистор VT4 открывается и ток коллектора увели читается. Это приводит к более быстрой разрядке конденсатора С10 и более раннему, в пределах полупериода сетевого напряжения, открыванию симистора VS1. в результате напряжение на нагрузке ппавно повышается и примерно через 3 с достигает максимального. Его значение можно регулировать резистором R19 в пределах 30...98% от напряжения сети, При выключении нагрузки с задержкой в пределах 40....50. мс напряжение на выходе элемента DD1.2 становится низким, конденсатор C9 быстро разряжается через диод VD7, напряжение на выходе устройства снижается до своего "дежурного" значения. При следующих включениях симистора процесс плавного пуска повторяется.
Импупьсы "дежурного" запуска симис-тора протекают и через резистор R5. Но очи не вызывают включения ОУ DA1.1. так как их полярность на соответствует необходимой.
Если при перегрузке электроинструмента или замыкании в его цепи амплиту-да тока, протекающего через резистор R5, превысит 20 А, на выходе ОУ DA1.2 появятся импульсы низкого уровня Пройдя через помело подавляющую цепь С6R14, первый же из этих импульсов переключит второй однoвибратор, образованный резистором R16. элементами DD1.3. DD1.4 и конденсаторам С8. На выходе элемента DD1.4 появляется сигнал низкого уровня, который переключит в исходное состояние первый одновибра-тор и запретит провождение импульсов через элементы DD2.2 и DD2.3 на базу транзистора VT5 Напряжение с нагрузки снимается. Примерно через 5...7 с второй однови-братор переключается в исходное состояние - и вновь (если нагрузка не отключена) начинается процесс плавного пуска двигателя электроинструмента. Если при чина срабатывания защиты не устранена, она вновь сработает. Такой процесс будет повторяться каждые 5..7 с.
Диоды VD4 и VD5 защищают входы ОУ DA1 а аварийной ситуации. Электродвигатель инструмента, как нагрузка, имеет заметную индуктивную составляющую, в связи с чем ток через него прекращается не в момент перехода напряжения сети через "нуль" а несколь-ко позже. Поэтому импульс, открывающий СИМИСТОР при максимальной мощности, следует подавать позже, чем в случае чисто активной нагрузки [2] Для этого со-противление резистора R2 уменьшено, что привело к расширению импульса низкого уровня на коллекторе транзисторов VT1. VT2 и увеличению задержки появле ния запускающего импульса относительно момента перехода сетевого напряжения через "нуль".
Чтобы за время импульса запуска ток через нагрузку с индуктивной составляющей достиг значения тока удержании си мистора, длительность запускающих импульсов увеличена примерно до 100 мкс за счет установки конденсатора С11 большей емкости В связи с этим потребовалось защитить транзистор VT5 (резистором R24) от возможной перегрузки. Все элементы устройства, кроме семи-стора VS1 с его ребристым теплоотводом размерами 60*50x40 мм и выходного разъема X1, смонтированы на печатной ппате (рис. 2), выполненной из одностороннего фольгированного стекпотексто-лита. Плата рассчитана на установку ре-эисторов МЛТ, конденсаторов К73-17 на номинальное напряжение 250 В (С1,С10), К50-16 (С2), К53-18 (С9). КМ-5 и КМ-6 (остальные). Конденсаторы С1 и С10 могут быть любыми другими, обозначение которых начинается С К73, например К73-16 Номинальное напряжение конденсатора С1 должно быть не менее 250 В, конденсатора С10 - любое Переменный резистор R19 - СП3-4аМ или СПЗ-4бМ, подстроечиый R7 - СП3-19а. Диоды VD1, VD2, VD4 - VD7-любые кремниевые импульсные, стабилитрон VD3 - на напряжение стабилизации 10...12 В. Микросхема К561ЛА7 (DD 1) заменима на К176ЛА7 или КР1561ЛА7, а К561ТЛ1 (DD2)-на КР1561ТЛ1. Вместо ОУ К140УД20 (DА1) подойдут два ОУ КР140УД7илц КР140УД14.
Резисторы R6, R8, R9, R11-R13 С2-29 с допуском 0,25%, однако их сопро-тивления могут быть в 1,5 - 2 раза больше указанны^ на схеме Важнот чтобы со-хранились соотношения R6=R8, R9=R11. R12=R13, R6=2R12, причем последнее ра-венство - приблизительно Сопротивление резистора R10 должно составлять примерно 20% от номинала R12, Здесь су щественно не столько сопротивление ре зисторов, сколыко их стабильность Если не удастся подобрать стабильные резисторы, то, возможно, придется подстраивать резистор R7 а процессе эксплуата-ции.
Резистор R5 изготовлен из восьми отрезков нихромовой проволоки диаметром 0,8 мм, которые соединены параллельно и скручены в жгут Длина отрезков (несколько сантиметров) подобрана с таким расчетом, чтобы сопротивление каждого из ни* было в пределах 0,4 Ом +10%. Готовый резистор припаян к двум гнездо-вым контактам диаметром 1 мм от разъе-ма 2РМ. К иим же подпаяны и провода силовой разводки, как это показано на рис. 2. Контакты наезжены на штыри такого же диаметра, впаянные а плату в точках подключения внешних цепей.
Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми кремниевыми маломощными структуры р-n-p. транзистор VT3 должен допускать обратное напряжение на эмиттер-ном переходе не менее напряжения ста-йилизации стабилитрона VD3. Пригодны транзисторы серии КТ201 с буквенными индексами А, Б. АМ. БМ, а при использовании в источнике питания стабилитрона VD3 на напряжение стабилизации 10В-С индексами В-Д, ВМ--ДМ Можно также использовать любой кремниевый маломощный транзистор структуры n-р-n, включив последовательно с его эмиттер-ным переходом кремниевый маломощный диод Транзистор VT4 может быть серии КТ3102 или КТ342 с любым буквенным индексом, кроме А. Транзистор VT5 - лю-бой средней или большой мощности структуры n-р-n.
Симистор VS1 может быть ТС112-10 или ТС112-16 с любым последующим циф ровым индексом, чо не менее 4. Этот индекс означает максимальное рабочее напряжение симистора, выраженное в сотнях вопьт [4] в обозначении симистора может быть также еще один цифровой индекс, но его значение не играет роли С испопьзоаанием указанных симисторов максимальный ток на грузки может составлять 10 и 16 А соответственно. С симистором КУ208В или КУ208Г ток нагрузки не превысит 5 А. Корпус резистора R19 соединен с минусовым проводником цепи питания микросхемы, что необходимо для его экранирования.
Монтажная плата, теплоотвод с симистором и гнезда разъема X1 размещены в пластмассовом коробке размерами 150x95x70 мм (рис. 3) так, чтобы плата была расположена ближе к нижней стенке коробки, а теплоотвод симистора - к верхней (стенки наименьших размеров}. В этих стенках просверлено максимально возможное число вентиляционных отверстий диаметром 6 мм с шагом 10 мм. Вал переменного резистора R19 выведен че-рез отверстие в передней стенке коробки и снабжен пластмассовой ручной. При этом вал резистора и крепежный винт его ручки не должны быть доступны для случайного прикосновения.
Налаживают автомат и градуируют его органы управления вначале без сими-стора и нагрузки. Вместо R5 временно впаивают резистор сопротивлением 100 Ом и его левый (по схеме рис 1) вывод соединяют с плюсовым проводником ис точника питании (см. рис 2). Параллель-но конденсатору С1 подключают резистор сопротивлением 150. .330 Ом. после чего на сете-вой вход устройства подают от внешнего источника постоянное на-пряжение 12...15 В, плюс - к верхнему по схеме про воду. Его вы кодное напря жение устанавливают таким, чтобы ток. потребляемый устройством. был в пределах 30..32мА Затем между плюсовым проводником источника питания и выходом (ВЫВОД 11)
элемента DD1.1 включают светодиодный индикатор - последовательно соединен ные резистор сопротивлением 5.1 кОм и любой светодиод из серии АЛ302 или АЛ307. Перемещая движок подстроечно-го резистора R7 из одного крайнего положения в другое, убеждаются, что света-диод включается и гаснет. Если это не происходит, параллельно резистору R6 или R8 подключают дополнительный резистор сопротивлением до нескольких мегаом. Движок резистора устанавливают в крайнее положение (до упора), при котором светодиод не горит.
Тот же или аналогичный индикатор включают между плюсовым проводником питания и выходом (вывод 4) элемента DD1.4. При кратковременном замыкании выводов резистора R11 светодиод должен включаться на 5...7 с. Точно порог срабатывания системы защиты можно проверить, подключив к резистору, заме няющему проволочный R5, гальваничк-нии элемент (плюсовым выводом к его правому по рис 1 вывода) последователь-но с переменным резистором сопротивлением 220 Ом. При плавном уменьшении сопротивления этого резистора, когда напряжение на резисторе, заменяющем R5, приблизится к 1 В, светодиод индикатора должен включаться. Другой порог срабатывании защиты устанавливают соответствующим подбором резистора R10.
Затем движок переменного резистора R19 устанавливают в нижнее по схеме положение, а параллельно транзистору VT4 подключают вольтметр постоянного тока. Резистор R18 временно заменяют на переменный резистор сопротивпением 2 МОм и, пользуясь им как реостатом, выво-ДРТ транзистор VT4 на границу насыщении, т. Б. добиваются показания вольтметра 0,4...0,8 В. Измеряют сопротивление введенной части переменного резистора и впаивают резистор R18, номинал которого должен быть примерно вдвое меньшим.
Далее дополнительный переменный резистор убирают и окончательно соби рают устройство [светодиодный индикатор оставляют подключенным к выходу 11 элемента DD1.1). Особое внимание уделают прокладке сильноточный цепей - провода к плате и резистор R5 должны подключаться именно так, как показано на рис. 2. К выходному разъему Х1 подключают лампу накаливания мощностью не менее 60 Вт. устройство включают в сеть и подбором резистора R21 добиваются, чтобы нить накапа пампы слабо светилась. При этом переменное напряжение на лампе должно составлять 12...18 В. Движок резистора R7 устанавливают а такое положение, чтобы при выключенной пампе светодиод гас, при включении - загорался, а яркость свечения самой лампы плавно увеличивалась.
Теперь вместо лампы накаливании к разъему X1 подключают электроинструмент, потребляющий минимальную мощность, например электродрель При его включении светодиод должен загораться, а ротор двигателя плавно разгоняться. Если светодиод светится постоянно или не включается вообще, следует уточнить положение движка резистора R7. после чего проверить работу устройства с наиболее мощным электроинструментом.
При любых проверках автомата и работе с ним следует иметь в виду, что сразу после его включении в сеть запускает ся цепь защиты и в течение 5. .7 с нагрузка не включается Проверить же работу системы защиты можно, предварительно заменив проволочный R5 на резистор сопротивлением 1 Ом. При включении электроинструмента любой мощности защита должна четко срабатывать.
В процессе эксплуатации автомата его подвешивают или устанавливают в вертикальном положении так. чтобы вентиляционные отверстии в его корпусе ни-чем не закрывались.
Источник: http://www.electrik.org/
