Схемы и способы пуска двигателя постоянного тока

Эксплуатация электрических машин сопровождается избыточной нагрузкой при запуске. С асинхронными моторами проблема решается преобразованием импульсов переменного тока, изменяя его частоту. Для коллекторных агрегатов такой возможности нет и необходимы альтернативные решения. В статье будет рассмотрено, какие способы пуска двигателя постоянного тока применяются на практике, и как их реализовать.

Основная проблема запуска ДПТ

При включении двигателя на краткий период возникает избыточная нагрузка, которая механически влияет на элементы мотора и рабочие органы оборудования. Эта перегрузка прямо пропорциональна величине номинальной мощности, т.к. разница между ней и пусковыми значениями всегда одинакова. Но любая деталь электропривода (соединительная муфта, крыльчатка насоса, вентилятор) имеет предельную прочность. Ее превышение приводит к разрушению механизма и выходу из строя оборудования.

Пуск с прямым подключением

Если подключать коллекторный двигатель напрямую к источнику питания, пусковая перегрузка в разы превышает раз выходную мощность. Но независимо от ее значения, прочность любого материала неизменна, и с перегрузкой они могут повредиться.

Поэтому внутренние компоненты двигателя постоянного тока производятся из расчета, что они выдержат весь момент запуска без серьезного давления. Но для этого требуется соблюдать 2 условия:

Учитывать электрические характеристики, установленные производит елеем.
Не допускается «выжимать» из электродвигателя большую мощность путем подключения к источнику переменного тока через инвертор, или наращиванием рабочих обмоток. Фактическая скорость вращения ротора станет выше номинальной, материалы не выдержат нагрузки и разрушатся со временем.
Исключать постоянное накопление избыточного тепла.
При нагреве прочность металлов снижается, что делает их менее устойчивыми и к механической нагрузке. В результате корпус может деформироваться, а деталь разрушиться даже при работе на номинальной мощности.

Напрямую включать можно только ДПТ, для которых регламентирован прямой запуск и обеспечено надежное охлаждение. Ими представлены преимущественно машины небольшой мощности с вентиляторами у якоря и без пусковых ограничений, не предусматривающих холостой ход.

Пуск вводом сопротивления

Выходная механическая мощность (угловая скорость, умноженная на массу) ротора прямо пропорционально равна напряжению источника питания. Но потребляемая мощность двигателя корректируется на повышение из-за постоянного сопротивления материала. Этот параметр учитывается при преобразовании переменного электрического заряда до получения нужных характеристик.

С постоянным током такие манипуляции невозможны, но доступен обратный метод — регулирование сопротивления проводника ДПТ. Для этого на участке цепи от источника питания до обмотки должен вводиться реостат. Этот механизм служит продолжением проводника (если проще — обмотка наращивается).

Реостат меняет существующее на источнике постоянное сопротивление путем увеличения или уменьшения площади собственной токопроводящей части, которая является продолжением обмотки. Регулировка и управление осуществляется двумя способами:

Поэтапно.
При переключении сопротивление повышается значительно, что помогает изменить крутящий момент или аварийно ограничить мощность электродвигателя, если он перегрелся. Чаще встречается 3 или 5 ступеней переключения.
Плавно.
Постоянное сопротивление возрастает равномерно, обеспечивая плавный разгон или остановку электрической машины.

Типовой реостат остается неподвижен, т.к. важно фиксированное расстояние до обмотки.

Реостатный метод отлично подходит для электродвигателей постоянного тока любой мощности. Но следует учесть существенный недостаток — на источник питания работа реостата никак не влияет. Следовательно, потребляемая мощность не меняется. Поэтому выбор в пользу реостата оправдан только для пусковых задач. Он не подходит для снижения оборотов в целях снижения энергопотребления двигателя и лучше рассмотреть обзор иных схем.

Выпрямление напряжения

Обеспечить плавный пуск и при необходимости понизить обороты электродвигателя постоянного тока можно выпрямлением напряжения на понижение. С электротехнической стороны процесс осуществляется так:

Первичный инвертор преобразует постоянный в переменный ток.
Предварительно определяется напряжение, соответствующее требуемому крутящему моменту
Напряжение понижается резисторами или тиристорами в качестве контроллеров.
Обратное преобразование в постоянный электрический заряд с помощью вторичного инвертора.

С такой конфигурацией можно задействовать для двигателя постоянного тока ряд тяговых функций с автоматической работой, которых ему не хватает:

Плавный пуск и торможение.
Аварийное понижение мощности.
Реверсирование вращения ротора.
Задание начальной (пусковой) скорости.
Изменение скорости вращения (несколько рабочих режимов на пониженной мощности).

При этом с падением мощности непосредственно происходит снижение и потребляемой мощности двигателя постоянного тока (в отличие от реостата).

У пуска ДПТ через выпрямитель постоянного электрического заряда с двойным преобразованием есть отличительный минус — сложность и дороговизна устройства. При выходе из строя для поиска поломки придется сделать остановку оборудования для ремонта, т.к. замена слишком затратна. Такой принцип действия чаще используется в упрощенном виде с единичным преобразованием — для питания коллекторного электродвигателя при подаче питания от сети переменного тока.

Схемы питания ДПТ

Пуск электродвигателя постоянного тока отличается способом возбуждения электродействующей силы (ЭДС) и доступно 3 схемы.

Последовательное

Самый простой пусковой вариант в электрике, в котором обмотки статора и ротора двигателя подключены к одному источнику питания. Для пуска подключается только один реостат или выпрямитель, подключаемый между обмотками возбуждения и якоря.

Такая конфигурация требует минимальных материальных затрат. Но она ненадежная, т.к. в случае сбоев у источника питания перегорят все обмотки электромотора. Поэтому пуск по схеме последовательного возбуждения реализован в маломощных электрических машинах, которые требуют бережливой эксплуатации и содержания.

Параллельное

Из-за своих особенностей на практике и с технической стороны к электродвигателям постоянного тока эту схема не применяют:

подключение на обмотку статора и ротора отличных реостатов приведет к разности потенциалов, что недопустимо для электрических машин постоянного тока;
использование двух одинаковых реостатов то же самое, что и последовательное возбуждение.

Это объясняется невозможностью синхронизировать скорость вращения ротора и магнитного поля на статоре при разных характеристиках сопротивления.

Независимое

Обмотки возбуждаются разными генераторами. В такой схеме обмотку возбуждения (отдельно от рабочего проводника) контролирует регулируемый реостат. На основе характеристик тока на рабочей обмотке (работающей от иного источника питания), он действует на понижение в любой момент времени.

Таким образом, реостатный ограничитель не дает обмотке возбуждения повлиять на рабочие витки. Это исключает изменение электрической нагрузки или деформации проводника на случай, если обмотка возбуждения получила некачественный ток.

Независимое подключение дает возможность пустить на обмотку возбуждения двигателя прямой ток через реостат от одного источника питания, а на рабочие проводники — от другого с двойным преобразованием.

Благодаря такой схеме обеспечивается плавный запуск и защита от сверхтоков. Поэтому в промышленных условиях задействует пуск двигателя постоянного тока с независимым возбуждением через двойной преобразователь.