Как сделать плавный старт на электросамокате

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 04.10.2024

Плавный пуск получил широкое применение в безопасном запуске электродвигателей. Во время запуска двигателя происходит превышение номинального тока (Iн) в 7 раз. В результате этого процесса происходит уменьшение эксплуатационного периода мотора, а именно обмоток статора и значительная нагрузка на подшипники. Именно из-за этой причины и рекомендуется сделать плавный пуск для электроинструмента своими руками, где он не предусмотрен.

Общие сведения

Статор электродвигателя представляет собой катушку индуктивности, следовательно, существуют сопротивления с активной и реактивной составляющей.

При протекании электрического тока через радиоэлементы, имеющие сопротивление с активной составляющей, происходят потери, связанные с преобразованием части мощности в тепловой вид энергии. Например, резистор и обмотки статора электродвигателя обладают сопротивлением с активной составляющей. Вычислить активное сопротивление не составляет труда, так как происходит совпадение фаз тока (I) и напряжения (U). Используя закон Ома для участка цепи, можно рассчитать активное сопротивление: R = U/I. Оно зависит от материала, площади поперечного сечения, длины и его температуры.

Если ток проходит через реактивный тип элементов (с емкостными и индуктивными характеристиками), то, в этом случае, появляется реактивное R. Катушка индуктивности, не имеющая практически активного сопротивления (при расчетах не учитывается R ее обмоток). Этот вид R создается благодаря Электродвижущей силе (ЭДС) самоиндукции, которая прямо пропорционально зависит от индуктивности и частоты I, проходящего через ее витки: Xl = wL, где w — угловая частота переменного тока (w = 2*Пи*f, причем f — частота тока сети) и L — индуктивность (L = n * n / Rm, n — число витков и Rm — магнитное сопротивление).

При включении электродвигателя пусковой ток в 7 раз больше номинального (ток, потребляемый при работе инструмента) и происходит нагрев обмоток статора. Если статорная катушка является старой, то может произойти межвитковое КЗ, которое повлечет выход электроинструмента из строя. Для этого нужно применить устройство плавного пуска электроинструмента.

Одним из методов снижения пускового тока (Iп) является переключение обмоток. Для его осуществления необходимы 2 типа реле (времени и нагрузки) и наличие трех контакторов.

Еще одним способом снижения пускового тока является частотное регулирование запуска электродвигателя. Принципом такого подхода является частотное изменение питающего U. Основной элемент этого вида устройств плавного пуска является частотный преобразователь, состоящий из следующих элементов:

Выпрямитель.
Промежуточная цепь.
Инвертор.
Электронная схема управления.

Выпрямитель изготавливается из мощных диодов или тиристоров, выполняющий роль преобразователя U питания сети в постоянный пульсирующий ток. Промежуточная цепь сглаживает пульсирующий постоянный ток на выходе выпрямителя, которая собирается на конденсаторах большой емкости. Инвертор необходим для непосредственного преобразования сигнала на выходе промежуточной цепи в сигнал амплитуды и частоты переменной составляющей. Электронная схема управления нужна для генерации сигналов, необходимых для управления выпрямителем, инвертором.

Принцип действия

Плавное увеличение нагрузки.
Возможность запуска двигателя через определенные интервалы времени.
Обеспечение защиты от линейных скачков U, пропадания фазы (для 3-фазного электродвигателя) и различных помех электрической составляющей.
Значительно повышение срока эксплуатации.

Наиболее широкое распространение получили симисторные УПП, принципом действия которых является плавное регулирование U при помощи регулировки угла открытия перехода симистора. Симистор нужно подключить напрямую к обмоткам двигателя и это позволяет уменьшить пусковой ток от 2 до 5 раз (зависит от симистора и схемы управления). К основным недостаткам симисторных УПП являются следующие:

Сложные схемы.
Перегрев обмоток при длительном запуске.
Проблемы с запуском двигателя (приводит к значительному нагреву статорных обмоток).

Схемы усложняются при использовании мощных двигателей, однако, при небольших нагрузках и холостом ходе возможно использование простых схем.

УПП с регуляторами без обратной связи (по 1 или 3 фазам) получили широкое распространение. В моделях этого типа появляется возможность предварительного выставления времени пуска и величины U перед пуском двигателя. Однако, в этом случае невозможно регулировать величину вращающего момента при нагрузке. С этой моделью применяется специальное устройство для снижения пускового тока, защиты от пропадания и перекоса фаз, а также от перегрузок. Заводские модели имеют функцию слежения за состоянием электромотора.

Простейшие схемы однофазного регулирования исполняются на одном симисторе и используются для инструмента с мощностью до 12 кВт. Существуют более сложные схемы, позволяющие производить регулировку параметров питания двигателя мощностью до 260 кВт. При выборе УПП заводского производства необходимо учесть такие параметры: мощность, возможные режимы работы, равенство допустимы токов и количество запусков в определенный промежуток времени.

Применение в болгарке

Во время запуска угловой шлифовальной машинки (УШМ) появляются высокие нагрузки динамического характера на детали инструмента.

Самодельные варианты

Существует множество схем модернизации электроинструмента при помощи УПП. Среди всех разновидностей широкое применение получили устройства на симисторах. Симистор — полупроводниковый элемент, позволяющий плавно регулировать параметры питания. Существуют простые и сложные схемы, которые отличаются между собой вариантами исполнения, а также поддерживаемой мощностью, подключаемого электроинструмента. В конструктивном исполнении бывают внутренние, позволяющие встраиваться внутрь корпуса, и внешние, изготавливаемые в виде отдельного модуля, выполняющего роль ограничителя оборотов и пускового тока при непосредственном пуске УШМ.

Простейшая схема

УПП с регулированием оборотов на тиристоре КУ 202 получил широкое применение благодаря очень простой схеме исполнения (схема 1). Его подключение не требует особых навыков. Радиоэлементы для него достать очень просто. Состоит эта модель регулятора из диодного моста, переменного резистора (выполняет роль регулятора U) и схемы настройки тиристора (подача U на управляющий выход номиналом 6,3 вольта) отечественного производителя.

Схема 1. Электросхема внутреннего блока с регулировкой оборотов и плавным пуском (схема электрическая принципиальная)

Благодаря размерам и количеству деталей регулятор этого типа можно встроить в корпус электроинструмента. Кроме того, следует вывести ручку переменного резистора и сам регулятор оборотов можно доработать, встроив кнопку перед диодным мостом.

Основной принцип работы заключается в регулировке оборотов электродвигателя инструмента благодаря ограничению мощности в ручном режиме. Эта схема позволяет использовать электроинструмент мощностью до 1,5 кВт. Для увеличения этого показателя необходимо заменить тиристор на более мощный (информацию об этом можно найти в интернете или справочнике). Кроме того, нужно учесть и тот факт, что схема управления тиристором будет отличаться от исходной. КУ 202 является отличным тиристором, но его существенный недостаток состоит в его настройке (подборка деталей для схемы управления). Для осуществления плавного пуска в автоматическом режиме применяется схема 2 (УПП на микросхеме).

Плавный пуск на микросхеме

Оптимальным вариантом для изготовления УПП является схема УПП на одном симисторе и микросхеме, которая управляет плавным открытием перехода p-n типа. Питается устройство от сети 220 В и ее несложно собрать самому. Очень простая и универсальная схема плавного пуска электродвигателя позволяет также и регулировать обороты (схема 2). Симистор возможно заменить аналогичным или с характеристиками, превышающими исходные, согласно справочнику радиоэлементов полупроводникового типа.

Схема 2. Схема плавного пуска электроинструмента

Устройство реализуется на основе микросхемы КР118ПМ1 и симисторе. Благодаря универсальности устройства его можно использовать для любого инструмента. Он не требует настройки и устанавливается в разрыв кабеля питания.

При пуске электродвигателя происходит подача U на КР118ПМ1 и плавный рост заряда конденсатора С2. Тиристор открывается постепенно с задержкой, зависящей от емкости управляющего конденсатора С2. При емкости С2 = 47 мкФ происходит задержка при запуске около 2 секунд. Она зависит прямо пропорционально от емкости конденсатора (при большей емкости время запуска увеличивается). При отключении УШМ конденсатор С2 разряжается при помощи резистора R2, сопротивление которого равно 68 к, а время разрядки составляет около 4 секунд.

Для регулирования оборотов нужно заменить R1 на резистор переменного типа. При изменении параметра переменного резистора происходит изменение мощности электромотора. R2 изменяет величину тока, протекающего через вход симистора. Симистор нуждается в охлаждении и, следовательно, в корпус модуля можно встроить вентилятор.

Основной функцией конденсаторов C1 и C3 является защита и управление микросхемой. Симистор следует подбирать, руководствуясь следующими характеристиками: прямое U должно составлять 400..500 В и прямой ток должен быть не менее 25 А. При таких номиналах радиоэлементов к УПП возможно подключать инструмент с мощностью от 2 кВт до 5 кВт.

Таким образом, для запуска электродвигателей различного инструмента необходимо использовать УПП заводского изготовления или самодельные. УПП применяются для увеличения срока эксплуатации инструмента. При запуске двигателя происходит резкое увеличение тока потребления в 7 раз. Из-за этого возможно подгорание статорных обмоток и износ механической части. УПП позволяют значительно снизить пусковой ток. При изготовлении УПП самостоятельно нужно соблюдать правила безопасности при работе с электричеством.

Устройства, подключаемые к сети 220 В, такие как электроинструменты, двигатели, трансформаторы с мощностью выше 1 кВт и другие потребители тока, при включении вызывают резкий импульс токовый, который часто в несколько раз превышает ток номинальный. Одна из возможностей ограничения последствий этого неблагоприятным явления – применение стабилизатора, но это устройство сложно в сборке и намного дороже, чем представленный блок.

Схема и плата мягкого старта на реле

Принципиальная схема ограничителя тока показана на рисунке. Нагрузка, которой может быть, например дрель, должна быть подключена к выводным клеммам CON2, а электросеть к входным клеммам CON1. При появлении сетевого напряжения на входном разъеме, ток к нагрузке ограничивается мощными резисторами R1 и R2. Конденсатор C2 заряжается через
емкость C1, выпрямительный мост B1 и резистор R4. Напряжение на нем через 1 секунду достигает такого большого значения, что срабатывает реле PK1. Реле переключается и его контакты замыкают резисторы R1 и R2. С этого момента напряжение сети подается непосредственно на нагрузку.

Конденсатор C1 устанавливает ток блока питания реле, а конденсатор C2 устанавливает задержку срабатывания реле. Задержка в одну секунду достаточна для обеспечения безопасности предохранителей от перегорания при включении трансформатора, так как импульс тока обычно не длится более 10 мс. В случае двигателя ток зависит от нагрузки его ведущего вала и если время, полученное из применяемых значений C1 и C2 слишком короткое, то можно попытаться увеличить значение конденсатора C2 или сопротивление резистора R2.

При повторении и настройке схемы, чтобы не сжечь резисторы, попробуйте вначале включить без нагрузки, если не работает – обратите внимание на электролитический конденсатор после диодного моста, он может иметь небольшую емкость или повреждение, и попробуйте включить схему, прислушиваясь ко времени от включения до включения реле.

Второе – подобрать токоограничивающий конденсатор С1 на меньшее значение, для другого реле с другим сопротивлением катушки время переключения будет другим. R1 также работает последовательно с катушкой – чем больше, тем длиннее срабатывание, но без превышения. Резисторы в R2 и R3 предназначены только для ограничения пускового тока на выходе и через определенное время замыкаются накоротко с помощью реле, что приводит к подаче полного напряжения на потребитель.

Проблема, которая выглядит как нагрев R2 и R3 – это отсутствие срабатывания (короткого замыкания) контактов реле, после срабатывания реле через эти резисторы ток не должен течь совсем. Попробуйте замкнуть R1 и подключить C2 напрямую к катушке реле. Должна быть задержка. Если это не помогает, замените C1 на более крупный – 680 нФ или 1 мкФ. Напряжение на C2 увеличится примерно вдвое, и реле должно включиться надёжно.

Разновидности тюнинга

Выделяются 2 категории модернизации данного вида техники:

1. Апгрейд

Он бывает функциональным и косметическим. Вообще апгрейд – это усовершенствование техники по всем критериям.

Первый подвид апгрейда заключается в том, что при помощи тюнинга улучшаются функциональные способности самоката:

Увеличение скорости транспорта происходит путем манипуляций с контроллером(снятие ограничения скорости, шунтовка и т.д.). В итоге электросамокат сможет разгоняться на 10 км/час быстрее. Также можно заменить аккумулятор, что позволит увеличивать дальность поездки.
Возможность поставить гидроизоляцию на батарею, мотор и саму электронику. Данное улучшение позволит кататься на транспорте в дождливую погоду, не опасаясь серьёзных последствий

Косметический же затрагивает внешние характеристики транспорта, делая его удобным в использовании, а также добавляют новые детали(обсуждаем здесь). Например, держатель для телефона или замена ручек электросамоката, а также можно перекрасить транспорт. Обычно покраска происходит в мастерских, там же можно заменить корпус и установить подсветку.

2. Действия по доработке

Данная категория позволяет избавиться от дефектов электросамоката типа люфта и пр. Обычно доработка нужна дешевым моделям, более же дорогой транспорт не нуждается в подобной работе, хотя не все модели даже дорогих электросамокатов лишены недостатков и недоработок.

Зачем нужен электросамокат

Для чего можно использовать электросамокат кроме развлечений детей и подростков? Вот несколько примеров, наглядно показывающих, что это совсем не игрушка. Электросамокаты подходят для:

Поездок на работу и по делам. Владелец электросамоката не сталкивается с толчеей в общественном транспорте и не стоит в пробках на забитых городских улицах. При этом и силы особенно не тратятся, а маршрут можно построить так, чтобы, например, проехать через парк, подышать свежим воздухом.
Перемещений больных и пожилых людей, которым сложно передвигаться пешком регулярно или после перенесенной болезни или операции.
Прогулок, например, поездок в парк, на природу или осмотр достопримечательностей.

А ещё можно использовать электросамокат для того, чтобы добраться до стоящего на стоянке автомобиля или до станции метро в мегаполисе.

Как видите, вариантов много. Особенно, если учесть, что электросамокат почти так же удобен, как и велосипед, но при этом обладает большей мобильностью, так как в сложенном виде занимает меньше места.

Электросамокат неудобен в дождь или холодную погоду. Есть мнение, что электросамокаты вообще нельзя использовать в дождь и снег. Это не совсем так. Большая часть производителей самокатов допускают их использование в дождь и езду по лужам. Но нужно смотреть на класс защиты от влаги. Все электронные узлы самоката должны иметь влагозащиту. Причем райдеры (поклонники электросамокатов) часто делают еще и дополнительную герметизацию для мотора, аккумулятора и контроллера.

В холодную погоду электросамокаты использовать сложнее. Нужно учитывать, что популярные литий-ионные аккумуляторы работают до температуры -10 °C, а потом быстро теряют емкость. Для поездок в мороз самокаты с такими АКБ использовать не получится — вы далеко не уедете. Нельзя использовать в холода и самокаты с надувными шинами. Кроме того, в контроллере могут использоваться элементы с температурным рабочим диапазоном до -10 °C. Поэтому большинство производителей электросамокатов ограничивают нижний температурный диапазон, при котором их можно использовать температурой -10 °C.

Не стоит забывать и о том, что в дождь и холодную погоду электросамокатом сложнее управлять, так как на дороге скользко, а значит, ухудшается управляемость и увеличивается тормозной путь.

Устройство электросамоката

Конструкция электросамоката похожа на обычный, за исключением того, что в нем появился электромотор и все, что необходимо для его работы. Основными узлами электросамоката являются:

Несущая рама. Это основа конструкции, на которой навешано и закреплено все остальное оборудование. Изготавливается из металла (в основном алюминий и его сплавы) или карбона.
Рулевая колонка (стойка). С ее помощью осуществляется управление самокатом с помощью ручек и органов управления электромотором. Удобнее, если она телескопическая, так как в этом случае можно настроить высоту под конкретный рост человека.
Дека. Так называется платформа, на которую владелец самоката становится во время езды. Дека жестко крепится к несущей раме. Сверху она обычно покрыта слоем резины или имеет рифленую поверхность, часто с каким-нибудь рисунком для обеспечения лучшего сцепления с обувью. Внизу у деки есть ниша, в которой находится аккумулятор и управляющая электроника.

Колеса и электродвигатель. Обычно на самокате переднее колесо является поворотным ведомым, заднее – ведущим. Впрочем, бывают и переднеприводные варианты, а также модели, у которых оба колеса являются ведущими. Ведущее колесо бывает двух типов. Первый вариант — мотор-колесо. В этом случае электропривод встроен непосредственно в колесо. Второй — ведущее колесо, приводящееся в движение цепной передачей от установленного на раме электродвигателя. Также колеса бывают камерными и бескамерными и различаются по диаметру в диапазоне от 4 до 12 дюймов.

Оптимальны колеса диаметром 8–10 дюймов. Такой самокат хорошо едет не только по асфальту, но и по грунту. При этом не слишком сильно нагружает двигатель и разряжает аккумулятор.

Тормоза. В электросамокатах используют электрический или дисковый тормоз. Первый не позволяет выполнить быструю остановку, но зато во время использования немного подзаряжает аккумулятор и не требует обслуживания. Дисковый тормоз эффективно гасит высокую скорость, но при этом требует регулярного обслуживания. Кроме того, есть тормоз с помощью заднего крыла — при торможении нога ставится на заднее крыло, и его нажатием блокируется вращение заднего колеса. Тормоз задним крылом является дополнением к электрическому или дисковому.
Силовая и управляющая электроника. Это в первую очередь двигатель, аккумулятор и контроллер, управляющий работой электромотора в зависимости от поступающих команд (прибавить скорость или тормозить). Информация о работе двигателя выдается на дисплей, расположенный на руле.
Амортизаторы. В зависимости от конструкции бывают газонаполненными или пружинными. Ряд моделей, в основном недорогие, вообще не оснащаются амортизаторами. Как вариант, производителями заявляется, что амортизатором служат пневматические колеса. Такие колеса на самом деле амортизируют неровности в процессе движения, но полноценной заменой амортизаторам не являются.

Кроме того, электросамокаты оснащают фарами и прочей подсветкой или отражателями, обтекателями, например, крыльями на колеса. Некоторые модели имеют сиденья. Дополнительно может потребоваться, например, держатель для телефона и бутылки с водой.

Принцип работы

Работает электросамокат следующим образом. Аккумуляторная батарея приводит в действие электродвигатель, конкретные параметры его работы зависят от установленного режима. Режимом работы управляет контроллер, который ориентируется на команды водителя, отдаваемые с рукоятки акселератора и информацию с датчиков. В качестве датчика используется гироскоп, который фиксирует угол наклона к дороге. Электродвигатель формирует вращательный момент, передающийся на колесо. Колеса вращаются, самокат движется, вы едете.

Современные электросамокаты также имеют функцию обратной связи или рекуперации. Это означает, что когда вы передвигаетесь не за счет работы электромотора, а, например, едете под горку или отталкиваетесь ногой, то колеса вращаются свободно и не расходуют заряд аккумулятора, а наоборот, подзаряжают его. Конечно, это не позволит зарядить батарею полностью, вечных двигателей в природе не существует. Но немного подзарядки и увеличение дальности поездки никому не помешает. Тем более что это одна из основных характеристик электросамоката.

Основные характеристики электросамоката

Поговорим о том, на какие характеристики нужно обратить внимание при покупке. Основными характеристиками электросамоката являются:

Если говорить о мощности, то чем мощнее двигатель, тем быстрее поедет самокат. Кроме того, чем выше мощность, тем больше его можно нагрузить. Особенно это актуально в том случае, если самокат покупается для поездок человека весом более 90 кг. В целом же принято условное деление: самокаты с мощностью до 250 Вт подходят для людей весом менее 80 кг, а вот тем, кто хочет ехать быстрее или весит больше, надо брать самокат с мощностью выше 250 Вт. Кроме того, мощность двигателя имеет прямое отношение к правилам поездок на самокатах. Об этом чуть ниже.

По поводу аккумулятора понятно, что чем выше значение его емкости, тем больше запас хода. В среднем емкость в 1000 мАч обеспечивает пробег примерно 2 км. То есть, если у самоката батарея на 8000 мАч, то человек весом около 80 кг проедет на нем по ровной асфальтовой дороге около 14–16 км. Это значит, что максимальное удаление от места старта составит около 7 км, чтобы гарантированно доехать назад, а не тащить самокат на себе.

Оптимальным размером колес для самоката считается диаметр 8 дюймов. Такой самокат достаточно универсален. На нем можно ездить не только по асфальту, но и по грунту, что затруднительно с техникой, у которой колеса меньшего размера. Кроме того, чем меньше диаметр колес, тем, как правило, слабее двигатель. Вес средней модели с такими колесами составляет около 13 кг. Еще один важный момент — электросамокаты с колесами диаметром 8 дюймов, как правило, без проблем помещаются в багажник автомобиля.

Правила дорожного движения для электросамокатов

Планируется, что после введения поправок на электросамокатах разрешат ездить, не получая права. При движении совместно с пешеходами потребуется соблюдать ограничение скорости в 20 км/ч.

Проект изменения ПДД разрешает кататься на электросамокатах:

Детям до 7 лет по тротуарам и пешеходным дорожкам только в сопровождении взрослых.
Подросткам до 14 лет — там же, но без обязательного присутствия взрослых.
Старше 14 лет – по тротуарам, пешеходным зонам, велосипедным полосам и дорожкам, а также выезжать на правый край проезжей части или обочину при условии наличия тормозов, фонаря и катафотов.

В принципе на эти планируемые к внедрению правила следует ориентироваться уже сейчас. Они разумны. И, разумеется, при движении по улице правильно использовать такие средства защиты как шлем, например, велосипедный. Это повысит вашу безопасность.

Читайте также: