2. Устройства плавного пуска электродвигателей

Эффективное использование устройств плавного пуска (УПП) возможно только при условии корректного выбора типономинала. Ключевыми критериями выбора обычно являются тип нагрузки двигателя, частота пусков, а также паспортные данные.

Пусковые характеристики устройств могут значительно отличаться друг от друга, причём их величины зависят от спектра решаемых задач. Именно поэтому при выборе устройства плавного пуска асинхронных двигателей так важно учитывать область его будущего применения.

Характеристики пуска условно можно разделить на три категории.

Режимы работы УПП

- Нормальный режим ограничивается величиной пусковых токов на уровне 3,5 х I ном, при времени пуска от 10 до 20 секунд.

- Тяжёлый режим характеризуется нагрузками с несколько большим моментом инерции. Пусковые токи ограничены пределом 4,5 х I ном, а время разгона — 30-ю секундами.

- Очень тяжелый режим подразумевает наличие очень высоких моментов инерции. Пусковые токи доходят до уровня 5,5 х I ном, а время разгона может значительно превышать 30 секунд.

Виды УПП

Рассмотрим основные категории устройств плавного пуска.

Схема работы УПП может быть одной из четырёх типов:

1. Регуляторы пускового момента контролируют лишь одну фазу трехфазного асинхронного двигателя. Хотя такой тип управления и способен контролировать плавный пуск, он не обеспечивает снижения пусковых токов.

Фактически, при использовании регуляторов пускового момента, ток на обмотках двигателя приблизительно равен току, который получается при прямом пуске. В тоже время, такой ток протекает по обмоткам дольше, чем в случае прямого пуска, поэтому двигатель может перегреться.

Устройства такого типа не могут применяться для приводов, которым нужно снижение пусковых токов. Они не могут обеспечить пуск высокоинерционных механизмов (из-за опасности перегрева двигателя), а также частые запуски/остановки привода.

 

2. Регуляторы напряжения без сигнала обратной связи могут работать только по жестко заданной пользователем программе. Обратная связь от двигателя отсутствует, поэтому они не могут изменять частоту вращения двигателя, подстраивая её под меняющуюся нагрузку. В остальном они отвечают всем требованиям, которые предъявляются к мягким пускателям, и способны управлять всеми фазами двигателя. Это едва ли не самые популярные устройства плавного пуска.

Таблица 1 Режим работы в зависимости от области применения

 Схема запуска двигателя определяется путём предварительного задания стартового напряжения, а также времени, необходимого для пуска. Многие устройства такого типа могут обеспечивать также ограничение величины пускового тока — это достигается снижением напряжения при запуске. Разумеется, такие регуляторы способны управлять также замедлением работы механизма, выполняя плавный и продолжительный останов.

Двухфазные регуляторы могут снижать напряжение и в трёх фазах, однако ток получается несбалансированным.

3. Регуляторы напряжения с сигналом обратной связи — это модернизированные версии устройств, описанных выше. Они способны считывать текущую величину тока и регулировать напряжение таким образом, чтобы ток не выходил за заданные пользователем рамки. Также полученные данные используются для работы разнообразных защит (от дисбаланса фаз, перегрузки и т.п.).

Такое устройство плавного пуска асинхронных двигателей может быть сгруппировано с другими подобными устройствами в единую систему управления электродвигателями.

 4. Регуляторы тока с сигналом обратной связи. Это самые современные устройства плавного пуска. Схема работы основана на регуляции силы тока, а не напряжения, как предыдущие модели. Это обеспечивает лучшую точность управления, более простое программирование и быструю настройку устройства — ведь большинство параметров тут определяется автоматически, без необходимости ручного ввода.

 

Запуск на пониженное напряжение

 В момент такого пуска ток, протекающий через двигатель, равен току в случае заклиненного ротора. Двигатель в это время разгоняется, причём момент в какое-то мгновение становится выше номинала, после чего приходит к номинальному значению. Характер изменения тока и момента зависит от конструкции и модели каждого конкретного двигателя.

Следует заметить, что процесс запуска двигателей разных моделей, но имеющих одинаковые характеристики, может сильно отличаться. Пусковой ток может находиться в пределах 500%—700% от номинального, а момент — от 70% до 230%!

Такие особенности являются серьёзным препятствием для работы этого вида устройств плавного пуска асинхронных двигателей. Поэтому если ваша задача — получить высокий пусковой момент при минимальном значении пускового тока, вам нужно подбирать соответствующие двигатели.

Пусковой момент двигателя имеет квадратичную зависимость от силы тока, как уже было показано. 

Необходимо помнить, что снижение тока должно быть ограниченным: если пусковой момент станет меньше момента нагрузки, разгон прекратится, и двигатель не наберет номинальную скорость вращения.

 

Пускатели по схемам треугольник/звезда

Хотя пускатели такого типа являются самым распространённым видом устройств плавного пуска, схема треугольник/звезда не позволяет работать при больших нагрузках.

Сначала, при пуске, двигатель подключается «в звезду», а момент и величина тока при этом равна трети от номинальной. По истечению заданного интервала привод отключается и снова включается, но уже по схеме «треугольник».

Пуск будет эффективным, если при разгоне по схеме «звезда» двигатель сможет развить момент, который необходим для набора скорости, достаточной для переключения на «треугольник». Если это произойдёт на скорости, значительно меньшей номинальной, то ток при таком пуске не будет значительно отличаться от тока прямого пуска, а значит, применение устройства лишено смысла.

Кроме взрывных скачков тока и момента, в момент перехода двигателя на работу по схеме «треугольник» происходят и другие сложные переходные процессы. Их амплитуда зависит от амплитуды и фазы напряжения, которое создаётся двигателем при переключении.

В самом худшем случае величина напряжения может быть такой же, как в сети, однако находиться в противофазе. Тогда ток будет превышать номинальный в два раза, а момент, согласно вышеприведенной формуле, в четыре.

 

Пускатели с автотрансформатором

В конструкции таких пускателей для снижения подводимого к двигателю напряжения используется автотрансформатор. Для ступенчатой регуляции величины пускового тока и момента используются специальные отводы. Полная скорость вращения вала электродвигателя достигается до момента перехода на номинальное напряжение, а скачки тока при этом минимизируются. В тоже время из-за ступенчатого характера регулирования достичь высоких показателей точности оказывается невозможно.

Пускатель с автотрансформатором, в отличие от предыдущего (треугольник/звезда) характеризуется замкнутыми переходными процессами. Это означает, что жесткие переходные процессы кривых момента и тока во время разгона электродвигателя отсутствуют.

Из-за падения величины напряжения на автотрансформаторе, уменьшается момент на любых скоростях электродвигателя. При высокоинерционной нагрузке привода время пуска может превысить допустимые (безопасные) пределы, а при переменной — поведение системы становится неоптимальным.

Пускатели с автотрансформатором обычно используются при частоте пусков до 3 шт./час. Устройства плавного пуска асинхронных двигателей, рассчитанные на более частые запуски или на более сильную нагрузку, имеют большие габариты и стоят значительно дороже.

 

Пускатели со встроенными в цепь статора резисторами

Такие пускатели для снижения подводимого к статору напряжения используют жидкостные или металлические резисторы. При грамотном выборе резисторов такие устройства обеспечивают хорошее снижение момента и пускового тока электродвигателя.

Точный выбор резисторов должен быть сделан ещё на этапе проектирования с учётом всех параметров двигателя, его режимов работы и планируемой нагрузки. Однако такая информация не всегда оказывается доступной, а когда резисторы выбирают неточно, то и качество, и надёжность работы пускателя остаются невысокими.

Особенность такой схемы заключается в том, что сопротивление резисторов меняется в процессе работы из-за их нагрева. По причине опасности перегрева, пускатели с резисторами не используются для работы с высокоинерционными машинами и механизмами.

 

Устройства плавного пуска асинхронных двигателей

УПП (тиристорные УПП) — это наиболее технически совершенные электронные устройства, используемые для плавного пуска/останова электродвигателей. Принцип работы заключается в управлении входящим напряжением. Основная задача — управление пусковым током и моментом, однако современные схемы устройств плавного пуска имеют множество интерфейсных функций, а также позволяют обеспечить комплексную защиту двигателя.

 

Основные функции УПП:

— возможность плавно и бесступенчато изменять напряжение и ток;

— возможность управления током и моментом путём создания несложных программ;

— плавный останов с мягким торможением в тех системах, где это может потребоваться (конвейеры, насосы и т.п.);

— обеспечение частых пусков и остановов без изменения характеристик системы;

— оптимизация рабочих процессов даже в системах с изменяющейся нагрузкой.

Применение УПП позволяет:

устранить ударные токи в питающей сети и АД при его пуске;

снизить пусковые токи в АД;

устранить механические ударные воздействия как на АД, так и на приводной механизм;

уменьшить тепловые воздействия на АД;

снять перенапряжения при останове АД;

сократить время поиска неисправности;

повысить надежность эксплуатации и срок службы АД.

Устройство плавного пуска представляет из себя тиристорный регулятор напряжения (ТРН)

В регуляторе напряжения в каждый фазный провод включаются встречно-параллельно два тиристора, один из которых работает условно в положительный полупериод напряжения сети, а другой в отрицательный. Регулирование напряжения на выходе регулятора осуществляется изменением времени включения каждого тиристора относительно момента, когда ток должен переходить с одного из трех тиристоров на другой (базовая точка), путем подачи на тиристор управляющего импульса, что дает возможность изменять время протекания тока через тиристор в течение полупериода напряжения сети и напряжение на его выходе, подаваемое на нагрузку, в данном случае на двигатель. Это напряжение не является синусоидальным, и его можно представить как среднее напряжение, которое можно менять, изменяя продолжительность работы тиристора в течение полупериода. Время включения тиристора относительно базовой точки выражается в градусах и называется углом регулирования. Изменяя угол регулирования тиристоров, можно получить необходимое напряжение для плавного пуски двигателя.

По окончании процесса пуска тиристоры переводятся в режим постоянного включения или могут шунтироваться специальным контактором. Применение шунтирующего контактора позволяет повысить КПД устройства, увеличить срок службы тиристоров и исключить влияние полупроводниковых элементов на сеть.

ФУНКЦИИ ЗАЩИТЫ

Дополнительно к функциям управления пусковыми режимами и режимами останова, тиристорные преобразовательные устройства (ТПУ) снабжаются функциями защиты АД и защиты ТПУ от аварийных режимов. К стандартным функциям относятся:

защита от короткого замыкания на выходе ТПУ;

защита от заклинивания вала двигателя при пуске;

защита от перегрузки по току в рабочем режиме;

защита от недопустимого снижения напряжения на входе ТПУ;

защита от недопустимого повышения напряжения на входе ТПУ;

защита от обрыва фаз;

защита от невключения шунтирующего контактора (при наличии);

защита от несимметрии входного напряжения;

защита от обратного чередования фаз на входе;

тепловая защита двигателя;

защита от пробоя силового тиристора;

защита при потере управляемости тиристора.

Тепловая защита двигателя предполагает наличие встроенного в обмотку двигателя датчика температуры, а в системе управления предусматривается только наличие соответствующего входа и системы обработки. При отсутствии такого датчика осуществляется так называемая косвенная тепловая защита, которая основывается на той или иной тепловой модели двигателя, закладываемой изготовителем в программное обеспечение микроконтроллера.

Кроме рассмотренных функций, некоторые изготовители закладывают в ТПУ датчики сопротивления изоляции и возможность сушки обмотки постоянным или переменным током.

Система управления

Интерфейсная часть системы управления содержит, как правило, две части: интерфейс оператора и интерфейс оборудования.

Интерфейс оператора выполняется обычно на основе жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и клавиатуры, расположенных на лицевой панели устройства. С помощью ЖКИ и клавиатуры производится программирование устройства и на ЖКИ выводится информация о режимах работы устройства. Ряд изготовителей недорогих устройств малой мощности реализует интерфейс оператора на основе светодиодной индикации и микропереключателей (устанавливаемых перемычек).

Интерфейс оборудования предполагает развитую систему ввода управляющих сигналов и вывода сигналов о состоянии устройства. Так, команды «пуск/стоп» могут приниматься в виде уровней напряжения, унифицированных токовых сигналов или сигналов типа «сухой контакт». Последние модели устройств содержат в своем составе последовательные каналы связи на основе шин RS-232, RS-432, CAN, через которые может производиться как программирование устройства, так и задание команд пуска/останова и считывание информации о режиме работы. Общее количество входных, выходных сигналов может достигать 15–20 каналов.

Производители

В настоящее время ТПУ выпускают такие мировые производители, как ABB, Siemens, Emotron AB, Softronic, Telemecanique, Ansaldo и ряд других. Выпуск ТПУ освоили и российские фирмы. Большинство фирм выпускает ТПУ в виде моноблока, в котором размещаются силовая часть, система управления и вспомогательные элементы. Следует отметить, что большинство зарубежных устройств не имеют в своем составе шунтирующего контактора, а в системе управления предусматриваются только элементы управления внешним контактором.

В качестве примера отечественного ТПУ можно привести ТПУ4К на мощности 55–160 кВт. Оно построено по классической схеме, имеет встроенный шунтирующий контактор и использует в качестве ядра системы управления микроконтроллер производства Atmel. Интерфейс оператора комбинированный, включающий в себя ЖКИ, подключаемую на время ввода параметров клавиатуру и ряд потенциометров, задающих величины токовых уставок для различных режимов работы. ТПУ имеет следующие функции защиты: от установившегося короткого замыкания на выходе ТПУ; от заклинивания вала двигателя при пуске; от перегрузки по току в рабочем режиме; от обрыва фаз; от невключения шунтирующего контактора; тепловая защита двигателя.

При срабатывании любой защиты ТПУ отрабатывает процедуру останова двигателя в соответствии с алгоритмом, оптимизированным для конкретного вида привода. ТПУ выполнен инвариантным по отношению к чередованию фаз на входе, поэтому не нуждается в защите от неправильной фазировки питающей сети. Из сервисных функций следует отметить наличие выхода, сигнализирующего о безаварийном окончании процесса пуска.

Большое разнообразие пусковых устройств различных производителей, имеющих примерно одинаковые технические характеристики, заставляет обращать внимание на стоимостные, эксплуатационные и «пользовательские» характеристики.

Примечателен тот факт, что изделия отечественных производителей существенно дешевле, чем зарубежные. Кроме того, некоторые отечественные производители, в отличие от иностранных, в цену устройства закладывают затраты на ввод в эксплуатацию, адаптацию изделия к конкретному приводу и оптимизацию его характеристик применительно к конкретному механизму. Наличие микроконтроллера позволяет отдельным отечественным производителям оперативно адаптировать алгоритмы и параметры под требования конкретного заказчика и конкретного вида привода, в то время как представители западных компаний таких услуг не предоставляют.

Примеры УПП:

1) Устройство плавного пуска SIRIUS 3RW40 со встроенными функциями:

- полупроводниковая защита двигателя и собственная защита устройства от перегрузок

- регулируемое токоограничение для плавного пуска и остановки трёхфазных асинхронных двигателей

• Диапазон номинальной мощности от 75 до 250 кВт (при 400 В)

• Области применения:

Вентиляторы, насосы, строительное оборудование, прессы, эскалаторы, системы кондиционирования воздуха, системы транспортировки, сборочные линии, компрессоры и

охладители, исполнительные механизмы.

2) Устройство плавного пуска PSS – универсальная серия. Фирма АВВ

3) Устройства плавного пуска и торможения Altistart 48. Фирма Schneider Electric