Что такое устройство плавного пуска и для чего оно нужно

Электрические двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором отличаются простотой конструкции, невысокой стоимостью и являются самыми распространенными электрическими машинами. Однако, электродвигатели такого типа имеют недостатки, препятствующие их применению в ряде случаев.

При непосредственном пуске электродвигателя от коммутирующего электроаппарата момент на валу превышает номинальный в 1,5 – 2 раза, потребляемый двигателем ток в 3-8 раза.

Для того чтобы устранить эти недостатки, используют устройства плавного пуска или УПП (устройство плавного пуска). Эти устройства предназначены:

• Для обеспечения плавного пуска и остановки.
• Для снижения величины пускового тока.
• Для синхронизации пускового момента с фактическим моментом нагрузки на валу.

До появления электронных устройств для ограничения пускового момента и тока широко применялись механические тормоза, муфты, реакторы, пусковые резисторы. Использование электронных УПП более эффективно. Уменьшение величины тока и момента при включении двигателя через устройство плавного пуска достигается плавным увеличением напряжения в обмотках электрической машины.

Сферы применения устройств плавного пуска

Прежде чем ознакомиться с параметрами выбора УПП, рассмотрим, при каких режимах пуска и условиях требуется установка этого электроаппарата.

По нагрузке и разности пусковых и номинальных токов различают следующие типы пусков электродвигателей:

• Легкий пуск. При запуске электропривода ток не превышает номинального значения умноженного на три, переходной процесс длится не более 20 секунд. Для такого оборудования используют простейшие УПП.
• Тяжелый пуск. В производственном оборудовании со значительной инерцией или с запуском под нагрузкой, токи возрастают более чем в 4 раза, длительность переходного процесса составляет более 30 секунд.
• Особо тяжелый пуск. При таких условиях величина пускового тока может составлять 6-ти, 8-ми кратное значение от номинала. Разгон электродвигателя также занимает значительное время.

УПП применяются в составе электропривода различного производственного оборудования и технологических установках с тяжелыми и особо тяжелыми условиями пуска. Кроме того, их применение обосновано:

• При ограниченной мощности электросети. Пусковые токи создают перегрузку, при которой падает напряжение, срабатывает защита, перегреваются и отключаются генераторы. В таких случаях установка УПП является решением проблемы. При этом следует учесть, что устройство снижает пусковой ток в лучшем случае в 2,5 раза. Если мощности сети недостаточно, следует установить частотный преобразователь.
• При недопустимости быстрого пуска. При непосредственном запуске момент на валу электродвигателя гораздо выше номинального. Это приводит к ударным нагрузкам на механическую часть оборудования, вызывает его поломки. УПП обеспечивает ограничение пускового момента и с успехом решает эту проблему.

При срабатывании автоматического выключателя до того, как вал двигателя достигает номинальной скорости вращения, также же может помочь установка устройства плавного пуска.

• На электроприводе насосных агрегатов. При пуске с повышенным моментом и резкой остановке насосных установок в сети возникают гидравлические удары, повреждающие запорно-регулирующую арматуру, контрольно-измерительные приборы, трубопровод. Плавный пуск и остановка агрегатов, которые обеспечивают УПП, позволяет избежать этих проблем.
• На вентиляционном оборудовании. Высокий пусковой момент вызывает обрыв ременной передачи, увеличивает износ подшипников. Вентиляторы также требуют плавного запуска и остановки приводного двигателя.
• На компрессорном оборудовании и центрифугах. Для привода такого оборудования необходимо согласование момента на валу и фактической нагрузки. Пульсации, возникающие при резком пуске и разгоне электродвигателя, отрицательно сказываются на работе таких промышленных установок.
• На мельницах, дробильных установках и другом оборудовании с постоянным моментом нагрузки. Использование привода с УПП исключает механические удары при запуске.
• На конвейерах и других промышленных установках с приводом через редуктор. Применение УПП снижает ударную нагрузку на шестеренки и продлевает срок службы оборудования.

Характеристики УПП

Основными критериями выбора УПП являются диапазон ограничения тока, степень защиты корпуса, допустимое количество пусков за единицу времени, номинальный ток и напряжение, допустимая мощность электродвигателя, возможность параллельного включения шунтирующего электроаппарата. Выбор устройства осуществляется по стандартным методикам.

При выборе УПП также необходимо учесть наличие следующих функций:

• Запуск в функции тока или напряжения. Устройства плавного пуска с такой функцией применяют при ограниченной мощности питающей сети. Такие УПП позволяют осуществлять регулировку тока и избежать перегрева кабелей, сработки защиты, остановку генераторов, чувствительных к резким колебаниям потребляемого нагрузкой тока. Для технологического оборудования, где недопустим быстрый пуск с повышенным моментом, используют УПП с пуском в функции напряжения. Такие устройства плавно увеличивают напряжение в обмотках электрических машин. Для более точной регулировки используют УПП с обратной связью по току и напряжению.
• Количество фаз. Для пуска электродвигателей используются УПП с регулировкой электрических параметров по одной, двум и трем фазам. Устройства первых двух типов используются для привода оборудования с нечастым запуском, так как несимметричная нагрузка в момент пуска отрицательно сказывается на работе электрической машины.
• Наличие шунтирующего контактора. При завершении переходного процесса целесообразно отключить подачу тока через устройство плавного пуска, чтобы исключить перегрев симистров. Это достигается параллельным включением в цепь контактора, который замыкает силовые контакты после разгона электродвигателя. Существуют модели УПП, не предусматривающие параллельного подключения контакторов, однако, для мощного двигателя лучше выбрать устройство с шунтирующим коммутирующим аппаратом.
• Функции защиты. Многие УПП имеют встроенную защиту от перегрева самого устройства, изменения частоты питающего напряжения, снижения величины выходного тока, а также функции отключения нагрузки при превышении времени разгона, обрыва фаз, неравномерной нагрузки. В некоторых моделях также возможно подключение датчика нагрева обмоток электродвигателя. Для защиты привода с УПП от коротких замыканий необходимы предохранители или автоматические выключатели.
• Функции регулирования скорости. Существуют УПП, где реализована возможность снижения частоты вращения электродвигателя. Однако, УПП не заменяют частотный преобразователь. Регулировка скорости осуществляется ступенчато. При длительной работе на пониженной скорости УПП сильно перегревается. Устройство плавного пуска не обеспечивает долговременной работы двигателя в режиме пониженной скорости. Такие режимы применяются при регулировке и наладке производственного оборудования.
• Режим торможения. Для приводов инерционного оборудования следует выбрать УПП с функцией торможения. В этом режиме на обмотки электродвигателя подается напряжение, вызывающее торможение электрической машины. Такие устройства применяют для подъемников, транспортеров, тяговых вентиляторов.
• Контроль состояния байпасного контактора. При незамкнутых силовых контактах шунтирующего контактора по достижении номинальной частоты вращения ротора электродвигателя, УПП осуществляет отключение привода.
• Пуск с максимальным моментом. Устройства плавного пуска с этой функцией подают на обмотки номинальное напряжение питающей сети. После резкого пускового толчка, напряжение ограничивается. Далее разгон электрической машины осуществляется в плавном режиме. УПП с такой функцией используется для приводов оборудования с включением под значительной нагрузкой.

Преимущества УПП

ключение УПП в состав электропривода дает следующие преимущества:

• Возможность использования мощных двигателей при маломощных электрических сетях. Ограничение бросков тока позволяет избежать срабатывания защитных электроаппаратов, перегрева обмоток трансформаторов, питающих токоведущих линий, перегрузок и остановок генераторов, а также снижения напряжения в сети, которое негативно влияет на другие электроприемники. Использование УПП позволяет устанавливать промышленное оборудование с тяжелыми и особо тяжелыми условиями пуска при ограничении мощности сети питания, когда применение другого электрооборудования для снижения тока пуска невозможно.
• Снижение износа электродвигателей. Пусковые токи вызывают перегрев обмоток, старение их изоляции, перегрев и коррозию контактных групп, а также к преждевременному износу коммутирующих аппаратов. Увеличение крутящего момента при прямом запуске приводит к увеличению нагрузки на подшипники и другие механические элементы электродвигателя. Плавный пуск позволяет продлить срок эксплуатации двигателей и увеличить промежутки между ТО (техническим обслуживанием) и ремонтами электрических машин.
• Уменьшение износа промышленного оборудования. Использование УПП обеспечивает плавный разгон. Это снижет ударные нагрузки на шестеренчатые редукторы, ременные приводы и другие механизмы.
• Обеспечение безопасности технологических процессов. Многие примышленные установки нельзя резко останавливать и запускать. Например, быстрый пуск насосных агрегатов приводит к гидроударам и возникновению аварийных ситуаций. Использование УПП снижает вероятность аварий.
• Возможность отказаться от механических устройств для торможения, а также электротехнических устройств для ограничения тока. Устройство плавного пуска заменяют тормозные муфты, реакторы, а также другое оборудование.
• Невысокая стоимость. Средняя стоимость УПП ниже цены частотных регуляторов. В ряде случаев установки УПП достаточно для корректной работы привода.
• Наличие защиты от ненормальных и аварийных режимов работы. Некоторые модели УПП защищают от пропадания фаз, несимметричной нагрузки и других аномальных режимов.
• Возможность встраивания в системы автоматизации. УПП с микропроцессорными устройствами управления поддерживают протоколы связи с удаленными ПК. Контроль и управление приводами с такими УПП можно осуществлять в автоматическом режиме.
• Снижение электромагнитных помех. При регулировании пуска по всем трем фазам, уменьшается интенсивность магнитного поля, которое создается двигателем при пуске. При использовании УПП отпадает необходимость установки дополнительных фильтров на слаботочных линиях, чувствительных к наводкам.

Установка УПП дает неплохой экономический эффект. Он достигается снижением затрат на ТО и ремонт электродвигателей и технологического оборудования, экономии электроэнергии, расходов на закупку более мощных коммутирующих электротехнических устройств, дополнительную защиту.

Схема УПП

Схема наиболее распространенных УПП выполняется на базе ключей из встречно-параллельно включенных тиристоров.

Плавная регулировка напряжения на обмотках достигается постепенным изменением угла проводимости полупроводниковых элементов путем подачи импульсов на управляющие электроды. После достижения номинального напряжения на обмотках включается шунтирующий контактор. При торможении электрической машины вначале отключается параллельно включенный коммутирующий аппарат, затем с генератора пусковых импульсов поступают сигналы, постепенно уменьшающие угол проводимости тиристоров до полной остановки электродвигателя.

На рисунке представлена схема УПП с регулировкой по одной фазе. Такое устройство отличается невысокой стоимостью. Однако, при пуске возникает несимметричная нагрузка, увеличивается нагрев электромашины, возникают электромагнитные помехи. УПП такого типа используют для привода промышленного оборудования с нечастыми пусками.

Для оборудования с тяжелыми условиями запуска применяют УПП с регулировкой по 2-м фазам.

Для технологических установок с особо тяжелыми условиями запуска и частыми включениями и отключениями привода используют УПП с симисторными ключами на всех трех фазах и обратной связью по току или напряжению. Их использование не вызывает дисбаланса тока на фазах, увеличения электромагнитных помех при запуске и торможении электрической машины.

Устройство плавного пуска: назначение и принцип действия

Устройство плавного пуска электродвигателя (сокращенно УПП) – это механизм, используемый для сдерживания роста пусковых характеристик. Он делает мягкими процессы запуска и остановки мотора, защищая его от перегрева и рывков, увеличивает срок эксплуатации. Применяется только для асинхронных двигателей.

Зачем асинхронному двигателю УПП

При пуске двигателя в ход напрямую в одно мгновение крутящий момент достигает 150-200% от номинального значения. В это же время образуются пусковые токи, которые превышают номинальный в 5, а то и больше раз. Повышенные во время запуска мотора характеристики становится причиной проблем:

• Повреждение изоляции обмоток и прекращение работы вследствие перегрева.
• Выход из строя кинематической цепи провода из-за обрыва транспортерных лент, механических рывков или гидравлических ударов.
• Тяжелый пуск, препятствующий его завершению.

Именно эти проблемы вызывают у электрического двигателя необходимость в устройстве плавного пуска. Благодаря ему мотор разгоняется плавно, без рывков и ударов. Пусковые токи снижаются. Поэтому удовлетворительное состояние изоляции будет держаться еще долго.

А как понять, что пуск тяжелый, и двигатель нужно оборудовать УПП? Для этого познакомьтесь с описанием трех случаев этого явления:

1. Пуск слишком тяжелый для используемого источника питания. От сети нужен ток, который она может выработать только при «работе на износ» или не может выдать такое значение вообще. При попытке запуска на входе системы вырубаются автоматы, лампочки отключаются. Некоторые контакторы и реле переключения отключаются, а генератор питания прекращает работу. В этом случае УПП поможет, если питающая сеть сможет обеспечить 250% от номинального значения тока вместо 500-800%, которые были ей не под силу. Если же сеть не даст даже 250%, то смысла в установке устройства плавного пуска нет.
2. Двигатель не запускается напрямую (не начинает крутиться или не разгоняется до нужной скорости, вызывая срабатывание защитной системы). УПП не поможет, но можно попробовать исправить ситуацию с помощью преобразователя частоты.
3. Запуск отличный, но на входе отключается автомат еще до того, как устанавливается номинальная частота. УПП может помочь, но не обязательно. Чем ближе частота вращения к номинальному значению в момент срабатывания автомата, тем больше шансов на успех.

Продвинутые устройства плавного пуска для асинхронных двигателей выполняют дополнительные функции:

• Защита от короткого замыкания при пуске в ход;
• Предотвращение обрыва фазы;
• Исключение повторного незапланированного включения;
• Защиты от превышения номинальных нагрузок.

Использовать такие устройства можно не только для смягчения запуска, но и для плавной остановки мотора. График ниже показывается зависимость скорости вращения двигателя от времени при прямом пуске и с использованием стартсофтера (второе название УПП).

Дополнительный бонус обладателям УПП: можно будет подобрать менее мощный источник бесперебойного питания, если в нем есть необходимость.

Принцип действия устройства плавного пуска

Рассмотрим принцип действия каждого из видов УПП.

Механическое регулирование пусковых характеристик

Для плавного пуска электродвигателя можно использовать способ механического сдерживания нарастающей скорости вращения. Для этого используют устройства, механически регулируя вращение вала. такие как блокираторы магнитного действия, тормозные колодки, жидкостные муфты и противовесы с дробью.

Принцип действия у всех этих способов один — сдерживание оборотов вала электродвигателя при пуске.

Электрические устройства для плавного пуска электродвигателей

Принцип действия электрических УПП заключается в ограничении подаваемого на электродвигатель напряжения, роль ограничителей как правило выполняют соединенные тиристоры, схема подключения выглядит вот так:.

Чтобы лучше понять, как работает стартсофтер, нужно подробнее изучить запуск. Теоретически это процесс преобразования энергии из электрической в кинетическую. При этом сопротивление двигателя от малого значения, характерного для не вращающегося двигателя, увеличивается до большого, когда уже достигнута номинальная скорость. И по закону Ома(I=U/R) в начальный момент ток максимален.

Формула же энергии имеет вид: E=P*t=U*I*t. А поскольку в начале запуска ток максимален, то энергия должна передаваться очень быстро. Если же своими руками подключить электродвигатель к сети через УПП, то на входе в устройство будет работать вторая формула. Энергия будет подаваться очень быстро, но выходить будет медленно. Это достигается путем ограничения напряжения, контролирующего рост пускового тока. А поскольку в обеих формулах ток имеет одинаковую величину, видно, что чем меньше сила тока, тем больше времени потребуется на разгон. Но разгон при этом будет плавный.

Важно! Несмотря на необходимость в снижении пусковых токов, устанавливать их на слишком низких значениях нельзя. Иначе двигатель не сможет разогнаться. Обычно достаточно снизить ток до 250% от номинального (при прямом пуске он составляет 500-800%).

Управление электрическими стартсофтерами

Различают два вида электрических устройств, смягчающих пусковой процесс:

• С амплитудным управлением;
• С фазовым управлением.

Работа амплитудного УПП базируется на постепенном увеличении напряжения на клеммах мотора до максимальной величины. Такие устройства помогают запускать электродвигатели в холостом режиме или с небольшой нагрузкой.

Фазовые стартсофтеры регулируют частотные характеристики фазного тока без снижения напряжения. Это позволяет сохранить высокую мощность мотора, запускать который можно даже с большой нагрузкой. Установить плавное нарастание вращательной частоты можно даже в рабочем режиме. Это важная функция, благодаря которой можно менять скорость вала, не теряя мощность.

Оборудовать электродвигатель устройством плавного пуска или нет – ваше личное дело, если только он не завершает работу на полпути до разгона. Но имейте в виду, что за рубежом запрещено пускать в ход моторы мощностью более 15000 Ватт без стартсофтера. Попытка сэкономить на УПП может привести к преждевременному износу механизма. Если уж не хочется сильно тратиться, то просто установите устройство своими руками, но приобретите его обязательно.