Обзор устройств плавного пуска –применение, принципы действия, разновидности, схемы включения

Проблема пускового тока

Одна из особенностей работы асинхронного двигателя, которую можно назвать недостатком – большой пусковой ток при старте, который может превышать номинальный в 8 и более раз. Это обусловлено принципом его работы – при подаче на него номинального напряжения он стремится сразу выйти на полную мощность. Данная особенность проявляется в большой мере при пуске через линейный контактор, это также называют прямым пуском двигателя.

В некоторых механизмах принципиально важно, чтобы пуск был плавный, без рывков и ударов. Это касается прежде всего технологического оборудования, у которого высокий момент инерции при запуске. Например, тяжелые маховики и конвейеры с продукцией, а также мощные насосы и вентиляторы.

Иными словами, большой пусковой ток и большой момент инерции механической нагрузки на валу двигателя – взаимосвязанные вещи, от который часто необходимо избавляться.

Кстати, в некоторых странах законодательно запрещено включать электродвигатели большой мощности прямой подачей напряжения, поскольку это создает помехи, падение напряжения и перегружает электросети, что может вызвать проблемы у других потребителей и даже стать причиной аварий.

Как обеспечить плавный пуск двигателя

Существуют несколько вариантов уменьшения пускового тока, которые используются на практике.

1. Применение преобразователей частоты. В этом случае можно обеспечить сколь угодно долгий разгон, а также ограничить превышение номинального тока, например, на уровне 110%. Это лучший способ плавного пуска, однако, он используется далеко не всегда, поскольку преобразователь частоты – дорогостоящее электронное устройство, которое имеет множество функций. Если нужно только ограничение пускового тока и плавный разгон, преобразователь частоты будет избыточен, и большинство его функций останутся не востребованы.

2. Схема «Звезда – Треугольник». Двигатель при этом должен быть таким, чтобы номинальное напряжение питания при включении его обмоток «треугольником» было 380 В. В этом случае двигатель запускается в два этапа. На этапе разгона обмотки включаются «звездой». Таким образом получается, что 380 В подается на схему, которая для нормальной работы требует напряжения порядка 660 В. Поскольку двигатель в «звезде» работает при пониженном напряжении, разгон (выход на рабочие обороты) получается сравнительно плавным. На втором этапе обмотки включаются «треугольником», и двигатель выходит на свою номинальную мощность. Минус этого способа – разгон получается ступенчатым, а пусковые токи могут принимать большое значение.

3. Когда речь идет только о минимизации пускового тока, наиболее оптимальный вариант – использование устройства плавного пуска (softstarter).

Ниже рассмотрим принципы работы устройств плавного пуска (УПП) и схемы их включения.

Как работает устройство плавного пуска

Рассмотрим пошагово, какие процессы происходят при работе УПП, и какие регулировки влияют на его работу.

В минимальной конфигурации устройства плавного пуска (УПП) имеют три регулировки – время разгона, время торможения, и напряжение пуска.

При включении действующее напряжение на двигателе определяется регулировкой напряжения пуска, которое обычно составляет 30…80 % от номинала. Понижение напряжения и его регулировка производится тиристорами, которые открываются (пропускают ток) только в части полупериода сетевого напряжения. Фазой открытия тиристоров можно менять напряжение на двигателе.

Таким образом, регулируя фазу открытия тиристоров, можно менять ток и крутящий момент двигателя.

В зависимости от конкретного случая может потребоваться большой начальный момент, чтобы двигатель мог тронуться с места. Но для уменьшения пускового тока начальное напряжение лучше устанавливать минимально возможным.

При большом времени разгона пусковой ток будет минимальным. Однако, следует выбирать его оптимальным, обычно 10…20 секунд, в зависимости от типа нагрузки. При слишком большом времени разгона возможен излишний нагрев тиристоров. Критерием оптимального времени разгона служит время выхода двигателя на номинальные обороты и номинальный рабочий ток. По истечении времени разгона включается контактор байпаса, который может быть установлен внутри УПП, или быть внешним. Во время работы двигателя на номинальном режиме весь питающий ток идет только через этот контактор, при этом тиристоры в работе не участвуют.

Если пришел сигнал на остановку двигателя, контактор байпаса выключается. Вступают в работу тиристоры, которые работают в обратном режиме – постепенно уменьшают фазу (время открытия в течение полупериода) с максимальной до нуля. Если время торможения не важно, то можно его установить минимальным (0-2 секунды), это увеличит ресурс тиристоров, и улучшит тепловой режим электрощита в целом. Двигатель будет останавливаться на выбеге, к ак при питании через обычный контактор. Но если важно исключить гидроудар, или плавно замедлить движение объектов без их резкой остановки и падения, то функция плавной остановки будет очень полезной.

В УПП также могут присутствовать такие регулировки: управление крутящим моментом двигателя, конечное напряжение при останове, номинальный ток двигателя, ограничение пускового тока. Современные УПП имеют ЖК-дисплей и кнопки управления, которые позволяют конфигурировать несколько десятков различных параметров для тонкой настройки.

Схемы включения

Как во всех подобных устройствах, в схеме включения УПП имеется силовая часть, и часть управления.

Силовая часть схемы – это та часть, через которую проходит ток питания двигателя. Ток двигателя поступает через силовые клеммы L1, L2, L3 (или R, S, T) на входы тиристоров или контактора байпаса, и затем через выходные клеммы T1, T2, T3 (U, V, W) подается на двигатель.

Схема управления включает в себя в основном цепи запуска и остановки. Напряжение питания цепей управления обычно составляет 24…220 В, и может быть внешним, либо браться из УПП.

С участием УПП можно реализовать схему плавного пуска электродвигателя с реверсом. Для этого нужно на входе установить реверсивный контактор по классической схеме. Важно сделать блокировку для предотвращения реверса двигателя во время его вращения.

Допускается запускать УПП и начинать вращение двигателя подачей питания на цепи управления и силовые цепи. Это может быть удобно при дистанционной подаче силового питания. Однако, при этом следует предусмотреть меры безопасности – обслуживающий персонал должен понимать, что при подаче питания на УПП двигатель может начать вращаться.

Пример схемы

Рассмотрим для примера схему включения УПП ABBPSTX.

В силовую часть входят: автомат защиты двигателя (вводной), тиристоры и контактор байпаса (внутри УПС), и собственно двигатель.

Для питания цепей управления подается фазное напряжение 220В и нейтраль на клеммы 1, 2. В УПП имеется встроенный блок питания, который вырабатывает напряжение 24 В для питания органов управления. Допускается также применение внешнего БП 24 В, при этом напряжение на клеммы 1, 2 подавать не нужно.

При соответствующем подключении и настройках кнопки могут быть как с фиксацией, так и без. Управление может производиться не только с кнопок, но и через контакты реле или контроллера.

Имеются и другие входы для различных режимов работы, а также три выходных реле с сухими контактами, которые могут использоваться по необходимости для включения дополнительных контакторов и индикации.

Защита

В дешевых УПП часто не реализована защита от перегрузки по току, перегреву и короткому замыканию. В таких случаях необходимо устанавливать нужную защиту и включать УПП по схеме, рекомендованной производителем.

В состав защиты могут входить:

• Мотор-автомат (автомат защиты двигателя),
• Полупроводниковые предохранители, либо защитные автоматы с характеристикой «В»,
• Тепловое реле,
• Короткое либо межвитковое замыкание в обмотках двигателя,
• Контактор аварийной цепи, выключающий питание УПП при срабатывании внутреннего аварийного реле либо нажатии кнопки «Аварийный останов».

Пример неправильной установки защиты, в результате которой произошел пожар:

Следует сказать, что даже если в УПП входят все виды защит, необходимо на вводе силового питания и питания схемы управления устанавливать соответствующие защитные автоматы либо предохранители.

Двухфазные УПП

В некоторых бюджетных моделях управление выходным напряжением происходит только по двум фазам. Таким образом, происходит экономия на тиристорах и на одном контакте контактора байпаса.

Это решение имеет право на жизнь, и главный плюс таких УПП – цена.

Однако, имеются минусы, о которых стоит знать:

• При запуске и торможении происходит перекос фаз, который приводит к дополнительному нагреву двигателя,
• Пусковой ток по «прямой» фазе почти не уменьшается,
• Постоянное присутствие фазного напряжения на двигателе представляет опасность для персонала.

Заключение

УПП нашли достойное место там, где не нужна регулировка скорости вращения двигателя, но важным аспектом является минимизация пусковых перегрузок питающей сети и приводимых в движение механизмов. Однако, в последнее время их всё больше вытесняют преобразователи частоты, которые имеют гораздо более широкий спектр возможностей управления двигателем.

Схема плавного пуска для двигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока имеют ряд недостатков, хотя и множество очевидных преимуществ. Одним из них является гораздо более высокое потребление тока при пуске по сравнению с током, потребляемым при нормальной работе, что может привести к перегрузке источника питания в начальный момент времени. Предлагаемый модуль софт-старта мотора имеет напряжение питания от 12 до 35 В, собственный ток потребления около 10 мА. Нагрузка может достигать десятки Ампер.

Схема плавного пуска на 555 и MOSFET

Принципиальная схема мягкий старт показана на рисунке. Таймер 555 работает в типичном мультивибраторном включении и создает прямоугольный сигнал с частотой около 2,2 кГц и заполнением (скважностью) около 85%. Состоит частотозадающая цепь из сопротивления R3 и конденсатора C5 на 100 нФ.

Этот сигнал поступает на инвертируемый вход компаратора LM311. Делитель напряжения, который подает приблизительно 4,5 В к инвертирующему входу, также подключен. Конденсатор C6 22 мкФ делает так, что напряжение при включении питания почти равно напряжению источника питания (78L09 это 9 В), а затем медленно падает до номинального значения.

Путем сравнения уменьшающегося напряжения на входе инвертора и треугольной формы волны, на входе неинвертора получается прямоугольный сигнал со скважностью растущей от нуля до 100%.

Зарядный конденсатор играет ключевую роль в определении заряда. Скважность составляет 100% через 7 секунд после включения, и N-канальный MOSFET полевой транзистор IRF3205 переходит в открытый режим.

Схема смонтирована на односторонней печатной плате 25 х 50 мм. Все компоненты, кроме транзистора T1 и D2, устанавливаются на одной поверхности. Рекомендуется установить небольшой кулер на транзистор.

Более сильный мотор, лампа и другая нагрузка тоже сюда отлично подойдёт. Естественно с использованием мощного Мосфета. Может быть установлен даже транзистор с токами до 50 А.

Мягкий пуск стартерного электродвигателя постоянного тока

При исследовании пусковых характеристик стартерных электродвигателей выявлено, что при подаче напряжения на электродвигателе возникает импульс обратного тока напряжением более 2000 вольт. Изоляция обмоток электродвигателей может не выдержать и получить межвитковый пробой. Искрение коллектора при больших пусковых токах ведёт к прогоранию пластин коллектора. Избежать пробоя и аварийной ситуации при пуске электродвигателя можно, используя метод разгона оборотов во времени.

Пусковой ток в данной схеме снижен до приемлемой величины с 220 ампер до 20. Условия мягкого пуска созданы двойным уровнем тока — первый создаётся регулировочной характеристикой полевого транзистора в течении времени 0-10 мс,второй — контактами пускового реле от 10 до 60 мс. Ток во время пускового режима растёт почти линейно, что не ведёт к разрушению электрической части электродвигателя.

Схема на рисунке представляет собой гибрид из мощного полевого транзистора и пускового реле.

Полевой транзистор после нажатия кнопки «Старт» открывается подачей напряжения с аккумулятора GB1 на затвор через резистор R1. Цепь, параллельная затвору транзистора и минусу аккумулятора защищает транзистор и несколько увеличивает время включения с 0,02 до 1 мс, зависящего от номиналов резисторов R1,R2 и конденсатора C1 — подаёт с ростом напряжения питание на пусковой электродвигатель М1. Электродвигатель разгонится до номинальных оборотов, в конце этого процесса замкнутся мощные контакты К1.1 реле К1, ток через полевой транзистор прекратится, а рабочий ток электродвигателя не создаст искрения контактов, так как режим разгона выполнен.

Размыкание цепи «Старт» приведёт к размыканию цепи К1.1 и обесточиванию электродвигателя, с понижением тока по экспоненте.

В цепь затвора полевого транзистора в схеме введен стабилитрон для защиты от превышения порогового напряжения, в цепи истока транзистора, параллельно пусковому электродвигателю подключена цепь для гашения импульсного напряжения обратной полярности –диод VD2 и конденсатор С2.

Обмотка реле К1 защищена от импульсов обратной полярности двухполярным светодиодом HL1 с разрядным резистором R4, резистор R3 ограничивает ток питания цепи обмотки, снижает ее нагрев при длительном включении. Диод VD3 устраняет проникновение импульсных помех в цепи питания.

В схеме нет дефицитных радиодеталей: полевые транзисторы установлены на суммарный рабочий ток в 212 ампер. Резисторы типа МЛТ-0,25, R3 на один ватт. Диоды VD2, VD3 импульсного типа. Реле автомобильное -типа MG16566DX на ток контактов 30 ампер и напряжение 12 вольт, напряжение включения такого реле 7 вольт, отпускания 3,5 вольта. Светодиод HL1 заменим на КИПД 45Б -2 или КИПД 23 А1-К, кнопка пуска типа КМ 1-1. В конструкции использовался стартерный электродвигатель итальянского производства, исследования проводились и на других типах электродвигателей мощностью от 10 до 300 ватт..

Конструкция собрана в корпусе размерами 110 * 35 *55 и закреплена рядом со стартером, кнопка пуска установлена в удобном для включения месте и соединена многожильным изолированным проводом сечением 0,5 мм. Полевые транзисторы закреплены общим болтом к радиатору.

Светодиод можно использовать как индикатор пуска или оставить на плате.

Силовые цепи питания электродвигателя необходимо выполнить многожильным проводом сечением не менее 10 мм и как можно короче по длине, для снижения потерь напряжения.

Схема проверена на стенде с указанным двигателем на 250 ватт, для надёжности установить два полевика в параллель, закрепив с двух сторон радиатора, пусковой ток тогда может достигать 220 ампер. Ток в 130 Ампер берёт от аккумулятора стартер а/м «Жигули» ВАЗ 2107.