Электронные тиристорные пусковые устройства

Применение тиристорных пусковых устройств позволяет:

• устранить ударные токи в питающей сети и в асинхронном двигателе при его пуске;
• снизить пусковые токи;
• устранить механические ударные воздействия как на асинхронный двигатель, так и на приводной механизм;
• уменьшить тепловые воздействия на двигатель;
• снять перенапряжения при останове асинхронного двигателя;
• сократить время поиска неисправности;
• повысить срок службы двигателя;
• повысить надежность эксплуатации.

В результате применения тиристорных пусковых устройств достигаются следующие технологические преимущества:

• снижение отходов сырья и материалов;
• снижение износа оборудования;
• увеличение срока службы оборудования.

Тиристорные пусковые устройства обеспечивают следующие пусковые режимы:

• плавный пуск с заданным темпом;
• плавным пуск с ограничением пускового тока;
• пуск с начальным импульсом тока. Применяется для механизмов с фрикционным характером нагрузки. Позволяет устранять проскальзывание шкивов и фрикционов;
• пуск с заданным начальным моментом и с дальнейшим разгоном по заданной кривой;
• пуск на пониженной (14 или 25%) скорости с последующим разгоном по заданной кривой. Применяется для механизмов с заправочной скоростью или работающими на дискретных скоростях.

Останов: плавное торможение.
Рекомендуется применять для останова насосов во избежание резких скачков давления в трубах и соответственно сохранения нормальной работы обратного клапана; с переходом на пониженную скорость и последующим (через заданное время) полным снятием напряжения. Применяется в основном по технологическим показаниям.

Энергосбережение.
Применение тиристорных пусковых устройств в зависимости от нагрузки на валу снижает потребляемую двигателем мощность.

Данный режим эффективен для двигателей, работающих с недогрузкой или с переменной нагрузкой на валу.

Тиристорные пусковые устройства осуществляют защиту двигателя:

• от короткого замыкания при пуске;
• от затяжного пуска двигателя. При этом устанавливается допустимое время пуска, которое в стандартной поставке может быть изменено в пределах от 4 до 32 c;
• от обрыва одной или нескольких фаз;
• от перегрузки в рабочем режиме;
• от опрокидывания двигателя;
• от перегрева обмоток двигателя при наличии встроенного в двигатель датчика температурной защиты. В этом случае тиристорное пусковое устройство не позволит повторно включить двигатель до его остывания;
• от повторного включения. При этом устройство допустит включение двигателя не ранее чем через время, которое потребитель оговаривает при заказе. Время срабатывания защиты от перегрузки и опрокидывания двигателя может устанавливаться в пределах от 1 до 60 с. Стандартно программируемое потребителем время 5 или 10 с.

Тиристорное пусковое устройство устанавливается между сетью и электродвигателем и может работать как со штатной аппаратурой двигателя, так и заменяя ее.

Управление тиристорным пусковым устройством осуществляется стандартной кнопочной станцией через разъем дистанционного управления.

Тиристорное пусковое устройство снабжено устройством индикации, на котором в цифровом коде выводится режим работы устройства и причины его останова.

Область применения

Тиристорные пусковые устройства предназначены для использования во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, причем наибольший эффект они дают при применении и перечисленном ниже оборудовании.

Центрифуги обладают большими инерционными массами, требующими достаточного времени для раскручивания. При прямом пуске двигатели длительное время находятся под воздействием пусковых токов, а на вал передаются значительные динамические воздействия, что приводит к быстрому выходу из строя, как приводного двигателя, так и самого механизма и передач сцепления. Применение тиристорных пусковых устройств позволяет плавно разогнать центрифугу и тем самым защитить приводной двигатель и передачу сцепления.

Вентиляторы, подобно центрифугам, также имеют большие инерционные массы, требующие длительного разгона. Так как противодействующий момент с повышением скорости вращения увеличивается, то получение достаточно высокой скорости перед переключением со звезды на треугольник оказывается затруднительным. При прямом включении, так же как и y центрифуги, на вал передаются значительные динамические воздействия, что приводит к быстрому износу подшипников и приводных ремней, которые при прямом включении часто проскальзывают и от резкого натяжения рвутся. Плавный пуск снимает эти проблемы.

Компрессоры сочленяются с приводным двигателем посредством редукторов или других силовых передач. Начальный пусковой момент компрессоров может сильно варьироваться и зависимости от того, запускается ли компрессор под нагрузкой или при закрытой заслонке на входе, в нагретом или в холодном состоянии и т. д. Часто при дискретном пуске не удается развернуть компрессор. Плавный пуск позволяет безударно раскрутить компрессор и вывести его в нормальный рабочий режим.

Дробилки, если они заполнены материалом, должны преодолевать при пуске полный противодействующий момент. В этом случае тиристорное пусковое устройство оберегает от пиковых нагрузок как приводной двигатель, так и силовую передачу. Кроме того, при низкой температуре окружающей среды дробилки нуждаются при пуске в большем, но плавно нарастающем вращающем моменте, прежде всего из—за того, что масло в подшипниках и передачах становится более вязким.

Мельницы имеют переменную нагрузку и нуждаются в высоком начальном пусковом моменте, поэтому для пуска обычно применяются двигатели с фазным ротором. Однако в ряде случаев достаточно применить короткозамкнутый двигатель с тиристорным пусковым устройством.

У мостовых кранов и подъемных устройств реверсивный пуск и перемещение при прямом пуске вызывают раскачивание подвешенного
груза. В этом случае необходимо плавно запускать двигатель и разворачивать стрелу крана.

В мешалках, как правило, среда твердая или вязкая, поэтому при прямом пуске резко перегружаются кронштейны, силовые передачи и редукторы. Подобные проблемы легко устраняются с помощью плавного пуска.

В двигателях насосов, при прямом пуске или переключении их обмоток со звезды на треугольник, а также при останове двигателя, часто
возникают ударные волны в трубопроводах. Тиристорное пусковое устройство предотвращает подобные явления, плавно запуская и плавно останавливая двигатель.

У ленточных транспортеров при реверсивном пуске на ленту и силовую передачу действуют большие нагрузочные силы. При высоком начальном пусковом моменте лента, вследствие проскальзывания, подвергается тяжелым нагрузкам и при рывке может произойти опрокидывание и повреждение транспортируемого груза.

Волочильный станок, плавный пуск предотвращает разрыв проволоки.

При пуске от сети ограниченной мощности тиристорное пусковое устройство позволит запустить приводной, двигатель с ограничением пускового тока, не перегружая сети даже при одновременном запуске нескольких механизмов.

Прядильные, сновальные, крутильные машины. По мере наработки пряжи или нити B бобины или сновальные барабаны увеличивается нагрузка нa вал приводного двигателя (диапазон колебания нагрузки от холостого хода до съема 40—60%), и, следовательно, применение тиристорного пускового устройства для таких механизмов позволит при изменении нагрузки нa валу подобрать режим, соответствующий минимальному потреблению электроэнергии двигателем.

Распиловочные станки деревообрабатывающей промышленности, металлообрабатывающие станки, ткацкие станки, швейные машины и похожие по характеру нагрузки станки и механизмы, как правило, имеют два основных режима — холостой ход и рабочий режим. Причем по времени работы механизма эти режимы соизмеримы (холостой ход составляет от 20 до 60% рабочего времени). Применение тиристорного пускового устройства с энергосберегающей функцией для таких механизмов позволит существенно снизить потребление электроэнергии приводными двигателями этих механизмов, разгрузить электрические сети и снизить мощность компенсирующих устройств на предприятии.

Большинство механизмов с тяжелыми режимами пуска (большие инерционные массы, большой противодействующий момент при пуске) в рабочем режиме работают с существенной недогрузкой и соответственно перерасходом электроэнергии. В этом случае целесообразно применять тиристорные пусковые устройства с энергосберегающей функцией.

В технологическом оборудовании, служащем для обработки волокнистых материалов (ленточные, ровничные, прядильные, чесальные машины и т. д.), применение плавного пуска позволяет резко снизить обрывы нити и тем самым улучшить качество готовой продукции и увеличить ее выпуск за счет сокращения расхода сырья и материалов. В то же время плавный пуск позволяет существенно сократить отходы сырья при его заправке в машину. Например, при заправке ленточной машины при плавном пуске лента подается медленно, и работница успевает заправить ее в направляющие, в то время как при прямом пуске лента «выстреливает» и на каждом запуске как минимум полтора—два метра ленты идет в отходы.

—>Категория : Статьи | —>Просмотров : 807

Тиристорные пусковые устройства двигателей

НИЗКОВОЛЬТНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
ПРЕИМУЩЕСТВА ТИРИСТОРНЫХ ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВ

Анатолий Загорский, д.т.н., профессор, заведующий отделом машинно-вентильных систем, энерго- и ресурсосберегающих технологий
Зоя Захарова, к.т.н., заведующий сектором автономных систем электроснабжения и нетрадиционных источников энергии
Игорь Пар, к.т.н., ведущий научный сотрудник ОАО «ВНИИЭ», г. Москва

Схема
На рис. 1 приведены типичные кривые изменения пускового тока (рис.1а) и пускового момента (рис. 1б) при прямом пуске (кривые 1), при пуске переключением со звезды на треугольник (кривые 2) и при применении тиристорного пускового устройства (ТПУ) (кривые 3). Анализ показывает, что применение управляемого пуска позволяет существенно уменьшить вредные динамические воздействия на двигатель и приводной механизм и, следовательно, увеличить срок службы электропривода. Если не требуется регулировать частоту вращения приводного механизма, то применение ТПУ позволяет с минимальными затратами решить все проблемы, связанные с обеспечением управляемого пуска и останова двигателя. Несмотря на большое разнообразие устройств рассматриваемого класса, можно констатировать, что на сегодняшний день подавляющее большинство устройств мощностью от 1 до 400 кВт на напряжение до 660 В строятся по одной и той же схеме силовой части, известной с конца 20-х годов прошлого века, и обладают некоторым стандартным набором функций.
Эта схема представляет собой тиристорный регулятор напряжения с фазовым управлением, представленный на рис. 2а. Между силовой питающей сетью и асинхронным двигателем установлены 6 полупроводниковых управляемых вентилей (тиристоров), импульсы управления которыми формируются специальной системой управления. Изменение угла управления тиристорами приводит к изменению действующего значения напряжения на выходе ТПУ и соответственно к изменению частоты вращения приводного двигателя.
Формируя требуемые характеристики процесса нарастания напряжения при пуске и процесса уменьшения напряжения при останове, можно формировать требуемые показатели кривых разгона (пуска) и останова приводного двигателя. Выпускаются подобные устройства и в реверсивном исполнении, которое отличается наличием дополнительных вентилей, обеспечивающих изменение направления вращения (рис. 2б).
Теория работы таких устройств достаточно подробно описана в литературе [1, 2, 3]. Там же сформулированы требования к их системе управления. Развитие микроэлектроники привело к тому, что в настоящее время ядро системы управления выполняется, как правило, на микроконтроллере, что позволяет реализовывать алгоритмы управления двигателем практически любой степени сложности и обеспечивать выполнение любых требуемых функций.
Сравнение выполняемых функций устройств различных производителей позволяет сказать, что подавляющее большинство устройств реализует следующие основные функции:

• управление пусковым режимом;
• управление режимом останова;
• управление рабочим режимом;
• защитные функции;
• вспомогательные функции;
• интерфейс между устройством и оператором;
• интерфейс между устройством и управляющим элементомверхнего уровня.

Рис. 1. Типичные кривые изменения пускового тока и пускового момента

Кривые 1 – при прямом пуске,
кривые 2 – при пуске переключением со звезды на треугольник,
кривые 3 – при применении ТПУ

Рис. 2. Тиристорный регулятор напряжения/em>

а)

б)

Рис. 3.
Кривые изменения напряжения на двигателе в режиме пуска:
кривая 1 – экспотенциальный закон,
кривая 2 – линейный закон,
кривая 3 – кусочно-линейный закон

Рис. 4.
кривая 1 – экспотенциальный закон,
кривая 2 – линейный закон,
кривая 3 – кусочно-линейный закон

Рис. 5.
кривая 1 – экспотенциальный закон,
кривая 2 – линейный закон,
кривая 3 – кусочно-линейный закон

кривая 1 – экспотенциальный закон,
кривая 2 – линейный закон,
кривая 3 – кусочно-линейный закон

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Основная задача, решаемая при пуске, – получение плавного нарастания тока, момента и частоты вращения двигателя. При использовании ТПУ она обеспечивается плавным нарастанием напряжения на двигателе, изменяющегося по выбранному закону. На рис. 3 приведены типичные кривые изменения напряжения на двигателе в режиме пуска. ТПУ позволяет начать пуск двигателя не при нулевом, а при некотором начальном моменте, величина которого задается уровнем начального напряжения (U1 на рис. 3).
Для механизмов с фрикционным характером нагрузки может применяться пуск с одним или несколькими начальными импульсами тока (так называемый «кик-старт») (рис. 4), применение которого позволяет устранить проскальзывание шкивов и фрикционов.
При ограничениях по мощности силовой питающей сети ТПУ может работать в режиме ограничения (стабилизации) пускового тока, величина которого выбирается из условий создания момента, достаточного для приведения механизма во вращение, с одной стороны, и исключения недопустимой перегрузки питающей сети – с другой.
Регулирование напряжения при останове позволяет так же, как и при пуске сформировать требуемые динамические характеристики привода. Плавное уменьшение напряжения на двигателе (кривая 1 на рис. 5) исключает возникновение опасных перенапряжений и, как следствие, приводит к большему сроку службы изоляции по сравнению с отключением контактной аппаратурой. При использовании ТПУ для привода насосного оборудования применение специального алгоритма торможения двигателя (кривая 2 на рис. 5) позволяет исключить обратный гидродинамический удар и удар обратного клапана. В ряде устройств реализовано торможение двигателя постоянным током, а при реверсивном исполнении – торможение противовключением по специальному алгоритму.
По окончании процесса пуска тиристоры переводятся в режим постоянного включения или могут шунтироваться специальным контактором (на рис. 2 – контакты 1К, 2К, 3К), который подключает двигатель напрямую к сети. Применение шунтирующего контактора позволяет повысить КПД устройства, увеличить срок службы тиристоров и исключить влияние полупроводниковых элементов на сеть. Некоторые производители рекламируют наличие в ТПУ режима энергосбережения, хотя только некоторые из них её действительно имеют. В соответствии с алгоритмом, принятым изготовителем, ТПУ в зависимости от нагрузки двигателя и режима работы электропривода регулирует напряжение на двигателе, минимизируя потребление электродвигателем активной и реактивной мощностей [4]. Как показала практика, установка ТПУ с функцией энергосбережения на механизмах с переменной нагрузкой на валу позволяет сократить на некоторых механизмах (ленточные машины, фрезерные станки) потребление активной энергии до 15%, реактивной энергии – до 30–50%. При этом следует учитывать, что включение этой функции для асинхронных двигателей (АД) мощностью более 20–30 кВт не приносит существенной экономии, а в некоторых случаях может вызвать и увеличение потребления за счет несинусоидальности кривых напряжения и тока на двигателе [4].

ФУНКЦИИ ЗАЩИТЫ

Дополнительно к функциям управления пусковыми режимами и режимами останова, 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 [5]. 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 потребителей 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.

Сферы применения

Практически невозможно определить отрасль промышленности, в которой бы не нашли применение ТПУ. Так, в технологическом оборудовании, служащем для обработки волокнистых материалов (ленточные, ровничные, прядильные, чесальные машины и т.д.), применение плавного пуска без управления торможением позволяет резко снизить обрывность нити и тем самым улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выпуск за счет сокращения расхода сырья и материалов.
В деревообрабатывающем производстве ТПУ находят применение как на приводах конвейеров для исключения динамических ударов транспортирующего элемента, так и в прессовом производстве, где происходит частое включение насоса, создающего давление (цикл прессования 5–7 мин.).
При работе двигателя с механизмами, работающими на линию с противодавлением, в свою очередь очень важно притормозить двигатель при его останове. Например, использование плавного пуска и торможения у насосных агрегатов позволяет избавиться от гидравлических ударов в трубопроводе и быстрого выхода из строя обратных клапанов, у ленточных транспортеров – от обрыва ленты, у подъемников – повысить комфортность перевозки людей.