Устройство плавного пуска для асинхронного двигателя

Асинхронные электрические машины с короткозамкнутым ротором имеют достаточно низкую стоимость, оптимальное соотношение “мощность-масса”. Их также отличает простота обслуживания и ремонта, надежность. Один из основных недостатков двигателей этой конструкции – увеличение тока в 5-10 раз при пуске. При этом величина напряжения в сети уменьшается. Для устранения нежелательных явлений применяют различные устройства и схемы подключения электродвигателей.

Необходимость плавного запуска

При плавном запуске асинхронного двигателя возможно снизить недостатки таких электрических машин и обеспечить:

• Снижение затрат на ремонт. Пусковые токи вызывают перегрев обмотки, что существенно снижает эксплуатационный ресурс машин.
• Отсутствие рывков. Резкий старт двигателя приводит к увеличению износа шестеренчатых передаточных механизмов, гидроударам в сети подачи жидкости, другим нежелательным последствиям.
• Снижение потребляемой электроэнергии. Прямой пуск вызывает дополнительные энергозатраты. Кроме того, просадки напряжения в условиях ограниченной мощности сети отрицательно влияют на все подключенные устройства.
• Уменьшение расходов на оборудование коммутации. Электротехнические устройства для асинхронного привода выбирают с большим запасом мощности. Плавный пуск позволяет подключать более дешевые аппараты коммутации и защиты.

Плавный старт и разгон существенно расширяет сферы применения асинхронных электродвигателей.

Способы пуска асинхронных электродвигателей

Для запуска асинхронных двигателей используется разные методы. На практике наибольшее распространение получили следующие способы:

ПУСК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Асинхронные электрические двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря своей крайней простоте получили широкое распространение, особенно в трехфазных сетях, где им не требуются дополнительные пусковые или смещенные по фазе обмотки.

При правильной эксплуатации асинхронный электродвигатель становится практически вечным – единственное, что в нем может потребовать замены, это подшипники ротора.

Однако ряд особенностей асинхронных двигателей определяет специфику их пускового режима: отсутствие обмотки якоря означает отсутствие противоЭДС индукции в момент включения обмоток статора, а следовательно – высокий пусковой ток.

Если для маломощных электрических двигателей это не критично, то в промышленных электродвигателях пусковые токи могут достигать очень высоких значений, что приводит к просадкам напряжения в сети, перегрузкам подстанций и электропроводки.

ПРЯМОЙ ПУСК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Как уже было сказано выше, прямое включение обмотки асинхронного двигателя может применяться только при низкой мощности. В этом случае пусковой ток превышает номинальный в 5-7 раз, что не является проблемой для коммутационного оборудования и электропроводки.

Включение в сеть нового электродвигателя может вызвать настолько сильную просадку напряжения, что уже работающие двигатели остановятся, а новому мотору не хватит пускового момента, чтобы стронуться с места.

Пусковой ток асинхронного двигателя достигает максимального значения в момент включения и плавно снижается до номинального по мере раскрутки ротора.

Следовательно, для уменьшения времени перегрузки сети асинхронный двигатель должен включаться с минимальной нагрузкой, если это возможно.

Мощные токарные станки, гильотины для рубки металла не имеют фрикционных муфт, и все их вращающиеся механизмы раскручиваются в момент включения электродвигателя.

В этом случае длительные просадки напряжения приходится прямо закладывать в проектируемое для них электроснабжение.

ПЛАВНЫЙ ПУСК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Логичным способом снижения пускового тока стало снижение напряжения, подаваемого на статор в момент запуска, с его постепенным увеличением при разгоне двигателя.

Также могут использоваться и дроссели высокой индуктивности (реакторы), а также автотрансформаторы.

Подобный способ плавного пуска имеет очевидные недостатки:

Работа контакторов не привязывается к реальному значению тока, они либо переключаются вручную, либо перебираются с помощью реле времени автоматически.

Усложнение пуска под нагрузкой.

Так как крутящий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения питания, снижение напряжения в момент пуска в 2 раза приведет к снижению крутящего момента в 4 раза. Применение плавного пуска с электродвигателями, напрямую подключенными к нагрузке, значительно увеличивает время выхода на рабочие обороты.

Совершенствование силовой электроники позволило создать компактные автоматические устройства плавного пуска (также называемые софтстартерами от английского soft start – «мягкий пуск») для асинхронных электродвигателей, устанавливаемые на стандартную монтажную рейку электрощитов.

Они обеспечивают не только плавный разгон, но и торможение двигателя, позволяя регулировать параметры токов пуска и остановки в различных режимах:

В момент запуска ток ограничивается на заданном превышении номинального и удерживается на этой величине все время разгона двигателя. Обычно используется ограничение на уровне 200-300% номинального тока. Перегрузка становится малозначительной, хотя ее длительность возрастает.

В данном случае токовая кривая в момент включения двигателя имеет больший наклон, после чего софтстартер переходит в режим токоограничения.

Такой метод плавного пуска применяется при подключении к маломощным подстанциям или генераторам для снижения стартовой нагрузки, однако пусковой момент электродвигателя в данном случае минимален. Для устройств, лишенных холостого хода электродвигателя, использовать формирование тока с пологой стартовой кривой невозможно.

Ускоренный пуск (кик-старт).

Применяется с двигателями, напрямую приводящими нагрузку, так как иначе их пусковой крутящий момент может оказаться недостаточным для страгивания ротора.

В этом случае устройство плавного пуска допускает кратковременное превышение пускового тока в несколько раз (фактически осуществляется прямая коммутация), по истечении заданного времени ток снижается до двух-трехкратного превышения номинала.

Останов на выбеге.

При отключении двигателя напряжение с него снимается полностью, вращение якоря продолжается по инерции. Наиболее простой способ коммутации, применимый при небольших мощностях и малой инерции привода.

Однако в момент разрыва цепи происходит сильный индуктивный выброс, приводящий к сильному искрению в контакторах. На мощных электродвигателях, а также при высоких рабочих напряжениях данный способ отключения неприемлем.

Линейное снижение напряжения.

Применяется для более плавной остановки двигателя. Нужно помнить, что крутящий момент двигателя при этом снижается нелинейно из-за квадратичной зависимости момента от напряжения, то есть снижение момента происходит наиболее резко в начале кривой.

Отключение питания происходит при минимальном токе в обмотке, соответственно коммутирующие выключатели практически не изнашиваются образованием искры между контактами.

Для снижения нагрузок при остановке применяется управляемое снижение напряжения:

• вначале ток снижается минимально;
• затем кривая начинает снижаться круче.

Снижение крутящего момента электродвигателя при этом близко к линейному. Этот способ управления остановом электродвигателя применяется в устройствах с высокой инерционностью привода.

При использовании такого рода устройств плавного пуска пусконаладочные работы заключаются в настройке нужного типа кривой пускового тока и, в случае использования режимов формирования тока или ускоренного старта, настройке длительности временного интервала начального участка кривой.

Применение устройств плавного пуска позволяет автоматизировать пусковой режим, но его главный минус остается – либо приходится закладывать в устройство возможность холостого хода электродвигателя, либо допускать кратковременные перегрузки сети, раскручивая мотор и нагрузку с кик-стартом.

ПУСК ПО СХЕМЕ ЗВЕЗДА-ТРЕУГОЛЬНИК

Другим способом запуска, использующимся на трехфазных двигателях, является перекоммутация обмоток: в момент пуска обмотки соединяются звездой, по мере разгона ротора обмотки переводятся в нормальное включение треугольником.

Такой метод пуска фактически является частным случаем способа пуска асинхронного электродвигателя на пониженном напряжении, так как напряжение на обмотках при этом снижаетсяпримерно в 1,73 раза.

Подобный способ пуска может быть легко реализован с помощью набора контакторов с ручным управлением или с приводом от реле времени, поэтому достаточно дешев и распространен. Основные недостатки этого способа:

1. При отказе одного из контакторов произойдет нарушение коммутации, в результате чего либо станет невозможным пуск, либо значительно снизится мощность двигателя.
2. Снижение напряжения и тока является фиксированным.
3. Крутящий момент двигателя при включении обмоток звездой уменьшается, поэтому запуск желательно также производить без нагрузки.

ПУСК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ЧЕРЕЗ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Наиболее гибкий способ управления не только режимом пуска, но и рабочими характеристиками асинхронного электродвигателя – это применение частотного преобразователя. По своей сути частотный преобразователь представляет собой узкоспециализированный инвертор:

• входное напряжение в нем выпрямляется;
• затем заново преобразуется в переменное, но уже с заданной частотой и амплитудой.

Это происходит благодаря работе генератора широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который создает серию прямоугольных импульсов заданной частоты и скважности (отношения длительности импульса к его периоду). Генерируемые импульсы управляют силовыми ключами, коммутирующими выпрямленное напряжение питания на обмотки выходного трансформатора.

Как осуществляется плавный пуск через частотный преобразователь?

В данном случае становится возможным плавное изменение не только напряжения, но и частоты питающего электродвигатель напряжения. Благодаря тому, что ШИМ-генератор частотного преобразователя легко может управляться с обратной связью по потребляемому току, становится возможным пусковой режим, в котором ток не превышает номинальный – таким образом перегрузка питающей сети фактически отсутствует.

Однако такой пусковой режим требует значительного усложнения частотного преобразователя, поэтому для управления асинхронными электродвигателями обычно используется комбинация с отдельным устройством плавного пуска (УПП).

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Устройство и схема плавного пуска асинхронного электродвигателя

Плавный пуск асинхронного электродвигателя необходим для продления его срока эксплуатации и минимизации работ, связанных с устранением возможных поломок.

Необходимость плавного запуска

Для того чтобы обеспечить необходимую пусковую мощность, следует увеличить номинальную мощность питающей сети. По этой причине оборудование может значительно подорожать. Причем очевиден и перерасход электроэнергии.

Одним из недостатков асинхронного электродвигателя является большой ток пуска. Он превышает номинальный в 5 — 10 раз. Ток с большими бросками может также возникнуть при торможении двигателя или при его реверсе. Это ведет к нагреву обмоток статора, а также слишком больших электродинамических усилий в частях статора и ротора.

Если вследствие возникшей аварийной ситуации двигатель перегрелся и вышел из строя всегда рассматривается возможность его ремонта. Но после перегрева параметры трансформаторной стали изменяются. Отремонтированный электродвигатель обладает номинальной мощностью на 30% меньшей, чем у него была ранее.

Для того чтобы ток ограничить используют пусковые реакторы, автотрансформаторы, резисторы и устройства плавного пуска двигателей — софт-стартеры.

Прямой запуск

В электросхеме прямого пуска машина непосредственно подключена к сетевому напряжению питания.

На схеме выше показана характеристика пускового тока при прямом старте. При таком подключении повышение температуры в обмотках машины минимальное.

Подключение осуществляется с помощью контактора (пускателя). В схеме применяется реле перегрузки для защиты электродвигателя. Однако такой метод применим, когда нет ограничений по току.

Во время старта машины пусковой момент ограничивают, чтобы сгладить резкий рывок, вследствие которого могут выйти из строя механические части привода и подсоединенные механизмы.

По этой причине производители крупных электродвигателей запрещают их прямой пуск.

Подключение «звезда-треугольник»

Одним из основных способов запуска машины является электросхема «звезда-треугольник». Такой старт возможен, для двигателей, у которых все начала и концы обмоток выведены.

Управление стартом по этой схеме состоит из трех контакторов, реле перегрузки и реле времени, управляющим контакторами.

Первоначально коммутация с сетью происходит по схеме «звезда». Контакторы К1 и К3 замкнуты. Затем, через определенное время, обмотки переключаются автоматически на схему «треугольник». Контакты К3 размыкаются, а контакты К2, наоборот, замыкаются. Реле времени в электросхеме служит для управления их переключением. На нем выставляется время разгона двигателя. При этом пусковые токи существенно снижаются.

Такой способ эффективен, но применяется он не всегда.

Старт через автотрансформатор

Однако здесь есть и недостаток. В процессе работы машина переключается на сетевое напряжение, что приводит к резкому скачку тока.

Устройства плавного пуска

В условиях плавного старта асинхронной машины с использованием в электросхеме силового блока тиристоров подается ток несинусоидальной формы. Ускорение и торможение происходят за короткий промежуток времени. Многие собирают устройство плавного пуска своими руками. Это намного снижает его цену.

В этой схеме тиристоры подключены в цепи параллельно по встречному принципу. К общему электроду поступает управляющее напряжение. Такое устройство принято называть симистором. В случае трехфазной системы он присутствует в каждом проводе.

Для того чтобы отвести тепло, выделяемое при нагревании полупроводников, применяются радиаторы. Габариты, вес и цена устройств при этом возрастает.

Существует и другой вариант для решения проблемы нагрева. В схему подключают шунтирующий контакт. После старта контакты замыкаются. В этом случае возникает параллельная цепь, сопротивление которой меньше сопротивления полупроводников. А ток, как известно, выбирает путь наименьшего сопротивления. Пока происходит этот процесс, симисторы остывают. Пример такого подключения приведен ниже на рисунке.

Типы устройств плавного старта

Их можно разделить на четыре категории.

• Регулирующие пусковой момент. Принцип действия их таков, что они осуществляют контроль одной фазы. Но при контроле плавного старта не снижают пусковые токи. Поэтому спектр применения их ограничен.
• Регулирующие напряжение с отсутствием сигнала обратной связи. Работают они по заданной программе и являются одними из самых распространенных в использовании.
• Регулирующие напряжение с сигналом обратной связи. Их принцип действия — способность менять напряжение и регулировать величину тока в заданном диапазоне.
• Регулирующие ток с наличием сигнала обратной связи. Являются самыми современными из всех устройств подобного типа. Обеспечивают наибольшую точность управления.

Софт-стартеры

Современные устройства плавного пуска выполнены, на микропроцессорах. И это существенно увеличивает их функциональные возможности по сравнению с аналоговыми. Эти устройства называют софт-стартерами. Они увеличивают срок службы исполнительных механизмов и самих электродвигателей.

С ними старт электродвигателя происходит с постепенным увеличением напряжения. Кроме этого, регулируется время разгона и время его торможения. Для того чтобы пониженное начальное напряжение не могло в электросхеме значительно снизить пусковой момент, его устанавливают в диапазоне 30 — 60% от номинального.

Плавная регулировка напряжения дает возможность плавного ускорения двигателя до номинальной скорости.

Необходимо отметить, что с применением софт-стартеров уменьшилось количество реле и контакторов в электрической цепи. Само по себе устройство софт-стартеров не является сложным. Они просты в монтаже и эксплуатации. Электросхема подключения показана на рисунке справа.

Однако существует ряд особенностей, которые обязательно следует учитывать при их выборе.

• Первое — это обязательный учет тока асинхронной машины. Поэтому выбор софт-стартера необходимо осуществлять учитывая полный ток нагрузки, не превышающий тока предельной нагрузки самого устройства,
• Второе — максимальное число стартов в час. Как правило, оно ограничено софт-стартером. Число запусков в час самой машины не должно превышать этот параметр,
• Третье — это напряжение самой электрической сети. Оно должно соответствовать паспортному значению устройства. Несоответствие может привести к его поломке.