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.

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:

Устройство плавного пуска (УПП)

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

Включение 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.