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 двух двигателей

1. Предоставляя свои персональные данные при регистрации на сайте, Пользователь даёт Оператору своё согласие на обработку и использование своих персональных данных согласно ФЗ № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006 г. различными способами в целях, указанных в настоящих Правилах.

2. Под персональными данными понимается любая информация, относящаяся к прямо или косвенно определенному или определяемому физическому лицу (субъекту персональных данных) и которая может быть использована для идентификации определенного лица либо связи с ним.

3. Персональные данные Пользователей хранятся исключительно на электронных носителях и обрабатываются с использованием автоматизированных систем

4. Оператор использует персональные данные Пользователя в целях:
— регистрации Пользователя на Сайте;
— получения Пользователем запрашиваемой информации об услугах Оператора;
— получения Пользователем персонализированной рекламы;
— для выполнения своих обязательств перед Пользователем.

5. Оператор обязуется не разглашать полученную от Пользователя информацию. При этом не считается нарушением обязательств разглашение информации в случае, когда обязанность такого раскрытия установлена требованиями действующего законодательства РФ.

6. Обработка персональных данных Пользователя осуществляется без ограничения срока, любым законным способом, в том числе в информационных системах персональных данных с использованием средств автоматизации или без использования таких средств

7. Оператор осуществляет блокирование персональных данных, относящихся к соответствующему Пользователю, с момента обращения или запроса Пользователя или его законного представителя либо уполномоченного органа по защите прав субъектов персональных данных на период проверки, в случае выявления недостоверных персональных данных или неправомерных действий.

8. Персональные данные пользователя уничтожаются при:

— самостоятельном удалении Пользователем данных со своей персональной страницы с использованием функциональной возможности «удалить аккаунт», доступной Пользователю при помощи настроек профиля;
— удалении Оператором информации, размещаемой Пользователем, а также персональной страницы Пользователя в случаях, установленных договором купли продажи (оферта);
— при отзыве субъектом персональных данных согласия на обработку персональных данных.

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:

Как выбрать устройство плавного пуска — общие сведения, производители

Работа любых двигателей сопряжена с возникновением в сети пусковых токов, которые могут в разы превышать рабочие величины. Такая ситуация несет существенную угрозу и для обмоток электродвигателя, и для питающей ее линии. Помочь решить вопрос может специальное приспособление, которое предотвращает скачкообразное нарастание. Поэтому далее мы рассмотрим, как выбрать устройство плавного пуска для подключения разнообразного оборудования.

Общие сведения об УПП

Современные устройства плавного пуска обеспечивают не только постепенное нарастание токовой нагрузки, но и ряд других полезных функций: контроль параметров подключенного электрического двигателя, изменение условий остановки, защитное отключение при перегрузке и многое другое. Конструктивно устройство плавного пуска представляет собой полупроводниковые элементы, способные переходить в открытое или закрытое состояние, ограничивая нагрузку. Дополнительно они могут комплектоваться силовыми контактами, дисплеями, расцепителями и другими компонентами.

Применение устройств плавного пуска электродвигателей необходимо применять в следующих ситуациях:

• При наличии мощных электрических машин, особенно трехфазных асинхронных., отличающихся большими токами. Для них нормальный режим работы будет сопровождаться ложными срабатываниями автоматики, заметной просадкой напряжения и другими неприятностями, влияющими на нормальную работу смежных приборов.
• Если технологические операции не допускают рывковых движений. К примеру, прямой пуск конвейера может привести к поломке или остановке производства, как при старте, так и на этапе торможения.
• Перегрузка электрических сетей, в которых токи и без того превышают номинальные режимы. В момент пуска асинхронных двигателей может произойти отжиг проводов, перегрев трансформаторов или срабатывание автоматики на ТП и КТП.
• Затяжное время прямого запуска, который дополнительно осложняет процесс разгона двигателя.

Если в ваших сетях присутствует хотя бы один из факторов, вам понадобится устройство плавного запуска, от которого будет зависеть надежность и устойчивость функционирования всей системы. Ярким примером выступает пуск прокатного станка, схема УПП такого приведена ниже:

Рис. 1. Применение устройства плавного пуска

Устройство плавного пуска устанавливается перед электрической машиной, чтобы контролировать ток в обмотках двигателя. Как видите из токовой и частотной диаграммы ниже, частота набирается постепенно, как и ток создает несколько скачков, но не более предела, установленного на устройстве плавного пуска.

Выбор такого ответственного узла следует осуществлять среди проверенных производителей.

Лучшие производители

Главное требование к устройству плавного пуска – надежность и длительность эксплуатации. Поэтому выбирая конкретную модель, важно определиться с наиболее популярными производителями, их перечень приведен в таблице ниже:

Таблица 1: сравнение производителей устройств плавного пуска

Наименование компании	Краткое описание продукции
Schneider Electric	Представляет линейку УПП Altistart как цифрового, так и аналогового исполнения с большим количеством вспомогательных функций.
Siemens	Один из лучших немецких производителей. УПП от Siemens отличаются высокой надежностью и такой же стоимостью.
ABB	Также один из лучших производителей, выпускает УПП с широкими функциональными возможностями.
Carlo Gavazzi	Один из ведущих итальянских производителей, отличается удобным пуском и простой системой настройки.
Danfoss	Отличается простотой монтажа и хорошим функционалом для подключения электрических машин разной мощности.

Основные критерии выбора

Плавный пуск можно реализовать различными способами и темпами нарастания электротока. Поэтому первое, от чего нужно отталкиваться – параметры работы асинхронных электродвигателей.

Среди них вам пригодятся:

• Значение тока при запуске электродвигателя, который удобнее всего измерить клещами эмпирическим методом. В лабораторных условиях применяются специальные приборы, фиксирующие максимум, они куда точнее, но и стоят дороже.
• Рабочий ток – необходим для определения соотношения нагрузок устройства плавного включения.
• Время пуска – временной промежуток, за который мотор набирает номинальную частоту и выравнивается до номинального тока.
• Время остановки – регламентируется не всеми техпроцессами, так как не в каждом случае требуется плавная остановка.

Также важно определять количество включений за единицу времени, в среднем, устройство плавного пуска необходимо при 2 – 3 манипуляциях за час. Тогда затраты на приобретение и установку однозначно окупятся за счет экономии моторесурса трехфазного электродвигателя.

Выбор по классификации пуска

Следующим критерием для выбора устройства плавного запуска будет степень тяжести запускаемого агрегата.

Согласно принятой классификации выделяют три категории:

• Легкий пуск – считается такая ситуация, при которой пусковая отличается от номинальной мощности не более чем в 3 раза. Сюда относятся приспособления со слабой механической нагрузкой – вентиляторы, насосы, двигатели с холостым пуском и прочие.

Рис. 2. Пример легкого пуска

• Средний пуск – вариант, когда претерпевается перегрузка в 4 раза и время запуска является достаточно продолжительным, от 30 до 50 секунд. К ним относятся различные смесители, дробильные установки, некоторые конвейеры и т.д.
• Тяжелый пуск – сюда относятся агрегаты, выдающие 6-7 кратное превышение. Это всевозможные крановые электрические машины и лебедки с изначальной нагрузкой, сепараторы, шнековое оборудование, насосы и т.д.

Расчет категории выполняется путем деления тока при запуске на рабочий ток в номинальном режиме. Если величина перегрузки окажется слишком большой, то помимо мягкого пуска вам нужно будет использовать еще и частотное регулирование.

Способ управления

В зависимости от способа включения и отключения устройства плавного запуска они подразделяются на аналоговые и цифровые. Сегодня на рынке практически невозможно приобрести аналоговый УПП, так как производители используют электронику. Аналоговое устройство функционирует посредством потенциометра и переключателя. За основу цифрового взято микроконтроллер, оценивающий текущую ситуацию в сети и подающий управляющие команды.

Цифровые модели оснащаются всевозможными анализаторами, системами контроля рабочих параметров, защитами и т.д. Некоторые из них оснащаются функцией удаленного доступа и все процессы можно видеть и регулировать с помощью мобильного приложения.

Рис. 3. Цифровое устройство плавного пуска с программируемыми функциями

Отдельно обратите внимание на следующие функции, которые могут вам пригодиться для реализации тех или иных технологических операций:

• защита от перегрузки – неотъемлемая составляющая большинства устройств плавного пуска;
• блок плавного разгона электродвигателя – требуется для предотвращения рывков на начальном этапе.;
• блок импульсного разгона, когда первый толчок вала осуществляется на максимальном моменте, чтобы сдвинуть его с большой нагрузкой;
• плавное торможение – нужен в тех ситуациях, когда от способа остановки двигателя зависит возможность повторного запуска или техпроцесс не допускает резкого прерывания;
• защиты от перекоса по фазам, обрыва линии, снижения рабочих токов или падения частоты.

Функция шунтирования

При постоянной работе электродвигателя, устройство плавного запуска воспринимает его рабочую нагрузку, пропуская через основную линию. От этого полупроводниковый переход подвергается преждевременному изнашиванию, что обуславливает сокращение срока службы. Для предотвращения подобного эффекта после запуска электрического мотора происходит шунтирование устройства плавного пуска контактами пускателя.

Такая опция актуальна для электрических машин с большими номиналами рабочих токов. Некоторые модели устройств плавного запуска укомплектованы такими контакторами с завода, для других шунт устанавливается отдельно, пример раздельной установки показан на рисунке ниже:

Рис. 4. Устройство плавного пуска с отдельными контакторами

После шунтирования питание на электрическую машину будет подаваться напрямую от сети.

Количество фаз

По числу фаз устройство плавного пуска подразделяется на двухфазные и трехфазные, в каждом из них задействуется две или три фазы соответственно. В первом варианте пуск осуществляется через две фазы, а третью подключают к электрической машине напрямую. Недостатком двухфазных моделей для плавного пуска является несимметричность системы, но такие устройства обладают более низкой ценой и меньшими габаритами.

Трехфазные агрегаты плавного пуска более дорогие, но их работа полностью симметрична, их применение оправдано для процессов с частыми коммутациями и тяжелой нагрузкой.

Существует категория компактных устройств, работающих напрямую от бытовой сети. Они предназначены для пуска маломощный домашних установок.