Устройства плавного пуска электродвигателей с фазным ротором

Пуск двигателя осуществляется путем подключения пусковых резисторов в цепь ротора тиристорным коммутатором (БПУФ, КПУФ, УПТФ), или введением в цепь ротора противо-ЭДС тиристорным инвертором по схеме АВК, обеспечивающей бесступечатый пуск и рекуперацию энергии скольжения в электросеть (ККПУФ).

БПУФ – Блочное устройство плавного пуска двигателей с фазным ротором. Собственная разработка, отличающаяся современным исполнением и надежностью.

Содержит тиристорный коммутатор для подключения пусковых резисторов, схему управления и контроля пусковых аппартов.

КПУФ – Комлектное устройство плавного пуска. Реализовано на базе БПУФ и включает:

• БПУФ
• шкаф
• автомат
• контактор подключения статора
• шунтирующий контактор
• пусковые резисторы
• систему вентиляции
• аппаратуру дистанционного управления пуском

Отличаются законченностью конструкции и простотой подключения.

КПУФ-Т0 (УПТФ) – современный функциональный аналог устройств УПТФ. Подходит в т.ч. для многодвигательных применений.

Комплектное устройство плавного пуска, выполненное по схеме ассинхронно-вентильного каскада. Обеспечивает бесступенчатый пуск с ограничением пускового тока.

Каждая серия выпускаются в различных модификациях (на различные напряжения и мощности) и может оснащаться доплнительными функциями.

Устройства обеспечивают:

• плавный, безударный пуск
• динамическое торможение постоянным током (опционально)
• ограничение максимального пускового тока
• реверс (опционально)
• защиту двигателя
• возможность дистанционного управления пуском

Доступно и эффективно решают задачи надежной и бесперебойной работы различного оборудования, оснащенного двигателями с КЗ ротором: насосов, компрессоров, вентиляторов, мешалок, дробилок, конвееров и т.п.

Сотни устройств плавного пуска «Элимс» используются на многих предприятиях России и СНГ.

Устройство плавного пуска для кранового двигателя с фазным ротором

Общие сведения

Устройство пусковое роторное серии УПРФ (аналог КПУФ) предназначено для пуска асинхронных электродвигателей с фазным ротором, с током ротора от 250 до 2500 А и напряжением ротора до 1500 В. Устройство обеспечивает оптимальный (щадящий) пуск двигателей с фазным ротором. Переключение ступеней пускового резистора обеспечивается тиристорным коммутатором в функции времени.

Структура условного обозначения

• УПРФ-Х УХЛ4: УПРФ — устройство пусковое роторное для электродвигателей с фазным ротором;
• Х — типовой ток пускового устройства, А (250; 630; 1600;2500);
• УХЛ4 — климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Условия эксплуатации

• Высота над уровнем моря не более 1000 м.
• Температура окружающей среды от 1 до 40°С.
• Относительная влажность воздуха не более 80% при температуре 25°С.
• Окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металл и изоляцию, при отсутствии непосредственного воздействия солнечной радиации. Содержание нетокопроводящей пыли в помещении не более 2 мг/м 3 .
• Группа механического исполнения М3 по ГОСТ 17516.1-90.
• Рабочее положение в пространстве вертикальное, допускается отклонение от рабочего положения не более 5° в любую сторону.
• Степень защиты шкафа IР20 по ГОСТ 14254-96.
• Охлаждение воздушное естественное.
• Требования техники безопасности по ГОСТ 12.2.007.11-75 и ГОСТ 12.2.007.7-83.
• Устройства соответствуют требованиям ОТЛ. 539.002 ТУ. ОТЛ.539.002 ТУ

Технические характеристики

Питание цепей управления, автоматики и катушки контактора осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц. В отдельных случаях, оговоренных в документации, питание катушки контактора выполняется однофазным напряжением 380 В переменного тока.
Основные технические параметры приведены в таблице.
Число ступеней пускового резистора NR=4-7 (в зависимости от требований заказчика к плавности разгона). Число ступеней разгона — NR+1. Время включения каждой ступени может быть установлено с точностью 0,1 с в диапазоне от 0,1 до 99,9 с.
Примечание. Тип, количество, величина сопротивлений резисторов, время включения каждой ступени подбираются по условиям достижения оптимального режима пуска двигателя с конкретным приводным механизмом.
Гарантийный срок — 2 года со дня ввода устройств в эксплуатацию, но не более 3 лет со дня отгрузки потребителю при условии соблюдения потребителем условий эксплуатации, транспортирования и хранения.

Конструкция и принцип действия

Пусковые устройства с четырьмя ступенями пускового резистора размещены в одном шкафу (рис. 1), устройства с 5-7 ступенями — в двух шкафах. В первом шкафу размещены схема управления, релейная панель, диодный мост, тиристорный коммутатор, автоматический выключатель и контактор, во втором шкафу — пусковой резистор. Исполнение шкафов с двухсторонним обслуживанием. Габаритные и установочные размеры второго шкафа зависят от количества пусковых резисторов.

Габаритные и установочные размеры пусковых устройств серии УПРФ с четырьмя ступенями пускового резистора Масса не более 380 кг
Функциональная схема пусковых устройств с четырьмя ступенями пускового резистора приведена на рис. 2.

Функциональная схема пусковых устройств серии УПРФ с четырьмя ступенями пускового резистора

Силовая схема устройств содержит мостовой диодный выпрямитель VD6-VD11, который подключается к выводам контактных колец электродвигателя. Выпрямитель нагружен на пусковой резистор, разделенный на секции R1-R4, подключенные через тиристоры VS1-VS3 к общей минусовой шине выпрямителя. По мере разгона электродвигателя тиристоры включаются поочередно, шунтируя секции пускового резистора. Включение тиристоров происходит последовательно через заранее установленные промежутки времени, которые задаются уставками реле времени (РВ). Ток в общей цепи пусковых резисторов и токи в цепях тиристоров контролируются датчиками герконовыми токовыми реле К9-К12. Включение реле времени производится по команде от первого датчика тока К9. Выходные цепи всех датчиков тока и блок-контакты шунтирующего контактора КМ18 подключены к блоку сигнализации (БС), который указывает номер включенной ступени пускового резистора и сигнализирует о конце пускового режима. Ток в управляющие цепи тиристоров поступает из формирователя тока управления (ФТУ), содержащего накопительные конденсаторы и разрядные оптронные тиристоры. В конце пуска производится шунтирование роторной обмотки контактами контактора КМ18. При включении контактора отключаются реле времени и ФТУ. Отключение контактора производится при отключении схемы управления блок-контактами высоковольтного (масляного) выключателя статора электродвигателя.
Для включения асинхронного электродвигателя с фазным ротором пусковые устройства содержат ключ управления.

Устройства имеют защиты от:

• потери напряжения оперативной цепи 220 В частотой тока 50 Гц;
• затянувшегося пуска;
• превышения времени включения отдельных ступеней пускового резистора;
• перенапряжений в цепи ротора;
• короткого замыкания в диодном выпрямителе.

Устройства обеспечивают сигнализацию с выводом информации на дверь шкафа: о включении ступеней пускового резистора и контактора, о наличии напряжения оперативной цепи 220 В частотой тока 50 Гц, о состоянии высоковольтного выключателя электродвигателя, о включении защиты и с выводом на клеммную колодку: о включении реле защиты, о наличии оперативного напряжения, о включении контактора. Устройства обеспечивают контроль тока статора электродвигателя и управление включением электродвигателя непосредственно со шкафа устройства или дистанционно (в режиме разрешения). Устройства содержат схему опробования пусковой схемы при отключенной статорной цепи двигателя.

В комплект поставки входят: устройство; комплект запасных частей согласно ведомости ЗИП; техническое описание и инструкция по эксплуатации; паспорт.

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:

Применение реверсивных устройств плавного пуска БиСТАРТ-Р для модернизации кран-балок и кранов

ИНСТРУКЦИИ:

Краны (перемещение): до 7.5кВт, 15..55кВт

1. Проблемы использования магнитных реверсивных пускателей и контакторов в кранах и кран-балках

В кран-балках и кранах широко применяются магнитные реверсивные пускатели (рис.1). Использование магнитных пускателей имеет ряд проблем:

• Частые включения, запыленность и влажность приводят к подгоранию контактров;
• Неизбежный прогар контакта может привести к двухфазному режиму и отказу электродвигателя;
• В ряде случаев подгоревшие контакты могут свариваться и приводить к опасному залипанию магнитного пускателя;
• Ударный прямой пуск приводит к разбиванию шпонок и редукторов;
• Ударный прямой пуск приводит к раскачиванию груза;

а) б)

Рис.1. Схема силовой цепи с реверсивным магнитным пускателем
а) схема для электродвигателя с короткозамкнутым ротором
б) схема для электродвигателя с фазным ротором

Для решения указанных проблем применяют 2 типа устройств — частотные преобразователи (регуляторы частоты) и в более редких случаях устройства плавного пуска (большинство импортных устройств плавного пуска не предназначены для частых пусков и не имеют функции реверса).

Компания НПФ «Битек» с 2007-го года предлагает собственное решение – реверсивные устройства плавного пуска и динамического торможения серии БиСТАРТ-Р

Для маломощных талей и кран-балок (грузоподъемностью до 2 тонн) в качестве бюджетного решения могут применяться нереверивные устройства МСТ-Н29 серии МикроСТАРТ-Н, которые работают как приставка к существующему магнитному реверсивному пускателю.

Разработаны различные модификации для приводов перемещения, подъема, а также приводов с червячными редукторами. Особенности применения устройств БиСТАРТ-Р для кранов и кран балок по cсылке.

2. Модернизация кранов и кран-балок с использованием реверсивных устройств плавного пуска и торможения БиСТАРТ-Р

Реверсивные устройства плавного пуска и торможения БиСТАРТ-Р представляют собой реверсивные бесконтактные полупроводниковые пускатели с функцией фазового регулирования напряжения на электродвигателе при пуске (плавный пуск) и торможения постоянным током.

Общие преимущества:

■ Надежная тиристорная коммутация пусковых токов для частых включений;

■ Простая установка и настройка вместо любого реверсивного контактора (с катушками 380В, 220В, 42В и др.);

■ Подходит для любых электродвигателей- короткозамкнутых, с фазным ротором, с конусным тормозом.

Для приводов перемещения:

■ Функция плавного нарастания напряжения с ограничением тока обеспечивает плавное ускорение и плавное DC-торможение (постоянным током) для снижения раскачки груза;

■ Функция плавного DC-торможения используется для остановки, а после остановки подключается внешний тормоз, обеспечивая увеличение его ресурса;

Для приводов подъема:

■ Функция смягченного пуска с быстрым нарастанием напряжения (до 0.5 сек) обеспечивает устранение ударных нагрузок в редукторе и шпонках с незначительным влиянием на динамику движения (Внимание! при опускании хрупких грузов (стекло и др.) плавное ускорение/замедление обеспечивают только векторные частотные преобразователи с тормозными блоками и короткозамкнутыми электродвигателями);

■ При опускании груза сохраняется рекуперация в сеть;

■ Сохраняется схема подключения тормоза (электромагнитного, гидротолкателя, конусного);

■ Не снижается грузоподъемность механизма по сравнению с частотным преобразователем;

■ Для защиты от превышения веса груза можно использовать встроенную токовую защиту.

Рис.2 Схема силовой цепи с реверсивным устройством плавного пуска БиСТАРТ-Р

а) с питанием тормоза от клемм электродвигателя
б) с управление тормозом от отдельного пускателя (через реле управления тормозом в БиСТАРТ-Р)
в) применение с двигателем с фазным ротором

Основное применение устройства плавного пуска БиСТАРТ-Р получили для приводов передвижения кранов и кран-балок, т.к. функции плавного пуска и плавного DC-торможения обеспечивают хорошие показатели управления и возможность регулировки скорости методом старт-стоп, который в этом случае не оказывает негативного влияния на ресурс работы механизма.

В приводах подъема для устранения ударных нагрузок на редуктор и шпонки были разработаны специальные модификации для приводов подъема (модификация БСТ-xxР/380-x0В) с раздельной регулировкой времени нарастания напряжения на подъем и опускание (0.1..2 сек на подъем и 0.1..0.5 сек на опускание). Опыт эксплуатации показал, что использование плавного нарастания напряжения за 0.5 сек обеспечивает устранение ударных нагрузок в редукторе без изменения схемы управления тормозом. Для повышения плавности хода возможно использование реле управления тормозом с раздельными регулировками срабатывания реле при подъеме и опускании груза.

Схемная и монтажная взаимозаменяемость с магнитными реверсивными пускателями — ключевое преимущество устройств БиСТАРТ-Р. Провода, подходящие к двум катушкам заменяемого магнитного реверсивного пускателя переподключаются к входам управления устройств БиСТАРТ-Р, которые могут иметь различные исполнения по напряжению: 220..380В, 110В, 42В, 24В. Габаритные размеры устройств БиСТАРТ-Р во многих случаях не превышают габаритов магнитных реверсивных пускателей и могут устанавливаться вместо них в те же шкафы.

Плавный пуск с нарастанием тока по рампе, добавленный в новых моделях вместо стандартного ограничения тока позволяет обеспечить качественный плавный запуск при изменениях нагрузки.

Функция плавного DC-торможения в пускателях БиСТАРТ-Р выполняется по принципу двухполупериодного выпрямления с ограничением тока и обеспечивает качественное мягкое торможение с регулировкой тока торможения. Функция срабатывает после отпускания кнопки и тормозит в течение заданного времени. При наличии внешнего тормоза можно комбинировать работу электронного и механического торможения. Для работы функции торможения не требуются тормозные резисторы, энергия рассеивается в электродвигателе.

Функция плавного останова для червячных механизмов появилась в новых модификациях (БСТ-xxР/380-x0Ч). Несмотря на то, что подавляющее большинство кранов и кран-балок использует планетарные редукторы и в приводах передвижения требуется торможение, в некоторых механизмах используются червячные редукторы и там стоит обратная задача — необходимость устранения ударов из-за самоторможения и использование функции плавного останова методом плавного снижения напряжения за время 1-2 секунды.

Электронные защиты с диагностикой срабатывания — это один из ключевых факторов долговечности работы устройств БиСТАРТ-Р. За время эксплуатации возникают типичные ситуации, которые выводят из строя электродвигатели и сами пускатели — потеря фазы, заклинивания, перегрузка и др. При отсутствии электронных защит работа двигателя на двух фазах может вывести из строя и коммутационную аппаратуру и сам электродвигатель. Электронные защиты с диагностикой максимально снижают вероятность отказа электродвигателя и пускателя в таких ситуациях.

3. Особенности работы механизмов перемещения и подъема

В приводах перемещения нагрузка электродвигателя — это трение качения. При включении вперед и назад нагрузка одинакова и всегда противоположна моменту электродвигателя (рис. 3). Для увеличения времени разгона можно успешно применять как устройства плавного пуска, так и частотные преобразователи.

Рис.3 Механическая характеристика электродвигателя при перемещении и подъеме груза (двигательный режим)

В приводах подъема/опускания движение вверх и вниз принципиально отличаются. Нагрузка электродвигателя — это вес груза и является односторонней.
При движении вверх электродвигатель при пуске и работе создает усилие вверх против веса груза. Динамика разгона определяется разницей между моментом двигателя и моментом нагрузки (рис.3).
При движении вниз в первые моменты после снятия тормоза электродвигатель создает усилие в ту же сторону, что и груз, а после превышения синхронной скорости момент меняет знак и электродвигатель создает тормозной момент, уравнивающийся с весом груза. Происходит рекуперация электроэнергии в сеть и электродвигатель работает как асинхронный генератор (рис. 4). Динамика разгона при пуске опредяляется как сумма пускового момента двигателя и веса груза.

Рис.4 Механическая характеристика электродвигателя при опускании груза (генераторный режим)

Для приводов подъема стандартные устройства плавного пуска с длительным нарастанием напряжения не подходят, т.к. при опускании груза к моменту, когда груз разгоняется до синхронной скорости на электродвигателе должно быть создано полное напряжение и момент. Однако если использовать функцию плавного пуска не для плавного нарастания скорости, а для устранения ударных нагрузок на редуктор, то возможно использовать быстрое нарастание напряжения за 0.2..0.5 сек, а также регулировать момент включения внешнего тормоза. Данный алгоритм обеспечит устранение ударов и мягкий выбор люфтов в редукторе и шпонках. Для этой цели были разработаны специальные модификации устройств БиСТАРТ-Р (модификация БСТ-xxР/380-x0В) с раздельной регулировкой времени нарастания напряжения при подъеме и опускании, и раздельном управлении задержкой включения реле тормоза.

4. Параллельная работа электродвигателей

В приводе хода моста как правило используются 2 или 4 двигателя работающих параллельно. При модернизации крана с использованием софтстартера, частотного преобразователи или реверсивных устройств БиСТАРТ-Р все электродвигатели группы также должны быть подключены к одному устройству.

5. Использование тормозов при модернизации

В стандартной схеме питание электромагнитного тормоза или гидротолкателя осуществляется от клемм электродвигателя. При модернизации с использованием устройств плавного пуска или частотных преобразователей к тормозам должен быть проложен отдельный кабель и установлен отдельный пускатель, управляемый от встроенного реле устройства плавного пуска или частотного преобразователя.

Сохранить схему тормоза можно только в случае использования реверсивных устройств БиСТАРТ-Р в специальных модификациях для приводов подъема (БСТ-xxР/380-x0В), где время нарастания напряжения можно настроить в узком диапазоне 0.1..0.5 сек.

В в приводах подъема со встроенным конусным тормозом также нужно использовать модификацию для приводов подъема (БСТ-xxР/380-x0В).

В в приводах перемещения со встроенным конусным тормозом рекомендуется использовать модели БСТ-xxР/380-x0Ч с функцией плавного останова для смягчения резкой остановки.Для быстрой разблокировки конусного тормоза при пуске необходимо использовать функцию плавного пуска с броском тока.

В приводах перемещения с червячным самотормозящимся редуктором также рекомендуются модели БСТ-xxР/380-x0Ч с функцией плавного останова для смягчения резкой остановки.

8. Заключение

Реверсивные устройства плавного пуска/торможения БиСТАРТ-Р можно считать оптимальным решением среди софтстартеров для реализации функций плавного пуска, торможения и защиты на кранах и кран-балках.

При использовании на приводах передвижения для позиционирования груза успешно применяется передвижение короткими плавными импульсами. Благодаря плавному пуску и бесконтактной коммутации это не оказывает влияния на ресурс пускателя или электродвигателя.

В приводах подъема устройства БиСТАРТ-Р (специальные модификации БСТ-xxР/380-x0В) позволяют устранить ударные нагрузки на механизм за счет нарастания напряжения до 0.5 секунд, сохранив рекуперацию энергии в сеть при опускании груза и минимальное тепловыделение. С векторными частотными преобразователи с тормозными модулями и резисторами при использовании специальных преобразователей (например, Altivar 71), правильной настройке и компоновке схемы можно обеспечить плавное и медленное нарастание скорости при использовании. При этом габариты, стоимость решения и тепловыделение из-за отсутствия рекуперации будут в несколько раз выше, чем при замене реверсивного контактора на устройство БиСТАРТ-Р.

Преимуществами реверсивных устройств плавного пуска БиСТАРТ-Р перед частотными преобразователями можно считать:

• Минимальные работы по модернизации (только замена реверсивного контактора);
• Более простая и отказоустойчивая схема (выше перегрузка тиристоров, нет силовых конденсаторов, естественное охлаждение до 15 кВт);
• Компактные размеры и в 5-6 раз ниже тепловыделение (для электродвигателя 5.5 кВт потери в преобразователе Altivar 312 составляют 292 Вт против 47 Вт у БСТ-12Р);
• Отсутствие высокочастотных помех и необходимости использования ЭМС-фильтров, сетевых дросселей;
• Сохранение рекуперации в сеть при опускании груза в приводах подъема;
• Сохранение максимального пускового момента электродвигателя;
• Отечественное производство, быстрое гарантийное и постгарантийное обслуживание.

12 летний опыт применения на кранах и кран-балках устройств БиСТАРТ-Р показал их высокую эффективность и надежность. Устройства надежно работают в уличных исполнениях кранов, в схемах с троллейным питанием, в тяжелых условиях. Большинство устройств покупают конечные потребители и устанавливают самостоятельно, а благодаря простым настройкам устройств лишь в редких случаях требуется консультация по телефону.