Устройство плавного пуска электродвигателя: системы безударного пуска высоковольтных электродвигателей

Прямой пуск высоковольтного электродвигателя сопровождается 6-8 кратным броском пускового тока, создающим ударный электромагнитный момент, передающийся через вал двигателя на приводимый в движение механизм. В течение 15…20% времени разгона электродвигателя этот момент содержит вынужденную и свободную составляющие в виде знакопеременного момента с амплитудой до 4 номинальных моментов электродвигателя (рис. 1). Возникающие большие знакопеременные электродинамические усилия в обмотке статора, приводят к ухудшению изоляции секций и изгибу лобовых частей обмотки вследствие смещения проводников друг относительно друга. Знакопеременный момент вызывает вибрации как самого электродвигателя, так и приводимого в движение механизма. В результате, ударные нагрузки приводят к разрушению и пробою изоляции обмоток статора электродвигателей, перегоранию межкатушечных соединений, обгоранию выводных концов, поломкам валов, соединительных муфт, редукторов и другим неполадкам. Нарушается ритмичность производства и снижается выпуск готовой продукции, предприятия несут большие затраты на ремонт вышедшего из строя оборудования.

Также неблагоприятно сказываются броски пускового тока на питающую сеть, приводя к большим провалам напряжения, что отрицательно сказывается на устойчивости работы других потребителей.

Проблема исключения ударных пусковых нагрузок, и, следовательно, повышения надежности работы и снятия ограничения на число пусков и остановов агрегатов с высоковольтными электродвигателями, а так же снижения провалов напряжения может быть решена посредством применения разработанных в нашем институте устройств УБПВД для безударного пуска высоковольтных электродвигателей.

В зависимости от нагрузочной характеристики приводимого механизма могут использоваться два исполнения устройств: УБПВД-ВЦ (ВМ) и УБПВД-С (СР, СР2).

Устройство УБПВД-ВЦ предназначено для безударного плавного пуска высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей механизмов с «вентиляторной» (квадратично зависимой от скорости) характеристикой нагрузочного момента (центробежные компрессоры, насосы, вентиляторы, дымососы, эксгаустеры и другие аналогичные механизмы). Устройство, выполненное по принципу тиристорного регулятора напряжения (рис. 2), обеспечивает ограничение скорости нарастания и значения пускового тока электродвигателя изменением углов отпирания тиристоров через систему импульсно-фазового управления (СИФУ). В течение заданного времени пуска электродвигателя происходит плавное нарастание напряжения на обмотках статора от нуля до номинального значения. Пусковой ток увеличивается плавно с заданным токоограничением, не создавая ударных электромагнитных моментов, отрицательно сказывающихся на электродвигателе и механизме.

Устройство УБПВД-ВЦ с цифровой системой управления обеспечивает:

• проверку исправности тиристоров перед началом пуска двигателя;
• плавное нарастание тока двигателя до величины начального токоограничения, обеспечивающего трогание двигателя с места;
• формирование заданного токоограничения по времени для обеспечения разгона электродвигателя;
• фиксацию окончания разгона и выдачу сигнала на включение высоковольтного выключателя, подключающего двигатель напрямую к сети по окончании разгона;
• контроль времени разгона двигателя и выдачу сигнала на прекращение пуска при превышении заданного времени разгона.

В устройствах УБПВД-ВЦ предусмотрены 4 регулируемые уставки начального токоограничения с равномерной шкалой от 1,0 до 4,0 I_ном для обеспечения возможности запуска с помощью одного устройства нескольких двигателей разной мощности, а также регулируемые уставки времени разгона в пределах до 60 с, выбираемые дистанционно, а также связь по высокопроизводительному интерфейсу RS-485 для возможности дистанционного управления от АСУ ТП.

Устройство УБПВД-ВМ сконструировано с использованием концепции распределенной системы«и состоит из четырех интеллектуальных модулей: модуля центрального процессора и трех контроллеров фаз, связанных с центральным процессором по оптическим каналам и обеспечивающих управление тиристорами каждой из фаз. Достоинствами такого построения является значительно возросшие надежность и живучесть системы. Поскольку все модули обладают как средствами самодиагностики, так и способностью контролировать адекватность сигналов своих «соседей», отказ любого модуля легко обнаруживается и принимаются меры по предотвращению развития аварийного процесса. Даже полное разрушение модуля центрального процессора во время пуска не приводит к возникновению аварийных режимов в силовой части устройства — в течение 20 мс тиристоры отключаются уцелевшими модулями распределенной системы.

Устройство УБПВД-ВМ обеспечивает:

• непрерывный контроль исправности оконечных каскадов формирователей импульсов;
• контроль исправности всех тиристоров с возможностью просмотра их состояния на пульте управления или мониторах системы АСУ;
• поблочный контроль напряжений питания;
• контроль исправности оптоволоконных соединений между узлами устройства;
• контроль наличия связи между интеллектуальными модулями системы;
• предпусковой контроль управляемости тиристоров при наличии высокого напряжения;
• диагностику иных отказов;
• электронные защиты:
  • максимально-токовую;
  • время-токовую;
  • от превышения заданного времени пуска двигателя;
  • от обрыва фазы главных цепей и неполнофазного пуска;
  • от неисправности тиристоров;
  • от неисправности устройств формирования импульсов управления тиристорами;
  • от повышения напряжения в силовой сети;
  • от понижения напряжения в силовой сети;
  • от неисправности вторичных источников питания;
  • от неправильного чередования фаз силовой сети.

Устройство УБПВД-С предназначено для осуществления частотного пуска синхронных электродвигателей, используемых в качестве привода исполнительных механизмов с тяжелыми условиями пуска, таких как шаровые мельницы, турбокомпрессоры большой единичной мощности, вентиляторы с большими инерционными массами, насосы-компрессоры с большим начальным моментом сопротивления. Оно выполнено по схеме с зависимым тиристорным инвертором тока и обеспечивает:

• пусковой момент двигателя до 1,3 М_ном (М_ном — номинальный момент двигателя);
• частотное регулирование с плавным повышением скорости, автоматическим поддержанием необходимого момента на валу двигателя и током потребления не более1,5 I_ном.

Двухконтурная система регулирования устройства осуществляет разгон в широком интервале времен пуска с формированием требуемой траектории движения.

Цифровая система управления устройства выполнена на основе сигнального процессора.

На рис. 5 приведена схема зависимого тиристорного инвертора, который включает в себя трехфазный токоограничивающий реактор ТОР, трехфазный высоковольтный тиристорный выпрямитель В, сглаживающий реактор СР и зависимый тиристорный инвертор И. Двигатель запускается в режиме регулирования частоты с включенным возбуждением. До частоты 5 Гц осуществляется принудительная коммутация тиристоров инвертора И прерыванием тока тиристорами выпрямителя В. В дальнейшем ЭДС двигателя становится достаточной для коммутации тиристоров инвертора и последний переходит в режим естественной коммутации.

Увеличением напряжения выпрямителя двигатель разгоняется до синхронной скорости и после синхронизации ЭДС двигателя и напряжения сети включается выключатель Q_ш, подключая двигатель к сети через токоограничивающий реактор РТ (рис. 6) и шунтируя устройство УБПВД-С.

В устройстве УБПВД-С реализованы функции логического контроллера и возможность программных заданий настроек параметров устройства. Пользователь может осуществлять программную коррекцию регуляторов, выбирать кривую пуска, ограничение тока, время разгона, аварийный останов и формировать траекторию торможения.

Устройства УБПВД-СР(СР2), имеющие усиленное охлаждение силовых модулей предназначено для регулирования скорости высоковольтных синхронных двигателей в диапазоне скоростей от 15% до 100. При этом для механизмов с вентиляторной характеристикой нагрузочного момента электродвигатель должен иметь запас по мощности 20-25% по отношению к мощности, требуемой механизмом, а для электродвигателей механизмов с нагрузочным моментом независящим от скорости (шаровые мельницы, нагруженные конвейеры и другие механизмы) требуется дополнительное охлаждение.

Система регулирования скорости на базе устройства УБПВД-СР(СР2) с зависимым инвертором тока, в котором используются тиристоры с фазовым управлением, в 3-5 раз дешевле преобразователей частоты на базе IGBT или IGCT приборов, менее сложная, а, следовательно, более надежна и проста в эксплуатации.

С целью снижения затрат разработана и успешно реализована в большом количестве проектов концепция систем безударного пуска (СБП) нескольких электродвигателей, подключенных к одной или нескольким секциям шин от одного устройства УБПВД. СБП позволяет осуществлять как прямой, так и поочередный безударный пуск любого выбранного электродвигателя под управлением контроллера, который исключает возможность аварийных ситуаций, связанных с ошибочными действиями оперативного персонала.

Система плавного пуска позволяет обеспечить:

• поочередный плавный пуск практически неограниченного количества агрегатов;
• уменьшить пусковые токи электродвигателей;
• улучшить условия эксплуатации токоподводящего электрооборудования;
• обеспечить возможность рационального и экономичного использования оборудования.

Применение СБП позволяет получить существенную экономию по сравнению с вариантом запуска каждого электродвигателя от индивидуального устройства УБПВД. Например, при запуске 4-х электродвигателей использование СБП обеспечивает сокращение затрат на плавный пуск одного электродвигателя почти в 3 раза.

Для безударного плавного пуска высоковольтных электродвигателей в зависимости от проблемы, которая решается, рекомендуется:

• для асинхронных и синхронных электродвигателей механизмов с «вентиляторной» нагрузочной характеристикой применять устройства на базе тиристорного регулятора напряжения УБПВД-ВЦ (ВМ), обеспечивающие снятие ударных пусковых нагрузок и ограничение пускового тока в конце разгона на уровне 2,5 I_ном дв.;
• для синхронных двигателей механизмов с тяжелыми условиями пуска применять устройства УБПВД-С на базе зависимого инвертора тока, обеспечивающие разгон электродвигателя с током не более 1,5 I_ном дв.

А. Г. МАТИСОН, технический консультант ОАО «ВНИИР».

Что такое плавный пуск электродвигателя?

В промышленности главным образом используется три разновидности электродвигателей:

• асинхронные,
• коллекторные;
• синхронные.

Любой из перечисленных движков является частью электропривода, который предназначен для его связи с полезной нагрузкой. В зависимости от того, какая это нагрузка, электродвигатель отключается и затем снова запускается. Далее более подробно расскажем о том, что происходит при пуске электродвигателя и как оптимизировать этот процесс.

Что происходит при пуске асинхронного двигателя

Для понимания того, какое устройство применить для плавного пуска электродвигателя, надо знать принцип его работы. Самые распространенные двигатели – асинхронные с короткозамкнутым ротором. Их простая конструкция и соответствующая надежность и обусловили популярность этих электрических машин. Хотя ротор вращается, и его форма оптимизирована под этот процесс, он – не что иное, как вторичная обмотка трансформатора.

А, как известно, если в первичной обмотке течет ток, то в ее сердечнике появляется электромагнитное поле. Перечисленные функции в асинхронном движке выполняет статор. Его магнитное поле, которое, в отличие от трансформатора, вращается вокруг ротора, индуцирует в нем токи, связанные с этим вращением. И чем больше разница скоростей поля и ротора, тем больше ток в последнем. Ведь ротор – это обмотка, замкнутая накоротко. А раз существует трансформаторная связь, значит, токи в обмотках зависимы прямо пропорционально.

Теперь перечислим условия, которые существуют при пуске асинхронного двигателя, питающегося от промышленной сети. Сначала рассмотрим трехфазный вариант:

• неизменное напряжение;
• неизменная частота;
• ротор в состоянии покоя.

Присоединение асинхронного движка к электросети мгновенно создает вращающееся магнитное поле. При этом разница скоростей его и ротора (так называемое скольжение, выражаемое в процентах от скорости вращения электромагнитного поля статора) получается максимальной. И, как следствие этого, – как бы режим короткого замыкания трансформатора. Если мощность движка велика, пусковые токи получаются на уровне тех, что для трансформаторов аналогичной электрической мощности считаются аварийными.

Какое устройство применить для их ограничения, вполне понятно. Оно должно:

• либо уменьшить величину напряжения на обмотках статора на время разгона ротора;
• либо раскрутить ротор до присоединения статора к электросети.
• Также можно внести конструктивные изменения в асинхронный двигатель.

Переключение схемы обмоток

Привести в движение ротор можно лишь в определенных электроприводах. По этой причине такой способ не является типичным. Остаются два, первый из которых наиболее широко используется. Но получить падение напряжения без потерь не так просто. В трехфазной цепи это можно сделать переключением с треугольника на звезду и обратно. Линейное напряжение, приложенное к обмоткам статора движка, обеспечивает в рабочем режиме его более высокую эффективность. Но и пусковой ток в схеме треугольника получается больше.

Поэтому переключение на схему звезда позволяет заметно снизить пусковой ток асинхронного двигателя. Это самый простой способ относительно плавного пуска. В нем применено минимальное число дополнительных элементов, поскольку падение напряжения создается возможностями самой трехфазной электросети. Этими элементами являются коммутаторы, а сама схема показана далее. Но такая простая схема применима лишь в трехфазной сети. В однофазном варианте нет действующего напряжения более низкого, чем фазное.

Использование резисторов

Чтобы получить максимально плавный разгон движка, необходимо использовать элементы, которые обеспечивают соответствующее падение напряжения. С этой целью применяются:

• резисторы;
• дроссели (реакторы);
• автотрансформаторы;
• магнитные усилители.

Эти способы годятся как для трехфазной, так и для однофазной сети. В любом случае придется задействовать коммутаторы, поскольку в определенный момент потребуется присоединить движок к сети напрямую. Схема с резисторами получается наиболее компактной. Однако по мере увеличения мощности движка соответственно увеличивается и мощность пусковых резисторов. Учитывая обстоятельство их нагревания, время пуска должно быть в пределах их допустимого температурного диапазона. Иначе от перегрева резисторы придут в негодность. Схема плавного пуска на резисторах показана далее.

Использование индуктивностей

Если клонировать схему, можно получить плавный пуск, используя несколько групп резисторов, соединенных параллельно, что облегчит их температурную нагрузку. Но увеличение времени плавного пуска будет сопровождаться увеличением потерь энергии в этих резисторах. По этой причине вместо резисторов применяются индуктивные элементы. В простейшем случае это дроссели. Это более громоздкое и дорогостоящее решение, но ради снижения потерь энергии из-за частых повторных пусков движков приходится его применять. Внешний вид реактора для мощного асинхронного движка представлен ниже.

Если индуктивность, используемую при запуске, выполнить в виде автотрансформатора с подвижным контактом, перемещающимся по виткам обмотки, можно либо оптимально отлаживать процесс пуска, либо управлять им, перемещая подвижный контакт. Недостатком этого варианта будет неизбежное искрение в механическом контакте. По этой причине он применим лишь при сравнительно малых мощностях движков. Схемы устройств плавного пуска с реакторами и автотрансформаторами показаны далее.

Схемы плавного пуска:

б) с автотрансформаторами.

1, 2 и 3 – коммутаторы, управляющие переключением

Для плавного пуска без недостатков, присущих автотрансформаторам с их подвижным контактом, используются магнитные усилители. В них применено подмагничивание, которое позволяет изменять величину индуктивного сопротивления. Конструкция магнитных усилителей довольно-таки разнообразна. Но их главное преимущество – это малый ток и, соответственно, мощность, используемая для управления. В них нет регулировочных контактов, по которым текут большие токи. Одна из схем показана далее.

Двигатель с фазным ротором

Все рассмотренные устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя задействованы на стороне его статора. Но когда постоянные повторные включения являются для движка нормальным рабочим процессом, его конструкцию изменяют, делая ротор фазным. Такое конструктивное решение дает возможность более эффективно регулировать токи, возникающие при разгоне двигателя. Конструкция и рекомендации по эксплуатации устройства плавного пуска движка с фазным ротором показаны ниже:

Применение полупроводниковых ключей

Все перечисленные устройства плавного пуска применяются уже много лет. У них имеется важное свойство, которое ставит их как бы вне конкуренции. У этих устройств нет электрических параметров, превышение которых приводит к исчезновению сопротивления (пробою). Следовательно, они наиболее надежны, хотя и морально устарели. Современные устройства плавного пуска используют управляемые полупроводниковые ключи (тиристоры и транзисторы). Это так называемое широтно-импульсное регулирование.

Ключ отсекает часть синусоидального напряжения по времени. В результате среднее значение напряжения можно изменить от нуля и до действующего 220 В. Следовательно, полупроводниковый ключ обеспечивает наиболее эффективный вариант для создания устройства плавного пуска электродвигателя. Но при этом ключ подвержен как тепловому пробою, так и аналогичному воздействию из-за превышения амплитуд напряжения и тока. Поэтому ключ должен эффективно охлаждаться и выбираться соответственно условиям эксплуатации движка.

Устройства с широтно-импульсным регулированием применимы в любой сети, независимо от числа фаз. Одна из таких схем показана ниже. Контакты после разгона ротора замыкаются и предохраняют ключи от повреждения скачками тока и напряжения.

Плавный пуск коллекторных электродвигателей

Несмотря на принципиальные отличия конструкции в сравнении с асинхронными, пуск коллекторных движков также сопровождается большим током якоря, который является ротором. По сути, это сборка из дросселей с последовательной коммутацией каждого из них. Чем дольше экспозиция напряжения на ламелях коллектора, что и получается сразу после включения и подачи напряжения, тем сильнее намагничивание сердечника и больше величина, которой ток успевает достичь.

При исполнении статора в виде постоянного магнита источник питания необходим лишь якорю. Но в таком случае его напряжение может быть только постоянным. Устройство плавного пуска, питаемое этим источником, делается только на элементах, способных создать падение постоянного напряжения.

Этими элементами являются:

• резисторы,
• транзисторы,
• запираемые тиристоры.

Если статор выполнен как электромагнит, значит, возможна работа движка на переменном напряжении. При упомянутом для коллекторных движков подходят те же проверенные временем устройства плавного пуска, которые применимы для однофазных асинхронных двигателей:

• резисторы (реостаты);
• дроссели (реакторы);
• автотрансформаторы;
• магнитные усилители.

А также современные технические решения, основанные на полупроводниковых ключах. Их изображения аналогичны уже показанным выше.

При наличии электромагнитного возбуждения обмотка может соединяться с якорем либо последовательно, либо параллельно. Последовательное соединение безопасно, поскольку в электрической цепи течет общий электрический ток. Ее разрыв или присоединение к источнику питания вызывает одновременное изменение тока в обмотках движка. Но при параллельном соединении возможны варианты развития событий.

Если при подаче напряжения на движок обмотка возбуждения окажется обесточенной, а якорь запитан, появятся условия для явления, именуемого разносом двигателя. При этом ротор, стремясь притянуться к железу статора, поворачивается и разгоняется все быстрее и быстрее. Если к валу не приложен нагрузочный момент, по величине больший, чем создаваемый ротором, разгон может продолжаться до разрушения ротора. Для защиты от разноса необходимо, чтобы:

• двигатель оставался хотя бы частично нагруженным;
• имел специальные конструктивные элементы;
• устройство плавного пуска гарантированно предотвращало этот процесс.

Плавный пуск синхронного двигателя

Синхронные движки, работающие от электросети с любым числом фаз, разгоняются как асинхронные, с использованием скольжения. Затем, превращая ротор в магнит, независимый от статора, происходит выравнивание скоростей вращения поля статора и ротора. По этой причине устройства плавного пуска, применяемые для синхронных двигателей, те же самые, что и для асинхронных. Некоторые отличительные детали, зависящие от питания ротора, можно видеть далее на изображении:

Выводы

В общем устройства плавного пуска всех типов электрических движков аналогичны и основаны на одних и тех же схемах и элементах. Выбор надо делать для конкретных условий, исходя в первую очередь из мощности двигателя. Но современные полупроводниковые ключи позволяют обеспечить в широком диапазоне мощностей наилучшие параметры плавного пуска. Поэтому имеет смысл остановить выбор в первую очередь на них.