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.

Устройства плавного пуска: правильный выбор

Ранее мы обсуждали характеристики преобразователей частоты, а сегодня настал черед устройств плавного пуска (мягких пускателей, плавных пускателей – единый термин пока не устоялся, и в этой статье мы будем использовать термин «устройство плавного пуска» – УПП).

Иногда из уст продавцов приходится слышать мнение о том, что УПП выбрать просто, это, мол, не преобразователь частоты, здесь надо только пуск организовать. Это не так. Устройство плавного пуска выбирать сложнее. Попробуем разобраться, в чем эта сложность состоит.

Назначение УПП

Как следует из названия, задача прибора – организовать плавный пуск асинхронного двигателя переменного тока. Дело в том, что при прямом пуске (то есть при подключении двигателя к питающей сети при помощи обычного пускателя) двигатель потребляет пусковой ток, превышающий номинальный в 5-7 раз, и развивает пусковой момент, существенно превышающий номинальный. Все это приводит к двум группам проблем:

1) Пуск слишком быстрый, и это приводит к различным неприятностям – гидравлическим ударам, рывкам в механизме, ударному выбору люфтов, обрыву транспортерных лент и т.д.

2) Пуск тяжелый, и завершить его не удается. Здесь сначала нужно определиться с термином «тяжелый пуск» и возможностями его «облегчения» при помощи УПП. К «тяжелому пуску» обычно относят три разновидности пуска:

а) пуск, «тяжелый» для питающей сети – от сети требуется ток, который она может обеспечить с трудом или не может вообще. Характерные признаки: при пуске отключаются автоматы на входе системы, в процессе пуска гаснут лампочки и отключаются некоторые реле и контакторы, останавливается питающий генератор. Скорее всего, УПП тут действительно поправит дело. Однако следует помнить, что в лучшем случае пусковой ток удастся снизить до 250% от номинального тока двигателя, и если этого недостаточно, то решение одно – необходимо использовать преобразователь частоты.
б) Двигатель не может запустить механизм при прямом пуске – не крутится вообще или «зависает» на определенной скорости и остается на ней до срабатывания защиты. Увы, УПП ему не поможет – двигателю не хватает момента на валу. Возможно, с задачей справится преобразователь частоты, но этот случай требует исследования.
в) Двигатель уверенно разгоняет механизм, но не успевает дойти до номинальной частоты – срабатывает автомат на входе. Такое часто бывает на тяжелых вентиляторах с достаточно высокой частотой вращения. Устройство плавного пуска здесь, скорее всего, поможет, но риск неудачи сохраняется. Чем ближе механизм к номинальной скорости в момент срабатывания защиты, тем больше вероятность успеха.

Организация пуска при помощи УПП

Принцип работы устройства плавного пуска заключается в том, что напряжение, подаваемое от сети через УПП на нагрузку, ограничивается при помощи специальных силовых ключей – симисторов (или встречно – параллельно включенных тиристоров) – см. рис. 1. В результате напряжение на нагрузке можно регулировать.

Немного теории: процесс пуска – это процесс преобразования электрической энергии источника питания в кинетическую энергию работающего на номинальной скорости механизма. Очень упрощенно этот процесс можно описать так: сопротивление двигателя R в процессе разгона увеличивается от очень маленького при остановленном двигателе до достаточно большого на номинальной скорости, поэтому ток, который по закону Ома равен:

I = U / R (1)

оказывается очень большим, а передача энергии

Е = P х t = I х U х t (2)

очень быстрой. Если между сетью и двигателем установить УПП, то формула (1) действует на его выходе, а формула (2) – на входе. Понятно, что ток в обеих формулах одинаковый. УПП ограничивает напряжение на двигателе, плавно повышая его по мере разгона вслед за ростом сопротивления, ограничивая, таким образом, потребляемый ток. Поэтому по формуле (2) при постоянстве необходимой энергии Е и напряжении сети U чем меньше ток I, тем больше время пуска t. Отсюда видно, что при снижении напряжения будут решаться как проблемы, связанные со слишком быстрым пуском, так и проблемы, связанные со слишком большим током, потребляемым от сети.

Однако в наших выкладках не учитывалась нагрузка, для разгона которой нужен дополнительный момент, и соответственно дополнительный ток, поэтому уменьшать ток слишком сильно нельзя. Если нагрузка велика, то момента на валу двигателя может не хватить даже при прямом пуске, не говоря уже о пуске при пониженном напряжении – это вариант тяжелого пуска «б», описанный выше. Если же при снижении тока момент оказывается достаточным для разгона, но время в формуле (2) растет, то может сработать автомат – с его точки зрения время протекания тока, существенно превышающего номинальный, недопустимо велико (вариант тяжелого пуска «в»).

Основные характеристики УПП. Возможность контроля тока. По существу это способность УПП регулировать напряжение так, чтобы ток изменялся по заданной характеристике. Эта функция обычно называется пуском в функции тока. Простейшие УПП, не имеющие такой возможности, просто регулируют напряжение в функции времени – т.е. напряжение на двигателе плавно возрастает от начального до номинального за заданное время. Во многих случаях этого достаточно, особенно при решении проблем группы 1. Но если основная причина установки УПП – ограничение тока, то без его точного регулирования не обойтись. Эта функция особенно важна тогда, когда из-за ограниченной мощности сети (маленький трансформатор, слабый генератор, тонкий кабель и т.п.) превышение предельно допустимого тока чревато аварией. Кроме того, УПП с контролем тока способны реализовать его плавное нарастание в начале процесса пуска, что особенно важно при работе от генераторов, которые очень чувствительны к резким броскам нагрузки.

Необходимость шунтирования.

По окончании процесса пуска и достижении номинального напряжения на двигателе УПП желательно вывести из силовой цепи. Для этого применяется шунтирующий контактор, соединяющий вход и выход УПП пофазно (см. рис. 2).

По команде от УПП этот контактор замыкается, и ток течет в обход прибора, что позволяет его силовым элементам полностью остыть. Однако, даже при отсутствии шунтирующей цепи, когда во все время работы двигателя через симисторы течет номинальный силовой ток, их нагрев по сравнению с режимом пуска оказывается небольшим, поэтому многие УПП допускают работу без шунтирования. Платой за такую возможность оказывается немного меньший номинальный ток и существенное увеличение веса и габаритов за счет радиатора, необходимого для отвода тепла от силовых ключей. Некоторые УПП строятся по обратному принципу – в них шунтирующий контактор уже встроен, и на работу без шунтирования они не рассчитаны, поэтому из-за уменьшения охлаждающих радиаторов их размеры оказываются минимальными. Это положительно сказывается и на цене, и на получающейся схеме подключения, но их время работы в пусковом режиме оказывается меньше по сравнению с другими приборами.

Количество регулируемых фаз.

По этому параметру УПП делятся на двухфазные и трехфазные. В двухфазных, как это следует из названия, ключи установлены только в двух фазах, третья же подключается к двигателю напрямую. Плюсы – снижение нагрева, уменьшение габаритов и цены.

Минусы – нелинейное и несимметричное по фазам потребление тока, которое хотя и частично компенсируется специальными алгоритмами управления, все же отрицательно влияет на сеть и двигатель. Впрочем, при нечастых пусках этими недостатками можно пренебречь.

Цифровое управление. Система управления УПП может быть цифровой и аналоговой. Цифровые УПП обычно реализуются на микропроцессоре и позволяют очень гибко управлять процессом работы прибора и реализовывать множество дополнительных функций и защит, а также обеспечивать удобную индикацию и связь с управляющими системами верхнего уровня. В управлении аналоговых УПП используются операционные элементы, поэтому их функциональная насыщенность ограничена, настройка выполняется потенциометрами и переключателями, а связь с внешними системами управления обычно осуществляется при помощи дополнительных устройств.

Дополнительные функции

Защита. Кроме своей основной функции – организации плавного пуска – УПП содержат в себе комплекс защит механизма и двигателя. Как правило, в этот комплекс входит электронная защита от перегрузки и неисправностей силовой цепи. В дополнительный набор могут входить защиты от превышения времени пуска, от перекоса фаз, изменения чередования фаз, слишком маленького тока (защита от кавитации в насосах), от перегрева радиаторов УПП, от снижения частоты сети и т.д. Ко многим моделям возможно подключение термистора или термореле, встроенного в двигатель. Однако следует помнить, что УПП не может защитить ни себя, ни сеть от короткого замыкания в цепи нагрузки. Конечно, сеть будет защищена вводным автоматом, но УПП при коротком замыкании неизбежно выйдет из строя. Некоторым утешением может служить только то, что короткое замыкание при правильном монтаже не возникает мгновенно, и в процессе снижения сопротивления нагрузки УПП обязательно отключится, только не стоит вновь включать его, не установив причину отключения.

Пониженная скорость. Некоторые устройства плавного пуска способны реализовать так называемое псевдочастотное регулирование –перевод двигателя на пониженную скорость. Этих пониженных скоростей может быть несколько, но они всегда строго определены и не поддаются коррекции пользователем.

Кроме того, работа на этих скоростях сильно ограничена по времени. Как правило, эти режимы используются в процессе отладки или при необходимости точной установки механизма в нужное положение перед началом работы или по ее окончании.

Торможение. Довольно много моделей способны подать на обмотку двигателя постоянный ток, что приводит к интенсивному торможению привода. Эта функция обычно нужна в системах с активной нагрузкой – подъемники, наклонные транспортеры, т.е. системы, которые могуг двигаться сами собой при отсутствии тормоза. Иногда эта функция нужна для предпусковой остановки вентилятора, вращающегося в обратную сторону из-за тяги или действия другого вентилятора.

Толчковый пуск. Используется в механизмах, имеющих высокий момент трогания. Заключается функция в том, что в самом начале пуска на двигатель кратковременно (доли секунды) подается полное напряжение сети, и происходит срыв механизма с места, после чего дальнейший разгон происходит в обычном режиме.

Экономия энергии в насосно-вентиляторной нагрузке. Поскольку УПП представляет собой регулятор напряжения, то при малой нагрузке можно снизить напряжение питания без ущерба для работы механизма.

Экономию энергии это дает, но не следует забывать, что тиристоры в режиме ограничения напряжения являются нелинейной нагрузкой для сети со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Есть и другие возможности, которые производители закладывают в свои изделия, но для их перечисления объема одной статьи недостаточно.

Методика выбора

Теперь вернемся к тому, с чего мы начинали – к выбору конкретного прибора.

Многие советы, данные для выбора преобразователя частоты, действуют и здесь: сначала следует отобрать серии, отвечающие техническим требованиям по функциональности, затем выбрать из них те, которые охватывают диапазон мощностей для конкретного проекта, и из оставшихся выбрать нужную серию в соответствии с другими критериями – производитель, поставщик, сервис, цена, габариты, и т.д.

Если нужно выбрать УПП для насоса или вентилятора, запуск которых происходит не чаще двух-трех раз в час, то можно просто выбрать модель, номинальный ток которой равен или больше номинального тока запускаемого двигателя. Этот случай охватывает около 80% применений, и не требует консультаций со специалистом. Если же частота пусков в час превышает 10, то нужно учесть и необходимое ограничение тока, и требуемое затягивание пуска по времени. В этом случае очень желательна помощь поставщика, у которого, как правило, имеется программа выбора нужной модели или хотя бы расчетный алгоритм. Данные, которые понадобятся для расчета: номинальный ток двигателя, количество пусков в час, необходимая длительность пуска, необходимое ограничение тока, необходимая длительность останова, окружающая температура, предполагаемое шунтирование.

Если же двигатель запускается свыше 30 раз в час, то стоит рассмотреть в качестве альтернативы вариант использования преобразователя частоты, поскольку даже выбор более мощной модели УПП может не решить проблему. А цена его уже будет сравнима с ценой преобразователя при существенно меньшей функциональности и серьезному влиянию на качество сети.

Подключение

Кроме очевидного подключения прибора к сети и двигателю, необходимо определиться с шунтированием.

Несмотря на то, что шунтирующий контактор будет коммутировать номинальный, а не пусковой ток двигателя, желательно все-таки использовать модель, рассчитанную на прямой пуск – хотя бы для реализации аварийных режимов работы. При подключении следует обратить особое внимание на фазировку – если ошибочно соединить, например, фазу А на входе УПП с другой фазой на выходе, то при первом же включении шунтирующего контактора произойдет короткое замыкание, и прибор будет выведен из строя.

Некоторые УПП допускают так называемое шестипроводное подключение, схема которого показана на рис. 3. Такое подключение требует большего количества кабелей, но позволяет использовать устройство плавного пуска с двигателем, мощность которого намного превышает мощность самого УПП.

При установке УПП следует иметь в виду еще одно его свойство, часто приводящее к недоразумениям (см. тяжелый пуск «в»). При расчете вводного автомата для двигателя, подключающегося к сети напрямую, учитывается номинальный ток двигателя, протекающи й длительное время, и пусковой, протекающий лишь несколько секунд. При использовании же УПП пусковой ток существенно меньше, но протекает он намного дольше – до минуты и более. Автомат не может этого “понять” и считает, что запуск давно завершен, а протекающий ток, превышающий номинальный в разы, является следствием аварийной ситуации, и отключает систему. Во избежание этого следует либо установить специальный автомат с возможностью установки дополнительного режима для процесса плавного пуска, либо выбрать автомат с номинальным током, соответствующим пусковому току при использовании УПП. Во втором случае этот автомат не сможет защитить двигатель от перегрузок, но эту функцию выполняет сам УПП, так что защита двигателя не пострадает.

Подведем итоги. Если механизм, пуск которого нужно сделать более плавным, вписывается во все перечисленные в этой статье ограничения, а возможности, обеспечиваемые доступными моделями УПП, вас устраивают, то ваш выбор – устройство плавного пуска. Экономия средств по сравнению с применением преобразователя частоты (заменой питающего трансформатора, увеличением мощности генератора, заменой кабеля на более толстый – выберите ваш случай) будет ощутимой. Если же УПП по каким-то причинам не подходит – еще раз обратите внимание на преобразователи частоты, которые хотя и дороже, но намного функциональнее.

Руслан Хусаинов, к.т.н., технический директор ЗАО «Сантерно» (Москва)