Эффективное использование устройств плавного пуска (УПП) возможно только при условии корректного выбора типономинала. Ключевыми критериями выбора обычно являются тип нагрузки двигателя, частота пусков, а также паспортные данные.

Пусковые характеристики устройств могут значительно отличаться друг от друга, причём их величины зависят от спектра решаемых задач. Именно поэтому при выборе устройства плавного пуска асинхронных двигателей так важно учитывать область его будущего применения.

Характеристики пуска условно можно разделить на три категории.

Режимы работы УПП

Нормальный режим ограничивается величиной пусковых токов на уровне 3,5 х I ном, при времени пуска от 10 до 20 секунд.

Тяжёлый режим характеризуется нагрузками с несколько большим моментом инерции. Пусковые токи ограничены пределом 4,5 х I ном, а время разгона - 30-ю секундами.

Очень тяжелый режим подразумевает наличие очень высоких моментов инерции. Пусковые токи доходят до уровня 5,5 х I ном, а время разгона может значительно превышать 30 секунд.

Виды УПП

Схема работы УПП может быть одной из четырёх типов:

1. Регуляторы пускового момента контролируют лишь одну фазу трехфазного асинхронного двигателя. Хотя такой тип управления и способен контролировать плавный пуск, он не обеспечивает снижения пусковых токов.

Фактически, при использовании регуляторов пускового момента, ток на обмотках двигателя приблизительно равен току, который получается при прямом пуске. В тоже время, такой ток протекает по обмоткам дольше, чем в случае прямого пуска, поэтому двигатель может перегреться.

Устройства такого типа не могут применяться для приводов, которым нужно снижение пусковых токов. Они не могут обеспечить пуск высокоинерционных механизмов (из-за опасности перегрева двигателя), а также частые запуски/остановки привода.

2. Регуляторы напряжения без сигнала обратной связи могут работать только по жестко заданной пользователем программе. Обратная связь от двигателя отсутствует, поэтому они не могут изменять частоту вращения двигателя, подстраивая её под меняющуюся нагрузку. В остальном они отвечают всем требованиям, которые предъявляются к мягким пускателям, и способны управлять всеми фазами двигателя. Это едва ли не самые популярные устройства плавного пуска.

Таблица 1 Режим работы в зависимости от области применения

Схема запуска двигателя определяется путём предварительного задания стартового напряжения, а также времени, необходимого для пуска. Многие устройства такого типа могут обеспечивать также ограничение величины пускового тока - это достигается снижением напряжения при запуске. Разумеется, такие регуляторы способны управлять также замедлением работы механизма, выполняя плавный и продолжительный останов.

Двухфазные регуляторы могут снижать напряжение и в трёх фазах, однако ток получается несбалансированным.

3. Регуляторы напряжения с сигналом обратной связи - это модернизированные версии устройств, описанных выше. Они способны считывать текущую величину тока и регулировать напряжение таким образом, чтобы ток не выходил за заданные пользователем рамки. Также полученные данные используются для работы разнообразных защит (от дисбаланса фаз, перегрузки и т.п.).

Такое устройство плавного пуска асинхронных двигателей может быть сгруппировано с другими подобными устройствами в единую систему управления электродвигателями.

4. Регуляторы тока с сигналом обратной связи . Это самые современные устройства плавного пуска. Схема работы основана на регуляции силы тока, а не напряжения, как предыдущие модели. Это обеспечивает лучшую точность управления, более простое программирование и быструю настройку устройства - ведь большинство параметров тут определяется автоматически, без необходимости ручного ввода.

Запуск на пониженное напряжение

В момент такого пуска ток, протекающий через двигатель, равен току в случае заклиненного ротора. Двигатель в это время разгоняется, причём момент в какое-то мгновение становится выше номинала, после чего приходит к номинальному значению. Характер изменения тока и момента зависит от конструкции и модели каждого конкретного двигателя.

Следует заметить, что процесс запуска двигателей разных моделей, но имеющих одинаковые характеристики, может сильно отличаться. Пусковой ток может находиться в пределах 500%-700% от номинального, а момент - от 70% до 230%!

Такие особенности являются серьёзным препятствием для работы этого вида устройств плавного пуска асинхронных двигателей . Поэтому если ваша задача - получить высокий пусковой момент при минимальном значении пускового тока, вам нужно подбирать соответствующие двигатели.

Пусковой момент двигателя имеет квадратичную зависимость от силы тока, как уже было показано.

Необходимо помнить, что снижение тока должно быть ограниченным: если пусковой момент станет меньше момента нагрузки, разгон прекратится, и двигатель не наберет номинальную скорость вращения.

Пускатели по схемам треугольник/звезда

Хотя пускатели такого типа являются самым распространённым видом устройств плавного пуска, схема треугольник/звезда не позволяет работать при больших нагрузках.

Сначала, при пуске, двигатель подключается «в звезду», а момент и величина тока при этом равна трети от номинальной. По истечению заданного интервала привод отключается и снова включается, но уже по схеме «треугольник».

Пуск будет эффективным, если при разгоне по схеме «звезда» двигатель сможет развить момент, который необходим для набора скорости, достаточной для переключения на «треугольник». Если это произойдёт на скорости, значительно меньшей номинальной, то ток при таком пуске не будет значительно отличаться от тока прямого пуска, а значит, применение устройства лишено смысла.

Кроме взрывных скачков тока и момента, в момент перехода двигателя на работу по схеме «треугольник» происходят и другие сложные переходные процессы. Их амплитуда зависит от амплитуды и фазы напряжения, которое создаётся двигателем при переключении.

В самом худшем случае величина напряжения может быть такой же, как в сети, однако находиться в противофазе. Тогда ток будет превышать номинальный в два раза, а момент, согласно вышеприведенной формуле, в четыре.

Пускатели с автотрансформатором

В конструкции таких пускателей для снижения подводимого к двигателю напряжения используется автотрансформатор. Для ступенчатой регуляции величины пускового тока и момента используются специальные отводы. Полная скорость вращения вала электродвигателя достигается до момента перехода на номинальное напряжение, а скачки тока при этом минимизируются. В тоже время из-за ступенчатого характера регулирования достичь высоких показателей точности оказывается невозможно.

Пускатель с автотрансформатором, в отличие от предыдущего (треугольник/звезда) характеризуется замкнутыми переходными процессами. Это означает, что жесткие переходные процессы кривых момента и тока во время разгона электродвигателя отсутствуют.

Из-за падения величины напряжения на автотрансформаторе, уменьшается момент на любых скоростях электродвигателя. При высокоинерционной нагрузке привода время пуска может превысить допустимые (безопасные) пределы, а при переменной - поведение системы становится неоптимальным.

Пускатели с автотрансформатором обычно используются при частоте пусков до 3 шт./час. , рассчитанные на более частые запуски или на более сильную нагрузку, имеют большие габариты и стоят значительно дороже.

Пускатели со встроенными в цепь статора резисторами

Такие пускатели для снижения подводимого к статору напряжения используют жидкостные или металлические резисторы. При грамотном выборе резисторов такие устройства обеспечивают хорошее снижение момента и пускового тока электродвигателя.

Точный выбор резисторов должен быть сделан ещё на этапе проектирования с учётом всех параметров двигателя, его режимов работы и планируемой нагрузки. Однако такая информация не всегда оказывается доступной, а когда резисторы выбирают неточно, то и качество, и надёжность работы пускателя остаются невысокими.

Особенность такой схемы заключается в том, что сопротивление резисторов меняется в процессе работы из-за их нагрева. По причине опасности перегрева, пускатели с резисторами не используются для работы с высокоинерционными машинами и механизмами.

Устройства плавного пуска асинхронных двигателей

УПП (тиристорные УПП) - это наиболее технически совершенные электронные устройства, используемые для плавного пуска/останова электродвигателей. Принцип работы заключается в управлении входящим напряжением. Основная задача - управление пусковым током и моментом, однако современные схемы устройств плавного пуска имеют множество интерфейсных функций, а также позволяют обеспечить комплексную защиту двигателя.

Основные функции УПП:

Возможность плавно и бесступенчато изменять напряжение и ток;

Возможность управления током и моментом путём создания несложных программ;

Плавный останов с мягким торможением в тех системах, где это может потребоваться (конвейеры, насосы и т.п.);

Обеспечение частых пусков и остановов без изменения характеристик системы;

Оптимизация рабочих процессов даже в системах с изменяющейся нагрузкой.

Применение УПП позволяет:

устранить ударные токи в питающей сети и АД при его пуске;

снизить пусковые токи в АД;

устранить механические ударные воздействия как на АД, так и на приводной механизм;

уменьшить тепловые воздействия на АД;

снять перенапряжения при останове АД;

сократить время поиска неисправности;

повысить надежность эксплуатации и срок службы АД.

Устройство плавного пуска представляет из себя тиристорный регулятор напряжения (ТРН)

В регуляторе напряжения в каждый фазный провод включаются встречно-параллельно два тиристора, один из которых работает условно в положительный полупериод напряжения сети, а другой в отрицательный. Регулирование напряжения на выходе регулятора осуществляется изменением времени включения каждого тиристора относительно момента, когда ток должен переходить с одного из трех тиристоров на другой (базовая точка), путем подачи на тиристор управляющего импульса, что дает возможность изменять время протекания тока через тиристор в течение полупериода напряжения сети и напряжение на его выходе, подаваемое на нагрузку, в данном случае на двигатель. Это напряжение не является синусоидальным, и его можно представить как среднее напряжение, которое можно менять, изменяя продолжительность работы тиристора в течение полупериода. Время включения тиристора относительно базовой точки выражается в градусах и называется углом регулирования. Изменяя угол регулирования тиристоров, можно получить необходимое напряжение для плавного пуски двигателя.

По окончании процесса пуска тиристоры переводятся в режим постоянного включения или могут шунтироваться специальным контактором. Применение шунтирующего контактора позволяет повысить КПД устройства, увеличить срок службы тиристоров и исключить влияние полупроводниковых элементов на сеть.

ФУНКЦИИ ЗАЩИТЫ

Дополнительно к функциям управления пусковыми режимами и режимами останова, тиристорные преобразовательные устройства (ТПУ) снабжаются функциями защиты АД и защиты ТПУ от аварийных режимов. К стандартным функциям относятся:

защита от короткого замыкания на выходе ТПУ;

защита от заклинивания вала двигателя при пуске;

защита от перегрузки по току в рабочем режиме;

защита от недопустимого снижения напряжения на входе ТПУ;

защита от недопустимого повышения напряжения на входе ТПУ;

защита от обрыва фаз;

защита от невключения шунтирующего контактора (при наличии);

защита от несимметрии входного напряжения;

защита от обратного чередования фаз на входе;

тепловая защита двигателя;

защита от пробоя силового тиристора;

защита при потере управляемости тиристора.

Тепловая защита двигателя предполагает наличие встроенного в обмотку двигателя датчика температуры, а в системе управления предусматривается только наличие соответствующего входа и системы обработки. При отсутствии такого датчика осуществляется так называемая косвенная тепловая защита, которая основывается на той или иной тепловой модели двигателя, закладываемой изготовителем в программное обеспечение микроконтроллера.

Кроме рассмотренных функций, некоторые изготовители закладывают в ТПУ датчики сопротивления изоляции и возможность сушки обмотки постоянным или переменным током.

Система управления

Интерфейсная часть системы управления содержит, как правило, две части: интерфейс оператора и интерфейс оборудования.

Интерфейс оператора выполняется обычно на основе жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и клавиатуры, расположенных на лицевой панели устройства. С помощью ЖКИ и клавиатуры производится программирование устройства и на ЖКИ выводится информация о режимах работы устройства. Ряд изготовителей недорогих устройств малой мощности реализует интерфейс оператора на основе светодиодной индикации и микропереключателей (устанавливаемых перемычек).

Интерфейс оборудования предполагает развитую систему ввода управляющих сигналов и вывода сигналов о состоянии устройства. Так, команды «пуск/стоп» могут приниматься в виде уровней напряжения, унифицированных токовых сигналов или сигналов типа «сухой контакт». Последние модели устройств содержат в своем составе последовательные каналы связи на основе шин RS-232, RS-432, CAN, через которые может производиться как программирование устройства, так и задание команд пуска/останова и считывание информации о режиме работы. Общее количество входных, выходных сигналов может достигать 15–20 каналов.

Производители

В настоящее время ТПУ выпускают такие мировые производители, как ABB, Siemens, Emotron AB, Softronic, Telemecanique, Ansaldo и ряд других. Выпуск ТПУ освоили и российские фирмы. Большинство фирм выпускает ТПУ в виде моноблока, в котором размещаются силовая часть, система управления и вспомогательные элементы. Следует отметить, что большинство зарубежных устройств не имеют в своем составе шунтирующего контактора, а в системе управления предусматриваются только элементы управления внешним контактором.

В качестве примера отечественного ТПУ можно привести ТПУ4К на мощности 55–160 кВт. Оно построено по классической схеме, имеет встроенный шунтирующий контактор и использует в качестве ядра системы управления микроконтроллер производства Atmel. Интерфейс оператора комбинированный, включающий в себя ЖКИ, подключаемую на время ввода параметров клавиатуру и ряд потенциометров, задающих величины токовых уставок для различных режимов работы. ТПУ имеет следующие функции защиты: от установившегося короткого замыкания на выходе ТПУ; от заклинивания вала двигателя при пуске; от перегрузки по току в рабочем режиме; от обрыва фаз; от невключения шунтирующего контактора; тепловая защита двигателя.

При срабатывании любой защиты ТПУ отрабатывает процедуру останова двигателя в соответствии с алгоритмом, оптимизированным для конкретного вида привода. ТПУ выполнен инвариантным по отношению к чередованию фаз на входе, поэтому не нуждается в защите от неправильной фазировки питающей сети. Из сервисных функций следует отметить наличие выхода, сигнализирующего о безаварийном окончании процесса пуска.

Большое разнообразие пусковых устройств различных производителей, имеющих примерно одинаковые технические характеристики, заставляет обращать внимание на стоимостные, эксплуатационные и «пользовательские» характеристики.

Примечателен тот факт, что изделия отечественных производителей существенно дешевле, чем зарубежные. Кроме того, некоторые отечественные производители, в отличие от иностранных, в цену устройства закладывают затраты на ввод в эксплуатацию, адаптацию изделия к конкретному приводу и оптимизацию его характеристик применительно к конкретному механизму. Наличие микроконтроллера позволяет отдельным отечественным производителям оперативно адаптировать алгоритмы и параметры под требования конкретного заказчика и конкретного вида привода, в то время как представители западных компаний таких услуг не предоставляют.

Примеры УПП:

1) Устройство плавного пуска SIRIUS 3RW40 со встроенными функциями:

Полупроводниковая защита двигателя и собственная защита устройства от перегрузок

Регулируемое токоограничение для плавного пуска и остановки трёхфазных асинхронных двигателей

Диапазон номинальной мощности от 75 до 250 кВт (при 400 В)

Области применения:

Вентиляторы, насосы, строительное оборудование, прессы, эскалаторы, системы кондиционирования воздуха, системы транспортировки, сборочные линии, компрессоры и

охладители, исполнительные механизмы.

2) Устройство плавного пуска PSS – универсальная серия. Фирма АВВ

3) Устройства плавного пуска и торможения Altistart 48. Фирма Schneider Electric

Устройства плавного пуска (УПП)(Софтстартеры) представляет механизм, обеспечивающий плавный рост пусковых характеристик электродвигателей. Он смягчает процесс запуска и остановки работы .

Функции и возможности устройства плавного пуска

У двигателей, запустившихся в работу напрямую, характеристики значительно превышают номинальные значения. Повышенные значения пусковых токов и крутящего момента при пуске, являются источниками повреждений, это механические рывки, повреждения изоляции обмотки, перегрев, тяжелый старт и прочих проблем с электродвигателем. Но с помощью плавного пуска все нежелательные неисправности можно предупредить, поэтому электрические двигатели нуждаются в устройстве плавного пуска (УПП).

Главные функции УПП:

• Плавный разгон и остановка.
• Уменьшение пускового тока.
• Согласование момента нагрузки с крутящим моментом двигателя.

В УПП напряжение на обмотках электродвигателя постепенно нарастает, обеспечивая ограничение тока. Благодаря этому, параметры электромашины при запуске сохраняются в неопасных пределах.

Устройство УПП

УПП выпускаются разных модификаций и могут отличаться принципом работы. Но все софтстартеры имеют одинаковые главные составляющие части.

Основные компоненты УПП:

• Тиристоры . Эти элементы регулируют напряжение, которое подаётся на электродвигатель.
• Блок печатных плат . Эта часть софтстартеров управляет тиристорами.
• Радиаторы, вентиляторы . Эти приборы необходимы для рассеивания тепла.
• Трансформатор тока . Благодаря этому компоненту, осуществляется измерение тока.
• Корпус .

Некоторые устройства плавного пуска оснащены клавиатурой и дисплеем. Также в зависимости от типа софтстартера, прибор может быть оборудован встроенным реле перегрузки, из-за чего отпадает потребность во внешнем реле.

Принцип действия УПП

Регулировка пусковых характеристик осуществляется по двум принципам:

1. Механическому.
2. Электрическому.

Механические УПП:

Простой способ осуществить плавный запуск двигателя заключается в принудительном удерживании усиливающейся скорости вращения с помощью тормозных колодок, жидкостных муфт и других элементов.

Этот способ имеет существенные минусы:

• Уменьшение напряжения снижает крутящий момент на валу.
• Продолжительный старт мотора повышает риск перегрева двигателя.
• Длительный запуск может привести к перегреву полупроводниковых компонентов УПП, после чего они могут выйти из строя.

Также механическое управление пуском осуществляется исключительно при небольших нагрузках либо запуске двигателя вхолостую.

Электрические УПП считаются более совершенными, их разделяют на два вида по специфике работы:

1. Амплитудные . Софтстартеры этого типа обеспечивают старт мотора в холостом режиме либо с умеренной нагрузкой. Эти устройства постепенно повышают напряжение на клеммах электродвигателя до предельных показателей.
2. Частотные (фазовые) . Эти УПП управляют частотными характеристиками фазного тока, не снижая напряжение. Благодаря этому, запустить мотор удается даже при большой нагрузке.

Фазовые УПП предоставляют следующие преимущества:

• Возможность осуществлять размеренное прибавление вращательной частоты в рабочем режиме.
• Гарантируют стабильность высокой мощности мотора даже при смене скорости вала.

Минусы фазовых УПП:

• Сложность монтажа.
• Сложная наладка.

Электрические приборы для плавного пускового процесса не имеют таких недостатков, которые могли бы привести к неполадке самого устройства или двигателя. Они всегда оправдывают себя при эксплуатации, но стоят гораздо дороже УПП с механическим управлением.

Виды УПП

УПП разделяют на следующие типы:

• Регуляторы напряжения, в которых присутствует функция обратной связи . Это усовершенствованные модели УПП, контролирующие фазовый сдвиг между током в обмотках и напряжением.
• Регуляторы напряжение, в которых отсутствует функция обратной связи . Приборы широко используются по сравнению с другими пускателями. Управление в них можно осуществлять по двум либо трем фазам исключительно по указанным ранее параметрам.
• Регуляторы пускового момент а . Эти приборы могут координировать исключительно одну фазу электродвигателя. А это позволяет контролировать пусковой момент двигателя и совсем незначительно снижать пусковой ток. Можно сказать, эти регуляторы не контролируют ток, его уменьшение малозаметно, поэтому он практически такой, как при прямом запуске. Если такой ток будет протекать по обмоткам двигателя дольше, чем обычно при прямом пуске, то может возникнуть, перегрев электродвигателя. Поэтому этот тип УПП не используется для устройств, требующих снижение пусковых токов. Но их можно использовать для плавного запуска однофазных асинхронных электродвигателей.
• Регуляторы тока с обратной связью . Это наиболее прогрессивные устройства для плавного пуска. Они осуществляют прямой контроль над током, что позволяет более точно управлять пуском. Преобладают простой настройкой, а также программированием пускателя. Большая часть параметров устанавливается автоматически.

Приборы, управляющие напряжением и не имеющие обратной связи, являются наиболее распространённым видом УПП. Они бывают двух- и трехфазными. Эти УПП могут контролировать напряжение в двух и сразу в трех фазах двигателя. Регулирование выполняется исключительно по ранее заданной программе, которая включает показатели исходного напряжения пуска и точное время, за которое напряжение должно дорасти до номинального значения. Некоторые модели этих пускателей способны ограничивать пусковой ток, но чаще всего это ограничение связано с уменьшением напряжения при пуске двигателя. Также они могут управлять процессом замедления, медленно снижая напряжение для остановки.

Электрические и механические характеристики этих устройств отвечают всем стандартным требованиям, предъявляемым к УПП. Но более совершенным вариантом этих софтстартеров являются регуляторы, имеющие обратную связь.

Регуляторы напряжения с обратной связью получают данные о токе двигателя и, пользуясь этой информацией, приостанавливают рост напряжения во время запуска. Снижать нарастание напряжения регуляторы начинают тогда, когда током будут достигнуты предельные значения, которые указываются заранее. Такие УПП позволяют осуществлять запуск с минимальным значением тока и удовлетворительным значением крутящего момента. А данные, которые они получают, применяются для организации защит от дисбаланса фаз, перегрузки и пр.

Применение УПП

УПП эксплуатируются во всех областях промышленности и сельского хозяйства. Их можно применять везде, где присутствует электродвигатель. Но выбирают устройства плавного пуска исходя из нагрузки двигателя, а также частоты запусков.

При небольших нагрузках и не частых запусках следует устанавливать регуляторы без обратной связи или регуляторы пускового момента. Эти УПП подходят для шлифовальных станков, некоторых типов вентиляторов, вакуумных насосов и пр. оборудования с низкими нагрузками.

При частых инерционных запусках и высокой нагрузке рекомендованы регуляторы с обратной связью. Их целесообразно применять в центрифуге, ленточной пиле, вертикальном конвейере, распылителе и т.п.

Достоинства и наличие недостатков

Применение устройства плавного пуска снижает вероятность перегрева двигателя. Таким образом, можно выделить главные плюсы использования УПП:

• Повышают срок службы электродвигателей и других исполнительных устройств, контактирующих с электродвигателем.
• Понижают расход энергии.
• Снижают затраты на эксплуатацию машин.
• Регулирует длительность разгона и торможения электрического двигателя.
• Снижает силу электромагнитных помех.
• Монтируется и эксплуатируется без особых трудностей.

Недостатки:

• Не выполняют возврат направления вращения.
• Не контролируют в установившемся режиме частоту вращений двигателя.
• Уменьшить пусковой ток до меньших значений, требующихся в момент старта для вращения ротора.

Устройства плавного пуска электродвигателя, считаются распространёнными приборами, решающими проблемы прямого пуска.

Распечатать

Электропривод

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)

Электрические двигатели получили широкое применение в любых сферах деятельности человека. Однако при запуске электродвигателя происходит семикратное потребление тока, вызывающее не только перегрузку сети питания, но и нагрев обмоток статора, а также выход из строя механических частей. Для устранения этого нежелательного эффекта радиолюбители советуют применять устройства плавного пуска электродвигателя.

Плавный пуск двигателя

Статор электродвигателя представляет собой катушку индуктивности, следовательно, существуют активная и реактивная составляющие сопротивления (R). Значение реактивной составляющей зависит от частотных характеристик питания и во время запуска колеблется в пределах от 0 до расчетного значения (при работе инструмента). Кроме того, изменяется ток, называемый пусковым.

Ток пуска превышает в 7 раз значение номинального. При этом процессе происходит нагрев обмоток статорной катушки и, в том случае, если провод, из которого состоит обмотка, является старым, то возможно межвитковое КЗ (при уменьшении величины R ток достигает максимального значения). Перегрев влечет снижение срока эксплуатации инструмента. Для предотвращения этой проблемы существуют несколько вариантов использования устройств плавного пуска.

Переключением обмоток устройство плавного пуска двигателя (УПП) состоит из следующих основных узлов: 2 вида реле (управление временем включения и нагрузкой) , трех контакторов (рисунок 1).

Рисунок 1 - Общая схема устройства плавного пуска асинхронных двигателей (мягкого пуска).

На рисунке 1 изображен асинхронный двигатель. Его обмотки соединены по типу подключения «звезда». Запуск осуществляется при замкнутых контакторах K1 и K3. Через определенный временной интервал (задается при помощи реле времени) контактор К3 размыкает свой контакт (происходит отключение) и происходит включение контактом К2. Схема на рисунке 1 применима и для УПП двигателей различного типа.

Главным недостатком считается образование токов КЗ при одновременном включении 2-х автоматов. Эта проблема исправляется внедрением в схему вместо контакторов рубильника. Однако обмотки статора продолжают греться.

При электронном регулировании частоты пуска электромотора используется принцип частотного изменения питающего напряжения. Основным элементом этих преобразователей является преобразователь частоты, включающий в себя:

1. Выпрямитель собирается на полупроводниковых мощных диодах (возможен вариант тиристорного исполнения). Он преобразует величину сетевого напряжения в пульсирующий постоянный ток.
2. Промежуточная цепь сглаживает помехи и пульсации.
3. Инвертор необходим для преобразования сигнала, полученного на выходе промежуточной цепи, в сигнал переменной амплитудной и частотной характеристиками.
4. Электронная схема управления генерирует сигналы для всех узлов преобразователя.

Принцип действия, виды и выбор

Во время увеличения вращающего момента ротора и Iп в 7 раз для продления срока службы необходимо использовать УПП, которое отвечает следующим требованиям:

1. Равномерное и плавное увеличение всех показателей.
2. Управление электроторможением и пуском двигателя в определенные временные интервалы.
3. Защита от скачков напряжения, пропадании какой-либо фазы (для 3-х фазного электродвигателя) и помех различного рода.
4. Повышение износостойкости.

Принцип действия симисторного УПП: ограничение величины напряжения благодаря изменению угла открытия симисторных полупроводников (симисторов) при подключении к статорным катушкам электродвигателя (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема плавного пуска электродвигателя на симисторах.

Благодаря применению симисторов появляется возможность снизить пусковые токи в 2 и более раз, а наличие контактора позволяет избежать перегрева симисторов (на рисунке 2: Bypass). Основные недостатки симисторных УПП:

1. Применение простых схем возможно только при небольших нагрузках или холостом запуске. В противном случае схема усложняется.
2. Происходит перегрев обмоток и полупроводниковых приборов при продолжительном запуске.
3. Двигатель иногда не запускается (приводит к значительному перегреву обмоток).
4. При электротормозе электромотора возможен перегрев обмоток.

Широко применяются УПП с регуляторами, в которых отсутствует обратная связь (по 1 или 3 фазам). В моделях этого типа необходимо устанавливать время пуска электромотора и напряжение непосредственно перед началом пуска. Недостаток устройств - невозможность регулировать вращающий момент подвижных механических частей по нагрузке. Для устранения этой проблемы нужно применить устройство по снижению Iп, защиты от различной разности фаз (возникает во время перекоса фаз) и механических перегрузок.

Более дорогостоящие модели УПП включают в себя возможность слежения за параметрами работы электродвигателя в непрерывном режиме.

В устройствах, содержащих электромоторы, предусмотрены УПП на симисторах. Они отличаются схемой и способом регуляции сетевого напряжения. Простейшие схемы - схемы с однофазным регулированием. Они исполняются на одном симисторе и позволяют смягчить нагрузки на механическую часть, и применяются для электромоторов с мощностью менее 12 кВ. На предприятиях применяется 3-х фазное регулирование напряжения для электромоторов мощностью до 260 кВт. При выборе вида УПП необходимо руководствоваться следующими параметрами:

1. Мощность устройства.
2. Режим работы.
3. Равенство Iп двигателя и УПП.
4. Количество запусков за определенное время.

Для защиты насосов подходят УПП, защищающие от ударов с гидравлической составляющей трубы (Advanced Control). УПП для инструментов выбираются, исходя из нагрузок и больших оборотов. В дорогих моделях этот тип защиты в виде УПП присутствует, а для бюджетных необходимо изготавливать его своими руками. Применяется в химических лабораториях для плавного запуска вентилятора, охлаждающего жидкости.

Причины применения в болгарке

Благодаря особенностям конструкции при старте угловой шлифовальной машинки происходят высокие динамические нагрузки на детали инструмента. При начальном вращении диска, ось редуктора подвержена действию сил инерции:

1. Инерционный рывок может вырвать болгарку из рук. Происходит угроза жизни и здоровью, так как этот инструмент очень опасен и требует строгого соблюдения техники безопасности.
2. При запуске происходит перегрузка по току (Iпуска = 7*Iном). Происходит преждевременный износ щеток, перегрев обмоток.
3. Изнашивается редуктор.
4. Разрушение режущего диска.

Ненастроенный инструмент становится очень опасным, ведь существует вероятность причинения вреда здоровью и жизни. Поэтому необходимо его обезопасить. Для этого и собираются УПП для электроинструмента своими руками.

Создание своими руками

Для бюджетных моделей угловой шлифовальной машинки и другого инструмента необходимо собрать свое УПП. Сделать это несложно, ведь благодаря интернету, можно найти огромное количество схем. Наиболее простая и, в то же время, эффективная - универсальная схема УПП на симисторе и микросхеме.

При включении болгарки или другого инструмента происходит повреждение обмоток и редуктора инструмента, связанного с резким запуском. Радиолюбители нашли выход из этой ситуации и предложили простой плавный пуск для электроинструмента своими руками (схема 1), собранную в отдельном блоке (в корпусе очень мало места).

Схема 1 - Схема плавного пуска электроинструмента.

УПП своими руками реализуется на основе КР118ПМ1 (фазовое регулирование) и силовой части на симисторах. Основной изюминкой устройства является его универсальность, ведь его можно подключить к любому электроинструменту. Оно не только легко монтируется, но и не требует предварительной настройки. В основном подключение системы к инструменту не является сложным и устанавливается в разрыв кабеля питания.

Особенности работы модуля УПП

При включении болгарки на КР118ПМ1 подается напряжение и на управляющем конденсаторе (С2) происходит плавный рост напряжения по мере роста заряда. Тиристоры, находящиеся в микросхеме, открываются постепенно с определенной задержкой. Симистор открывается с паузой, равной задержке тиристоров. Для каждого последующего периода напряжения происходит постепенное уменьшение задержки и инструмент плавно запускается.

Зависит время набора оборотов от емкости С2 (при 47 мк время запуска равно 2 секунды). Эта задержка является оптимальной, хотя ее можно менять путем увеличения емкости С2. После выключения углошлифовальной машинки (УШМ) происходит разряд конденсатора С2 благодаря резистору R1 (время разрядки примерно равно 3 секунды при 68к).

Эту схему для регулировки оборотов электродвигателя можно модернизировать путем замены R1 на переменный резистор. При изменении величины сопротивления переменного резистора меняется мощность электромотора. Резистор R2 выполняет функцию контроля величины силы тока, который протекает через вход симистора VS1 (желательно предусмотреть охлаждение вентилятором), являющийся управляющим. Конденсаторы С1 и С3 служат для защиты и управлением микросхемы.

Симистор подбирается со следующими характеристиками: напряжение прямое максимальное до 400–500 В и минимальный ток пропускания через переходы должен быть не менее 25 А. При изготовлении УПП по этой схеме запас по мощности может колебаться от 2 кВт до 5 кВт.

Таким образом, для увеличения срока службы инструментов и двигателей, необходимо производить их плавный запуск. Это связано с конструктивной особенностью электромоторов асинхронного и коллекторного типов. При запуске происходит стремительное потребление тока, из-за которого происходит износ электрической и механической частей. Использование УПП позволяет обезопасить электроинструмент, благодаря соблюдению правил техники безопасности. При модернизации инструмента возможна покупка уже готовых моделей, а также сборка простого и надежного универсального устройства, которое не только отличается, но и даже превосходит некоторые заводские УПП.

Простота конструкции, низкая стоимость и высокая надёжность асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором* сделали его самым распространенным преобразователем электрической энергии в механическую.

Наряду с очевидными преимуществами, асинхронные электрические машины имеют ряд недостатков, самым существенным из которых является большой пусковой ток при прямом пуске (непосредственном подключении двигателя к питающей сети при помощи обычного пускателя).

Проявляется этот недостаток “проседанием” сети, когда при пуске электродвигателя отключаются автоматы, мерцают лампочки, и отключаются некоторые реле и контакторы, останавливается питающий генератор, иными словами, от сети требуется ток, который она обеспечить не может.

Причины высокого пускового тока кроются в физических принципах работы асинхронного двигателя, но это тема совсем другой статьи, отметим только, что кратность пускового тока может достигать 5…7 от номинального рабочего тока, что интересно, высокий пусковой ток отнюдь не значит высокий пусковой момент двигателя.

Еще одна характерная проблема прямого пуска двигателя - это пуск “рывком”, приводит на первый взгляд к незаметным последствиям - гидравлическим ударам, рывкам в механизме, проскальзыванию ремней, быстрому износу подшипников, буксованию колес подвижных тележек, большому износу и трению в редукторах.

Устройство плавного пуска или преобразователь частоты

Иногда путают два класса разных устройств, имеющих в своем активе схожий функционал.

• Устройства плавного пуска призваны снижать пусковые токи электродвигателей и пиковые потребляемые мощности в электрических сетях, преобразуют напряжение, подводимое к обмоткам электродвигателя при помощи специальных силовых ключей - симисторов (или встречно - параллельно включенных тиристоров).
• В то время как преобразователи частоты (ПЧ) преобразуют частоту и напряжение, подводимое к обмоткам электродвигателя, конечная цель этого преобразования плавная регулировка скорости вращения выходного вала двигателя.

Да, частотный преобразователь имеет опцию плавного пуска электродвигателя, но значительно более сложное устройство. В общих чертах преобразователь частоты состоит из диодного силового выпрямителя, LC-фильтра, инвертора на дорогостоящих IGBT модулях, системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, и имеет значительный математический вычислительный аппарат.

Так почему не стоит путать УПП и ПЧ? Хотя бы потому, что стоимость последнего минимум в 2-3 раза больше, а с ростом мощности устройства разница в стоимости возрастает. Например, преобразователь частоты INSTART мощностью 37кВт в 4 раза дороже устройства плавного пуска аналогичной мощности, ответ напрашивается сам: если цели регулирования скорости выходного вала двигателя не стоит, а обеспечить мягкий пуск и сохранность механизмов требуется, то зачем переплачивать.

Сводная таблица характеристик УПП, поставляемых компанией ООО «РусАвтоматизация»

Выбрать УПП наугад или не переплачивать?

Для эффективного применения устройства плавного пуска важно осуществить правильный выбор устройства по номиналу мощности, не забыв про характеристику нагрузки , различные задачи требуют различных пусковых характеристик и в общих чертах могут быть разделены на три категории:

1. Нормальный режим работы требует значения пускового тока не более 3,5хIн, при этом время пуска может быть в диапазоне 10…20 с;
2. Тяжелый режим работы характеризуется наличием момента сопротивления на валу двигателя и требует значения пускового тока до 4,5хIн и время разгона до 30 с;
3. Очень тяжелый режим работы характеризуется пусковым током до 5,5хIн и длительным временем разгона.

Данная статья носит исключительно ознакомительный характер. Обратитесь к специалистам компании ООО «РусАвтоматизация» для подбора устройства плавного пуска применительно к вашей категории производственного оборудования.