Устройство плавного пуска электродвигателя

Зачем понадобился плавный пуск двигателя

Итак, проблема — на котельной есть насосы подпитки котла водой. Всего два насоса, и включаются они по команде от системы слежения за уровнем воды в котле. Одновременно может работать только один насос, выбор насоса осуществляет оператор котельной путем переключения водяных кранов и электрических переключателей.

Насосы приводятся в действие обычными асинхронными двигателями. Асинхронные двигатели 7,5 кВт включаются через обычные контакторы (магнитными пускателями). А поскольку мощность большая, то пуск очень жесткий. Каждый раз при пуске возникает ощутимый гидроудар. Портятся и сами двигатели, и насосы, и гидросистема. Иногда такое ощущение, что трубы и краны сейчас разлетятся вдребезги.

Кроме того, когда котёл остывший, и в него резко подается горячая вода (более 95 °С), то происходят неприятные явления, напоминающие взрывообразное бурление. Бывает и наоборот, воду с температурой 100 °С можно холодной – когда в котле находится сухой пар с температурой почти 200 °С. В этом случае тоже происходят вредные гидроудары.

Жаль, что конструкцией котла в электросхеме не предусмотрено было плавное включение двигателей насоса. Хотя котлы итальянские, на этом было решено сэкономить…

Повторюсь, что для плавного включения асинхронных двигателей мы имеем на выбор такие варианты:

• схема «звезда-треугольник»
• система плавного пуска (мягкий пуск)
• частотный преобразователь (инвертор)

В данном случае необходимо было выбрать тот вариант, при котором бы было минимальное вмешательство в рабочую схему управления котлом.

Дело в том, что любые изменения в работе котла должны быть обязательно согласованы с производителем котла (либо сертифицированной организацией) и с надзорной организацией. Поэтому изменения должны быть внесены незаметно и без лишнего шума. Хотя, в систему безопасности я не вмешиваюсь, поэтому тут не так строго.

Варианты систем плавного пуска электродвигателей

Система «звезда-треугольник»

Одна из наиболее широко применяемых систем запуска промышленных асинхронных двигателей. Основным её преимуществом является простота. Двигатель запускается при коммутации обмоток системы «звезда», после чего, при наборе штатных оборотов, автоматически переключается на коммутацию «треугольник». Такой вариант старта позволяет добиться тока почти на треть ниже, чем при прямом запуске электромотора.

Однако, этот способ не подойдёт для механизмов с небольшой инерцией вращения. К таким, к примеру, относятся вентиляторы и небольшие насосы, из-за малых размеров и массы их турбин. В момент перехода с конфигурации «звезда» на «треугольник», они резко снизят обороты или вовсе остановятся. В результате после переключения, электродвигатель по сути, запускается заново. То есть в конечном счёте вы не добьётесь не только экономии ресурса двигателя, но и, вероятнее всего, получите перерасход электроэнергии.

Электронная система плавного пуска электродвигателя

Плавный пуск двигателя может быть произведён с помощью симисторов, включённых в цепи управления. Существует три схемы такого включения: однофазные, двухфазные и трехфазные. Каждая из них отличается своими функциональными возможностями и конечной стоимостью соответственно.

С помощью таких схем, обычно, удаётся снизить пусковой ток до двух–трёх номинальных. Кроме этого, удаётся снизить существенный нагрев, присущий вышеупомянутой системе «звезда-треугольник», что способствует увеличению срока службы электродвигателей. Благодаря тому, что управление запуска двигателя происходит за счёт снижения напряжения, разгон ротора осуществляется плавно, а не скачкообразно, как у других схем.

В целом, на системы плавного пуска двигателя возлагаются несколько ключевых задач:

• основная – понижение пускового тока до трёх–четырёх номинальных;
• снижение напряжения питания двигателя, при наличии соответствующих мощностей и проводки;
• улучшение параметров пуска и торможения;
• аварийная защита сети от перегрузок по току.

Однофазная схема пуска

Данная схема предназначена для запуска электродвигателей мощностью не более одиннадцати киловатт. Применяют такой вариант в том случае, если требуется смягчить удар при запуске, а торможение, плавный пуск и понижение пускового тока не имеют значения. В первую очередь из-за невозможности организации последних, в такой схеме. Но по причине удешевления производства полупроводников, в том числе и симисторов, они сняты с производства и редко встречаются;

Двухфазная схема пуска

Такая схема предназначена для регулирования и пуска двигателей мощностью до двухсот пятидесяти ватт. Такие системы плавного пуска иногда комплектуют обходным контактором для удешевления прибора, однако, это не решает проблемы несимметричности питания фаз, что может привести к перегреву;

Трехфазная схема пуска

Эта схема является наиболее надёжной и универсальной системой плавного пуска электродвигателей. Максимальная мощность, управляемых таким устройством двигателей, ограничена исключительно максимальной температурной и электрической выносливостью применённых симисторов. Его универсальность позволяет реализовать массу функций, таких как: динамический тормоз, подхват обратного хода или балансировку ограничения магнитного поля и тока.

Важным элементом последней, из упомянутых схем, является обходной контактор, о котором говорилось раньше. Он позволяет обеспечить правильный тепловой режим системы плавного пуска электродвигателя, после выхода двигателя на штатные рабочие обороты, предотвращая его перегрев.

Существующие на сегодняшний день устройства плавного пуска электродвигателей, помимо приведённых выше свойств, рассчитаны на их совместную работу с различными контроллерами и системами автоматизации. Имеют возможность включения по команде оператора или глобальной системы управления. При таких обстоятельствах, в момент включения нагрузок, возможно появление помех, могущих привести к сбоям в работе автоматики, а следовательно, стоит озаботиться системами защиты. Использование схем плавного пуска, способно значительно уменьшить их влияние.

ПУСК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ЧЕРЕЗ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Наиболее гибкий способ управления не только режимом пуска, но и рабочими характеристиками асинхронного электродвигателя – это применение частотного преобразователя. По своей сути частотный преобразователь представляет собой узкоспециализированный инвертор:

• входное напряжение в нем выпрямляется;
• затем заново преобразуется в переменное, но уже с заданной частотой и амплитудой.

Это происходит благодаря работе генератора широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который создает серию прямоугольных импульсов заданной частоты и скважности (отношения длительности импульса к его периоду). Генерируемые импульсы управляют силовыми ключами, коммутирующими выпрямленное напряжение питания на обмотки выходного трансформатора.. Как осуществляется плавный пуск через частотный преобразователь?

Как осуществляется плавный пуск через частотный преобразователь?

В данном случае становится возможным плавное изменение не только напряжения, но и частоты питающего электродвигатель напряжения. Благодаря тому, что ШИМ-генератор частотного преобразователя легко может управляться с обратной связью по потребляемому току, становится возможным пусковой режим, в котором ток не превышает номинальный – таким образом перегрузка питающей сети фактически отсутствует.

Однако такой пусковой режим требует значительного усложнения частотного преобразователя, поэтому для управления асинхронными электродвигателями обычно используется комбинация с отдельным устройством плавного пуска (УПП).

2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

ПРЯМОЙ ПУСК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Как уже было сказано выше, прямое включение обмотки асинхронного двигателя может применяться только при низкой мощности. В этом случае пусковой ток превышает номинальный в 5-7 раз, что не является проблемой для коммутационного оборудования и электропроводки.

Основной проблемой прямого пуска становится подключение нескольких электродвигателей к маломощной подстанции или генератору.

Включение в сеть нового электродвигателя может вызвать настолько сильную просадку напряжения, что уже работающие двигатели остановятся, а новому мотору не хватит пускового момента, чтобы стронуться с места.

Пусковой ток асинхронного двигателя достигает максимального значения в момент включения и плавно снижается до номинального по мере раскрутки ротора.

Следовательно, для уменьшения времени перегрузки сети асинхронный двигатель должен включаться с минимальной нагрузкой, если это возможно.

Мощные токарные станки, гильотины для рубки металла не имеют фрикционных муфт, и все их вращающиеся механизмы раскручиваются в момент включения электродвигателя.

В этом случае длительные просадки напряжения приходится прямо закладывать в проектируемое для них электроснабжение.

ПУСК ПО СХЕМЕ ЗВЕЗДА-ТРЕУГОЛЬНИК

Другим способом запуска, использующимся на трехфазных двигателях, является перекоммутация обмоток: в момент пуска обмотки соединяются звездой, по мере разгона ротора обмотки переводятся в нормальное включение треугольником.

Такой метод пуска фактически является частным случаем способа пуска асинхронного электродвигателя на пониженном напряжении, так как напряжение на обмотках при этом снижаетсяпримерно в 1,73 раза.

Подобный способ пуска может быть легко реализован с помощью набора контакторов с ручным управлением или с приводом от реле времени, поэтому достаточно дешев и распространен. Основные недостатки этого способа:

1. При отказе одного из контакторов произойдет нарушение коммутации, в результате чего либо станет невозможным пуск, либо значительно снизится мощность двигателя.
2. Снижение напряжения и тока является фиксированным.
3. Крутящий момент двигателя при включении обмоток звездой уменьшается, поэтому запуск желательно также производить без нагрузки.

Электродвигатели и нагрузки — проблема?

Дело в том, что фактически любые электродвигатели, в момент пуска или остановки ротора, испытывают огромные нагрузки. Чем мощнее двигатель и оборудование, приводимое им в движение, тем грандиозней затраты на его запуск.

Наверное, самая значительная нагрузка, приходящаяся на двигатель в момент пуска, это многократное, хоть и кратковременное, превышение номинального рабочего тока агрегата. Уже через несколько секунд работы, когда электромотор выйдет на свои штатные обороты, ток, потребляемый им, тоже вернётся к нормальному уровню. Для обеспечения необходимого электроснабжения приходиться наращивать мощность электрооборудования и токопроводящих магистралей, что приводит к их подорожанию.

При запуске мощного электродвигателя, из-за его большого потребления, происходит «просадка» напряжения питания, которая может привести к сбоям или выходу из строя оборудования, запитанного с ним от одной линии. Ко всему прочему, снижается срок службы аппаратуры электроснабжения.

При возникновении нештатных ситуаций, повлёкших перегорание двигателя или его сильный перегрев, свойства трансформаторной стали могут измениться настолько, что после ремонта двигатель потеряет до тридцати процентов мощности. При таких обстоятельствах, к дальнейшей эксплуатации он уже непригоден и требует замены, что тоже недешево.

ПЛАВНЫЙ ПУСК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Логичным способом снижения пускового тока стало снижение напряжения, подаваемого на статор в момент запуска, с его постепенным увеличением при разгоне двигателя.

Простейший и наиболее старый способ плавного пуска – реостатный пуск электродвигателя: в цепь статора последовательно включается несколько мощных резисторов, последовательно закорачиваемых контакторами.

Также могут использоваться и дроссели высокой индуктивности (реакторы), а также автотрансформаторы.

Подобный способ плавного пуска имеет очевидные недостатки:

Проблематичность автоматизации.

Работа контакторов не привязывается к реальному значению тока, они либо переключаются вручную, либо перебираются с помощью реле времени автоматически.

Усложнение пуска под нагрузкой.

Так как крутящий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения питания, снижение напряжения в момент пуска в 2 раза приведет к снижению крутящего момента в 4 раза. Применение плавного пуска с электродвигателями, напрямую подключенными к нагрузке, значительно увеличивает время выхода на рабочие обороты.

Совершенствование силовой электроники позволило создать компактные автоматические устройства плавного пуска (также называемые софтстартерами от английского soft start – «мягкий пуск») для асинхронных электродвигателей, устанавливаемые на стандартную монтажную рейку электрощитов.

Они обеспечивают не только плавный разгон, но и торможение двигателя, позволяя регулировать параметры токов пуска и остановки в различных режимах:

Постоянное токоограничение.

В момент запуска ток ограничивается на заданном превышении номинального и удерживается на этой величине все время разгона двигателя. Обычно используется ограничение на уровне 200-300% номинального тока. Перегрузка становится малозначительной, хотя ее длительность возрастает.

Формирование тока.

В данном случае токовая кривая в момент включения двигателя имеет больший наклон, после чего софтстартер переходит в режим токоограничения.

Такой метод плавного пуска применяется при подключении к маломощным подстанциям или генераторам для снижения стартовой нагрузки, однако пусковой момент электродвигателя в данном случае минимален. Для устройств, лишенных холостого хода электродвигателя, использовать формирование тока с пологой стартовой кривой невозможно.

Ускоренный пуск (кик-старт).

Применяется с двигателями, напрямую приводящими нагрузку, так как иначе их пусковой крутящий момент может оказаться недостаточным для страгивания ротора.

В этом случае устройство плавного пуска допускает кратковременное превышение пускового тока в несколько раз (фактически осуществляется прямая коммутация), по истечении заданного времени ток снижается до двух-трехкратного превышения номинала.

Останов на выбеге.

При отключении двигателя напряжение с него снимается полностью, вращение якоря продолжается по инерции. Наиболее простой способ коммутации, применимый при небольших мощностях и малой инерции привода.

Однако в момент разрыва цепи происходит сильный индуктивный выброс, приводящий к сильному искрению в контакторах. На мощных электродвигателях, а также при высоких рабочих напряжениях данный способ отключения неприемлем.

Линейное снижение напряжения.

Применяется для более плавной остановки двигателя. Нужно помнить, что крутящий момент двигателя при этом снижается нелинейно из-за квадратичной зависимости момента от напряжения, то есть снижение момента происходит наиболее резко в начале кривой.

Отключение питания происходит при минимальном токе в обмотке, соответственно коммутирующие выключатели практически не изнашиваются образованием искры между контактами.

Для снижения нагрузок при остановке применяется управляемое снижение напряжения:

• вначале ток снижается минимально;
• затем кривая начинает снижаться круче.

Снижение крутящего момента электродвигателя при этом близко к линейному. Этот способ управления остановом электродвигателя применяется в устройствах с высокой инерционностью привода.

При использовании такого рода устройств плавного пуска пусконаладочные работы заключаются в настройке нужного типа кривой пускового тока и, в случае использования режимов формирования тока или ускоренного старта, настройке длительности временного интервала начального участка кривой.

Применение устройств плавного пуска позволяет автоматизировать пусковой режим, но его главный минус остается – либо приходится закладывать в устройство возможность холостого хода электродвигателя, либо допускать кратковременные перегрузки сети, раскручивая мотор и нагрузку с кик-стартом.

Устройство плавного пуска электродвигателя. Пример применения

Устройство плавного пуска ABB PSR-25-600

Всем привет! Сегодня будет статья, в которой показан реальный пример использования устройства плавного пуска (мягкого пускателя) на практике. Плавный пуск электродвигателя установлен мною на реальном устройстве, приводятся фото и схемы.

Что это за устройство, я ранее подробно рассказывал в статье про мягкий пускатель. Напоминаю, что мягкий пускатель и устройство плавного пуска суть одно и то же устройство. Названия эти берутся от английского Soft Starter. В статье я буду называть этот блок и так, и эдак, привыкайте). Информации по устройствам плавного пуска в интернете достаточно, рекомендую также почитать здесь.

Моё мнение по пуску асинхронных двигателей, подтвержденное многолетними наблюдениями и практикой. При мощности двигателя более 4 кВт стоит подумать, чтобы обеспечить плавный разгон двигателя. Это нужно при тяжелой, инерционной нагрузке, которая как раз и подключается на вал такого двигателя. Если двигатель используется с редуктором, то ситуация полегче.

Простейший и самый дешевый вариант плавного пуска – вариант с включением двигателя через схему “Звезда-Треугольник”. Более “плавные” и гибкие варианты – устройство плавного пуска и преобразователь частоты (в народе – “частотник”). Есть ещё древний способ, который уже почти не применяется – двухскоростные двигатели.

Я уже использовал устройство плавного пуска от Schneider Electric, был такой положительный опыт в моей деятельности. Тогда нужно было плавно включать/выключать длинный круговой конвейер с заготовками (двигатель 2,2 кВт с редуктором). Жаль, что фотоаппарата тогда не было под рукой. Но в этот раз всё рассмотрим очень детально!

Для чего нужен плавный пуск?

Казалось бы, все правильно, да и оборудование на это рассчитано. Вот только всегда есть «но». В нашем случае их несколько:

в момент запуска электродвигателя, ток питания может превышать номинальный в четыре с половиной-пять раз, что приводит к значительному нагреву обмоток, а это не очень хорошо;
старт двигателя прямым включением приводит к рывкам, которые в первую очередь влияют на плотность тех же обмоток, увеличивая трение проводников во время работы, ускоряет разрушение их изоляции и, со временем, может привести к межвитковому замыканию;
вышеупомянутые рывки и вибрация передаются на весь приводимый в движение агрегат. Это уже совсем нездорово, потому что может привести к повреждению его движущихся элементов: систем зубчатых передач, приводных ремней, конвейерных лент или просто представьте себя едущим в дёргающемся лифте. В случае насосов и вентиляторов — это риск деформации и разрушения турбин и лопастей;
не стоит также забывать об изделиях, возможно находящихся на производственной линии

Они могут упасть, рассыпаться или разбиться из-за такого рывка;
ну, и наверно, последний из моментов, заслуживающих внимание — стоимость эксплуатации такого оборудования. Речь идёт не только о дорогостоящих ремонтах, связанных с частыми критическими нагрузками, но и об ощутимом количестве не эффективно израсходованной электроэнергии.

Казалось бы, все вышеперечисленные сложности эксплуатации присущи лишь мощному и громоздкому промышленному оборудованию, однако, это не так. Все это может стать головной болью любого среднестатистического обывателя. В первую очередь это касается электроинструмента.

Специфика применения таких агрегатов, как электролобзики, дрели, болгарки и им подобных, предполагают многократные циклы запуска и остановки, в течение относительно небольшого промежутка времени. Такой режим эксплуатации, в той же мере, влияет на их долговечность и энергопотребление, как и у их промышленных собратьев. При всем этом не стоит забывать, что системы плавного запуска не могут регулировать рабочие обороты мотора или реверсировать их направление. Также невозможно увеличить пусковой момент или снизить ток ниже, чем требуется для начала вращения ротора электродвигателя.

Чем опасен пусковой ток электродвигателя

При подаче напряжения на обмотку статора скорость вращения ротора равна нулю. Ротор нужно стронуть с места и раскрутить до номинального частоты вращения. На это тратится значительно большая энергия, чем та, что нужна для номинального режима работы.

Под нагрузкой пусковые токи больше, чем на холостом ходу. К весу ротора прибавляется механическое сопротивление вращению от приводимого двигателем в движение механизма. На практике влияние этого фактора стремятся минимизировать. Например, у мощных вентиляторов на момент запуска автоматически закрываются шиберы в воздуховодах.

В момент протекания пускового тока из сети потребляется значительная мощность, расходуемая на выведение электродвигателя на номинальный режим работы. Чем мощнее электромотор, тем большая мощность для разгона ему требуется. Не все электрические сети переносят этот режим без последствий.

Перегрузка питающих линий неизбежно приводит к снижению напряжения в сети. Это не только еще более затрудняет процесс запуска электродвигателей, но и влияет на других потребителей.

Да и сами электродвигатели во время пусковых процессов испытывают повышенные механические и электрические нагрузки. Механические связаны с увеличением вращающего момента на валу. Электрические же, связанные с кратковременным увеличением тока, воздействуют на изоляцию обмоток статора и ротора, контактные соединения и пусковую аппаратуру.

Как плавно запустить двигатель?

Существует пять основных методов плавного пуска.

Высокий крутящий момент может быть создан путем добавления внешнего сопротивления в цепь ротора, как показано на рисунке.

С помощью включения в схему автоматического трансформатора можно поддерживать пусковой ток и крутящий момент за счет уменьшения начального напряжения. Смотрите рисунок ниже.

• Прямой запуск – это самый простой и дешевый способ, потому что асинхронный двигатель подключен напрямую к источнику питания.
• Соединения по специальной конфигурации обмоток – способ применим для двигателей, предназначенных для эксплуатации в нормальных условиях.

Использование УПП – это наиболее передовой способ из всех перечисленных методов. Здесь полупроводниковые приборы, такие как тиристоры или тринисторы, регулирующие скорость асинхронного двигателя, успешно заменяют механические компоненты.

Заключение

УПП разработаны и созданы, чтобы ограничить увеличение пусковых технических показателей двигателя. В противном случае нежелательные явления могут привести к повреждению агрегата, сжиганию обмоток или перегреву рабочих цепей

Для длительной же службы, важно чтобы трехфазный мотор работал без скачков напряжения, в режиме плавного пуска

Как только индукционный мотор наберёт нужные обороты, посылается сигнал к размыканию реле цепи. Агрегат становится готов к работе на полной скорости без перегрева и сбоев системы. Представленные способы могут быть полезными в решении промышленных и бытовых задач.

https://youtube.com/watch?v=32JRXQU6tdY