Устройства плавного пуска (Софтстартеры). Виды и работа

Кому хочется напрягаться, тратить свои деньги и время на переоборудование устройств и механизмов, которые и так прекрасно работают? Как показывает практика – многим. Хоть и не каждый в жизни сталкивается с промышленным оборудованием, оснащённым мощными электродвигателями, но, постоянно встречается пусть с не столь прожорливыми и мощными, электромоторами в быту. Ну а лифтом, наверняка, пользовался каждый.

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.

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.

Видео: Плавный пуск, регулировка и защита колектор. двигателя

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.

Видео: Подключение трёхфазного асинхронного электродвигателя звездой или треугольником

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.

Плавный пуск своими руками

Большинство перечисленных выше систем фактически неприменимы в бытовых условиях. В первую очередь по той причине, что дома мы крайне редко используем трехфазные асинхронные двигатели. Зато коллекторных однофазных моторов - хоть отбавляй.

Существует немало схем устройства плавного запуска двигателей. Выбор конкретной зависит исключительно от вас, но в принципе, имея определённые знания радиотехники, умелые руки и желание, вполне можно собрать приличный самодельный пускатель , который продлит жизнь вашего электроинструмента и бытовой техники на долгие годы.

Мягкий запуск двигателя и его деликатное торможение способны в разы увеличить срок службы системы за счет защиты от перегрева, скачков и рывков процессов. Как раз для этого было разработано устройство плавного пуска или сокращенно УПП, которое стабилизирует пусковые характеристики и обеспечивает равномерную работу механизма.

С помощью УПП можно избежать множество проблем в функционировании электродвигателя, поэтому важно знать назначение и принцип действия устройства плавного пуска, основные параметры, нюансы подключения и эксплуатации.

Чем помогает УПП

Во время запуска двигателя крутящиеся механизмы способны в два раза превышать номинальное значение, образуя пусковые токи, в несколько раз превосходящий средние рабочие показатели.

Подобные перезагрузки чреваты многими осложнениями:

Сильный перегрев;
Порча изоляции обмоток;
Срыв транспортерных лент;
Неисправность кинематической цепи;
Тяжелый пуск;
Остановка мотора.

Устройство плавного пуска электродвигателя в разы сглаживает механические рывки и гидравлические удары, обеспечивая постепенное нарастание мощности и стабильную работу мотора. Недаром второе название прибора — софтстартер, что в переводе с английского означает «мягкий старт».

На представленных фото устройства плавного пуска видно, что внешне механизм выглядит как набор схем и проводов, защищенных металлическим и пластмассовым корпусом. На самом же деле в основе прибора коммутационная аппаратура, тормозные колодки, блокираторы, противовесы и другие элементы, способные стабилизировать работу электрического двигателя.

Также механизм обладает и дополнительным функционалом:

Обеспечивает плавное торможение;
Защищает от короткого замыкания;
Предотвращает возможный обрыв фазы;
Исключает незапланированный самостоятельный пуск мотора;
Не допускает превышения номинальных рабочих значений;
Позволяет подобрать источник питания меньшей мощности;
Понижает расход энергии;
Экономит средства на эксплуатации и ремонте машины;
Снижает электромагнитные помехи.

Когда УПП необходимо

Некоторые машины не сразу дают понять, что нуждаются в сглаживающем механизме, однако чем раньше будет настроен плавный запуск, тем дольше и качественнее прослужит вся система. К сожалению, чаще всего задумываются о подключении УПП только тогда, когда сам двигатель говорит о губительности пусковых процессов. Чтобы понять это достаточно уловить одну из самых распространенных «показательных» ситуаций:

Источник питания не справляется со слишком тяжелым пуском. Например, сеть не способна выдавать требуемые мощности или обеспечивает выработку на максимальных уровнях функционирования, лампочки отключаются, срабатывают автоматические выключатели, отказываются запускаться некоторые контакторы, реле, генератор.

Запуску двигателя препятствуют защитные системы, срабатывая на превышение допустимых нагрузок. При отличном запуске пакетник «срабатывает» до достижения необходимой частоты.

Чтобы не допустить выхода электродвигателя из строя, рекомендуется как можно скорее настроить плавность запуска и торможения системы. Сделать это несложно, так как даже новичку под силу выбрать, установить и подключить устройство плавного пуска своими руками.

Как выбрать софстартер

Вопрос, как выбрать устройство плавного пуска, возникает довольно часто, ведь подбирается механизм под конкретный электродвигатель и источник питания.

Чтобы не ошибиться с параметрами и возможностями, рекомендуется обращать внимание на следующие показатели:

Максимальное значение тока, вырабатываемого мотором при самых высоких нагрузках;
Наибольшее число запусков в один час;
Номинальное напряжение на питающей системе;
Способность контролировать и ограничивать вырабатываемый ток;
Возможность шунтирования — отключения питающего блока от цепи, чтобы исключить перегрев и возгорание;
Количество фаз (две — компактнее и дешевле, три — надежнее и долговечнее при частых запусках);
Цифровое или аналоговое управление.

Главное, чтобы выдвигаемые к софтстартеру требования соответствовали с критериями, условиями работы, мощностью двигателя и номинальным значениям сети. Помогут в выборе и сводные таблицы, расчетные алгоритмы, предлагаемыми многими поставщиками для более удобного и качественного поиска подходящего прибора.

Как подключить и настроить

Настройка определяется соответствующей схемой подключения плавного пуска к двигателю. Стандартной считается та, где предусмотрено применение магнитного пускателя, теплового реле, быстродействующих предохранителей и регулирующих ток автоматов.

Чтобы правильно подключить устройство плавного пуска, необходимо четко следовать схемам, где наглядно обозначены все важные моменты:

Последовательность цепи;
Конец разгона;
Вывод заземления;
Наладка запуска и торможения;
Расположение нейтрали.

Не лишним будет и наладка специального регулятора, обеспечивающего обратную связь: получающего данные о токе двигателя и стабилизирующих рост напряжения.

Софтстартер может легко помочь в разы продлить срок службы электрического двигателя, при этом снизив сопутствующие расходы, а производимые мощности повысив без вреда для машины. Стабилизация работы механизма, контролирование нагрузок и регуляция происходящих процессов — все это станет незаменимым помощником в решении проблем тяжелого пуска.

Фото устройства плавного пуска

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:

Выпрямитель собирается на полупроводниковых мощных диодах (возможен вариант тиристорного исполнения). Он преобразует величину сетевого напряжения в пульсирующий постоянный ток.
Промежуточная цепь сглаживает помехи и пульсации.
Инвертор необходим для преобразования сигнала, полученного на выходе промежуточной цепи, в сигнал переменной амплитудной и частотной характеристиками.
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:

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

Применение простых схем возможно только при небольших нагрузках или холостом запуске. В противном случае схема усложняется.
Происходит перегрев обмоток и полупроводниковых приборов при продолжительном запуске.
Двигатель иногда не запускается (приводит к значительному перегреву обмоток).
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:

Мощность устройства.
Режим работы.
Равенство Iп двигателя и УПП.
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:

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

Асинхронный электродвигатель имеет возможность самостоятельного запуска из-за взаимодействия между вращающимся потоком магнитного поля и потоком обмотки ротора, вызывая высокий ток в нём. В результате статор потребляет большой ток, который к моменту достижения двигателем полной скорости становится больше номинального, что может привести к нагреву двигателя и его повреждению. Для предотвращения этого необходимо устройство плавного пуска электродвигателя (УПП).

Принцип работы пускателя

Он заключается в том, что устройство регулирует напряжение, приложенное к двигателю во время пуска, контролируя характеристики тока. Для асинхронных двигателей пусковой момент приблизительно пропорционален квадрату пускового тока. Он пропорционален приложенному напряжению. Крутящий момент также можно считать приблизительно пропорциональным приложенному напряжению, таки образом регулируя напряжение во время пуска, ток, потребляемый машиной, и его крутящий момент контролируются устройством и могут быть уменьшены.

Используя шесть SCR в конфигурации, как показано на рисунке устройство плавного пуска может регулировать напряжение, подаваемое на двигатель при запуске от 0 вольт до номинального линейного напряжения. Плавный пуск электродвигателя может осуществляться тремя способами:

Прямой запуск с применение полного напряжения нагрузки.
Применяя постепенно пониженное.
Применение пуска частичной обмотки с помощью стартёра автотрансформатора.

УПП могут быть двух типов:

Открытое управление : напряжение пуска подаётся с задержкой во времени независимо от тока или скорости двигателя. Для каждой фазы два SCR проводятся сначала с задержкой на 180 градусов в течение соответствующих полуволновых циклов (для которых выполняется каждый SCR). Эта задержка постепенно уменьшается со временем до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет номинального значения. Она также известна, как система временного напряжения. Этот метод фактически не контролирует ускорение двигателя.
Контроль замкнутого контура : контролируются любые характеристики выходного сигнала двигателя, такие как текущий ток или скорость. Пусковое напряжение изменяется соответственно для получения требуемого отклика. Таким образом, задачей УПП является контроль угла проводимости SCR и управление напряжением питания.

Преимущества плавного пуска

Твердотельные плавные пускатели используют полупроводниковые приборы для временного снижения параметров на клеммах двигателя. Это обеспечивает контроль тока двигателя, чтобы уменьшить крутящий момент предельного значения двигателя. Управление основано на управлении напряжением клемм двигателя на двух или трёх фазах.

Несколько причин, почему этот метод предпочтительнее других:

Повышенная эффективность : эффективность системы УПП с использованием твердотельных переключателей обусловлена в основном низким состоянием напряжения.
Управляемый запуск : пусковые параметры можно контролировать, легко изменяя их, что обеспечивает запуск его без каких-либо рывков.
Управляемое ускорение : ускорение двигателя контролируется плавно.
Низкая стоимость и размер : это обеспечивается с использованием твердотельных переключателей.

Компоненты твердотельных устройств

Выключатели питания, такие как SCR, которые подвергаются фазовому контролю для каждой части цикла. Для трехфазного двигателя два SCR подключаются к каждой фазе. Реле плавного пуска электродвигателя должны быть рассчитаны как минимум в три раза больше, чем линейное напряжение.

Рабочий пример системы для трехфазного асинхронного двигателя. Система состоит из 6 SCR, контрольной логической схемы в виде двух компараторов - LM324 и LM339 для получения уровня и напряжения рампы и оптоизолятора для управления приложением напряжения затвора к SCR на каждой фазе.

Таким образом, управляя длительностью между импульсами или их задержкой, управляемый угол SCR контролируется и регулируется подача питания на этапе пуска двигателя. Весь процесс на самом деле представляет собой систему управления с разомкнутым контуром, в которой контролируется время применения импульсов запуска затвора для каждого SCR.

Основы SCR

SCR (Silicon Controlled Rectifier) представляет собой управляемый стабилизатор мощности постоянного тока с высокой мощностью. Устройства плавного пуска асинхронных двигателей SCR представляет собой четырехслойное кремниевое полупроводниковое устройство PNPN. Оно имеет три внешних терминала и использует альтернативные символы на рисунке 2 (a) и имеет транзисторную эквивалентную схему на рисунке 2 (b).

Основной способ использования SCR в качестве переключателя с анодом, положительным относительно катода, управляемым в момент запуска машины.

Основные характеристики SCR можно понять с помощью этих диаграмм. Устройство плавного пуска электродвигателя можно включить и заставить действовать как выпрямитель с прямым смещением кремния, кратковременно применяя к нему ток затвора через S2. SCR быстро (в течение нескольких микросекунд) автоматически защёлкивается во включённое состояние и остаётся включённым даже при удалении привода затвора.

Это действие показано на рисунке 2 (b) ток начального затвора включается Q1, а ток коллектора Q1 включается Q2, ток коллектора Q2 затем удерживает Q1, даже когда привод затвора удаляется. Потенциал насыщения составляет 1 В или около того и создаётся между анодом и катодом.

Для включения SCR требуется только короткий импульс затвора. Как только SCR будет зафиксирован, он может быть снова отключён, кратковременно уменьшая его ток анода ниже определённого значения, как правило, несколько миллиампер, в приложениях АС выключение происходит автоматически в точке пересечения нуля в каждом полупериоде.

Значительный коэффициент усиления доступен между затвором и анодом SCR, а низкие значения тока затвора (обычно несколько мА или меньше) могут контролировать высокие значения анодного тока (до десятков усилителей). Большинство SCR имеют анодные номиналы в сотни вольт. Характеристики затвора SCR аналогичны характеристикам транзисторного соединения - эмиттера транзистора (см. Рис. 2 (b)).

Внутренняя ёмкость (несколько pF) существует между анодом и затвором SCR, и резко возрастающее напряжение, появляющееся на аноде, может вызвать достаточный прорыв сигнала к затвору для включения SCR. Этот «эффект скорости» может быть вызван переходными процессами на линии питания и т. д. Проблемы с эффектом скорости можно преодолеть, проводя сеть сглаживания CR между анодом и катодом, чтобы ограничить скорость подъёма до безопасного значения.

Сетевое напряжение переменного тока (рис. 5) выпрямляется с помощью пассивного диодного моста. Это означает, что диоды срабатывают, когда линейное напряжение больше напряжения на секции конденсатора. Результирующая форма волны имеет два импульса в течение каждого полупериода, по одному для каждого окна диодной проводимости.

Форма волны показывает некоторый непрерывный ток, когда проводимость переходит от одного диода к следующему. Это типично, когда он используется в звене постоянного тока привода и присутствует некоторая нагрузка. Инверторы используют широко-импульсную модуляцию для создания выходных сигналов. Треугольный сигнал генерируется на несущей частоты, с которой инвертор IGBT переключится.

Эта форма сигнала сравнивается с синусоидальной формой волны на основной частоте, которая должна быть доведена до двигателя. Результатом является волновая форма U, показанная на рисунке.

Выход инвертора может быть любой частотой ниже или выше частоты линии до пределов инвертора и/или механические пределы двигателя. Нужно обратить внимание на то, что привод всегда работает в пределах рейтинга скольжения двигателя.

Процесс регулирования пуска

Сроки включения SCR - это ключ к управлению выходом напряжения для УПП. В течение пуска логическая схема УПП определяет, когда включить SCR. Он не включает SCR в точке, где напряжение идёт от отрицательного к положительному, но ждёт некоторое время после этого. Это известный процесс, называемый как «постепенное восстановление» SCR. Точка включения SCR установлена или запрограммирована тем, что начальный крутящий момент, начальный ток или ограничение тока строго регулируется.

Результат поэтапного восстановления SCR представляет собой несинусоидальное пониженное напряжение на выводах двигателя, которое показано на рисунках. Поскольку двигатель является индуктивным, а ток отстаёт от напряжения, SCR остаётся включённым и проводит, пока ток не достигнет нуля. Это происходит после того, как напряжение стало отрицательным. Выход напряжения индивидуального SCR.

Если сравнивать с формой полного напряжения, можно видеть, что пиковое напряжение совпадает с полным волновым напряжения. Однако ток не увеличивается до того же уровня, что и при приложении полного напряжения из-за индуктивного характера двигателей. Когда это напряжение подаётся на двигатель, выходной ток выглядит, как на рисунке.

Поскольку частота напряжения равна так же, как и линейная, частота тока тоже одинакова. SCR поэтапно переходят к полной проводимости, пробелы в токе заполняются до тех пор, пока волновая форма не будет выглядеть так же, как у двигателя.

Такой плавный пуск асинхронного электродвигателя в отличие от привода переменного тока, имеет характеристики тока в сети и тока двигателя всегда одинаковыми. Во время запуска изменение тока зависит напрямую от величины приложенного напряжения. Крутящий момент двигателя изменяется, как квадрат приложенное напряжение или тока.

Наиболее важным фактором при оценке является крутящий момент двигателя. Стандартные двигатели производят приблизительно 180% от момента полной нагрузки при запуске. Следовательно, 25%-е снижение параметров будет равно крутящему моменту полной нагрузки. Если двигатель потребляет 600% от полного тока нагрузки при запуске, то ток в этой схеме уменьшит пусковой ток от 600% до 450% нагрузки.

Схемы подключения пускателей

Существует два варианта, с помощью которых стартер осуществляет запуск электродвигателя: стандартная схема и внутри треугольника.

Стандартная схема. Пускатель соединён последовательно с линейным напряжением, подаваемым на двигатель.

Внутри треугольника существует ещё одна схема, по которой подключён пускатель, называется схемой внутренней дельты. В этой схеме два кабеля, которые подключаются к одному из двигателей, присоединяются непосредственно к источнику питания I/P, а другой кабель будет подключён через пускатель. Одна особенность этой схемы заключается в том, что пускатель можно использовать для больших двигателей, например, для двигателей мощностью 100 кВт, поскольку фазные токи делятся на 2 части.

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