Мягкий старт — залог долголетия и надежности

September 10, 2013 by admin Комментировать »

До сих пор мы говорили о применении для управления вращением электродвигателей достаточно сложных по своему устройству статических преобразователей, которые обеспечивают полный набор функций: плавный старт по заранее определенному закону, плавное торможение, изменение частоты вращения после выхода на номинальный режим работы и т. д. Было сказано много слов в пользу частотных преобразователей, приведены их примеры и обрисованы открывающиеся перспективы применения. Однако здесь нам придется несколько огорчить читателя: не всегда такое решение оправдано с экономической точки зрения, поскольку в ряде случаев достаточно обеспечить только плавный пуск (или плавное торможение) электродвигателя. Решить эту конкретную задачу позволит стоящий несколько в стороне класс статических преобразователей, называемый «софт-стартерами», или устройствами плавного пуска (УПП). В настоящее время практически все выпускаемые промышленностью УПП имеют функцию энергосбережения. Почему? Простейшие расчеты показывают, что если бы электродвигатель смог работать с максимальным КПД во всех режимах, включая пусковые, то реальная экономия электроэнергии составила бы цифру порядка 40 %. К сожалению, максимальный КПД асинхронного электродвигателя обеспечивается только при его работе на номинальную нагрузку, и резко падает, если нагрузка снижается.

Вкратце напомним читателю о недостатках классических способов запуска электродвигателей. При выполнении так называемого «прямого пуска», когда статорная обмотка электродвигателя непосредственно подключается к питающей сети, возникает бросок тока, многократно (до 10 крат) превышающий номинальные значения. В этом случае включение двигателя сопровождается ощутимым механическим толчком и резким нагревом изоляции статорных обмоток. Механический крутящий момент за доли секунды может достигнуть 1,5-2,0-кратной величины по сравнению с номинальным. Опыт эксплуатации электродвигателей в таких режимах показывает, что дополнительные пусковые нагрузки ведут к превышению допустимой температуры обмоток и к снижению прочности их изоляции. Кроме того, резкие механические нагрузки ударного характера приводят к преждевременному износу как самих электродвигателей, так и нагрузок их валов: насосных агрегатов, редукторов, различных трансмиссий. А это, в свою очередь, вызывает нестабильную работу и даже поломку оборудования. Прямой пуск электродвигателей обладает еще одним существенным недостатком: в моменты включения происходит падение напряжения в питающей сети из-за больших пусковых токов, что может оказать самое негативное влияние на другое оборудование, которое подключено к этой сети. Именно по данной причине энергетические службы коммунальных хозяйств разрешают для бытовых сетей прямой пуск двигателей мощностью не более 6 кВА.

Достаточно широкое распространение получил метод снижения пусковых токов посредством переключения обмоток двигателя «звезда—треугольник». Суть этого метода в следующем: первоначально обмотки двигателя соединяются по схеме «звезда». Именно в таком соединении обмоток пусковой ток может быть уменьшен в три раза по сравнению с прямым пусковым током. Далее, по прошествии 5…15 с, когда двигатель выходит на номинальную скорость вращения, с помощью механического переключателя (контактора) обмотки двигателя переключаются в схему «треугольник». К сожалению, в этот момент коммутации также происходит токовый скачок и возникает механический удар, хотя его величина меньше, чем в условиях прямого пуска.

Еще один классический метод пуска электродвигателей — автотрансформаторный. Суть этого метода в том, что двигатель подключается к различным отводам автотрансформатора, стартуя при подаче пониженного напряжения и далее увеличивая его по мере разгона. Скачки тока и механические удары здесь еще меньше, чем в случае применения метода «звезда—треугольник». Однако автотрансформаторный метод рекомендовалось применять в основном для двигателей, у которых невозможно осуществить коммутацию «звезда—треугольник», а также для мощных двигателей. Стоимость такой системы пуска в практической реализации оказалась достаточно высокой, поэтому автотрансформаторный метод не получил сколько-нибудь серьезного распространения.

В ряде случаев и по сей день можно встретить иные технические решения, обеспечивающие облегченный режим пуска электродвигателей, использующие изменение сопротивления статорных обмоток в процессе разгона, или включающие некоторые устройства, устанавливаемые на вращающиеся механические части двигателей. Мы не будем говорить об этих методах, так как они выходят за рамки тематики книги.

Каковы характеристики наиболее распространенных механизмов, использующихся в промышленности? Центрифуги — имеют большие инерционные массы, из-за чего их раскручивание происходит достаточно долго. При прямом пуске центрифуг их двигатели продолжительное время находятся под воздействием пусковых токов, испытывая большие динамические воздействия. Вентиляторы — очень похожи по своим характеристикам на центрифуги, имея незначительные отличия в динамике установления номинальных нагрузок. Классические вентиляторные установки часто проектируются с применением метода переключения «звезда—треугольник», поскольку прямой пуск приводит к очень быстрой поломке подшипников и приводных ремней. Дробилки — еще более тяжелый вариант эксплуатации электродвигателей, поскольку при пуске эти устройства должны сразу преодолеть номинальное значение крутящего момента. Положение осложняется еще и тем, что очень часто дробилки работают на открытом воздухе, при пониженных температурах, которые увеличивают вязкость масляной смазки вращающихся частей, создавая дополнительный механический момент, который электродвигателю надо преодолевать. То же самое относится к механическим мельницам, мешалкам вязких сред и т. д.

Особый вид нагрузки — у подъемных механизмов и кранов. Мало того, что двигатель крана должен обеспечивать реверс (изменение направления вращения), в момент реверса, как и в момент прямого пуска, если эти операции выполняются резко, возникает опасное раскачивание груза из-за его инерционности. Не менее важно снизить пусковые нагрузки и в двигателях насосов — даже если приняты все классические меры по снижению пусковых нагрузок, применен метод «звезда—треугольник», все равно при пусках насосов можно наблюдать гидравлические удары в трубопроводах, которые в ряде случаев являются причиной их разрыва.

Ленточный транспортер — еще один достаточно распространенный вид механизма, который сегодня можно встретить не только на производстве, но также и в повседневной жизни, например, в супермаркетах — для подачи покупок к кассам. Резкие рывки ленты при пуске могут легко привести к падению и опрокидыванию установленных на нее товаров. Кому понравится, например, постоянно падающие с ленты кассового транспортера хрупкие товары — стеклянные бутылки, пластиковые контейнеры?

Весьма значительный класс механизмов составляют деревои металлообрабатывающие станки, ручной инструмент, а также швейные машины. Всех их объединяет характерная «двухрежимность» работы — режим холостого хода и режим номинальной нагрузки. Причем переход из режима в режим выполняется достаточно часто. Оптимизация режима холостого хода этих механических устройств позволит сэкономить значительное количество электроэнергии.

На рис. 1.5.1 приведены типовые кривые тока статора и крутящего момента электродвигателей в режиме прямого пуска (7), в режиме переключения «звезда—треугольник» (2), в автотрансформаторном режиме {3) и — внимание! — в режиме питания от софтстартера {4).

Очевидно: софтстартер позволяет избавиться от пусковых сверхтоков и избежать механических рывков. Однако следует запомнить, что обычный софтстартер не может обеспечить регулировку частоты вращения двигателя в установившемся режиме, не позволяет реверсировать направление вращения двигателя, не увеличивает момент вращения относительно номинального. Другими словами, софтстартер — это «урезанный» вариант частотного статического преобразователя. Каково его устройство?

Самый главный элемент софтстартера (УПП), с помощью которого осуществляется регулировка выходных параметров, — это симметричный тиристор (симмистор). Включение симмисторов в различных исполнениях УПП различное: симмисторы могут включаться в разрыв одной, двух и трех фаз. Двигатели, в которых возможно выполнить соединение фаз по схемам «треугольника» и «звезды», позволяют включить симмисторы не в питающие фазы, а в разрывы обмоток, что снижает рабочий ток элементов в 1,73 раза. Наиболее удачными являются УПП с регулирующими элементами во всех трех фазах, поскольку такое построение УПП не вызывает перекоса тока фаз в мо

Рис. 1.5.1. Сравнительные характеристики тока статора и крутящего момента

менты старта и торможения, реализует режим плавного и динамического торможения. Но это не означает, что однофазное и двухфазное регулирование не используется в имеющихся на рынке УПП.

На рис. 1.5.2 показаны силовые схемы УПП. В случае однофазного регулирования (рис. 1.5.2, а) происходит перекос фазных токов, что ведет к ухудшению теплового режима обмоток, подключенных к нерегулируемым фазам. Поэтому однофазное регулирование не рекомендуется использовать в режимах длительного пуска, плавного торможения и ограничения пускового тока. Эта силовая схема предпочтительна только для двигателей мощностью до 10 кВт и только для смягчения механических ударных нагрузок.

Силовая схема двухфазного УПП показана на рис. 1.5.2, б. Такая схема реализует режим ограничения пускового тока, но, к сожалению, не может обеспечить симметрии фазных токов на протяжении времени плавного пуска. Поэтому данную схему также имеет смысл применить только для двигателей мощностью до 250 кВт с целью смягчения ударных нагрузок.

И, наконец, наиболее универсальное УПП с трехфазным регулированием показано на рис. 1.5.2, в. Считается, что это техническое

Рис. 1.5.2. Силовые схемы УПП: а — однофазное регулирование; б — двухфазное регулирование; в — трехфазное регулирование

решение наиболее совершенно, так как ограничение тока происходит в данном случае симметрично для всех трех фаз. Именно с применением этого технического решения строится подавляющее большинство УПП, серийно выпускаемых промышленными предприятиями.

Как мы уже знаем, любой статический преобразователь, кроме силовой схемы, содержит также схему управления. УПП не является исключением — в составе софтстартеров также обязательно присутствует схема управления включением симмисторов, типовой принцип действия которой поясняет рис. 1.5.3.

В установившемся режиме работы УПП на обмотки двигателя поступает «полная» синусоида питающего напряжения. В режиме плавного пуска синусоида «урезается» от момента ее перехода через нуль до заданной схемой управления времени «альфа» (а, угла открытия силовых элементов). Можно рассчитать, что при частоте напряжения питания 50 Гц параметр а будет изменяться от 10 мс до нуля. В режиме плавного торможения параметр а меняется в обратном направлении — от нуля до 10 мс.

Рис. 1.5.3. К пояснению работы схемы управления УПП

Схемы управления УПП могут иметь функцию гарантированного ограничения пусковых токов, когда задействуется обратная связь от датчиков тока, расположенных в фазных питающих проводниках. Таким образом, при достижении режима ограничения тока (в режиме разгона) схема управления автоматически заблокирует уменьшение параметра а на время стабилизации тока на заданном уровне, после чего блокировка будет снята. Следует отметить, что функция гарантированного ограничения пускового тока встречается не во всех УПП, поэтому при выборе конкретного типоисполнения имеет смысл поинтересоваться о наличии такой функции.

В ряде случаев двигатель должен преодолевать пусковое механическое сопротивление при старте из состояния полного покоя. Двигатель как бы нужно «толкнуть», и уже после толчка можно включать режим плавного разгона. Для этого в составе УПП иногда предусматривается функция boost-подцержки, работа которой отражена на рис. 1.5.4.

Нетрудно заметить, что при наличии функции boost-подцержки в питающей сети наблюдается токовый скачок, как и в случае прямого пуска. Однако этот токовый скачок действует очень короткое время (доли секунды), что безопасно для питающей сети и никак не сказы-

вается на работе смежного оборудования, подключенного к этой же сети.

Очень важный момент, связанный с электромагнитной совместимостью (об электромагнитной совместимости мы еще будем подробно говорить в нашей книге), для УПП решается очень просто. Несмотря на то, что резкое включение и отключение симмисторов обычно сопровождается значительными электромагнитными помехами, практически все УПП, работающие в связке с двигателями, у которых имеется индуктивное сопротивление обмоток, фактически образуют очень маленький электромагнитный фон, соответствующий установленным нормам. Индуктивное сопротивление обмоток «гасит» крутые фронты импульсов, и, более того, схема управления УПП проектируется таким образом, чтобы «привязаться» к моментам перехода напряжения сети через нуль.

Как известно, в открытом состоянии на симмисторе падает напряжение порядка 5 В, что приводит при протекании через него тока к разогреву силового прибора и необходимости облегчения его теплового режима посредством дополнительных радиаторов. Но существует еще один метод, называемый байпасным, который достаточно широко применяется в УПП для снижения тепловых потерь в установившемся режиме работы. Принцип байпасного метода показан на рис. 1.5.5.

Рис. 1.5.5. Простейший байпас

Параллельно УПП подключаются контакты мощного контактора KM1, который на время плавного пуска (или торможения) находится в разомкнутом состоянии. В момент, когда симмисторы УПП полностью открыты, что обычно наблюдается при выходе электродвигателя на режим продолжительной работы, контакты KM1 замыкаются, шунтируя симмисторы и облегчая их тепловой режим. Эти контакторы обычно выбираются из расчета отсутствия протекания через них пусковых токов и, как правило, не входят в комплект поставки УПП.

Любое устройство силовой электроники характеризуется наличием у него развитой системы защит. Не исключение здесь и УПП. В настоящее время софтстартеры оснащаются также интеллектуальной системой эксплуатационной диагностики, которая не позволит перегрузить как само УПП, так и управляемый им двигатель.

Основная защитная функция УПП — это обеспечение защиты от сверхтоков. Если потребляемый ток превышает заданную уставкой аварийную величину, УПП отключит вводной и байпасный контакторы, а также «закроет» симмисторы. Другая опасная ситуация складывается, когда двигатель работает в режиме перегрузки, но без возможности мгновенного повреждения. В этом случае система защиты может просто остановить двигатель без размыкания входного контактора. Особое внимание также уделяется тепловой защите оборудования от перегревов. С этой целью в УПП встраиваются узлы контроля температуры обмоток двигателя и температуры радиаторов силовых элементов. Алгоритм работы этого узла может быть различным (как правило, его определяет фирма-производитель при разработке УПП), более или менее эффективным.

Функция отслеживания недогрузки по потребляемому току обычно работает следующим образом: УПП определяет момент снижения тока потребления ниже заданной величины и выдает сигнал на отключение контакторов.

Классическими защитными функциями являются отключение при снижении напряжения сети ниже заданного уровня с регулируемой временной задержкой отключения, отключение при повышении напряжения сети, отключение при обрыве фазы, отключение при рассогласовании фаз. Дополнительно могут отслеживаться: неправильное подключение обмоток двигателя, внутренний разрыв обмоток, неправильная коммутация силовых симмисторов, их разрыв или замыкание, дисбаланс потребляемых токов, превышение тока утечки на заземление. Интересная функция — ограничение количества включений-отключений в единицу времени (для некоторых типов двигателей это очень важно).

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты