Электрические двигатели являются простыми и надежными машинами, но имеют и некоторые недостатки, которые усложняют их использование. В частности, при запуске такие устройства имеют высокие значения потребляемого тока и без специальных устройств запускаются с рывком из-за несогласованности крутящего момента двигателя и нагрузки на его валу. Дополнительными приборами, которые обеспечивают плавную работу двигателя при запуске и позволяют снизить пусковые токи называют устройствами плавного пуска.
Что такое устройство плавного пуска
Устройство плавного пуска (УПП) – это электротехнический прибор, который применяется в работе асинхронных двигателей и позволяет контролировать и управлять его запуском и параметрами для безопасной работы в сети переменного тока. Такое устройство снижает воздействие на двигатель ряда негативных факторов, в том числе уменьшает вероятность повышенного нагрева двигателя, устраняет рывки, обеспечивая плавный запуск и выход на рабочую нагрузку. Также устройства плавного пуска снижают негативное влияние на электрическую сеть посредством уменьшения пусковых токов электродвигателя.
Часто устройство плавного пуска электротехнические специалисты и люди, связанные с работой электродвигателей, называют такие приборы «мягкими пускателями». Это связано с тем, что на английском языке (а большинство качественных устройств – импортного производства) эти устройства называются «soft starter», что и означает «мягкий пускатель».
Плавный пуск электродвигателей с помощью преобразователей частоты и мягких пускателей позволяет решать большое количество задач и управлять работой электродвигателя в широких пределах его параметров. Особенно часто УПП применяют при работе в условиях тяжелого пуска (с большой инерцией или запуском под нагрузкой с четырехкратными пусковыми токами, с разгоном двигателя не менее 30 секунд) и особо тяжелого пуска (при шести или восьмикратных значения пусковых токов и большим временем разгона двигателя).
Общие сведения об УПП
Современные устройства плавного пуска обеспечивают не только постепенное нарастание токовой нагрузки, но и ряд других полезных функций: контроль параметров подключенного электрического двигателя, изменение условий остановки, защитное отключение при перегрузке и многое другое. Конструктивно устройство плавного пуска представляет собой полупроводниковые элементы, способные переходить в открытое или закрытое состояние, ограничивая нагрузку. Дополнительно они могут комплектоваться силовыми контактами, дисплеями, расцепителями и другими компонентами.
Применение устройств плавного пуска электродвигателей необходимо применять в следующих ситуациях:
- При наличии мощных электрических машин, особенно трехфазных асинхронных., отличающихся большими токами. Для них нормальный режим работы будет сопровождаться ложными срабатываниями автоматики, заметной просадкой напряжения и другими неприятностями, влияющими на нормальную работу смежных приборов.
- Если технологические операции не допускают рывковых движений. К примеру, прямой пуск конвейера может привести к поломке или остановке производства, как при старте, так и на этапе торможения.
- Перегрузка электрических сетей, в которых токи и без того превышают номинальные режимы. В момент пуска асинхронных двигателей может произойти отжиг проводов, перегрев трансформаторов или срабатывание автоматики на ТП и КТП.
- Затяжное время прямого запуска, который дополнительно осложняет процесс разгона двигателя.
Если в ваших сетях присутствует хотя бы один из факторов, вам понадобится устройство плавного запуска, от которого будет зависеть надежность и устойчивость функционирования всей системы. Ярким примером выступает пуск прокатного станка, схема УПП такого приведена ниже:
Рис. 1. Применение устройства плавного пуска
Устройство плавного пуска устанавливается перед электрической машиной, чтобы контролировать ток в обмотках двигателя. Как видите из токовой и частотной диаграммы ниже, частота набирается постепенно, как и ток создает несколько скачков, но не более предела, установленного на устройстве плавного пуска.
Выбор такого ответственного узла следует осуществлять среди проверенных производителей.
Принцип работы
Главный минус электродвигателей асинхронного типа – это то, что момент силы на валу пропорционален квадрату напряжения, которое приложено к электродвигателю. Это создает сильные рывки при запусках и в момент прекращения работы, что также повышает значения индукционного тока.
Устройства плавного пуска могут быть механическими и электрическими, а также комбинированными сочетая в себе положительные черты обоих устройств.
Механические устройства плавного пуска работают по принципу противодействия резкому увеличению оборотов электродвигателя влияя на его ротор механическим способом при помощи тормозных колодок, различных муфт, противовесов, магнитных блокираторов и прочих механизмов. Такие механизмы в последнее время применяются не часто, так как есть более совершенные устройства электрического управления.
Электрические УПП постепенно повышают ток или напряжение от опорного уровня до максимального, что позволяет плавно наращивать обороты электродвигателя и снизить нагрузки и пусковые токи. Чаще всего электрические устройства плавного пуска управляются электронным способом при помощи компьютерных систем или электронных приборов, что позволяет изменять параметры запуска и контролировать динамические характеристики. Мягкие пускатели позволяют изменять режимы работы электродвигателя в зависимости от приложенной нагрузки и позволяют реализовать ту или иную зависимость между скоростью вращения вала и напряжением.
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.
Всего на котельной два идентичных котла, но во втором установлены частотники на насосы. Котлы (точнее, парогенераторы) вырабатывают пар с температурой более 115 °С и давлением до 14 кгс/см2.
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.
Мои постоянные читатели знают, что теперь, после сдачи экзаменов в Ростехнадзоре, я имею полное право выполнять работы по КИПиА в котельной.
Схема подключения электродвигателя к УПП
Для того, чтобы подключить устройство плавного пуска к электродвигателю и питающей сети следует руководствоваться инструкцией на данный тип прибора, там будут указаны все важные аспекты при подключении: последовательность цепи, выводы заземления и нейтрали, а также правильная наладка пуска, разгона и торможения. Но в целом, существуют стандартные способы подключения, которые подходят для большинства устройств плавного пуска.
Каждое УПП имеет контакта на входе и столько же на выходе для подключения фаз, систему управления пуском и остановкой (кнопки ПУСК, СТОП), другие кнопки и контакты управления. К устройству подводят питающие кабели на входные клеммы (обычно это обозначения L1, L2, L3), а от выводных клемм (обозначения T1, T2, T3) подключают электродвигатель. При этом важно подключать УПП к сети через вводной автомат защиты и использовать при подключении двигателя к устройству плавного пуска и самого УПП к сети кабели с номинальным сечением, соответствующем предельному значению тока двигателя.
Силовая часть
В силовую часть входят:
- Вводной автоматический выключатель QF
- Силовые тиристоры (на схеме не показаны, находятся внутри УПП)
- Обводной (шунтирующий) контактор КМ
- Асинхронный электродвигатель М
- Цепь питания катушки шунтирующего контактора (предохранитель FU и контакты внутреннего реле 01 и 02)
Напряжение на входные силовые контакты L1, L2, L3 и на контакты обводного контактора КМ подается через автоматический выключатель QF, который также используется для защиты устройства плавного пуска в случае перегрузки или внутреннего замыкания. Номинальный ток выключателя выбирается в соответствии с потребляемым током софтстартера.
Обводной контактор КМ включается при достижении двигателем максимальных оборотов (при полном открытии внутренних тиристоров УПП). Напряжение на катушку контактора поступает через специальные выходные контакты 01 и 02. На схеме показано, что питание подается на коммутацию через предохранитель FU с фазы L3. При замыкании контактов (выход полного напряжения) фаза L3 поступает на нижний по схеме вывод катушки контактора КМ. Верхний вывод может питаться фазой L1 (при напряжении катушки контактора 380В), либо может быть подключен к нейтральному проводу N (при напряжении 220В).
На катушку контактора может подаваться любое напряжение, например, 24В постоянного тока. Для этого нужен соответствующий источник питания, который будет коммутироваться через контакты 01 и 02 УПП. В таком случае в подключении к фазе L3 через предохранитель FU нет необходимости. Таблица по выбору контактора в зависимости от мощности двигателя приводится в инструкции к конкретной модели.
Нижние по схеме контакты шунтирующего контактора должны быть подключены только к соответствующим клеммам софтстартера А2, В2, С2, так как при включении режима шунтирования и выходе двигателя на полную мощность происходит контроль за током двигателя в целях его защиты от перегрузки.
Электродвигатель подключается через выходные силовые клеммы Т1, Т2, Т3 через кабель соответствующего сечения.
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.
Баланс полярности
Недостаток 2-фазного управления в устройстве плавного пуска асинхронного двигателя проявляется в появлении постоянного тока, вызванного фазовой отсечкой и наложением фазных токов, при которых возникает сильный акустический шум, выделяемый электродвигателем.
Применение метода «баланс полярности» значительно понижает влияние значений постоянного тока во время разгона двигателя, соответственно снижается акустическая характеристика запуска, достигается это благодаря балансированию полуволн различной полярности в процессе разгона двигателя.
Интерфейс устройства
Интерфейс устройства плавного пуска УПП «человек-машина» разрешает производить настройку параметров, существенно облегчая и упрощая осуществление процесса запуска и эксплуатации двигателя. Встроенная функция управления насосом предотвращает возникновение гидравлического удара.
Рис3. Интерфейс устройства плавного пуска
Рис. Б. прикладной модуль AS-интерфейса
Рис 4. Устройство плавного пуска электродвигателя — схема фидерной комбинации с AS-интерфейсом
Интерфейс состоит из двух дисплеев с сегментными индикаторами и ЖК-дисплеем, позволяющим обеспечить видимость на значительном расстоянии, включает в свой состав описание параметров и сообщений.
В возможности аппаратуры входит выбор режима программирования и языковые опции. Осуществляет копирование параметров из одного устройства в другое, увеличивая скорость программирования, повышая надежность оборудования и получая возможность корректирования и внесения идентичных параметров на одинаковых машинах.
