Устройство плавного пуска асинхронного двигателя принцип работы

Обзор устройств плавного пуска –применение, принципы действия, разновидности, схемы включения

Проблема пускового тока

Одна из особенностей работы асинхронного двигателя, которую можно назвать недостатком – большой пусковой ток при старте, который может превышать номинальный в 8 и более раз. Это обусловлено принципом его работы – при подаче на него номинального напряжения он стремится сразу выйти на полную мощность. Данная особенность проявляется в большой мере при пуске через линейный контактор, это также называют прямым пуском двигателя.

В некоторых механизмах принципиально важно, чтобы пуск был плавный, без рывков и ударов. Это касается прежде всего технологического оборудования, у которого высокий момент инерции при запуске. Например, тяжелые маховики и конвейеры с продукцией, а также мощные насосы и вентиляторы.

Иными словами, большой пусковой ток и большой момент инерции механической нагрузки на валу двигателя – взаимосвязанные вещи, от который часто необходимо избавляться.

Кстати, в некоторых странах законодательно запрещено включать электродвигатели большой мощности прямой подачей напряжения, поскольку это создает помехи, падение напряжения и перегружает электросети, что может вызвать проблемы у других потребителей и даже стать причиной аварий.

Как обеспечить плавный пуск двигателя

Существуют несколько вариантов уменьшения пускового тока, которые используются на практике.

1. Применение преобразователей частоты. В этом случае можно обеспечить сколь угодно долгий разгон, а также ограничить превышение номинального тока, например, на уровне 110%. Это лучший способ плавного пуска, однако, он используется далеко не всегда, поскольку преобразователь частоты – дорогостоящее электронное устройство, которое имеет множество функций. Если нужно только ограничение пускового тока и плавный разгон, преобразователь частоты будет избыточен, и большинство его функций останутся не востребованы.

2. Схема «Звезда – Треугольник». Двигатель при этом должен быть таким, чтобы номинальное напряжение питания при включении его обмоток «треугольником» было 380 В. В этом случае двигатель запускается в два этапа. На этапе разгона обмотки включаются «звездой». Таким образом получается, что 380 В подается на схему, которая для нормальной работы требует напряжения порядка 660 В. Поскольку двигатель в «звезде» работает при пониженном напряжении, разгон (выход на рабочие обороты) получается сравнительно плавным. На втором этапе обмотки включаются «треугольником», и двигатель выходит на свою номинальную мощность. Минус этого способа – разгон получается ступенчатым, а пусковые токи могут принимать большое значение.

3. Когда речь идет только о минимизации пускового тока, наиболее оптимальный вариант – использование устройства плавного пуска (softstarter).

Ниже рассмотрим принципы работы устройств плавного пуска (УПП) и схемы их включения.

Как работает устройство плавного пуска

Рассмотрим пошагово, какие процессы происходят при работе УПП, и какие регулировки влияют на его работу.

В минимальной конфигурации устройства плавного пуска (УПП) имеют три регулировки – время разгона, время торможения, и напряжение пуска.

При включении действующее напряжение на двигателе определяется регулировкой напряжения пуска, которое обычно составляет 30…80 % от номинала. Понижение напряжения и его регулировка производится тиристорами, которые открываются (пропускают ток) только в части полупериода сетевого напряжения. Фазой открытия тиристоров можно менять напряжение на двигателе.

Таким образом, регулируя фазу открытия тиристоров, можно менять ток и крутящий момент двигателя.

В зависимости от конкретного случая может потребоваться большой начальный момент, чтобы двигатель мог тронуться с места. Но для уменьшения пускового тока начальное напряжение лучше устанавливать минимально возможным.

При большом времени разгона пусковой ток будет минимальным. Однако, следует выбирать его оптимальным, обычно 10…20 секунд, в зависимости от типа нагрузки. При слишком большом времени разгона возможен излишний нагрев тиристоров. Критерием оптимального времени разгона служит время выхода двигателя на номинальные обороты и номинальный рабочий ток. По истечении времени разгона включается контактор байпаса, который может быть установлен внутри УПП, или быть внешним. Во время работы двигателя на номинальном режиме весь питающий ток идет только через этот контактор, при этом тиристоры в работе не участвуют.

Если пришел сигнал на остановку двигателя, контактор байпаса выключается. Вступают в работу тиристоры, которые работают в обратном режиме – постепенно уменьшают фазу (время открытия в течение полупериода) с максимальной до нуля. Если время торможения не важно, то можно его установить минимальным (0-2 секунды), это увеличит ресурс тиристоров, и улучшит тепловой режим электрощита в целом. Двигатель будет останавливаться на выбеге, к ак при питании через обычный контактор. Но если важно исключить гидроудар, или плавно замедлить движение объектов без их резкой остановки и падения, то функция плавной остановки будет очень полезной.

В УПП также могут присутствовать такие регулировки: управление крутящим моментом двигателя, конечное напряжение при останове, номинальный ток двигателя, ограничение пускового тока. Современные УПП имеют ЖК-дисплей и кнопки управления, которые позволяют конфигурировать несколько десятков различных параметров для тонкой настройки.

Схемы включения

Как во всех подобных устройствах, в схеме включения УПП имеется силовая часть, и часть управления.

Силовая часть схемы – это та часть, через которую проходит ток питания двигателя. Ток двигателя поступает через силовые клеммы L1, L2, L3 (или R, S, T) на входы тиристоров или контактора байпаса, и затем через выходные клеммы T1, T2, T3 (U, V, W) подается на двигатель.

Схема управления включает в себя в основном цепи запуска и остановки. Напряжение питания цепей управления обычно составляет 24…220 В, и может быть внешним, либо браться из УПП.

С участием УПП можно реализовать схему плавного пуска электродвигателя с реверсом. Для этого нужно на входе установить реверсивный контактор по классической схеме. Важно сделать блокировку для предотвращения реверса двигателя во время его вращения.

Допускается запускать УПП и начинать вращение двигателя подачей питания на цепи управления и силовые цепи. Это может быть удобно при дистанционной подаче силового питания. Однако, при этом следует предусмотреть меры безопасности – обслуживающий персонал должен понимать, что при подаче питания на УПП двигатель может начать вращаться.

Пример схемы

Рассмотрим для примера схему включения УПП ABBPSTX.

В силовую часть входят: автомат защиты двигателя (вводной), тиристоры и контактор байпаса (внутри УПС), и собственно двигатель.

Для питания цепей управления подается фазное напряжение 220В и нейтраль на клеммы 1, 2. В УПП имеется встроенный блок питания, который вырабатывает напряжение 24 В для питания органов управления. Допускается также применение внешнего БП 24 В, при этом напряжение на клеммы 1, 2 подавать не нужно.

При соответствующем подключении и настройках кнопки могут быть как с фиксацией, так и без. Управление может производиться не только с кнопок, но и через контакты реле или контроллера.

Имеются и другие входы для различных режимов работы, а также три выходных реле с сухими контактами, которые могут использоваться по необходимости для включения дополнительных контакторов и индикации.

Читать еще: Что лучше заливать в двигатель минералку или синтетику

Защита

В дешевых УПП часто не реализована защита от перегрузки по току, перегреву и короткому замыканию. В таких случаях необходимо устанавливать нужную защиту и включать УПП по схеме, рекомендованной производителем.

В состав защиты могут входить:

Мотор-автомат (автомат защиты двигателя),
Полупроводниковые предохранители, либо защитные автоматы с характеристикой «В»,
Тепловое реле,
Короткое либо межвитковое замыкание в обмотках двигателя,
Контактор аварийной цепи, выключающий питание УПП при срабатывании внутреннего аварийного реле либо нажатии кнопки «Аварийный останов».

Пример неправильной установки защиты, в результате которой произошел пожар:

Следует сказать, что даже если в УПП входят все виды защит, необходимо на вводе силового питания и питания схемы управления устанавливать соответствующие защитные автоматы либо предохранители.

Двухфазные УПП

В некоторых бюджетных моделях управление выходным напряжением происходит только по двум фазам. Таким образом, происходит экономия на тиристорах и на одном контакте контактора байпаса.

Это решение имеет право на жизнь, и главный плюс таких УПП – цена.

Однако, имеются минусы, о которых стоит знать:

При запуске и торможении происходит перекос фаз, который приводит к дополнительному нагреву двигателя,
Пусковой ток по «прямой» фазе почти не уменьшается,
Постоянное присутствие фазного напряжения на двигателе представляет опасность для персонала.

Заключение

УПП нашли достойное место там, где не нужна регулировка скорости вращения двигателя, но важным аспектом является минимизация пусковых перегрузок питающей сети и приводимых в движение механизмов. Однако, в последнее время их всё больше вытесняют преобразователи частоты, которые имеют гораздо более широкий спектр возможностей управления двигателем.

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.

Читать еще: Автосигнализации с обратной связью и дистанционным запуском двигателя

Принцип действия [ править | править код ]

Мгновенное значение электромагнитного момента двигателя зависит не только от угловой скорости, параметров двигателя и параметров системы питания, но и от производных этих величин и их начальных значений [1] .

Вариация многих переменных значительно расширяет возможности управления динамическими режимами работы асинхронных электроприводов. Контактная коммутационная аппаратура позволяет реализовать только некоторые частные случаи формирования переходных процессов, связанных с введением в цепи двигателя сопротивлений и гашением его незатухающего магнитного поля, также могут использоваться тормозные колодки, жидкостные муфты, магнитные блокираторы, противовесы с дробью и прочее. Другими словами, возможны частные решения воздействием только на параметры двигателя. Применение в качестве коммутационных аппаратов магнитных усилителей позволяет дополнительно реализовать только воздействие на производную изменения напряжения.

Реализация большинства возможных способов формирования динамических характеристик стала принципиально осуществимой только с появлением полупроводниковых управляемых вентилей, которые из-за бесконтактности, безынерционности и легкости изменения среднего значения пропускаемого тока оказываются почти идеальными коммутирующими элементами для управления асинхронными электродвигателями.

Тиристорные коммутаторы (софтстартеры) и преобразователи частоты на основе управляемых вентилей позволяют сравнительно просто не только задавать требуемый темп изменения приложенного напряжения и создавать необходимые начальные условия, но также осуществлять фазовое регулирование в цепях двигателя и менять параметры системы питающих напряжений. Эти возможности делают не только принципиально возможным, но технически осуществимым и практически целесообразным управление электромагнитными переходными моментами и, следовательно, динамикой асинхронного электропривода.

В зависимости от характера нагрузки устройства плавного пуска обеспечивают различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателя и выходным напряжением.

Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой (U/f=const) реализуется простейшими преобразователями частоты для обеспечения постоянного момента нагрузки и используется для управления синхронными двигателями или двигателями, подключенными параллельно. Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжение/частота (U/f 2 =const). К более совершенным методам управления относятся метод управления потокосцеплением (Flux Current Control — FCC), и метод бессенсорного векторного управления (Sensorless Vector Control — SVC). Оба метода базируются на использовании адаптивной модели электродвигателя, которая строится с помощью специализированного вычислительного устройства, входящего в состав системы управления преобразователя [2] .

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.

Плавный пуск двигателя

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).

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

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.

Рисунок 2 — Схема плавного пуска электродвигателя на симисторах.

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.

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

Мощность устройства.
Режим работы.
Равенство Iп двигателя и УПП.
Количество запусков за определенное время.

Читать еще: Как установить защиту двигателя на форд фиеста

Причины применения в болгарке

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.

Принцип работы

Принцип работы электрических устройств основывается на двух методах:

Метод ограничения тока в обмотке ротора – реализуется при помощи катушек, соединенных по схеме «звезда»;
Метод ограничения напряжения и тока в статоре (при помощи тиристоров, симисторов или реостата).

По способу регулировки также различают одно-, двух и трехфазные устройства. УПП с регулировкой напряжения по одной фазе применяют для оборудования до 10 кВт, положительные моменты при таком регулировании – это снижение динамических ударов и рывков при старте, негативные – несимметричная нагрузка при запуске и большие пусковые токи. Мягкие пускатели с регулировкой по двум фазам позволяют снизить пусковые токи и нагрев двигателя при старте и используются в условиях среднетяжелого пуска. Трехфазные устройства плавного пуска значительно снижают пусковые токи и позволяют плавно останавливать электродвигатель, а также обеспечивать аварийное отключение. Такие устройства применяют при тяжелом пуске со значительной нагрузкой, а также с частыми включениями/отключениями двигателя.

Принцип действия устройства плавного пуска

Механические;
Электрические.

Рассмотрим принцип действия каждого из видов УПП.

Механическое регулирование пусковых характеристик

Для плавного пуска электродвигателя можно использовать способ механического сдерживания нарастающей скорости вращения. Для этого используют устройства, механически регулируя вращение вала. такие как блокираторы магнитного действия, тормозные колодки, жидкостные муфты и противовесы с дробью.

Принцип действия у всех этих способов один — сдерживание оборотов вала электродвигателя при пуске.

Электрические устройства для плавного пуска электродвигателей

Принцип действия электрических УПП заключается в ограничении подаваемого на электродвигатель напряжения, роль ограничителей как правило выполняют соединенные тиристоры, схема подключения выглядит вот так:.

Чтобы лучше понять, как работает стартсофтер, нужно подробнее изучить запуск. Теоретически это процесс преобразования энергии из электрической в кинетическую. При этом сопротивление двигателя от малого значения, характерного для не вращающегося двигателя, увеличивается до большого, когда уже достигнута номинальная скорость. И по закону Ома(I=U/R) в начальный момент ток максимален.

Формула же энергии имеет вид: E=P*t=U*I*t. А поскольку в начале запуска ток максимален, то энергия должна передаваться очень быстро. Если же своими руками подключить электродвигатель к сети через УПП, то на входе в устройство будет работать вторая формула. Энергия будет подаваться очень быстро, но выходить будет медленно. Это достигается путем ограничения напряжения, контролирующего рост пускового тока. А поскольку в обеих формулах ток имеет одинаковую величину, видно, что чем меньше сила тока, тем больше времени потребуется на разгон. Но разгон при этом будет плавный.

Важно! Несмотря на необходимость в снижении пусковых токов, устанавливать их на слишком низких значениях нельзя. Иначе двигатель не сможет разогнаться. Обычно достаточно снизить ток до 250% от номинального (при прямом пуске он составляет 500-800%).

Управление электрическими стартсофтерами

Различают два вида электрических устройств, смягчающих пусковой процесс:

С амплитудным управлением;
С фазовым управлением.

Работа амплитудного УПП базируется на постепенном увеличении напряжения на клеммах мотора до максимальной величины. Такие устройства помогают запускать электродвигатели в холостом режиме или с небольшой нагрузкой.

Фазовые стартсофтеры регулируют частотные характеристики фазного тока без снижения напряжения. Это позволяет сохранить высокую мощность мотора, запускать который можно даже с большой нагрузкой. Установить плавное нарастание вращательной частоты можно даже в рабочем режиме. Это важная функция, благодаря которой можно менять скорость вала, не теряя мощность.

Оборудовать электродвигатель устройством плавного пуска или нет – ваше личное дело, если только он не завершает работу на полпути до разгона. Но имейте в виду, что за рубежом запрещено пускать в ход моторы мощностью более 15000 Ватт без стартсофтера. Попытка сэкономить на УПП может привести к преждевременному износу механизма. Если уж не хочется сильно тратиться, то просто установите устройство своими руками, но приобретите его обязательно.