Что такое плавный пуск? Принцип работы, схема и области применения в шкафах управления

В нашей промышленности используются различные виды машин. Асинхронные трехфазные двигатели — одни из наиболее распространенных трехфазных машин переменного тока, на которые приходится почти 70% всех двигателей, используемых в промышленности. Их прочная конструкция и высокая эффективность делают их лучшим выбором для любого промышленного сектора. Однако для их безопасной работы необходимы защитные устройства и оборудование, предотвращающие потенциальные повреждения двигателя и увеличивающие срок его службы. Наиболее важным оборудованием для трехфазного асинхронного двигателя является пусковое устройство.

Пусковое устройство двигателя

Пусковое устройство двигателя — это электрическое устройство, используемое для безопасного запуска и остановки электродвигателя. Оно также обеспечивает защиту от перегрузки по току и защиту от низкого напряжения.

Поскольку асинхронные двигатели широко используются в различных областях промышленности, им необходимо пусковое устройство для безопасного запуска и остановки.

Асинхронные двигатели потребляют большой ток при запуске. Это связано с низким импедансом обмоток двигателя в состоянии покоя. Для безопасной работы асинхронного двигателя крайне важно низкое сопротивление ротора в состоянии покоя.

Сопротивление ротора зависит от скольжения (относительной скорости между ротором и статором) асинхронного двигателя. Скольжение асинхронного двигателя не является постоянным и изменяется на протяжении всей его работы, поэтому сопротивление ротора также изменяется. Оно обратно пропорционально скольжению двигателя.

В состоянии покоя скольжение асинхронного двигателя максимально, т.е. равно 1, поэтому сопротивление ротора минимально. Подключение двигателя к источнику питания приводит к возникновению большого тока в обмотке статора из-за этого низкого сопротивления, называемого пусковым током. Переменный ток в статоре генерирует вращательное магнитное поле (ВМП), которое индуцирует ток в обмотках ротора.

Ток ротора генерирует собственное магнитное поле, которое пытается компенсировать его воздействие и начинает вращаться в направлении ВМП. Таким образом, ротор испытывает крутящий момент, и по мере увеличения его скорости скольжение двигателя уменьшается (т. е. скорость вращения ротора приближается к скорости вращения статора). Поскольку скольжение уменьшается, импеданс ротора увеличивается, и двигатель начинает потреблять номинальный ток.

Высокий пусковой ток в 5-8 раз превышает номинальный ток полной нагрузки двигателя. Индукционный двигатель не может выдерживать такой ток, поскольку он может быстро повредить или сжечь обмотки, снижая производительность и срок службы двигателя. Такие высокие токи также могут вызывать резкое падение напряжения в сети, что опасно для других приборов, подключенных к той же сети.

Для предотвращения таких высоких пусковых токов мы используем пусковые устройства для двигателей, которые снижают начальный ток на короткое время. Как только двигатель набирает определенную скорость, возобновляется нормальное электроснабжение. Это также обеспечивает защиту от низкого напряжения и перегрузки по току.

Эти пусковые устройства обычно используются для двигателей большой мощности. Небольшие двигатели мощностью менее 1 кВт не требуют пускового устройства из-за их высокого импеданса. Однако им необходима защита от перегрузки по току, которая имеется в пусковом устройстве прямого включения.

Для запуска двигателя используются различные методы, такие как:

• Запуск при полном напряжении или прямом включении; двигатель подключается к полному напряжению сети. Используется для небольших двигателей.
• Пусковое устройство с пониженным напряжением; во время запуска двигателя напряжение питания понижается для уменьшения пускового тока. Плавный пусковой механизм использует этот метод для запуска асинхронного двигателя.
• Многоскоростной пусковой механизм; двигатель имеет несколько предварительно выбранных скоростей, что достигается за счет конфигурации полюсов (обмоток). Постепенное увеличение скорости уменьшает пусковой ток.

Что такое плавный пусковой механизм?

Плавный пусковой механизм — это тип пускового устройства, который использует метод понижения напряжения для снижения напряжения во время запуска двигателя.

Плавный пусковой механизм обеспечивает постепенное увеличение напряжения во время запуска двигателя. Это позволяет двигателю медленно разгоняться и плавно набирать скорость. Это предотвращает механические повреждения и рывки из-за внезапной подачи полного напряжения.

Крутящий момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату тока, а ток зависит от напряжения питания. Таким образом, напряжение питания можно использовать для регулирования пускового момента. В обычном пусковом устройстве подача полного напряжения на двигатель создает максимальный пусковой момент, что представляет механическую опасность для двигателя.

Поэтому можно сказать, что устройство плавного пуска — это устройство, которое уменьшает пусковой момент и постепенно увеличивает его безопасным образом до достижения номинальной скорости. Как только двигатель достигает номинальной скорости, устройство плавного пуска возобновляет подачу полного напряжения.

Во время остановки двигателя напряжение питания постепенно уменьшается для плавного замедления двигателя. Как только скорость достигает нуля, подача входного напряжения на двигатель прерывается.

Основным компонентом, используемым для регулирования напряжения в устройстве плавного пуска, является полупроводниковый переключатель, такой как тиристор (SCR). Регулировка угла включения тиристора регулирует напряжение, подаваемое на него. Также используются другие компоненты, такие как реле перегрузки (OLR), используемое для защиты от перегрузки по току.

Схема устройства плавного пуска

В трехфазном асинхронном двигателе два тиристора (SCR) соединены параллельно каждой фазе двигателя, что в сумме составляет 6 тиристоров. Управление этими тиристорами осуществляется с помощью отдельной логической схемы, которая может представлять собой ПИД-регулятор или микроконтроллер. Логическая схема питается от сети через выпрямительный контур, как показано на рисунке.

Помимо силовых выключателей и логической схемы, используются и другие защитные компоненты, такие как автоматический выключатель или предохранитель, магнитный контактор для изоляции и реле перегрузки (OLR) для предотвращения перегрузки по току.

Также используется байпасный выключатель для возобновления подачи полного напряжения на двигатель при достижении им полной номинальной скорости.

Принцип работы устройства плавного пуска

Основным компонентом, используемым для управления напряжением в устройстве плавного пуска, является тиристор. Это управляемый выпрямитель, который запускает протекание тока только в одном направлении при подаче управляющего импульса, называемого импульсом управления.

Угол импульса управления определяет, какая часть цикла входного напряжения должна проходить через тиристор. Поскольку переменный ток колеблется между максимальным и минимальным пиком, образуя полный цикл в 360°, мы можем использовать угол импульса управления для включения тиристора на определенную длительность и управления подаваемым напряжением.

Угол импульса управления может варьироваться от 0° до 180°. Уменьшение угла импульса управления увеличивает период проводимости тиристора, тем самым позволяя проходить через него высокому напряжению.

Два таких тиристора соединены встречно-последовательно для каждой фазы. Таким образом, можно управлять током в обоих направлениях. В каждом полупериоде угол управления изменяется.

Для управления напряжением, необходимым для запуска и остановки двигателя, используются три пары тиристоров, каждая пара отвечает за отдельную фазу. Период проводимости тиристора зависит от угла включения, управляемого логической схемой.

Логическая схема содержит ПИД-регулятор или простой микроконтроллер, запрограммированный на генерацию импульсов. Контроллер изолирован от сети переменного тока с помощью оптоизолятора, а для питания постоянного тока используется выпрямитель. Импульсы, генерируемые микроконтроллером, подаются на схему управления тиристором, которая усиливает их перед запуском тиристора.

При запуске двигателя контроллер генерирует импульсы для каждого отдельного тиристора. Импульс генерируется на основе перехода через ноль, который определяется с помощью детектора перехода через ноль. Первый угол импульса включения составляет приблизительно 180° (очень малый период проводимости), что позволяет минимизировать напряжение.

Постепенно после каждого перехода через ноль угол импульсов включения начинает уменьшаться, увеличивая период проводимости тиристора. Напряжение на тиристоре начинает увеличиваться. Следовательно, скорость двигателя постепенно увеличивается.

Как только двигатель достигает своей номинальной скорости (при угле включения 0°), тиристоры полностью шунтируются с помощью обходного контактора в нормальном режиме работы. Это повышает эффективность устройства плавного пуска, поскольку тиристор прекращает срабатывание. Во время остановки двигателя тиристор берет управление на себя и начинает срабатывать в упорядоченном режиме для снижения напряжения питания.

Обходные контакторы могут быть внутренними или внешними. Внутренние обходные контакторы встраиваются в силовые выключатели. Каждый тиристор имеет параллельно подключенный обходной выключатель, который подает ток в нормальном режиме работы. Такая конфигурация контакторов занимает мало места, и пусковые устройства имеют компактную конструкцию. В то время как внешние обходные контакторы подключаются извне параллельно с устройством плавного пуска. Такие устройства плавного пуска громоздки.

Обходные контакторы не предназначены для размыкания или замыкания цепи, поэтому они могут быть контакторами с низким номинальным напряжением.

Преимущества устройства плавного пуска

Плавный пуск: В отличие от обычных пусковых устройств для двигателей, оно обеспечивает очень постепенное увеличение напряжения и, следовательно, скорости, что приводит к очень плавному пуску. Отсутствуют какие-либо механические напряжения или рывки, которые могли бы повредить двигатель.

Управление ускорением и замедлением: Обеспечивает полностью регулируемое ускорение и замедление двигателя. Медленное или быстрое изменение угла зажигания позволяет контролировать ускорение во время запуска и замедление во время остановки двигателя. Это используется в тех случаях, когда необходимо регулировать ускорение при запуске.

Отсутствие скачков напряжения: Поскольку обычный пусковой механизм двигателя пропускает полное напряжение через двигатель, в двигатель начинает протекать огромный пусковой ток, вызывающий скачок напряжения в цепи. Плавный пусковой механизм ограничивает такой ток, предотвращая тем самым скачки напряжения.

Многократные запуски: В некоторых приложениях требуется, чтобы двигатель запускался и останавливался несколько раз за короткий промежуток времени. Такой двигатель, если используется с обычным пусковым механизмом, будет перегреваться из-за высокого пускового тока. Однако плавные пусковые механизмы значительно увеличивают количество запусков двигателя за определенный период времени.

Снижение перегрева: Перегрев двигателя — очень серьезная проблема. Он возникает из-за высокого тока обмотки во время его запуска. Устройство плавного пуска пропускает очень малый пусковой ток, что предотвращает перегрев двигателя.

Увеличенный срок службы: Устройство плавного пуска по сравнению с обычным пусковым устройством увеличивает срок службы двигателя. Это происходит благодаря плавной работе и отсутствию электрических и механических нагрузок на двигатель.

Меньше технического обслуживания: Благодаря плавной работе асинхронный двигатель менее подвержен механическим неисправностям, поэтому он требует меньше технического обслуживания по сравнению с обычным пусковым устройством.

Эффективность: Обычный пусковой механизм подает на двигатель полное напряжение (очень высокий пусковой ток), что потребляет слишком много энергии. Плавный пусковой механизм значительно снижает это напряжение и позволяет постепенно увеличивать потребление энергии. Кроме того, силовые переключатели управляются с использованием очень низкого уровня напряжения. Это повышает общую эффективность двигателя.

Компактность и малый размер: Плавный пусковой механизм имеет очень компактную конструкцию, занимающую очень мало места. В отличие от других пусковых механизмов, он имеет очень малые размеры.

Низкая стоимость: по сравнению с другими пусковыми механизмами, такими как частотно-регулируемый привод (ЧРП), он, безусловно, стоит дешевле.

Недостатки плавного пускового механизма двигателя

Отсутствие регулирования скорости: Плавный пусковой механизм позволяет регулировать только входное напряжение питания, т.е. от 0 вольт до сетевого напряжения с фиксированной частотой сети. Поскольку частота постоянна, скорость двигателя также постоянна и регулируется только нагрузкой, подключенной к нему. Скорость асинхронного двигателя регулируется путем изменения частоты питания ниже или выше сетевой частоты в зависимости от необходимости. Такая функция доступна только в ЧРП (частотно-регулируемом приводе).

Рассеивание тепла: Полупроводниковые переключатели внутри устройства плавного пуска рассеивают часть энергии в виде тепла. Поэтому для охлаждения силовых переключателей также требуются радиаторы.

Снижение пускового момента: Поскольку устройство снижает входное напряжение, соответствующее входному току, который прямо пропорционален пусковому моменту асинхронного двигателя, оно значительно снижает пусковой момент. Именно поэтому устройства плавного пуска используются для применений с низким или средним пусковым моментом.

Применение устройств плавного пуска

Устройство плавного пуска используется в промышленности и больше подходит для двигателей, работающих с постоянной скоростью.

Вентиляторы: Большие вентиляторы, используемые в промышленности, работают с постоянной скоростью. Однако им требуется защита при запуске. Устройство плавного пуска — лучший вариант для таких вентиляторов.

Конвейерные ленты: Конвейерные ленты в промышленности используются для перемещения объектов и требуют особого внимания. Резкие рывки при запуске или остановке с использованием обычного пускателя могут привести к смещению лент, повреждению ленты из-за механических нагрузок и повреждению объектов, размещенных на ней. Для таких двигателей требуется плавный пуск и остановка, обеспечиваемые устройством плавного пуска.

Двигатели, использующие ремни и шкивы: Двигатель, приводящий нагрузку в движение ремнями и шкивами, не выдерживает резких рывков. Он изнашивает ремень, соединяющий его с нагрузкой. Устройство плавного пуска обеспечивает плавный пуск для таких двигателей.

Насосы для воды или жидкостей: Любой тип насоса, соединенного с двигателем, требует плавного пуска и остановки из-за внезапного повышения давления внутри труб. Обычный пусковой механизм может создать достаточное давление при запуске, чтобы разорвать трубопровод. Устройство плавного пуска обеспечивает постепенное повышение давления для таких жидкостных насосов. Однако в нормальном режиме работы отсутствует регулировка скорости насоса. Частотно-регулируемый привод (ЧРП) является лучшим выбором для регулирования скорости насоса.