Устройства мягкого пуска

           В настоящее время устройства мягкого пуска (УМП) выпускаются множеством фирм и имеют большое количество типоразмеров, что позволяет легко подобрать устройство для решения любой задачи под любую мощность электродвигателя. С развитием силовой полупроводниковой электроники цены на УМП в последние годы значительно снизились и продолжают снижаться.

ЗАО «Робитэкс» на основе УМП разработаны и серийно выпускаются следующие изделия:

1. Шкаф управления насосной станцией системы отопления (УППО);

2. Шкаф управления канализационной насосной станцией;

3. Шкаф управления насосной станцией водоснабжения;

4. Шкаф управления компрессором АГНКС;

5. Шкаф управления вентилятором;

6. Групповое устройство управления вентиляторами АВО газа (ГРУМП).        

 

           Для привода различных промышленных механизмов в настоящее время широко используются асинхронные трехфазные двигатели переменного тока. Их широкое распространение обусловлено рядом параметров:

  • Простота конструкции и надежны, так как не имеют подвижных контактов;
  • Меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, масса и стоимость;
  • Высокий КПД;
  • Большой пусковой момент;
  • Просты в изготовлении и эксплуатации.

Но вместе с тем электродвигатели такого типа имеют и ряд недостатков:

  • Сложность регулирования их скорости традиционными методами;
  • Большой пусковой ток;
  • Механический рывок при включении

 

    Для минимизации проявления этих недостатков в настоящее время разработаны и производятся электронные устройства управления электродвигателями, которые можно разделить на 2 основных класса: устройства мягкого пуска и устройства частотного регулирования. Рассмотрим их более подробно.

 

Устройства мягкого пуска (УМП)

Сравнение систем пуска электродвигателей

      Известно, что при непосредственном пуске двигателя ограничения тока и плавного пуска добиться невозможно. Традиционно для этого используется снижение статорного напряжения на время пуска. Наиболее распространены переключение звезда/треугольник, автотрансформатор, изменение сопротивления статора или использование вращающихся частей двигателя.
        Любое понижение пускового напряжения предполагает уменьшение тока, и как следствие уменьшение пускового момента. Но в этом случае могут возникнуть броски во время перехода из одного состояния привода в другое, что приведет к повреждению оборудования. Анализ каждого из этих способов пуска приведен в таблице.
       Однако понижение напряжения приводит к понижению момента в квадратичной пропорции по отношению к току в фазах двигателя, и, как следствие, падению числа оборотов в линейной зависимости от напряжения. Из этого следует, что любой пуск с пониженным напряжением уменьшает момент в квадратичной зависимости по отношению к напряжению в фазах двигателя. С этой точки зрения плавный пуск предпочтительней, чем любой другой с пониженным напряжением, причем понижение пускового момента является регулируемым параметром. Еще одно преимущество заключается в легкости установки времени разгона при плавном пуске в соответствии с требованиями приложения.
        Из сравнительной таблицы видно, что максимальный пусковой момент составляет при применении плавного пуска 80 %, который достижим только при непосредственном пуске.
        Такие требования необходимы для пуска насосов, вентиляторов, конвейеров и т.д., диапазон момента которых в пределах до 60 % достаточен для корректного пуска.
         В общем случае можно сделать следующий вывод: плавный пуск дает преимущества по сравнению с общепринятыми пусковыми системами, в первую очередь легкость установки ограничения максимального тока и момента двигателя, отсутствие пошагового изменения скорости как в обычных системах.

 

 параметр стандартный пуск  плавный пуск
  прямое подключение автотрансформатор статорные резисторы звезда/треугольник  
% пускового тока  100%  30-40 или 64%  58 .....70%  33% устанавливается Мах 90% 
% пускового момента 100%   30-40 или 64%   33 .....49%  33%  устанавливается Мах 90% 
количество шагов при пуске  1  4, 3 или 2  3 или 2  непрерывно
число жил кабеля к двигателю  3  3  3  3
перегрузка в линии  5 In  1,5 ....... 2,1 или 3,2 In 3 ....... 3,5 In  1.65 In    устанавливается Мах 4-7 In 
пусковая пауза  нет  нет нет   да  нет

 

Физические основы мягкого пуска

             При прямом пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в начальный момент возникает большой пусковой ток, который по мере раскрутки ротора уменьшается до номинального, соответствующего работе двигателя на номинальной скорости вращения.
        КПД двигателя за время пуска двигателя изменяется от нуля до максимального значения. Таким образом, при прямом пуске максимальной значение пускового тока соответствует минимальному значению КПД.
           УМП начинает разгон двигателя при малых начальных напряжениях (25-40% от полного напряжения питающей сети), производя разгон двигателя на меньших токах, чем при прямом пуске и по мере раскрутки ротора, УМП увеличивает напряжение до полного напряжения.
          Уменьшение начальных пусковых токов увеличивает время разгона двигателя, соответственно увеличивается время работы при повышенных токах (по отношению к номинальному). Этот режим работы приходится на время, когда значение КПД двигателя уже значительно выросло (относительно начального участка пусковой характеристики) и энергия сети более эффективно используется на раскрутку ротора двигателя.
          При мягком пуске двигателя УМП формирует специальную пусковую характеристику двигателя. Характеристика имеет кусочно-линейный вид.
          Пусковая характеристика двигателя определяется несколькими характеристическими точками. Величины параметров в этих точках программируются в УМП.
           Управление пусковой характеристикой двигателя УМП производит изменением угла отсечки синусоидального напряжения при одновременном измерении действующих значений напряжения и тока.
          Первая характеристическая точка – пусковой момент. Задается 10 % -100% . Величина момента эквивалентна напряжению. 100% момента соответствует полному напряжению, когда угол отсечки равен нулю. Таким образом, определяя конкретную величину напряжения, значение тока определяется косвенно, постольку, поскольку зависит и от величины нагрузки.
          При выборе момента равным 30% получаем начальный пусковой ток для разных двигателей 150 -200 % от номинального.
          Вторая характеристическая точка – время разгона двигателя. Задается в секундах. Контроллер УМП высчитывает скорость изменения напряжения таким образом, чтобы при линейном характере изменения напряжения за время разгона напряжение изменилось от начального (задаваемого пусковым моментом) до полного.
          Третья характеристическая точка – ограничение тока на определенном уровне. Если в процессе роста напряжения величина тока превысит это значение, то УМП переходит в режим источника тока, выдающего в нагрузку постоянную величину тока до тех пор, пока значение тока не уменьшится. После уменьшения тока УМП переходит в режим источника напряжения и продолжает изменять величину напряжения с ранее выбранной скоростью.
          Четвертая характеристическая точка – номинальный ток двигателя. Это ток двигателя при выходе его на номинальный режим работы.
          Дополнительно к пусковой характеристике УМП может произвести толчковый пуск двигателя. В начальный момент пуска двигателя формируется толчковый импульс. Величина начального толчка составляет 90% полного пускового момента и программируется длительность толчка.
          Параметры пусковой характеристики задаются с пульта УМП и контролируются индикатором на пульте УМП.

Диаграммы работы УМП

 рис.1. Графики напряжения и тока

этап работы   описание этапа
начало разгона  1  До 5 основных частотных циклов.
начальное напряжение  1а  от 30 до 95% Un
толчковый пуск  2  95% Un
время разгона (t ramp)  3  jn 1 lj 99c. Возможен двойной разгон и линейный разгон/торможение при использовании тахогенераторы
 3а  быстрое увеличение выходного напряжения, когда скорость двигателя подходит к номинальной величине
ограничение по току  4  от 1 до 7In
рабочий режим (по выбору)  5  номинальное напряжение
 5а  номинальный ток
торможение (по выбору)  7  отключение питания
 8  плавное торможение
 8а  поведение тока в режиме торможения
 9  торможение постоянным током

 

Преимущества мягкого пуска

1. Плавный пуск и останов двигателя
Существенно увеличивает срок службы приводных систем, предотвращает удары в трансмиссиях и соприкасающихся частях механизмов. Таким образом, снижается время простоев, связанных с осмотром и ремонтом оборудования и увеличивается срок его службы.
2. Снижение пусковых токов
Существенно увеличивает срок службы пусковой электроаппаратуры, предотвращает подгорание контактов, снижает провалы питающего напряжения.
3. Улучшение характеристик разгона/торможения
С помощью пуска по «кривой» напряжения или по токоограничению достигается соответствие разгона нагрузке. В случае высокой стартовой нагрузки в механизме возможно применение «толчкового» пуска.
Торможение может быть произведено отключением силового питания, плавным остановом или подачей постоянного тока в статорную обмотку двигателя. Таким образом, у пользователя есть достаточный выбор для каждого конкретного случая.
4. Защита двигателя
УМП защищает двигатель от перегрузки, потери входной или выходной фазы, блокирования ротора, короткого замыкания тиристоров и т.д.
5. Легкий пуск в работу
УМП может быть использовано для широкого круга применений. Настройка УМП осуществляется с его панели управления и не представляет сложностей, а для оптимальной конфигурации устройства в систему существует выбор опций.
6. Несложная эксплуатация
Коды неисправностей, обнаруженных УМП в процессе работы высвечиваются на его панели управления, что позволяет отслеживать текущее состояние устройства и быстро диагностировать оборудование при обнаружении неисправностей.
7. Управление насосами
Практически все УМП имеют функцию управления насосами, которая позволяет эффективно реализовать разгон и останов насоса по специальной характеристике, и таким образом избежать гидроударов и ударных нагрузок в трубопроводах.
8. Специальные функции
Современные УМП могут иметь ряд дополнительных функций. Например, разгон по линейной кривой, прямой и реверсный толчковые режимы, программируемые входы/выходы.
Все УМП имеют коммуникационный порт, что позволяет включать их в распределенную систему управления производства совместно с другими устройствами, контроллерами, регулируемыми электроприводами и др.