Устройства плавного пуска и торможения двигателей электроустановок: грамотное использование

Что может устройство плавного пуска (УПП)?

Среднее по функциональности устройство плавного пуска (УПП) позволяет решать следующие задачи:

• Ограничить пусковой ток ( в большинстве случаев на уровне 3 — 4,5 Iном) и просадки сетевого напряжения питания в зависимости от мощности силового трансформатора и характеристик подводящих шин питания;
• Оптимизировать пусковой и тормозной моменты для безударных разгонов и остановок приводимых механизмов, продлить срок использования подшипников, зубьев колёс редукторов, ремней и других деталей машин;
• Аварийно защитить питающую сеть от токовых перегрузок, заклинивания вала.

Схожесть тиристорного пуска с классическими способами пуска электродвигателей.

Тиристорный способ пуска похож на пуск при пониженном напряжении, который в прежние времена реализовывался как переключение «звезда — треугольник» или ступенчатый пуск от автотрансформатора. Благодаря тиристорам такой способ пуска не имеет недостатков ступенчатости двух последних способов, но, с точки зрения механических характеристик, не может сдвинуть «горб» области максимального момента к области нулевой скорости, и вынужден мириться с падением пускового момента при ограничении тока.

Тиристорный пуск не похож на пуск мотора с фазным ротором и тем более двигателя постоянного тока с последовательно включенной обмоткой возбуждения (см. выше). В большинстве реальных ситуаций, когда мы модернизируем уже имеющийся механизм с имеющимся двигателем (асинхронным с короткозамкнутым ротором и обмотками, соединёнными в звезду), условно есть только 3 практических способа «умягчения» пуска:

• Автотрансформатор — на практике случаи применения автору не известны ни в советское, ни в настоящее время.
• Собственно устройство плавного пуска (УПП), позволяющее, в отличие от первого способа, гибко настраивать условия пуска на конкретном механизме под его уникальные условия.
• Частотный привод (преобразователь). Снижая стартовую частоту до единиц герц, мы, будучи также зажатыми «горбатой» характеристикой зависимости момента от скольжения, можем снизить пусковой ток, потребляемый из сети питания, до значений не выше номинального, даже при пуске под нагрузкой. Подробности пусковых (и не только пусковых) свойств частотных преобразователей — тема отдельной статьи.

Что не может устройство плавного пуска (УПП)?

В свою очередь, устройство плавного пуска (УПП) не может выполнить следующие функции:

• Регулировать частоту вращения двигателя в установившемся режиме;
• Реверсировать направление вращения;
• Увеличить пусковой момент относительно номинального;
• Снизить пусковой ток до значений меньших, чем требуется для вращения ротора в момент старта.

Очень важно: ток обмотки в конкретный момент времени при скорости вращения вала меньше синхронной зависит от текущей скорости, а не от механической нагрузки. От последней при пуске зависит, как быстро мы завершим процесс пуска.

Устройство плавного пуска (УПП).

Силовая часть устройства плавного пуска.

Сердцем силовой части устройства плавного пуска (УПП) является классический симистор (два встречно-параллельно включенных тиристора с управляющим входом), включаемый последовательно между питающим проводником и обмоткой двигателя. Тиристор отпирается при условии приложения прямого напряжения анод-катод и одновременной подачи отпирающего потенциала или его импульса на управляющий электрод. Запирается тиристор только снижением тока в цепи «анод-катод-нагрузка» до значения, близкого к нулевому. В составе устройства плавного пуска (УПП) тиристор исполняет роль быстродействующего полупроводникового контактора, включаемого напряжением, а выключаемого током.

Отметим, что временной момент запирания при переходе через ноль тока тиристора, через который питается обмотка разгоняемого двигателя, всегда запаздывает относительно момента перехода синусоиды фазного напряжения через ноль из-за индуктивной составляющей. Готовые устройства плавного пуска (УПП) содержат симисторы, включаемые в одну, две или все три фазы, причём, при соединении обмоток треугольником, возможно включение симисторов не в фазу питания, а в разрыв обмотки. В этом случае ток через симистор снижается в 1,73 раза и позволяет выбрать менее мощное и более дешёвое устройство плавного пуска (УПП), но удваивает число необходимых кабелей (с допустимым током в те же 1,73 раза ниже).

Не перегружая статью расчётами и формулами, кратко сравним важные потребительские технические характеристики одно-, двух- и трёхфазного регулирования.

Входной контактор не обязателен только при отсутствии требований к гальванической развязке.

В пользу выбора одно- или двухфазных устройств плавного пуска (УПП) говорят только более низкая цена в сочетании с возможностью использования в конкретном механизме.

Однофазное регулирование. Через нерегулируемые фазы при разгоне двигателя протекает ток, соответствующий скольжению и моменту в конкретный момент времени. Поскольку время разгона больше вследствие плавности характера процесса пуска, тепловой режим нерегулируемой обмотки может оказаться даже хуже, чем при прямом пуске. Следует также отметить, что само по себе однофазное устройство плавного пуска (УПП) не может аварийно остановить трёхфазный двигатель, максимум, что он может — выдать аварийный сигнал. Таким образом, схема применяется только там, где требуется смягчить пусковые удары в механической нагрузке в диапазоне мощностей до 11 кВт, а плавное торможение, длительный пуск и ограничение пускового тока не требуются. В связи с удешевлением тиристоров однофазные устройства плавного пуска (УПП) снимаются с производства, замещаясь двухфазными, поэтому в настоящей статье более не рассматриваются.

Двухфазное регулирование. Есть ограничение пускового тока, но несимметричность его ограничения в момент запуска и торможения также присутствует, так как управление отпиранием тиристора только в двух фазах не позволяет питать все три фазы абсолютно одинаково. Двухфазные устройства плавного пуска (УПП) выпускаются для двигателей мощностью до 250 кВт и более, применяются в случаях, когда узким местом при запуске является не ограничение тока до гарантированной величины, а, как и для однофазных устройств плавного пуска (УПП), смягчение механических ударов. Многие модели снабжены внутренними байпасными контакторами, что удешевляет стоимость решения по запуску одного двигателя или нескольких параллельно подключенных. О роли байпасного контактора речь пойдёт ниже.

Трёхфазное регулирование. Самое технически совершенное решение, так как позволяет получить симметричное по фазам ограничение тока и силы магнитного поля, поэтому, в сравнении с двухфазным, при том же крутящем моменте силы в момент разгона двигателя, токовый режим максимально благоприятен и для двигателя, и для сети. Технически область применения универсальна, есть возможность применить динамическое торможение и подхват обратного хода мотора, хотя эта функция реализована не во всех моделях устройств плавного пуска (УПП). Мощность и напряжение питания двигателя ограничены только тепловой и электрической прочностью самих тиристоров.

Система управления и выставляемые параметры.

Генерация управляющего сигнала для отпирания симисторов происходит в системе управления, которая в законченном виде (аппаратная +программная части) представляют собой ноу-хау производителя.

На рис.5 схематически показано изменение напряжения в обмотке двигателя при изменении временного промежутка, или, что то же самое, фазового сдвига между прохождением синусоиды входного напряжения через ноль и моментом подачи управляющего сигнала в процессе пуска двигателя. Величина называется углом отпирания тиристора и изменяется от значения менее 180 градусов или 10 мс при частоте 50 Гц в начале до нуля в момент выхода на номинальные обороты. При плавном торможении угол отпирания изменяется в обратном порядке.

Время процесса включения — это время, за которое система плавного пуска увеличит напряжение на выходе от начального до полного.

Время выключения — это время, за которое напряжение на выходе системы снизится от полного до напряжения остановки (начального напряжения). Если время остановки равно нулю, это будет эквивалентно прямой остановке. Используется, когда необходима плавная остановка мотора, например, при работе с насосами или ленточными конвейерами.

Начальное напряжение. Иногда называется напряжением или крутящим моментом подставки. Это точка, в которой система мягкого пуска начинает или завершает процесс включения или выключения. Применяется для гарантированного трогания вала с места. При начальном напряжении 50% от номинального α = 90 градусов.

Ограничение тока может использоваться в тех случаях, когда требуется ограничение пускового тока или при пуске под большой нагрузкой, когда трудно обеспечить хороший старт заданием только начального напряжения и времени включения. При достижении предела ограничения тока система плавного пуска временно прекратит увеличение напряжения, пока ток не снизится ниже заданного предела, после чего процесс увеличения напряжения возобновится до достижения полного напряжения. Эта функция имеется не во всех устройствах плавного пуска (УПП).

Функция BOOST поддержки напряжения позволяет получить пусковой момент для преодоления механического трения. Применяется, когда крутящий момент при пониженном стартовом напряжении недостаточен для трогания вала с места, но основной разгон уже стартовавшего двигателя можно выполнить и от пониженного напряжения. 

Возможные применения функции BOOST — дробилки, тестомесы, мясорубки. Первые 0,2 с (10 полных периодов) тиристоры полностью открыты, и двигатель ведёт себя, как и при прямом пуске, и нагружает сеть соответствующим образом. Такая короткая по времени просадка в сети обычно не вызывает аварийных остановок других механизмов. Эта функция также имеется не во всех устройствах плавного пуска (УПП).

Простейшие двухфазные устройства плавного пуска (УПП) с плавным торможением на токи до 32 А собираются в пластиковом корпусе с креплением на 35 мм DIN-рейку. На передней панели находятся регулировки времени пуска, времени торможения и начального напряжения, винты клемм питания, выхода на двигатель, логических входов для подключения кнопок «Пуск» и «Стоп» и, при наличии, BOOST, и выходы сигналов ошибки и завершения процесса разгона. Более функционально продвинутые устройства плавного пуска (УПП) позволяют устанавливать настройки и управлять процессом с интерактивной передней панели или по сетевому протоколу, реализуя, например, смену режимов пуска или последовательный запуск двигателей разной мощности.

Электромагнитная совместимость.

Хотя процесс отпирания тиристора происходит лавинообразно, индуктивная составляющая сопротивления обмотки ограничивает скорость нарастания тока при включении, а выключение происходит в момент снижения тока до нуля. Специальные дроссели и фильтры ЭМС на практике не применяются. Уровень помех во всём спектре частот на порядки ниже, чем у частотного преобразователя той же мощности без дросселей и фильтров ЭМС.

Байпасный контактор.

Байпасный (обходной) контактор (БК) служит для питания двигателя в установившемся режиме, минуя тиристоры и, таким образом, облегчая их тепловой режим. Выбирается по категории АС-1, так как пусковые токи стандартного прямого включения через него не протекают. Многие двухфазные устройства плавного пуска (УПП) имеют встроенный БК.

Каскадное включение при пуске и торможении нескольких двигателей.

Все двигатели одной мощности, устройства плавного пуска (УПП) выбирается из соображений мощность/продолжительность включения/температура в месте установки.

Рассмотрим рабочий цикл привода каскадного механизма. Привод готов к пуску — КМ1 замкнут (остальные разомкнуты). Все контакторы в штатных режимах работают по категории АС-1 при условии гарантированной краткой выдержки времени между окончанием процесса замыкания стартовых контакторов и началом подачи импульсов отпирания на тиристоры. Для реализации аварийной защиты, например, от теплового пробоя тиристоров во время затянувшегося пуска, стартовые контакторы всё же целесообразно выбирать по АС-3, а для резервирования возможности прямого пуска в случае выхода из строя устройств плавного пуска (УПП) — и рабочие контакторы тоже.

При использовании в управлении приводом простейшего микроконтроллера или программируемого реле с часами и счётчиками можно следить за моторесурсом каждого двигателя и, например, автоматически подключать в первую очередь самый «свежий» и выключать самый «уставший».

Плавное торможение в насосных агрегатах необходимо, поскольку остановка одного из насосов на выбеге двигателя приводит примерно к такому же резкому перепаду давления, как и прямой пуск. В каскадной системе, как это видно из схемы, роль БК выполняют рабочие контакторы.

Типовые проблемы эксплуатации устройства плавного пуска (УПП) и способы их решения.

Наиболее дорогие в плане восстановления устройства, потенциально подверженные поломкам вследствие ошибок (см. 1):

• Силовой трансформатор питания сети с устройством плавного пуска (УПП);
• Собственно устройство плавного пуска (УПП);
• Двигатели;
• Механические части нагрузки (редукторы и исполнительные органы).

Проектирование: выбор устройства плавного пуска (УПП), схема включения. Ведущие мировые производители предлагают компьютерные программные средства, помогающие выбрать и устройство плавного пуска (УПП), и сопутствующие элементы схемы привода.

В идеальном случае, ограниченном только физическими принципами работы силовой части, устройство плавного пуска (УПП) должно создавать плавно возрастающее по значению, начиная от стартового, круговое по форме магнитное поле, вращающееся со скоростью, заданной частотой питающей сети. Для этого тиристоры должны стоять во всех трёх фазах.

При эксплуатации привода в установившемся режиме без БК ток в обмотки продолжает поступать через тиристоры устройства плавного пуска (УПП). Последствия включения без БК для двигателей и трансформаторов подробно описаны в [1, 2]. Последствия для устройства плавного пуска (УПП) — только более тяжёлый тепловой режим. Корень всех минусов — в физических свойствах реальных тиристоров и погрешностях работы генератора отпирающих импульсов. Постоянная составляющая как следствие несимметричности полуволн тока, протекающего по цепи «вторичная обмотка трансформатора — тиристоры устройства плавного пуска (УПП) — обмотка двигателя» возникает как совокупность следующих факторов: запирание тиристора происходит при некотором остаточном значении тока:

• между моментом подачи отпирающего импульса на управляющий электрод и моментом начала;
• протекания тока проходит время, называемое временем включения тиристора;
• не существует ни двух, ни тем более шести тиристоров, у которых эти 2 параметра точно совпадают;
• при появлении в сети мощной помехи могут происходить сбои в синхронизации тактового генератора.

Как показывают элементарные расчёты, в случае, описанном в [1], уровень постоянной составляющей тока по фазам при U=0.4 кВ составил не более 2% номинального для двигателя и менее 1% номинального для трансформатора. При всей кажущейся незначительности относительных величин, результаты не врут. Дешевле добавить в схему один контактор, чем ремонтировать двигатель, менять трансформатор мощностью в сотни и тысячи кВА и терпеть убытки от простоя оборудования.

Пусконаладочное параметрирование устройства плавного пуска (УПП). Как уже было отмечено ранее, простейшее устройства плавного пуска (УПП) в настройке ненамного сложнее, чем тепловое реле защиты двигателя. Ниже приведены ориентировочные настройки устройства плавного пуска (УПП) для различных механизмов.

Параметры настройки устройства плавного пуска при использовании функции ограничения тока

В таблице не учтена возможность включения функции BOOST.

Крутящий момент мотора будет уменьшаться пропорционально квадрату напряжения и, если начальное напряжение задано слишком малым, например 20 %, стартовый крутящий момент будет равен только 0.2 = 0.04 = 4 %, и мотор не начнет вращаться в самом начале процесса включения.

Поэтому очень важно находить такой уровень, при котором мотор начнет сразу работать, чтобы избежать ненужного перегрева. При завышенном начальном уровне пусковой ток и момент будут слишком мало отличаться от значений при прямом пуске.

Время включения не должно быть слишком большим, поскольку это приведет только к ненужному перегреву мотора и срабатыванию защитного реле. Если мотор не нагружен, время пуска мотора окажется меньше заданного, а если мотор сильно нагружен, то больше.

Выводы

Тиристорное устройство плавного пуска (УПП), если мы жёстко завязаны на имеющийся асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, не дающий возможности переключать обмотки со звезды на треугольник на ходу, является самым массовым устройством для решения многих проблем, возникающих при прямом пуске.

При выборе решений по плавному пуску и торможению в механизмах, приводимых двигателями мощностью от десятков кВт и выше, необходимо стартовать от следующего:

• Устройство плавного пуска (УПП) должно иметь 3-фазное регулирование;
• При подключении к одному или параллельно соединённым нескольким двигателям, запускаемым синхронно, БК обязателен;
• При многодвигательном приводе на общую механическую нагрузку с раздельным пуском каждого двигателя (например, насосные станции) разумно использовать каскадный последовательный запуск/торможение;
• Имеющиеся механические охолостители нагрузки (например, байпасные трубопроводы в насосах и компрессорах) целесообразно оставить.

Литература:

1. Петухов В.С., Соколов В. А. Повреждения трансформаторов и электродвигателей. Причина — в системе плавного пуска // Новости ЭлектроТехники. — 2005. — № 2(32).
2. Соркинд М. Асинхронные электродвигатели 0,4 кВ. Аварийные режимы работы// Новости ЭлектроТехники. — 2005. — № 2(32).
3. Schneider Electric. Устройства плавного пуска и торможения Altistart 48. Каталог 2002. ART. 011237RU.
4. АВВ. Системы плавного пуска. Учебное пособие. Февраль 2003.
5. Siemens. SIRIUS 3RW. Устройства плавного пуска. Презентация. Февраль 2005.
6. Ключев В. И., Терехов В. М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов. М., Энергия, 1980. — 360 с., ил.
7. Лотоцкий К. В. Электрические машины и основы электропривода. М., Колос, 1964. — 495 с., ил.

Автор: Юрий Бобылев