Устройства плавного пуска (Софт-стартеры) предназначены для плавного разгона и торможения электродвигателей, ограничения пусковых токов в момент запуска и согласования момента нагрузки с крутящим моментом двигателя.
Не секрет, что асинхронные двигатели, при запуске, имеют высокие значения пусковых токов, превышающие в 6-8, а в некоторых случаях даже в 10 раз, номинальный ток и существенное увеличение крутящего момента, что негативно влияет на работу самих двигателей. Кроме того, это приводит к просадке напряжения питающих сетей, что в свою очередь сказывается на работе другого электрооборудования.
Есть несколько вариантов решения данной проблемы. Чаще всего для этого используется подключение двигателя по схеме “Звезда-Треугольник”, через устройства плавного пуска и преобразователи частоты. В данной статье рассматривать будем только УПП, но вкратце расскажу и о двух других вариантах.
Запуск по схеме звезда-треугольник осуществляется следующим образом — в начальный период разгона двигателя, его обмотки соединены звездой, что обеспечивает пониженный ток. По истечении определенного времени, задаваемого реле выдержки времени, происходит переключение на «треугольник», что обеспечивает полный ток и крутящий момент.
Данный способ эффективен при пуске двигателя либо без нагрузки, либо при легком пуске. При запуске двигателя под большой нагрузкой этот метод неприменим. Также данная схема может использоваться только с двигателями, у которых обмотки рассчитаны на напряжение сети 380/660В.
Использование преобразователей частоты позволяет добиться того, что двигатель уже в момент запуска будет работать на номинальном токе и с номинальным крутящим моментом. Также использование частотного привода позволяет осуществлять плавный останов двигателя, в отличии от схемы звезда-треугольник, где единственным способом остановки может быть только прямой останов.
Применение частотного преобразователя оправдано в тех случаях, когда требуется управление регулированием скорости двигателя. Если же регулирование не требуется, то в этом случае оптимальным решением будет применение устройств плавного пуска.
Благодаря этим устройствам, удается избежать проблем, связанных с запуском, обеспечивается плавный пуск двигателей с ограничением пускового тока и углового ускорения, регулировка времени разгона и торможения двигателя. Все это способствует увеличению срока службы оборудования и стабилизации напряжения в сетях.
Кроме того, в софт-стартеры встроены целый ряд различных функций защит —
- Защита от обрыва входной фазы и выходной фазы
- Защита от перекоса фаз
- Защита от перегрузки двигателя
- Защита от пониженного и повышенного напряжения
- Защита от короткого замыкания нагрузки
Несмотря на то, что устройства плавного пуска выпускаются большим количеством различных фирм — производителей и у каждого есть свои особенности, общий принцип работы устройства одинаков для всех. И заключается он в регулировании действующего значения выходного напряжения.
В момент запуска электродвигателя софт стартер ограничивает питающее напряжение (30 — 60 % от номинального напряжения), затем постепенно наращивая его до номинала. При этом снижается пусковой ток и скорость его нарастания, увеличивается время пуска двигателя. Такой тип запуска позволяет также уменьшить и пусковой момент на валу.
Также как и частотные преобразователи, устройства плавного пуска позволяют осуществить плавный останов двигателя, что в свою очередь способствует предотвращению гидроударов в системах водоснабжения, повреждению материалов на ленточных конвейерах и т.д.
Устройство и принцип действия софт стартеров
Регулирование действующего значения напряжения осуществляется при помощи тиристорных модулей, которые в свою очередь управляются микропроцессором, расположенным на плате управления. В зависимости от типа софт-стартера, может осуществляться регулировка напряжения в двух фазах, обычно такая схема реализована в более бюджетных вариантах, либо в трех фазах.
В первом случае встречно-направленные тиристоры устанавливаются в первой и третьей фазах– по два. Один из тиристоров предназначен для положительного полупериода, второй – для отрицательного. В третьей фазе, которая условно называется неуправляемой, значение тока равно сумме значений тока в первых двух фазах (управляемых). При такой схеме, напряжение одной фазы все время будет присутствовать на двигателе.
Более функциональным является регулирование напряжения в трех фазах. В данном случае можно строить различные кривые разгона, управлять моментом, реализовать функцию энергосбережения.
При пуске сигнал приходит на тиристоры таким образом, чтобы проходила только последняя часть каждого полупериода синусоидального напряжения. Далее сигнал поступает все раньше, в соответствии с установленным временем разгона, и все большее напряжение будет проходить через тиристоры. В конце концов сигнал отправляется точно после прохождения нуля, после чего через тиристоры проходит уже полное напряжения. После разгона, тиристоры находятся в открытом состоянии, а сетевое напряжение приходит на клеммы двигателя.
При плавном останове происходит обратный процесс. Изначально тиристоры пропускают полное напряжение, а при начале останова уменьшают его в соответствии с установленным временем.
Помимо тиристорных модулей и платы управления, устройство плавного пуска может иметь также встроенное реле перегрузки, измерительные трансформаторы тока, термисторную защиту, дисплей и клавиатуру, радиатор и вентиляторы, интерфейсы связи.
Многие устройство плавного пуска имеют встроенный байпасный контактор в главной цепи, что является вообще отличительной особенностью данного вида устройств. Если встроенный байпас не предусмотрен, то рекомендуется использовать обычные внешние контакторы.
Байпас – это шунтирующий, обходной путь, создаваемый в обход некоторых участков или элементов электрической цепи.
Байпасный контактор применяется для подключения двигателя напрямую к питающей сети, по окончанию процесса запуска, после того, как УПП разгонит двигатель на номинальные обороты и необходимость в нем отпадает. При торможении, контактор отключится и двигатель снова подключается к устройству плавного пуска.
Такая схема связана с тем, что при работе устройства плавного пуска его силовые элементы, в частности тиристоры, сильно нагреваются, что приводит, во первых, к выделению тепла, которое необходимо где-то рассеивать, а во вторых, к преждевременному выходу их из строя. Можно конечно использовать дополнительный теплоотвод (радиаторы, вентиляторы), но это ведет к увеличению габаритных размеров, цены. А так, как софт-стартер нужен только в момент запуска, то получается, что проще будет вывести его из работы на то время, пока двигатель работает в номинальном режиме.
Самодельные варианты
Существует множество схем модернизации электроинструмента при помощи УПП. Среди всех разновидностей широкое применение получили устройства на симисторах. Симистор — полупроводниковый элемент, позволяющий плавно регулировать параметры питания. Существуют простые и сложные схемы, которые отличаются между собой вариантами исполнения, а также поддерживаемой мощностью, подключаемого электроинструмента. В конструктивном исполнении бывают внутренние, позволяющие встраиваться внутрь корпуса, и внешние, изготавливаемые в виде отдельного модуля, выполняющего роль ограничителя оборотов и пускового тока при непосредственном пуске УШМ.
Простейшая схема
УПП с регулированием оборотов на тиристоре КУ 202 получил широкое применение благодаря очень простой схеме исполнения (схема 1). Его подключение не требует особых навыков. Радиоэлементы для него достать очень просто. Состоит эта модель регулятора из диодного моста, переменного резистора (выполняет роль регулятора U) и схемы настройки тиристора (подача U на управляющий выход номиналом 6,3 вольта) отечественного производителя.
Выбор устройства плавного пуска
При выборе УПП определяющим является номинальный ток двигателя и условия запуска.
При легком и нормальном пуске, например, при работе с центробежными насосами, компрессорами, мощность УПП выбирается такой же, как и мощность подключаемого двигателя, можно с небольшим запасом.
При тяжелом пуске под нагрузкой, или повышенной частоте запусков, желательно выбирать более мощный УПП, на один типоразмер больше. Также это относится к работе устройств в условиях тяжелой эксплуатации, в частности повышенной температуры окружающей среды.
Повышенной частотой запусков считается более 10 запусков в час.
На этот показатель влияют несколько факторов, таких как ток нагрузки, температура, время пуска и коэффициент продолжительности включения, который определяет, как долго УПП работает, по сравнению с общим временем цикла.
Ниже в таблице приведены режимы пуска, в зависимости от типа нагрузки. Эти данные подойдут для предварительного выбора, для более точного подбора оборудования, рекомендую воспользоваться программами конфигураторами для выбора устройств плавного пуска, такими например, как ABB ProSoft, или Win-Soft Starter для Siemens.
Регулятор оборотов коллекторного двигателя
Большинство схем бытовых аппаратов и электрических инструментов создано на базе коллекторного электродвигателя 220 В. Такая востребованность объясняется универсальностью. Для агрегатов возможно питание от постоянного либо переменного напряжения. Достоинство схемы обусловлены обеспечением эффективного пускового момента.
Чтобы достичь более плавного пуска и обладать возможностью настройки частоты вращения, применяются регуляторы оборотов.
Пуск электродвигателя своими руками можно сделать, к примеру, таким образом.
Подключение устройства плавного пуска
Существуют две схемы подключения устройств. В первую очередь это линейное подключение, которое можно сказать, является стандартным и подключение внутри треугольника. Сразу надо уточнить, что по второй схеме можно подключать не все устройства плавного пуска.
Линейный способ подключения наиболее распространенный, все устройства в цепи (коммутационные аппараты защиты, разъединения) в данном случае подключаются просто последовательно с УПП. Двигатель может быть подключен по схеме «звезда» или «треугольник».
В схеме подключения внутри треугольника фазы устройства плавного пуска соединяются последовательно с отдельными обмотками двигателя. Когда УПП находится внутри треугольника, через него проходит только 58 % от номиналь- ного тока. Поэтому в данном случае, для экономии, можно уменьшить типоразмер устройства. Но при этом придется использовать для соединения УПП и двигателя 6 проводников, в отличии от линейной схемы, где необходимо 3 провода.
Важно учитывать, что при подключении внутри треугольника нельзя использовать устройства плавного пуска, которые регулируют напряжение только в двух фазах из трех.
В остальном подключение софт стартера не сильно отличается от подключения того же частотного преобразователя.
Питание на входные силовые клеммы R,S,T, которые могут быть также обозначены как L1,L2,L3 и шунтирующий контактор КМ, приходит с автоматического выключателя QF, вместо которого могут также использоваться предохранители.
Двигатель подключается к выходным силовым клеммам U,V,W.
После плавного пуска двигателя, софт стартер отключится, с клемм 1 и 2 поступает сигнал на катушку байпасного контактора, силовые контакты КМ замкнутся и двигатель будет работать напрямую от сети.
Клеммы 7,8,9 и 10 относятся к цепям ручного запуска и останова УПП. Кнопка Пуск подключается на 9 клемму, кнопка Стоп на 8. На 7 клемму подключена кнопка аварийного останова (грибок). Плавный пуск электродвигателя начинается при кратковременном нажатии кнопки Пуск, а при нажатии Стоп, начинается процесс останова. Аварийный стоп обеспечивает мгновенный останов двигателя.
Релейный выход ошибки, клеммы 5 и 6, замыкается при возникновении сбоя в работе или срабатывания защиты .
Программируемый релейный выход 3 и 4 можно использовать для вывода статуса состояния УПП (работа, готовность, неисправность, разгон). В настройках можно задать временную задержку на срабатывание.
Аналоговый выход 11,12 можно использовать для измерения действующего значения тока двигателя. Может подключаться к внешнему амперметру.
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.
Настройка устройства плавного пуска
После того, как все электрические цепи будут подключены, для корректной работы УПП необходимо еще задать некоторые настройки, которые зависят от типа нагрузки, характеристик двигателя, длительности нагрузки на двигатель и т. д.
Настраиваемых параметров в УПП обычно довольно много, но из основных можно выделить:
- Время плавного пуска — время от начального напряжения до достижения полного напряжения.
- Время плавного останова — время за которое полное напряжение снижается до конечного. Если оно равно нулю, то будет выполнен прямой останов.
- Управление крутящим моментом — функция, которая контролирует крутящий момент двигателя, а не напряжение. С помощью данной функции можно управлять плавным изменением крутящего момента и напряжения во время пуска и во время останова.
- Начальное напряжение — устанавливает начальный уровень напряжения в процентах. От этого значения устройство плавного пуска начинает увеличивать напряжение.
- Конечное напряжение — это уровень напряжения, который постепенно устанавливает устройство плавного пуска при плавном останове.
- Ограничение пускового тока — параметр используется в тех случаях, когда требуется ограничить пусковой ток, а также при пуске под нагрузкой, когда трудно добиться оптимального пуска только за счет параметров начального напряжения и времени плавного пуска.При достижении уровня ограничения тока, софт стартер автоматически останавливает повышение напряжения, пока ток не упадет ниже заданного предела, а затем продолжает повышать напряжение до полного значения.
Примерные значения данных параметрах представлены в таблице, но для каждого отдельного случая, возможно, эти настройки придется скорректировать.
Применение в болгарке
При запуске угловой шлифовальной машины (угловой шлифовальной машины) на детали инструмента возникают высокие динамические нагрузки.
УПП комплектуются дорогие модели, но не обычные разновидности, например, угловые шлифовальные машины от Интерскол. Инерционный выстрел способен вырвать болгарку из рук, при этом возникает угроза жизни и здоровью. Кроме того, при запуске электродвигателя инструмента возникает перегрузка по току и, как следствие, износ щеток и значительный нагрев обмоток статора, изнашивается редуктор и может разрушиться отрезной диск, который может сломаться при в любой момент и нанести вред здоровью, а возможно, даже жизни. Инструмент должен быть защищен и для этого следует своими руками изготовить болгарку с регулировкой скорости и плавным пуском.
