Устройство плавного пуска

При резком включении или остановке ротор электродвигателя испытывает избыточную нагрузку, приводящую к ускоренному износу. Для исключения такого ущерба к ним подключается устройство плавного пуска (УПП). С помощью него можно обеспечить плавное нарастание и снижение оборотов, не нанося вред электрической машине и подключенному к ней оборудованию.

Для чего требуется плавный пуск

За счет регулируемой скорости вращения и надежности асинхронные электродвигатели получили наибольший спрос на производстве. Но в их принципе действия есть один нюанс — для прямого запуска требуется запредельная подача тока, превышающего номинальную мощность двигателя в 2-8 раз. Это связано с необходимостью подавать разное питание на обмотки возбуждения якоря и статора.

Прямой пуск мотора сопровождается рядом проблем и особенностей:

• Риск перегорания обмоток.
  При сбоях на генераторе, в электросети или у пускателя перегрузки могут достигнуть 15 порядков величины номинальной мощности. В этом случае в витках растет сопротивление, проводник плавится и деформируется. В дальнейшем следует замыкание и перегорание.
• Износ электромотора.
  При резких вращениях валы и подшипники получают избыточную механическую нагрузку. В результате их рабочий ресурс снижается.
• Поломка рабочего механизма.
  Конвейер, станок или насосная станция может легко выйти из строя при моментальном запуске.

Для исключения этих проблем требуется обеспечить плавный пуск мотора (режим soft-starter). Он заключается во включении электрической машины на малых оборотах с постепенным наращиванием крутящего момента до значения, соответствующего номинальной мощности.

Реализовать такой режим работы можно тремя способами:

1. Подключить к цепи питания перед электродвигателем частотный преобразователь.
2. Подавать ток последовательно на каждую фазу.
3. Присоединить устройство плавного пуска.

Частотный преобразователь может решить проблему высоких перегрузок при мягком запуске. Но механизм лишь фиксирует скорость вращения на определенном значении (меньше номинального). К нему потребуется дополнительное устройство автоматического наращивания оборотов, либо их должен менять оператор вручную. Эти меры усложняют оборудование (а с ним и виды возможных неполадок) и управление машиной. Поэтому частотники не предназначены для мягкого старта.

Последовательная подача питания на фазы возможна на трехфазные двигатели, у которых обмотка якоря выполнена по схеме треугольника или звездочки. В такой конфигурации при подаче напряжения 660 V на одну фазу электромотор заработает на треть мощности. С питанием от двух фаз — на 2/3 и т.д. По факту получается мнимый плавный пуск, и двигатель все равно испытывает моментные рывки, лишь меньшей мощности. К тому же такая схема пускателя подходит только электромашинам с питанием каждой обмотки якоря от отдельной фазы.

В итоге применение в качестве пускателя частотного преобразователя или пофазная подача тока — непрактичные варианты пуска электродвигателя.

Принцип действия УПП

Назначение устройства плавного пуска — «разгонять» электрическую машину до рабочей мощности после мягкого запуска с минимальным током. Визуально вал начинает вращаться очень медленно и не шумит, плавно нарастая свою угловую скорость до номинального значения. Также постепенно увеличивается передаваемый рабочим механизмам крутящий момент от вала. Обеспечивается плавный пуск, дающий много преимуществ:

• не требуется создавать избыточную мощность, способную вывести электродвигатель из строя;
• на валы оказывается минимальное механическое давление, не приводящее к расцентровке и разрушению соединительной муфты;
• рабочие механизмы испытывают меньший износ.

Существует два вида устройств плавного пуска. Несмотря на одинаковую результативность, это совершенно разные конфигурации с большими отличиями.

Механические

Такие устройства плавного пуска работают по принципу противодействия угловому движению вала путем снижения крутящего момента. Механические модели устройства представлены:

• магнитными блокираторами;
• противовесами;
• тормозными колодками;
• жидкостными муфтами.

За исключением магнитного блокиратора, остальные виды устройств плавного пуска устарели и не встречаются среди товаров на радиорынках. Используемые до открытия более практичных пускателей механизмы сегодня неактуальны, т.к. быстро изнашиваются.

Есть еще электромеханические устройства плавного пуска — это электрические реле с катушками для изменения и возбуждения/отключения. Но ток не влияет на сам электродвигатель, а преобразуется в ЭДС для управляемого замедления вала. Механическая часть задействована в качестве техпривода чтобы физически удерживать вал, тем самым замедляя его и регулируя время остановки или выхода на номинальную мощность.

Электрические

Устройство плавного пуска представлено включенными в цепь питания полупроводниками с изменяемым напряжением (тиристорами), начиная с минимального значения. Увеличивается оно незначительно и пошагово, когда на регистратор поступает нулевая фаза синусоиды переменного тока (50 раз в секунду для однофазной сети 220В с частотой 50 Гц). По достижению номинальной мощности (соответствующей напряжению в сети) разгон прекращается.

Электрические софт стартеры считаются самыми надежными и компактными. При выходе из строя их легко и быстро заменить без ущерба оборудованию или длительного простоя на производстве.

Для старта достаточно одного обычного тиристора. Но если нужна мягкая остановка, используются два тиристора, расположенных встречно по отношению друг к другу:

• один понижает обороты;
• другой «разгоняет» электрическую машину.

Возможна еще одна схема, в которой используется один тиристор с перемыкающим симистором. Он меняет полюса за краткое время, меняя ускорение на замедление вращения (и наоборот).

Функции УПП

Современные типовые устройства плавного пуска — это электротехнические механизмы, выполненные в форме компактного блока электрики. Они позволяют регулировать 3 параметра:

1. Время разгона до номинальной мощности.
2. Длительность торможения до остановки электрической машины.
3. Пусковой (стартовый) ток, подаваемый на агрегат тиристором.

Первые два механизма работают по одному принципу, который основан на подаче тока через систему тиристоров. Они бывают двух видов:

• Взаимозависимыми.
  Общее управление для времени пуска и торможения. Используется в случаях, когда плавная остановка носит рекомендованный характер, и нет конкретных требований.
• Независимыми.
  Плавный пуск и остановка контролируются разной группой тиристоров, подключенных к цепи питания параллельно. Оператор может задать разные параметры для автоматического старта и отключения мотора, без необходимости регулирования в дальнейшем.

У типовых устройств плавного пуска пусковой ток можно устанавливать на уровне 25%...80% от номинального значения. Но нужно понимать — при установке времени выхода на номинальную мощность 10 сек со старта 10% эффекта, от плавного пуска не будет. Приходится балансировать между скоростью и безопасностью:

• Когда по запуску рабочих механизмов нет согласования, и нужно избежать перегрузок, пусковой ток можно установить на уровне 70%...80%. Этой разницы достаточно для быстрого включения сверхмощной асинхронной электрической машины с последовательным возбуждением.
• Если оборудование требовательно к плавному пуску, тогда необходим старт с 30% от номинальной мощности и временем до 30 сек.

Если применяется пускатель с усредненными параметрами, электромотор выйдет на свою мощность за 20-25 сек.

Как сделать выбор УПП

Для каждой системы требуется выбрать устройство плавного запуска, отвечающее техническим характеристикам и требованиями эксплуатации.

Предельная мощность

Она должна превышать максимально возможный показатель при работе. Рассчитывается он путем разницы нагрузок при запуске и выходе на номинальную мощность:

• у центробежных насосов, электроинструментов и фрезерных станков перегрузка составляет 3-5;
•  для прессов и поршневых приводов номинальная мощность превышается до двухзначных цифр.

Рекомендуемый запас устройств плавного пуска от 10% для использования со средне- и сверхмощными машинами. Например, если мощность силовой машины водяного насоса 5 кВт, при запуске нагрузка достигает 20 кВт + 10% запаса = 22 кВт.

При подключении требуется соблюдать фазность по отношению к двигателю. Для бытовых сетей выбираются двухфазные устройства плавного пуска, а для промышленности — трехфазные.

Механизм

По варианту сборки устройства плавного пуска бывает двух типов:

• Аналоговые.
  Софтстартеры состоят из механических контроллеров и реле (контакторов) для регулировки старта.
• Электронные.
  Пускатели работают под управлением микроконтроллеров, которые собирают сведения об электрическом токе и по полученным показателям влияют на электрическую машину.

Аналоговые

Эти УПП могут включать аналоговые приборы для вывода ряда показателей, но с ограничениями точности замеров. В качестве дополнения есть основные аварийные системы электрики для размыкания участка цепи с электромотором:

• Автомат.
  Срабатывает на случай поступления сверхтоков от источника питания.
• УЗО.
  Реагирует на утечки тока, которая происходит от короткого замыкания или поражения током оператора.

Для надежной защиты у данных механизмов устройства плавного пуска время реагирования должно быть не более 0.1 сек.

Электронные

УПП внешне представлены более крупными блоками и собирают сведения о процессах, происходящих в цепи питания. В них есть все функции механических аналогов, а также модули поддержки дополнительных настроек:

• сбор сведений о процессах, происходящих в цепи питания;
• запуск и отключение оборудования по умолчанию;
• Auto-adapt — режим экономичной работы, которым не требуется управлять вручную.

Благодаря всем этим достоинствам с устройством плавного пуска можно контролировать старт для бережной работы электродвигателя, защиты оборудования с оператором, и минимизации расхода электроэнергии. Вместе эти возможности продлевают ресурс электрической машины и делают ее эксплуатацию более выгодной.