Загрузка...Устройство плавного пуска
Устройство плавного пуска
Устройство плавного пуска (УПП) — механическое, электротехническое (электронное) или электромеханическое устройство, используемое для плавного пуска (остановки) электродвигателей с небольшим моментом страгивания (например с вентиляторной характеристикой) рабочей машины.
Содержание
Назначение [ править | править код ]
Управление процессом запуска, работы и остановки электродвигателей:
- плавный разгон;
- плавная остановка;
- уменьшение пускового тока;
- согласование крутящего момента двигателя с моментом нагрузки.
Во время пуска крутящий момент за доли секунды часто достигает 150—200 % от номинального, что может привести к выходу из строя механической части привода. При этом пусковой ток может быть в 6—8 раз больше номинального, из-за этого в местной электрической сети падает напряжение. Падение напряжения может создавать проблемы для других нагрузок сети, а если падение напряжения слишком велико, то может не запуститься и сам двигатель. Применение устройств плавного пуска обеспечивает ограничение скорости нарастания и максимального значения пускового тока в течение заданного времени (после установки УПП значение пускового тока уменьшается до 3-4 номинальных). В электронных устройствах плавного пуска ограничение тока достигается путём плавного повышения напряжения на обмотках электродвигателя. Это позволяет во время пуска удерживать параметры электродвигателя (ток, напряжение и т. д.) в безопасных пределах, что снижает вероятность перегрева обмоток и устраняет рывки в механической части привода, а также вероятность возникновения гидравлических ударов в трубах и задвижках в момент пуска и остановки. В конечном итоге правильно выбранное и настроенное устройство плавного пуска повышает показатели долговечности и безотказности электродвигателя и его привода.
Принцип действия [ править | править код ]
Мгновенное значение электромагнитного момента двигателя зависит не только от угловой скорости, параметров двигателя и параметров системы питания, но и от производных этих величин и их начальных значений [1] .
Вариация многих переменных значительно расширяет возможности управления динамическими режимами работы асинхронных электроприводов. Контактная коммутационная аппаратура позволяет реализовать только некоторые частные случаи формирования переходных процессов, связанных с введением в цепи двигателя сопротивлений и гашением его незатухающего магнитного поля, также могут использоваться тормозные колодки, жидкостные муфты, магнитные блокираторы, противовесы с дробью и прочее. Другими словами, возможны частные решения воздействием только на параметры двигателя. Применение в качестве коммутационных аппаратов магнитных усилителей позволяет дополнительно реализовать только воздействие на производную изменения напряжения.
Реализация большинства возможных способов формирования динамических характеристик стала принципиально осуществимой только с появлением полупроводниковых управляемых вентилей, которые из-за бесконтактности, безынерционности и лёгкости изменения среднего значения пропускаемого тока оказываются почти идеальными коммутирующими элементами для управления асинхронными электродвигателями.
Тиристорные коммутаторы (софтстартеры) и преобразователи частоты на основе управляемых вентилей позволяют сравнительно просто не только задавать требуемый темп изменения приложенного напряжения и создавать необходимые начальные условия, но также осуществлять фазовое регулирование в цепях двигателя и менять параметры системы питающих напряжений. Эти возможности делают не только принципиально возможным, но технически осуществимым и практически целесообразным управление электромагнитными переходными моментами и, следовательно, динамикой асинхронного электропривода.
В зависимости от характера нагрузки устройства плавного пуска обеспечивают различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателя и выходным напряжением.
Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой (U/f=const) реализуется простейшими преобразователями частоты для обеспечения постоянного момента нагрузки и используется для управления синхронными двигателями или двигателями, подключенными параллельно. Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжение/частота (U/f 2 =const).
К более совершенным методам управления относятся метод управления потокосцеплением (Flux Current Control — FCC) и метод бессенсорного векторного управления (Sensorless Vector Control — SVC). Оба метода базируются на использовании адаптивной модели электродвигателя, которая строится с помощью специализированного вычислительного устройства, входящего в состав системы управления преобразователя [2] .
Синонимы [ править | править код ]
УПП, устройство мягкого пуска, плавный пускатель, мягкий пускатель, софтстартер
Принцип работы софтстартера — устройства плавного пуска
При прямом пуске электродвигателя происходит резкое падение напряжения в электросети, рост пусковых токов на статорных обмотках до критических значений (в 6-8 раз выше номинала) и существенное увеличение крутящего момента. Устройство плавного пуска используется для управления этими параметрами. В момент разгона электродвигателя устройство плавного пуска поднимает питающее напряжение до начального (на 40-60% меньше номинального), затем постепенно увеличивает его до номинала. С ростом напряжения снижается пусковой ток и скорость его нарастания, как следствие, увеличивается время пуска электродвигателя. Для ограничения напряжения применяются силовые ключи — тиристоры.
схема УПП с внешним байпассом
После того, как напряжение на двигателе достигает номинального значения и процесс разгона завершается, устройство плавного пуска выводится из цепи с помощью байпасного контактора (шунтирование). Через УПП перестает проходить ток, и устройство охлаждается. Некоторые софтстартеры имеют встроенное шунтирование. Это позволяет уменьшить размеры и вес пускателя, поскольку отпадает необходимость в габаритном радиаторе охлаждения.
При торможении двигателя устройство плавного пуска подает постоянный ток на обмотки статора. Эта функция необходима при управлении электроприводом с активной нагрузкой (подъемники, лифты, наклонные конвейеры).
Плавное регулирование входящего напряжения и пускового момента электродвигателя позволяет снизить пусковую нагрузку на привод, уменьшить износ его механических частей, обеспечить защиту оборудования от перегрузок и перегрева.
Классификация УПП
Сегодня плавный пуск оборудования осуществляется с помощью трех типов устройств:
- УПП с одной управляемой фазой (адаптированы для маломощных двигателей);
- УПП с двумя управляемыми фазами (третья фаза подключается к сети напрямую);
- УПП со всеми управляемыми фазами.
Одно- и двух-фазные софт-стартеры меньше по размеру и дешевле. Подобные УПП рекомендуется использовать только при невысокой частоте пусков.
По способу управления пускатели подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровые устройства построены на базе микропроцессоров. Такие УПП обладают более широкой функциональностью и гибкостью управления электродвигателем, удобством в настройке и работе. Аналоговый плавный пуск имеет ограниченные возможности и сравнительно невысокую точность обработки сигналов, при этом отличается надежностью и быстродействием.
Параметры выбора УПП
При выборе устройства плавного пуска необходимо ориентироваться, прежде всего, на характер нагрузки. Существует 3 типа нагрузки: нормальная, тяжелая и очень тяжелая.
При нормальном режиме работе величина пускового тока может быть до 3 раз выше номинала. Типичные примеры легкого пуска: центробежные насосы, центробежные компрессоры и вентиляторы, элеваторы, прессы, эскалаторы, пилорамы и циркулярные пилы. В этих случаях устройство плавного пуска должно иметь ту же мощность, что и электродвигатель.
При тяжелой нагрузке пусковой ток может превышать номинал до 4,5 раз, при очень тяжелой – более чем в 6 раз. Примеры тяжелого и очень тяжелого пуска: поршневые компрессоры, лебедки, мельничные дробилки, вертикальные конвейеры, центрифуги, ленточные пилы. Подобное оборудование требует установки софт-стартера на один типоразмер больше электродвигателя (с запасом по мощности).
Также при выборе плавного пускателя нужно обращать внимание на следующие параметры:
Устройство плавного пуска электродвигателя: назначение, устройство и принцип работы, преимущества, схема подключения
Устройство плавного пуска — это электронное устройство, которое используется для защиты электродвигателя. Не все электродвигатели оснащены устройствами плавного пуска, но они стали обычным явлением, особенно для электродвигателей мощности и электродвигателей двигателей с большой частотой включений, которые могут быть легко повреждены внезапными скачками пускового тока. В них используются полупроводниковые переключатели для управления напряжением и пусковым током.
Содержание статьи
Одним из самых главных недостатков асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором является наличие у них больших пусковых токов. И если теоретически методы их снижения были хорошо разработаны уже довольно давно, то вот практически все эти разработки (использование пусковых резисторов и реакторов, переключение со звезды на треугольник, использование тиристорных регуляторов напряжения и т.д.) применялись очень в редких случаях.
Все резко изменилось в наше время, т.к. благодаря прогрессу силовой электроники и микропроцессорной техники на рынке появились компактные, удобные и эффективные устройства плавного пуска электродвигателей (УПП, motor soft starter, софтстартеры).
Как работают устройства плавного пуска
Устройства плавного пуска — это электронные устройства, предназначенные для плавного пуска асинхронных двигателей переменного тока. Они управляют запуском, постепенно увеличивая напряжение до номинального уровня.
Поскольку ток двигателя пропорционален напряжению питания, устройства плавного пуска значительно ограничивают пусковой ток, и увеличение крутящего момента двигателя постоянно адаптируется к нагрузке ведомого устройства. Это надежно исключает механические удары, а также падения напряжения в питающей сети.
Напряжение питания двигателя уменьшается во время пуска путем изменения угла фазы пуска (тиристора) до начального значения и постепенно увеличивается до полного значения сетевого напряжения с помощью функции линейного изменения с заданным интервалом.
Плавный запуск и остановка экономят приводную систему, обеспечивают бесперебойную работу, сводят к минимуму механические удары и, таким образом, значительно продлевают срок службы оборудования.
С помощью устройства плавного пуска напряжение питания на клеммах двигателя плавно увеличивается до полного напряжения питания, доступного от сети. При торможении все наоборот. Частота вращения вала двигателя не изменяется при использовании устройства плавного пуска, что является его принципиальным отличием от частотного преобразователя. Устройство плавного пуска снижает пусковой ток двигателя с типичных 6-9xIn для прямого пуска до 3-5xIn или меньше. Значение пускового тока можно настроить по мере необходимости.
Только устройство плавного пуска обеспечивает плавное и плавное изменение напряжения и полный контроль над током и крутящим моментом двигателя. Кроме того, устройство плавного пуска защищает двигатель от перегрузок, то есть от перегрева, от обрыва фазы, недопустимого дисбаланса напряжения и тока, а также от короткого замыкания в источнике питания.
Примерами установок с постоянной скоростью, периодически работающих на холостом ходу, являются: приводы металлорежущих и деревообрабатывающих станокв, ленточные пилы, конвейеры, дробилки, мельницы, смесители, прессы, вентиляторы, насосы для наполнения резервуаров и т.п. оборудование.
Система управления фазовой отсечкой и структурная схема 3-фазного устройства плавного пуска с 2-мя управляемыми фазами (с 2-х фазным управлением)
В чем отличие пуска от устройства плавного пуска с пуском от автотрансформатора?
Устройства плавного пуска намного более гибкие, чем пускатели с автотрансформатором, и обеспечивают более плавный пуск, как правило, с меньшими затратами. Пускатели с автотрансформатором не могут адаптироваться к изменяющимся условиям нагрузки (например, обычный пуск и пуск без нагрузки), а пусковой момент не может свободно регулироваться в соответствии с характеристиками двигателя и нагрузки.
Кратковременные скачки и скачки тока по-прежнему происходят на ступенях между напряжениями, и пускатели автотрансформаторами не могут обеспечить плавный останов. Пускатели с автотрансформатором большие и дорогие, особенно если требуется высокий пусковой момент.
Устройства плавного пуска Sirius 3RW30 компании Siemens :
Это компактное устройство плавного пуска со встроенным мониторингом неисправностей и состояния предлагает множество возможностей диагностики. Три светодиода и релейные выходы позволяют наблюдать за приводом и по-разному его диагностировать, поскольку они предоставляют информацию о рабочем состоянии, неисправностях сети или фазы, отсутствии нагрузки, недопустимой настройке времени и класса отключения, тепловой перегрузке или отказе устройства.
В чем отличие устройства плавного пуска от частотного преобразователя?
Устройство плавного пуска дешевле частотного преобразователя (инвертора) как в покупке, так и в эксплуатации. Когда приводная система работает с постоянной скоростью, устройство плавного пуска является лучшим решением, чем частотный преобразователь. Если нет необходимости регулировать скорость вращения, частотный преобразователь представляет собой решение, которое излишне увеличивает инвестиционные затраты и дополнительно вызывает неизбежные потери энергии.
Что означают торможение постоянным током и мягкое торможение?
Однонаправленное торможение и мягкое торможение сокращают время простоя двигателя. Торможение постоянным током использует импульсы постоянного тока для сокращения времени остановки двигателя.
Устройство плавного пуска замедляет двигатель примерно до 70% от его полной скорости, а затем останавливает двигатель с помощью тормозного момента в выбранное время торможения.
Плавное торможение вызывает меньший нагрев двигателя и обеспечивает больший тормозной момент для заданного тока, чем торможение постоянным током, и лучше подходит для нагрузок с чрезвычайно высоким моментом инерции (например, ленточные пилы и циркулярные пилы).
Преимущества УПП
Устройства плавного пуска асинхронных двигателей (УПП) — это устройства, которые значительно увеличивают срок эксплуатации электродвигателей и исполнительных устройств, работающих от вала этого двигателя. При подаче напряжения питания обычным способом, происходят процессы, разрушающие электродвигатель.
Пусковой ток и напряжение на обмотках двигателей, в момент переходных процессов, значительно превышают допустимые значения. Это приводит к износу и пробою изоляции обмоток, «подгоранию» контактов, значительно сокращает срок службы подшипников, как самого двигателя, так и устройств «сидящих» на валу электродвигателя.
Для обеспечения необходимой пусковой мощности, приходится увеличивать номинальную мощность питающих электрических сетей, что приводит к значительному удорожанию оборудования и перерасходу электроэнергии.
Кроме того «просадка» напряжения питания в момент пуска электродвигателя — может привести к порче оборудования, задействованного от этих же источников питания, эта же «просадка» наносит серьезный ущерб оборудованию электроснабжения, уменьшает срок его службы.
В момент пуска электродвигатель является серьезным источником электромагнитных помех, нарушающих работу электронного оборудования, запитанного от этих же электрических сетей, или находящихся в непосредственной близости от двигателя.
Если произошла аварийная ситуация и двигатель перегрелся или сгорел, то, в результате нагрева, параметры трансформаторной стали изменятся настолько, что номинальная мощность, отремонтированного двигателя, может снизиться на величину до 30%, в результате, этот электродвигатель окажется непригодным к использованию на прежнем месте.
Подключение и настройка УПП
Устройство плавного пуска электродвигателей объединяет функции плавного пуска и торможения, защиты механизмов и электродвигателей, а также связи с системами автоматизации.
Плавный пуск с помощью софтстартера реализуется медленным подъемом напряжения для плавного разгона двигателя и снижения пусковых токов. Регулируемыми параметрами обычно являются начальное напряжение, время разгона и время торможения электродвигателя.
Очень маленькое значение начального напряжения может очень сильно уменьшить пусковой момент электродвигателя, поэтому оно обычно устанавливается 30-60% от значения номинального напряжения.
При запуске напряжения скачком увеличивается до установленного значения начального напряжения, а потом плавно за заданное время разгона поднимается до номинального значения. Электродвиагетль будет при этом плавно и быстро разгоняться до номинальной скорости.
Применение софстартеров позволяет уменьшить пусковой «бросок» тока до минимальных значений, уменьшает количество применяемых реле и контакторов, выключателей. Обеспечивает надежную защиту электродвигателей от аварийной перегрузки, перегрева, заклинивания, обрыва фазы, снижает уровень электромагнитных помех.
Устройства плавного пуска электродвигателей просты в устройстве, монтаже и эксплуатации.
Пример схемы подключения устройства плавного пуска электродвигателя
Устройства плавного пуска должны иметь встроенный или внешний байпасный контактор. Байпас вызывает полное отключение устройства плавного пуска и переход к питанию двигателя непосредственно от сети после завершения пуска, и, следовательно, устранение потерь, возникающих в энергосистемах внутри прибора.
Без системы байпаса потери внутри устройства могут достигать 1,5–2% мощности, и это следует учитывать при расчете энергоэффективности приводной системы. После перехода устройства плавного пуска в режим байпаса модуль управления устройства постоянно наблюдает за приводом и в случае получения управляющего сигнала переходит в режим торможения, отключая байпас и принимая на себя нагрузку.
При выборе устройства плавного пуска необходимо учитывать следующее:
1. Ток электродвигателя. Необходимо выбирать устройство плавного пуска по полному току нагрузки двигателя, который не должен превышать ток предельной нагрузки устройства плавного пуска.
2. Максимальное число запусков в час. Обычно оно ограничено софтстартером. Необходимо, что-бы количество запусков в час электродвигателя не превышало этот параметр.
3. Напряжение сети. Каждое устройство плавного пуска рассчитано на работу при определенном напряжении. Напряжение сети питания должно соответствовать паспортному значению софтстартера.
Что такое адаптивное управление ускорением?
AAC (Adaptive Acceleration Control) — еще одно развитие технологии плавного пуска. С помощью AAC устройство плавного пуска «изучает» характеристики вашего двигателя во время пуска и останова, а затем регулирует элементы управления для оптимизации работы.
Устройство плавного пуска оценивает скорость двигателя при каждом запуске и останове AAC и регулирует мощность двигателя, чтобы обеспечить выбранный профиль ускорения или замедления. AAC в значительной степени не зависит от изменений нагрузки и особенно подходит для насосов.
Устройства плавного пуска (софт-стартеры)
Устройства плавного пуска повышают экономичность работы электрических двигателей, защищают их и смежных потребителей от аварийных ситуаций. Софт-стартеры увеличивают срок безотказной работы ЭД, выигрывая в цене у частотных преобразователей.
Области применения устройств плавного пуска
Устройства плавного пуска применяются на производствах, использующих мощные электрические двигатели и иногда ограниченные по мощности промышленные сети. Примеры приложений:
- Строительство, добывающая и перерабатывающая промышленность (Насос для цемента, мешалка, миксеры, конвейеры и шнеки, компрессоры, мельницы)
- Машиностроение (Станки разных типов, дробилки, червячная и бумагорезательная машины)
- Системы водоснабжения (Погружной насос, лебедки)
- Сельское хозяйство и ЖКХ (Сепараторы, насосы)
- Металлургия (Электропривод)
- Пищевая промышленность
- Деревообработка (пилорама, ленточная и циркулярная пилы)
- Подъемно-транспортное оборудование (эскалаторы)
- Нефтехимическая индустрия
- Энергетика
- Электрические двигатели разных типов (синхронные, асинхронные)
Везде, где для производственных целей используется электрический двигатель, устройства плавного пуска (УПП) найдут себе оптимальное применение.
Назначение УПП
Устройства плавного пуска, выпускаемые в последние годы, решают все больше разных задач:
- Стабилизируют питающую сеть, защищая подключенное к ней чувствительное оборудование (контроллеры, компьютеры)
- Решают проблемы порчи продукции при рывках конвейеров
- Контролируют плавность пуска, торможения и останова двигателя:
- Ограничение пусковых токов, формирование кривой разгона и торможения (задание рампы)
- Согласование крутящего момента и момента нагрузки
- Обрыва фаз и короткого замыкания
- Перегрузки и недогрузки
- Повышенного или пониженного напряжения, частоты сети
- Блокировки ротора
- Неправильного подключения, дисбалансов разных типов
- Пробоя и перегрева
Исполнение ряда этих функций предотвращает аварийные ситуации, риск возникновения которых высок в отсутствие УПП.
Преимущества устройств плавного пуска
Основные достоинства устройств плавного пуска:
- Предельно быстрая реакция при отключении в аварийной ситуации
- Существенно повышают надежность и долговечность приводных устройств/агрегатов
- Полностью контролируют перегрузки двигателя и улучшают его защиту от неблагоприятных ситуаций, устраняют рывки и гидравлические удары
- Организуют АСУ, за счет оперативной диагностики облегчают ремонтные работы
- Защищают электрочувствительное оборудование от скачков мощности в сети
- Экономят энергию
- Дешевле частотных преобразователей
Модели приборов и аналоги
На рынке представлено множество моделей, различающихся своей функциональностью. Для примера отметим семейство CSX:
- CSX – устройство плавного пуска/останова трехфазных АД общепромышленного типа. Подключается к общепромышленной сети (200-440 В или 200-575 В), диапазон мощностей до 110 кВт. Габариты компактные (устройства на токи 60А устанавливаются на DIN-рейку).
- CSXi – отличается от собрата функционалом, добавлен комплекс функций защиты двигателя и контроль тока.
Недостатки
Основные недостатки устройств плавного пуска:
- Защита от короткого замыкания.
Решение проблемы: частичное решение представляют собой специальные автоматы для защиты электродвигателей. + сами УПП устойчивы к определенным значениям токов КЗ (у CSX до 10 кА + доступны защитные предохранители). В иных случаях можно обратиться к частотным преобразователям.
Решение проблемы: Подбирайте вводной автомат с учетом тока плавного пуска, а не номинального и пускового в отсутствии УПП.
Принцип работы УПП
Принцип работы устройства плавного пуска заключается в ограничении подаваемого через него напряжения от сети на нагрузку/двигатель. На рисунке показан типовой случай подключения системы через входной автомат защиты. Алгоритмы передачи мощности настраиваются, а коммутация происходит при помощи управляемых силовых ключей (чаще всего – шунтируемых контактором тиристоров). При пуске двигателя происходит преобразование электрической энергии в кинетическую (по мере разгона ток падает в несколько раз до номинального). Софт-стартер, в свою очередь, ограничивает чрезмерно большой пусковой ток в начальной стадии, коммутируя тиристоры по заданному алгоритму и с учетом показаний датчиков.
Более подробно рабочие принципы рекомендуется рассмотреть на примере моделей CSX, EMX, SSI.
