Выбор и применение устройств плавного пуска
Выбор и применение устройств плавного пуска
мы осуществили

Что же такое устройство плавного пуска? Для чего применяется? Какие основные характеристики? На эти и многие другие вопросы попытаемся ответить в нашей сегодняшней статье.

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.

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 возникает падение напряжения. 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 применения УПП значение пускового тока уменьшается до 3-4 номинальных). В электронных устройствах плавного пуска ограничение тока достигается путём плавного нарастания 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.

Способы пуска самого популярного вида двигателей - двигателей с короткозамкнутым ротором и их сравнительная характеристики: 1.Прямой пуск 2.Пуск по схеме звезда-треугольник 3.Преобразователь частоты 4.Устройство плавного пуска

Прямой пуск

Данный вид пуска является наиболее распространенным, так как он является наиболее дешевым и компактным. Исходное оборудование включает в себятолько линейный контактор, а также тепловое или электронное реле перегрузки Недостатком этого метода является то, что при нём возникает максимально возможный пусковой ток. Нормальное значение в 6-8 раз выше номинальноготока двигателя, но оно может превышать этот ток и в 14 раз.

Также существует пиковый ток из-за намагниченности, который может быть в 20 раз выше номинального тока, т. к. напряжение на двигателе в момент пуска отсутствует. Точные значения зависят от конструкции двигателя. Как правило в связи со снижением сопротивления в обмотках современные двигатели имеют более высокий пусковой ток, чем старые.

При прямом пуске пусковой крутящий момент также очень высок, и в большинстве случаев он выше необходимого. Это может привести к ненужной высокойнагрузке на приводные ремни, муфты и приводное оборудование. Тем не менее есть ситуации, когда этот метод пуска прекрасно подходит и в иных методах нет никакой необходимости. Единственный возможный способ остановки двигателя при прямом пуске —это прямой останов.

Пуск по схеме звезда-треугольник

Пускатель по схеме звезда/треугольник, состоит из трех контакторов, реле перегрузки и таймера. Этот метод пуска можно использовать только с двигателем, который в номинальном режиме работы соединен треугольником. Основная идея использования такого способа пуска состоит в том, что в начальный момент разгона двигателя, его обмотки соединены звездой, что обеспечивает пониженный ток. По истечении определенного времени подключение меняется на «треугольник», что обеспечит полный ток и крутящий момент.

При подключении по схеме «треугольник» напряжение на каждой обмотке двигателя соответствует напряжению в сети. Ток двигателя разделяется между двумя параллельными обмотками с коэффициентом 1/√3 от общего тока. Если сопротивление каждой обмотки двигателя равно Z, то сумма сопротивлений для параллельных обмоток — Z/√3. Если двигатель подключен звездой (Y), его обмотки соединены последовательно. Полученное полное сопротивление равно √3*Z, в результате чего оно будет в (√3*Z)/( Z/√3) = 3, т. е. в 3 раза выше сопротивления при подключении по схеме «треугольник». Поскольку уровень напряжения один и тот же, ток при подключении по схеме «звезда» будет составлять 1/3 тока при подключении треугольником. Поэтому при пуске с помощью схемы звезда/треугольник ток при подключении звездой будет равен 33 % от тока двигателя, подключенного треугольником.

Так как напряжение сети неизменно, при соединении звездой напряжение снижается, т. к. напряжение на каждой обмотке двигателя будет составлять 1/√3 линейного напряжения. Данное пониженное напряжение также приведет к снижению крутящего момента. Крутящий момент будет уменьшаться пропорционально квадрату напряжения, [(1/√3)* (1/√3) ≈ 0,33] и в конечном итоге будет равен 33 % от крутящего момента, доступного при подключении по схеме «треугольник». Тем не менее, это сугубо теоретическое значение. На практике данное значение составляет 25%, т. к. присутствуют дополнительные потери, а также другие особенности, связанные с эффективностью подключения по схеме «звезда». Данный способ пуска наиболее эффективен при пуске без нагрузки или при очень слабо загруженном пуске, однако при пуске двигателя под большой нагрузкой его применение невозможно. Большая проблема при данном способе пуска появляется при пуске, например, насосов. Двигатель начнет разгоняться до 80-85 % от номинальной скорости до того, как момент нагрузки сравняется с крутящим моментом двигателя и ускорение прекратится. Для достижения номинальной скорости необходимо переключение на треугольник, которое часто приводит к высоким переходным значениям и большого по амплитуде пикового тока. В некоторых случаях пиковый ток может превышать значение тока при прямом пуске.

Кроме того, как и при прямом пуске, единственным способом остановки двигателя при использовании схемы звезда-треугольник является прямой останов.

Преобразователь частоты

Преобразователь частоты также иногда называют VSD (приводом с регулируемой скоростью вращения), VFD (приводом с регулируемой частотой вращения) или просто приводом. Он состоит из двух основных блоков, один из которых преобразует переменный ток (50 или 60 Гц) в постоянный, а второй— преобразует постоянный обратно в переменный, но с частотой 0-250 Гц.

Управляя частотой тока, привод может регулировать скорость двигателя.

Во время пуска привод увеличивает частоту от 0 Гц до частоты сети (50 или 60Гц). Благодаря постепенному увеличению частоты можно считать, что двигатель работает на своей номинальной скорости для данной частоты. Кроме того, поскольку можно считать, что двигатель работает на своей номинальной скорости, номинальный крутящий момент доступен сразу, а ток будет приблизительно равен номинальному. Как правило, привод отключается, если ток превышает номинальный в 1,5 раза. При использовании привода для управления двигателем также можно выполнить плавный останов. Это особенно полезно при останове насосов, т. к. позволяет избежать гидравлического удара, а также повреждения конвейерных лент.

Во многих установках необходимо непрерывно регулировать скорость вращения двигателя, для этого очень хорошо подходит частотное регулирование. Тем не менее, во многих случаях привод используется только для запуска и останова двигателя, хотя необходимость в непрерывном регулировании скорости отсутствует. Такое решение является излишне дорогим по сравнению с, например, устройством плавного пуска. При сравнении устройства плавного пуска и привода последний имеет гораздо большие физические размеры и занимает больше пространства. Привод также намного тяжелее, чем устройство плавного пуска, что делает его менее желательным решением, например, на подвижном транспорте, где вес имеет большое значение. Наконец, так как привод изменяет частоту и фактически создает синусоидальную волну, при его использовании в сети будут появляться гармоники. Для уменьшения влияния данных проблем используются дополнительные фильтры и экранированные кабели, но гармоники, как правило, невозможно устранить полностью.

Устройство плавного пуска

Устройство плавного пуска не изменяют частоту или скорость как это делает привод. Вместо этого оно плавно наращивает напряжение, которое подается на двигатель, от начального значения до полного. Первоначально напряжение на двигателе при пуске настолько мало, что можно регулировать только зазор между зубчатыми колесами или растяжимыми приводными ремнями и т. д., что позволяет избежать резких рывков при пуске. Постепенно напряжение и крутящий момент увеличиваются, а нагрузка начинает ускоряться. Одним из преимуществ этого метода пуска является возможность точной регулировки крутящего момента в зависимости от потребностей, и наличия или отсутствия загрузки.

Использование устройства плавного пуска позволяет уменьшить пусковой ток и тем самым избежать падения напряжения в сети. Также при этом уменьшается пусковой крутящий момент и механические воздействия на оборудование, что снижает необходимость в обслуживании и ремонте. Как и привод, устройство плавного пуска может выполнять плавный останов, устраняя гидроудар и скачки давления в насосных системах и позволяя избежать повреждения хрупкого материала на ленточных конвейерах.

Общая информация об устройстве плавного пуска

Устройство плавного пуска состоит из нескольких основных компонентов: тиристоров, которые могут регулировать напряжение, подаваемое на двигатель, а также блока печатных плат (PCBA), который используется для управления тиристорами. Кроме этого, устройство оборудовано радиатором и вентиляторами, которые рассеивают тепло, трансформаторами тока для измерения тока и (в некоторых случаях) дисплеем и клавиатурой, а также собственно корпусом. Наиболее распространено использование встроенных байпасных контактов в главной цепи, которое позволяет свести к минимуму потери мощности в нормальном режиме.

В зависимости от модели устройства плавного пуска, оно может быть оснащено встроенным реле перегрузки (EOL), что устраняет необходимость использования внешнего реле, датчика с положительным температурным коэффициентом (PTC), связью через интерфейс промышленной шины и т. д.

Устройство плавного пуска имеет два встречно-направленных тиристора, установленных в каждой фазе. Тиристоры являются полупроводниковыми электронными ключами, и имеют два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости, при котором они пропускают ток.

При выполнении плавного пуска сигнал пуска отправляется на тиристоры таким образом, чтобы проходила только последняя часть каждого полупериода синусоидального напряжения. Во время пуска сигнал пуска отправляется все раньше и раньше, позволяя все большей и большей части напряжения проходить через тиристоры. В конце концов сигнал пуска отправляется точно после прохождения нуля, после чего проходит 100 % напряжения.

Т. к. через тиристоры проходит все больше и больше напряжения, данный процесс можно рассматривать как наращивание напряжения от начального значения к полному. При выполнении плавного останова происходит обратный процесс. В начальный момент времени, через тиристоры проходит полное напряжение, а после подачи команды на останов двигателя, сигнал отправляется все позже и позже, за счет чего через тиристоры проходит все меньше и меньше напряжения, вплоть до конечного значения. После этого напряжение на двигатель не подается и двигатель останавливается.

Пуск: В начале тиристоры пропускают часть напряжения, а затем увеличивают его в соответствии с установленным временем разгона.

Останов: Тиристоры пропускают полное напряжение, а при начале плавного останова уменьшают его в соответствии с установленным временем останова.

Так как напряжение на двигателе во время пуска уменьшается, ток и крутящий момент также снижаются. Если напряжение снижается до 50 % от полного значения, ток снизится приблизительно до 50 % от максимального значения на этой скорости, а крутящий момент — приблизительно до 25 %.

Ниже перечислены основные преимущества использования устройства плавного пуска: Пусковой ток снижается настолько, что это позволяет избежать просадкинапряжения в сети. Уменьшается крутящий момент, за счет чего снижается механическое напряжение на оборудование, а также необходимость в обслуживании и ремонте, и увеличивается срок службы оборудования. Наконец с помощью плавного останова устраняется гидроудар в насосных системах и снижается нагрузка на оборудование.

Управление крутящим моментом

Устройство плавного пуска выполняет пуск и останов, постепенно линейно наращивая или снижая напряжение. Тем не менее, линейное изменение напряжения не всегда обеспечивает линейное изменение крутящего момента или скорости. В таком случае применяется функция управления крутящим моментом. При плавном изменении напряжения увеличивается или уменьшается не напряжение, а крутящий момент. Это делается с помощью петли регулирования, в которой путем измерения напряжения и тока вычисляется крутящий момент. Этот крутящий момент затем сравнивается с необходимым, после чего напряжение регулируется таким образом, чтобы соответственно изменился крутящий момент.

Управление крутящим моментом особенно актуально для останова насосов, где внезапное снижение скорости может привести к гидроударам и скачкам давления, которые могут вызвать огромный механический износ насоса, клапанов и системы труб.

При выполнении останова с плавным изменением напряжения оно начинает уменьшаться сразу после получения команды. Тем не менее, по мере уменьшения напряжения будет возрастать ток. Это происходит потому, что двигатель будет пытаться остаться в своем нынешнем состоянии. Т. к. крутящий момент зависит как от напряжения, так и от тока, он будет оставаться более или менее неизменным. По прошествии определенного периода времени, в течение которого напряжение достаточно снизится, произойдет быстрое падение тока и крутящего момента, двигатель резко остановится. Такой останов все равно будет гораздо лучше, чем прямой, но он не подходит для многих насосных систем, поэтому требуется другое решение.

При управлении крутящим моментом постепенно снижается не напряжение, а крутящий момент. При этом двигатель сразу же замедляется, управляемое замедление выполняется вплоть до полного останова, см. рисунок справа. Хороший контроль крутящего момента двигателя имеет решающее значение

для предотвращения гидроудара. Тем не менее, этого не достаточно. Также необходима кривая крутящего момента, построенная таким образом, что-бы избежать гидроудара. Линейное снижение крутящего момента — это не очень хороший способ останова насоса.

Как выбрать устройство плавного пуска для различных областей применения

Обычно устройство плавного пуска можно выбрать в соответствии с номинальной мощностью двигателя.

В некоторых случаях необходимо выбирать более мощное устройство плавного пуска, по сравнению с номинальной мощностью двигателя (пуск под нагрузкой, большое количество пусков в час и т. д.). Пусковая способность устройства плавного пуска очень зависит от мощности тиристоров и радиатора.

Данную таблицу можно использовать в качестве руководства для выбора устройства плавного пуска в том случае, если вы хотите быстро определиться с выбором и при этом быть уверены, что типоразмера устройства будет достаточно. Стоит отметить, что данный выбор не представляет собой самое оптимальное решение.

На подбор УПП также влияет температура окружающей среды.

Под этой температурой понимается средняя температура окружающей среды вокруг устройства плавного пуска в течение 24 часов. Для большинства устройств плавного пуска максимальная температура, при которой не потребуется пересчет номинального тока устройства, составляет 40 oC.

Максимальная температура окружающей среды во время работы зависит от типа устройства плавного пуска, ее необходимо проверять отдельно в соответствии с техническими условиями изготовителя.

Понижение мощности при использовании на больших высотах

Когда устройство плавного пуска используется на больших высотах, номинальный ток должен быть понижен из-за меньшего охлаждения. Значения в каталоге действительны на высотах до 1000 м над уровнем моря, на больших высотах необходимо понижать мощность. В некоторых случаях требуется более мощное устройство плавного пуска, которое может работать с током двигателя при использовании на больших высотах.

Пусковая способность и защита от перегрузки

При пуске двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток (Iп) всегда будет выше, чем номинальный ток двигателя. При прямом пуске пусковой ток, как правило, в 7-8 раз выше номинального, при использовании устройства плавного пуска его значение в 3-5 раз выше номинального.

В зависимости от области применения пуск может быть коротким или длинным. Поскольку ток во время пуска выше, устройство плавного пуска будет нагреваться. Важно выбрать такое устройство плавного пуска, тиристоры и радиатор которого будут рассчитаны на используемый двигатель и метод пуска. При наличии тяжелых условий эксплуатации устройство плавного пуска должно быть на один типоразмер больше, т. к. в таких случаях пуск занимает больше времени.

Максимально допустимый пусковой ток для устройства плавного пуска зависит от времени пуска. Соотношение между током и временем отображается на приведенном графике пусковой способности.

Напряжение или ток, поступающие на двигатель, не зависят от выбранного типоразмера устройства плавного пуска. Единственная разница при выборе большего устройства плавного пуска заключается в том, что оно сможет выдерживать более высокий ток в течение более длительного времени и, таким образом, будет в состоянии запускать большие двигатели или более тяжелые механизмы.

Защита двигателя от перегрузки (тепловая или электронная)

очень часто устанавливает предел пусковой способности. Такие механизмы защиты имеют различные классы расцепления. От класса расцепления зависит, как быстро устройство отключится при определенном значении тока. Реле с классом расцепления 10 используется для нормальных пусков, реле с классом расцепления 30 — для пусков под нагрузкой, при которых время пуска, как правило, длиннее. В некоторых случаях, когда во время пуска защита от перегрузки отключена (в случае если активна другая защита) для обеспечения более длительного времени пуска, особенно важно проверить пусковую способность устройства плавного пуска, так как именно она будет являться ограничением.

Количество пусков в час

Максимальное число пусков в час для устройства плавного пуска зависит от нескольких факторов, таких как ток нагрузки, температура окружающей среды, время пуска и коэффициент продолжительности включения.

Коэффициент продолжительности включения

Коэффициент продолжительности включения определяет то, как долго устройство плавного пуска работает (время пуска время работы) по сравнению с общим временем цикла. Когда речь идет о количестве пусков в час, то коэффициент продолжительности включения очень важен, так как время паузы — это время охлаждения устройства плавного пуска. При условии поддержания определенного количества пусков в час высокий пусковой ток и большое время пуска требуют большего времени паузы, по сравнению с низким пусковым током и малым временем включения.

В устройствах плавного пуска используются различные напряжения.

Названия и методы использования этих напряжений указаны в стандарте IEC IEC 60947-1 (ГОСТ 50030.1).

Рабочее напряжение (Ue), это напряжение, которое подается на двигатель, а также на силовую цепь (тиристоры) устройства плавного пуска. Номинальные значения — 200-690 В переменного тока.

Напряжение питания цепей управления (Us), это напряжение, которое подается на электронные компоненты внутри устройства плавного пуска, например печатную плату. Номинальные значения — 100-250 В переменного тока.

Напряжение цепи управления (Uc), это напряжение для подачи команд пуска и останова в устройстве плавного пуска. Номинальные значения — 24 В постоянного тока или 110-240 В переменного тока. Многие устройства плавного пуска оборудованы механизмами контроля напряжения цепи управления.

https://t.me/help_power_engineer