Золотовский Д.В. Плавный пуск электродвигателя. Книга 1
Подождите немного. Документ загружается.
Плавный Пуск Двигателя
Насколько необходим плавный пуск асинхронного
электродвигателя?
При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном
сопротивлении его роторной цепи выделяется тепловая энергия, равная
кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс, а при пуске
под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно
увеличивается. Выделение энергии в цепи статора обычно несколько больше,
чем в роторной. При частых пусках, а также при весьма тяжелых условиях
пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики,
возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Число пусков
асинхронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева, тем
больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше
соединенные с его валом маховые массы.
При подаче полного
напряжения на статор
асинхронной машины
имеют место два
неблагоприятных фактора, а
именно:
- большая кратность
начального пускового
тока, которая достигает (6-
10) In,
- колебательный затухающий характер пускового момента двигателя.
Последствия действия этих факторов. Большой начальный пусковой ток
вызывает значительные просадки напряжения на питающих шинах
подстанции (при соизмеримой мощности трансформатора и двигателя), что
нарушает работу, как других потребителей, так и самого двигателя
(затягивание пуска). Большой пусковой ток вызывает также значительные
термические перегрузки обмотки, следствием чего может быть ускоренное
старение изоляции, ее повреждение и, как результат, межвитковое короткое
замыкание.
Значительные колебания момента двигателя на начальном этапе пуска,
которые могут превышать 4-5 кратное
значение номинального момента, создают неблагоприятные условия для
работы механики ( кинематической цепи).
Поэтому метод пуска асинхронных электродвигателей прямым
подключением к сети имеет три серьезных недостатка – влияние на сам
двигатель, на сеть и на технологический процесс:
Влияние на сам двигатель. Пиковые броски тока в переходном процессе
пуска (6-10-кратные по отношению к номинальному) приводят к
значительным усилиям на проводники, расположенные в лобовых частях
обмотки электродвигателя, и как следствие - к ослаблению бандажирования
обмотки, постепенному нарушению (перетиранию) изоляции и
преждевременному выходу двигателя из строя по причине короткого
замыкания витков обмотки.
Влияние на питающую сеть. При питании от автономных генераторов,
особенно в конце линии электропередачи, падение напряжения на
внутреннем сопротивлении источника питания и этой линии при протекании
больших пусковых токов приводит к просадке напряжения в сети, что
отрицательно сказывается на работе другого подключенного к ней
оборудования (контроллеры, компьютеры, связь, терминалы релейной
защиты и др.), а сам двигатель может не запуститься из-за снижения его
момента пропорционально квадрату просадки напряжения.
Влияние на технологический процесс. Пиковые моменты переменного
знака, развиваемые двигателем при пуске (4-5-кратные по отношению к
номинальному), приводят к постепенному увеличению зазоров в
механических соединениях между двигателем и механизмом, кроме того, в
ряде случаев вредно сказываются на технологическом процессе, где такие
механические нагрузки недопустимы (например, магистральные конвейеры,
когда происходит вытягивание приводного ремня, вентиляторы и смесители
в случае опасности деформирования лопастей, системы транспортировки
развешанных, уложенных или хрупких материалов при возможности их
раскачивания, падения или рассыпания и т.д.).
Преимущества плавного пуска
Применение устройств плавного пуска позволяет уменьшить пусковые
токи, снизить вероятность перегрева двигателя, повысить срок службы
двигателя, устранить рывки в механической части привода в момент пуска и
останова двигателей.
Наряду с эффектом от плавного пуска, устройства плавного пуска
позволяют снизить активную потребляемую мощность, существенно снизить
реактивную мощность, защитить двигатель, снизить шум, нагрев и вибрацию
электродвигателя.
Появление устройств плавного пуска на основе фазового метода
регулирования и их совершенствование все чаще приводит потребителя к
выбору такого устройства именно тогда, когда нет острой необходимости
регулирования скорости вращения электропривода или есть возможность
решить эту проблему количеством параллельно включаемых механизмов и
повторно-кратко временным режимом их работы.
Преимущества устройств плавного пуска на основе фазового метода, в
сравнении с частотными преобразователями, когда не нужно регулирование
скорости, также очевидны: значительно меньшие стоимость и потери от
прямого падения напряжения на силовых элементах, простота схемы
подключения и, как следствие, большая надежность, наличие гармонических
составляющих только во время пуска, хотя при частых пусках оказывается
необходимым применение силовых противопомеховых фильтров.
При этом качество плавного пуска при фазовом методе почти не отличается
от частотного пуска.
Пуск Звезда – Треугольник
Если асинхронный двигатель Вашего насоса (или другого механизма)
запускается в режиме "Звезда - треугольник", то:
-на первом этапе пуска обмотки двигателя, ротор которого еще неподвижен,
коммутируются на питающую сеть таким образом, чтобы получить
конфигурацию "Звезда";
-затем, через временной интервал, автоматически производится
переключение обмоток в конфигурацию "треугольник".
Это наиболее часто применяемый способ снижения пусковых токов. При
пуске в положении «звезда», у двигателя, специально используемого для
таких пусков, ток на треть ниже, чем при пуске путем прямого включения
общепромышленного двигателя. Такой метод относительно дешев, прост и
надежен.
Для механизмов с небольшим моментом инерции, например погружных
насосов, пуск по методу «звезда-треугольник» не очень эффективен либо
даже неэкономичен. Дело в том, что диаметр погружных насосов и их
приводных электродвигателей невелик. Поэтому масса рабочего колеса
насоса мала, вследствие чего мал и момент инерции. В результате
погружным насосам для разгона от 0 до номинальной скорости об/мин.
требуется не более пары десятков периодов напряжения сети. Это означает
также, что насос при отключении конфигурации "звезда" и перед переходом
к "треугольнику" (переключении тока) очень быстро, практически сразу же,
останавливается.
Сравнение пусковых токов, возникающих при прямом включении и при
включении по методу «звезда-треугольник», на первом этапе показывает
заметное уменьшение величины тока. При переключении со "звезды" на
"треугольник" механизм быстро останавливается, ЭДС вращения исчезает и
во второй раз должен запускаться напрямую.
Из диаграммы на рисунке видно,
что на втором этапе значительного
сокращения амплитуды пускового
тока уже не происходит.
Уменьшается лишь длительность
этой перегрузки.
Несколько иначе складывается
ситуация у центробежных насосов,
имеющих больший диаметр и
большую массу и обладающих
соответственно более
продолжительным моментом
инерции. У электродвигателей
мощностью свыше 45 кВт можно,
как правило, достигнуть
значительного снижения второго
пика тока. Следует отметить, что слишком долгая эксплуатация
электродвигателя в режиме звезды приводит к его перегреву и,
следовательно, сокращает срок службы.
Установки, содержащие погружные насосы с электродвигателями,
включаемыми по этому методу, часто бывают дороже, чем с
общепромышленными, поскольку для электродвигателя требуется два
соединительных кабеля (вместо обычно необходимого одного).
Плавный пуск электродвигателя.
Устройство для плавного пуска электродвигателя представляет собой
электронный прибор, снижающий напряжение и соответственно пусковой
ток путем фазового управления. Электронный прибор содержит
регулировочный блок, где настраиваются различные эксплуатационные и
защитные параметры, и силовой блок с встречно-параллельно включенными
тиристорами. С его помощью пусковой ток ограничивают, как правило,
величиной, в 2–3 раза превышающей номинальный ток. Наличие
значительного момента инерции в процессе пуска может привести к
увеличению теплообразования в электродвигателе и, тем самым, к снижению
его срока службы.
Поэтому рекомендуется заменять схемы пуска "звезда-треугольник" на
плавные электронные пускатели.
Тем более, что технически эта задача не представляет никакой сложности и
асинхронный двигатель менять не нужно! Как соединить? Самый простой
случай см. здесь... При проведении такой замены, рекомендуется соблюдать
приведенные здесь времена ускорения/ замедления для плавного пуска. В
том случае, если требуется особенно высокий пусковой момент, пусковое
напряжение можно повысить на 50%. Однако при нормальных условиях
эксплуатации для электродвигателей, которыми оснащают насосы ведущие
фирмы, этого не требуется.
При плавном пуске электродвигателя, тиристорный силовой блок
обеспечивает подачу тока несинусоидальной формы и создает высшие
гармоники. В связи с очень коротким временем ускорения/торможения с
практической точки зрения (и в нормах, касающихся высших гармоник) это
не имеет продолжительного отрицательного влияния на питающую сеть.
Однако может вносить помехи в работу контроллеров. Для исключения
влияния помех желательна установка противопомеховых фильтров на
входе устройства плавного пуска.
Как показано, устройство плавного пуска рекомендуется устанавливать
вместе с обходным контактором, чтобы электродвигатель в процессе
эксплуатации работал в режиме прямого присоединения к питающей сети.
Тем самым обеспечивается минимальный износ и потеря мощности в
устройстве для плавного пуска.
ПУСК ОДНОФАЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ. Эксперимент
Насколько применение однофазного устройства плавного пуска уменьшает
пусковой ток однофазного двигателя? Для того, чтобы это проверить, нужно
было собрать экспериментальную схему. Поскольку однофазного
асинхронного двигателя под руками не оказалось, решили использовать
однофазное подключение трехфазного с конденсатором. Схему такого
подключения и расчет необходимой ёмкости можно найти на странице:
"Конденсаторы для электродвигателей". Двигатель использовали АИР80А4
номинальной мощностью 1.1 кВт, с номинальным током
"звезда/треугольник" =2.8 / 4.85 А, 1500 об/мин синхр., cos φ =0,77. Сигналы
тока и напряжения записывались на осциллограф HAMEG1507-3,
напряжение через делитель 1:10, ток – с шунта с Rш = 0.1 Ом, сам софт-
стартер типа AC SST210, время пуска -5 сек.
Осциллограмма 1. Прямой пуск однофазного асинхронника на холостом ходу
Как можно заметить, амплитуда пускового
тока достигала значения около 17.0 Ампер,
амплитуда же установившегося тока
холостого хода не превышает 2.0 А
(Полноразмерное фото процесса пуска)
Осциллограмма 2. Плавный пуск однофазной асинхронной машины на холостом ходу
Амплитуда пускового тока не превышала
6.5 Ампер при установившемся значении на
холостом ходу не более 2.0 А. Достигаемое
уменьшение пускового тока составляет 2.6
раза (Полноразмерная фотография
переходного процесса пуска)
Осциллограмма 1. Прямой пуск однофазного асинхронника на холостом ходу
Осциллограмма 2. Плавный пуск однофазной асинхронной машины на холостом ходу
Сравнение двух результатов позволяет подтвердить очевидный и заранее
известный вывод – применение устройства плавного пуска (в нашем случае
это AC SST210) позволяет снизить ударные токи, возникающие при пуске
однофазного асинхронного двигателя в несколько раз.
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.
Рис.1. Семейство характеристик зависимости момента на валу и
потребляемого тока от частоты вращения при разных допустимых
значениях напряжения питания относительно номинального.
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 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).
Рис.2 Рис.3. Симисторы Рис.4. Симисторы в
Симистор в одной фазе. в двух фазах. трёх фазах.