Как работает устройство плавного пуска электродвигателя

Устройства плавного пуска (УТП) – электротехнические приборы, которые задействуются в асинхронных электродвигателях для удержания параметров тока и напряжения в безопасных пределах во время запуска. Их использование позволяет уменьшить пусковые токи, минимизировать вероятность перегрева моторов, устранить рывки в механических приводах и увеличить эксплуатационный ресурс силовых агрегатов.

Назначение

Приборы применяются для управления процессами пуска, работы и остановки асинхронных электромоторов. К основным проблемам таких двигателей можно отнести:

  • невозможность согласования крутящего момента с точкой нагрузки;
  • высокие значения пускового тока.

В процессе включения крутящий момент за минимальный временной отрезок достигает 150–200 %, что может привести к поломке кинематической цепи привода. Параметры стартового тока превышают значения номинального в 6–8 раз, а это нарушает стабильность питания. Устройство плавного пуска пресекает появление подобных проблем, обеспечивая более медленный разгон и торможение мотора. УТП уменьшает пусковые токи, убирает рывки в механической части привода или гидравлические удары в трубах и задвижках в момент включения или остановки силового агрегата.

Принцип действия

Основная проблема работы асинхронных электромоторов заключается в том, что развиваемый ими момент силы пропорционален квадрату подводимого напряжения. Это провоцирует резкие рывки роторов в процессе запуска и остановки двигателей, вызывает большой индукционный ток.

Устройства плавного пуска или софтстартеры, решающие подобные проблемы, могут быть механическими, электрическими или сочетать то и другое. Механические модели прямо противодействуют резкому увеличению оборотов, ограничивая крутящий момент. Производятся в виде магнитных блокираторов, тормозных колодок, жидкостных муфт, противовесов с дробью и т. д.

Механические приборы позволяют постепенно увеличивать ток или напряжение от низкого начального уровня до максимального. Это обеспечивает плавный запуск и разгон моторов до рабочих оборотов. В устройствах заложены амплитудные методы управления, поэтому они справляются с пуском двигателей на холостых или слабых режимах работы.

Более современные приборы, например устройства «ЭнерджиСейвер», задействуют фазовые параметры управления. Они способны работать с силовыми агрегатами, которые отличаются тяжелыми пусковыми режимами «номинал в номинал». Могут выполнять запуски чаще, отличаются наличием встроенных опций энергосбережения и коррекции коэффициента мощности.

Польза устройств плавного пуска

Во время включения в асинхронных двигателях возникает краткосрочный ток короткого замыкания, сила которого уменьшается до номинального значения в процессе набора оборотов. Явление осложняется тем, что в момент разгона мотора скачкообразно возрастает и крутящий момент на валу. На это могут среагировать защитные выключатели. При их отсутствии увеличивается вероятность поломки других электротехнических устройств, подсоединенных к одной линии. Если аварии не произошло, негатив от подобных явлений проявляется в виде увеличенного расхода электричества. Для пресечения неполадок и повышенного расхода электроэнергии как раз и используются УТП.

Как реализуется плавный пуск

Плавное включение мотора и пресечение броска тока обеспечивается двумя способами:

  1. Ограничение тока в обмотке ротора – используются три катушки, соединенные между собой по схеме «звезда». Свободные концы выводят на контактные кольца (коллекторы), закрепленные на хвостовике вала. К коллектору подсоединяют реостат с максимальным сопротивлением в момент запуска. По мере его снижения ток ротора возрастает, и мотор раскручивается. Такие силовые агрегаты называются двигателями с фазным ротором. Их устанавливают в строительные краны, используют в качестве тяговых электромоторов в трамваях и троллейбусах.
  2. Уменьшение тока и напряжения, подаваемых на статор – методика реализуется с помощью реостата или автотрансформатора, а также посредством ключевых схем на базе симисторов и тиристоров. Именно они являются основой электротехнического оборудования, которое принято называть устройствами плавного пуска.

Постепенно запускать двигатели также можно с помощью частотных преобразователей. Но такие приборы только компенсируют резкий рост крутящего момента, не снижая параметров пускового тока.

Принцип функционирования ключевых схем основан на отпирании тиристоров на определенный период в момент прохождения синусоидой ноля. Как правило, это происходит в той части фазы, когда напряжение увеличивается, а иногда при его падении. В итоге на выходе УТП фиксируется пульсирующее напряжение, форма которого только частично походит на синусоиду. Амплитуда этой кривой увеличивается с возрастанием временного интервала, когда тиристор отперт.

Параметры подбора софтстартера

Критерии выбора по значимости расположены в нижеприведенном порядке.

Мощность

Сила тока, на которые рассчитаны тиристоры, – основной параметр подбора УТП. Показатель должен в несколько раз превышать значение силы тока, который проходит через обмотку двигателя, достигнувшего номинальных оборотов. Кратность зависит от тяжести запуска. При легком пуске, характерном для насосов, вентиляторов и металлорежущих станков, пусковой ток в 3 раза выше номинального. Тяжелый запуск фиксируется в приводах с высоким моментом инерции. Характерен для прессов, пилорам, вертикальных конвейеров. Ток в таком оборудовании превышает номинальный в 5 раз. В поршневых насосах, ленточных пилах и центрифугах предусмотрен особо тяжелый пуск. В таких установках ток выше номинального в 8–10 раз.

От тяжести пуска зависит и время его завершения. Он продолжается от 10 до 40 секунд. В течение этого периода тиристоры сильно нагреваются, поскольку рассеивают часть электромощности. Для повторения процесса оборудование должно остыть, на что уходит время, равное рабочему циклу. Поэтому, если технологический процесс предполагает частые включения и выключения, необходимо выбирать софтстартер как для тяжелого запуска. Такой вариант оптимален, даже если двигатель не нагружен и легко набирает обороты.

Число фаз

Управление может осуществляться посредством одной, двух или трех фаз. В первом случае прибор больше смягчает увеличение пускового момента, чем тока. Самыми распространенными являются двухфазные модели. Для тяжелого и особо тяжелого пуска предназначены трехфазные приборы.

Обратная связь

Устройства плавного пуска могут работать по установленной программе, т. е. увеличивать напряжение до номинала за указанный временной отрезок. Это самый простой вариант, поскольку при наличии обратной связи процесс управления становится более гибким. Параметрами для нее выступает сравнение вращающего момента и напряжения, а также фазный сдвиг между токами статора и ротора.

Функциональность

Возможность работы на разгон или торможение, что обеспечивается наличием дополнительного контактора. Он шунтирует ключевую схему и позволяет ей остывать. Убирает несимметричность фаз из-за нарушения формы синусоиды, что приводит к перегреву обмоток.

Метод управления

Посредством вращения потенциометров на панели реализуется аналоговый способ управления. С помощью микроконтроллера – цифровой.

Дополнительные опции

К ним относятся все виды защиты, режим экономии электричества, запуск с рывка, функционирование на пониженной скорости (псевдочастотное регулирование).

Правильно подобранное устройство увеличивает рабочий ресурс электромотора вдвое, экономит до 30 % электричества.

Для чего нужен софтстартер?

Устройства плавного пуска все чаще применяются при запуске электроприводов насосов и вентиляторов. С чем это связано, расскажем дальше.

Асинхронные двигатели используются в промышленности и других сферах более 100 лет. За этот период принцип их функционирования мало чем изменился. Включение силовых агрегатов и связанные с этим проблемы хорошо известны. Пусковые токи способствуют просадкам напряжения и перегрузкам проводки, из-за чего некоторая электроника произвольно отключается, в оборудовании возникают сбои. Покупка и установка УТП позволяет избежать лишних расходов и проблем, связанных с нарушением работы установок.

Что такое пусковой ток?

Принцип действия асинхронных двигателей основан на электромагнитной индукции. Возрастание обратной электродвижущей силы, которая возникает из-за меняющегося магнитного поля в процессе запуска силового агрегата, приводит к переходным процессам в электросистеме. Такой режим может негативно повлиять на контур питания и другие устройства, которые подключены к мотору.

В процессе запуска двигатель разгоняется на полную скорость. Длительность переходных режимов зависит от конструкции мотора и параметров нагрузки. Пусковой момент должен быть наибольшим, а токи – минимальными. Последние негативно влияют на силовой агрегат, систему электроснабжения и подключенное оборудование.

На начальном этапе пусковой ток может достигать 5-, 8-кратного значения тока полной нагрузки. В процессе запуска мотора кабели пропускают больший ток, чем в стабильном состоянии. Напряжение в системе падает намного сильнее, чем в процессе обычной работы, что становится очевидным при включении мощного двигателя или нескольких силовых агрегатов одновременно.

Способы защиты электрических двигателей

Учитывая широкое использование асинхронных электромоторов, преодоление проблем запуска стало иметь особое значение. Для их решения было разработано несколько способов, каждый из которых имеет достоинства и недостатки.

В последнее время для регулирования электроэнергии в моторах используется электроника. В частности, устройство плавного пуска, которое задействуется при запуске приводов вентиляторов и насосов. Особенность прибора — в плавной подаче напряжения на обмотки от нуля до номинального значения, что позволяет двигателю постепенно разгоняться до максимальной скорости. Развиваемый силовым агрегатом механический момент пропорционален квадрату поданного к нему напряжения.

При запуске устройство постепенно увеличивает напряжение, и двигатель разгоняется до максимальной скорости без большого момента и сильных скачков тока.

Разновидности УТП

В настоящее время применяются три вида УТП: с одним, двумя и всеми управляемыми фазами. Первый тип подходит для однофазных моторов. Обеспечивает надежную защиту от перегрузок и перегрева, снижает воздействие электромагнитных помех.

Схема второго типа УТП, кроме полупроводниковой платы, включает байпасный контактор. После разгона мотора до номинальной скорости компонент срабатывает, обеспечивая прямую подачу напряжения на силовой агрегат.

Трехфазные устройства самые продуктивные и технически совершенные. Обеспечивают ограничение тока и мощности магнитного поля без перекосов по фазам.

Для чего нужны УТП?

Устройства плавного пуска пользуются популярностью на современном рынке бытовой и промышленной техники за счет невысокой стоимости. Они продлевают эксплуатационный ресурс асинхронных силовых агрегатов, обеспечивают пуск с плавным ускорением, без рывков.

Существует хорошая альтернатива УТП, более дорогая по цене, но имеющая расширенные функциональные возможности. Речь идет о преобразователях частоты. Приборы подходят в случаях, когда нужна регулировка скорости и автоматизация работы оборудования через обратную связь с помощью датчика. Используя преобразователи, можно решать более сложные задачи и разносторонние вопросы в сфере автоматизации электроприводов.

Статьи