Как работает устройство плавного пуска асинхронного двигателя

Асинхронные электрические машины с короткозамкнутым ротором имеют достаточно низкую стоимость, оптимальное соотношение “мощность-масса”. Их также отличает простота обслуживания и ремонта, надежность. Один из основных недостатков двигателей этой конструкции – увеличение тока в 5-10 раз при включении. При этом величина напряжения в сети уменьшается. Для устранения нежелательных явлений применяют различное оборудование, в том числе устройства плавного пуска электродвигателя.

Что такое устройство плавного пуска асинхронного двигателя

Устройство плавного пуска асинхронного двигателя — это электронный аппарат, который ограничивает пусковой ток и обеспечивает постепенный разгон электродвигателя без резких рывков. В технической документации такое оборудование также называют УПП, soft starter или софтстартером.

УПП для асинхронного двигателя регулирует напряжение, подаваемое на обмотки статора в момент запуска. За счет этого электродвигатель выходит на рабочую скорость плавно, без ударной нагрузки на сеть, муфты, ременные передачи, редукторы и подключенное технологическое оборудование. После завершения разгона большинство моделей переводят ток через байпасный контактор, чтобы снизить нагрев силовых элементов и уменьшить потери энергии.

Необходимость плавного запуска

При плавном включении асинхронного двигателя возможно снизить недостатки таких электрических машин и обеспечить:

• Снижение затрат на ремонт. Пусковые токи вызывают перегрев обмотки, что существенно снижает эксплуатационный ресурс машин.
• Отсутствие рывков. Резкий старт двигателя приводит к увеличению износа шестеренчатых передаточных механизмов, гидроударам в сети подачи жидкости, другим нежелательным последствиям.
• Снижение потребляемой электроэнергии. Прямое включение вызывает дополнительные энергозатраты. Кроме того, просадки напряжения в условиях ограниченной мощности сети отрицательно влияют на все подключенные приборы.
• Уменьшение расходов на оборудование коммутации. Электротехнические устройства для асинхронного привода выбирают с большим запасом мощности. Плавный пуск позволяет подключать более дешевые аппараты коммутации и защиты.

Плавный старт и разгон существенно расширяет сферы применения асинхронных электродвигателей.

Способы пуска асинхронных электродвигателей

Для запуска асинхронных двигателей используется разные методы. На практике наибольшее распространение получили следующие способы:

• Изменение конструкции электродвигателей (роторы с глубокими пазами, типа “двойная беличья клетка”).
• Прямой пуск.
• Включение на пониженном напряжении.
• Частотный пуск.

Двигатели специальной конструкции существенно дороже обычных электрических машин, что сильно ограничивает их применение.

Прямое включение

Самая простая схема пуска асинхронных электрических машин с короткозамкнутым ротором – непосредственное подключение к сети. Подача напряжения на статорные обмотки осуществляется замыканием силовых контактов магнитного включателя или контактора.

При прямом включенииэлектрической машины момент силы на валу значительно меньше номинального. Кроме того, запуск на полном напряжении вызывает броски тока и снижение напряжения. Данный способ применяется применяется:

• При низкой мощности электрической машины.
• Для технологического оборудования, не нуждающегося в плавном разгоне.
• Для механизмов с запуском без нагрузки.

Такой способ непригоден для приводов инерционного оборудования, устройств нетребовательных к величине пускового момента, при ограниченной мощности электросети.

Пуск на пониженном напряжении

Включение асинхронных электрических машин на сниженном напряжении реализуется при помощи нескольких схем:

• Переключением обмоток статора “звезда-треугольник”.
• Подключением через трансформатор.
• Включением в цепь обмоток статора пусковых резисторов или реакторов.

Принцип действия первой схемы основан на подключении обмоток “звездой”. После разгона двигателя коммутационные аппараты переключают их на “треугольник”. Этим достигается 3-х кратное снижение пускового тока.

При этом пусковой момент на валу также снижается более чем на 30%. Кроме того, преждевременное переключение также вызывает скачки тока до величин, возникающих при прямом старте. Такой способ также непригоден для инерционного оборудования и установок, запускаемых под нагрузкой.

Для устранения недостатков электродвигателей с короткозамкнутым ротором также применяют автотрансформаторные схемы пуска.

При этом устройство для преобразования напряжения включают последовательно в цепь обмоток электрической машины. Эта схема обеспечивает плавный разгон и уменьшение пускового тока. Через автотрансформаторы подключают приводы мощных установок и оборудования со значительным моментом сопротивления.

Высокая стоимость элементов схемы, скачок тока при переходе на полное напряжение ограничивают ее применение.

Широко применяются также реакторные и резистивные схемы пуска. Для снижения напряжения к обмоткам последовательно подключают резисторы или катушки, обладающие реактивным сопротивлением. Включение осуществляется при включении в цепь последовательно включенных элементов с активным или индуктивным сопротивлением.

При разгоне двигателей реакторы и пусковые сопротивления постепенно шунтируются и выключаются из цепи. Недостатком этого метода является высокая стоимость оборудования, значительно сниженный пусковой момент.

Частотный пуск

Такой способ старта и разгона основан на зависимости момента и скорости вращения вала электродвигателя от частоты питающего напряжения на обмотках. Для изменения этой характеристики применяют частотные преобразователи. Запуск через ПЧ решает все проблемы старта и разгона асинхронного электродвигателя. Однако, эти устройства имеют высокую цену, большие габариты, а также являются источником высших гармоник.

УПП или частотный преобразователь: что выбрать

Устройство плавного пуска и частотный преобразователь решают разные задачи. УПП применяется, когда нужно ограничить пусковой ток, снизить механические удары и обеспечить мягкий старт или остановку двигателя. Частотный преобразователь выбирают, если требуется регулировать скорость вращения вала в процессе работы.

Если электродвигатель после запуска работает на постоянной скорости, чаще достаточно софтстартера. Если же технологический процесс требует изменения производительности, давления, расхода воздуха или скорости движения механизма, лучше использовать частотный преобразователь.

Устройства плавного пуска

Устройство плавного пуска, УПП или софт-стартеры – электротехническое оборудование для обеспечения старта и разгона двигателя и согласования пускового момента на валу с нагрузкой. Схема УПП построена на базе силовых тиристоров или симмисторов. Софтстартер представляет собой безтрансформаторный бесступенчатый преобразователь напряжения. Оборудование применяют:

• Для включения мощных асинхронных электродвигателей в сеть малой мощности.
• Для плавного старта, разгона и остановки электрических машин.
• При необходимости включения двигателя под нагрузкой.
• Для снижения пусковых токов.

УПП позволяют отказаться от дорогих и несовершенных схем запуска электродвигателей, а также значительно расширить сферы применения недорогих и функциональных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором. Они используется в приводе технологического оборудования:

• Легкого старта. Пусковые токи при таких условиях не превышают трехкратного номинального значения.
• Тяжелого старта. При старте электродвигателя ток возрастает в 4-5 раз, переходные процессы в цепях длятся более 30 секунд.
• Особо тяжелого старта. При этом пусковой ток превышает номинальный в 7-10 раз. Переходной процесс занимает значительное время.

Устройства плавного пуска электродвигателя имеют относительно низкую стоимость, небольшие габариты и массу в сравнении с преобразователями частоты.

Принцип работы УПП

Силовая часть оборудования состоит из силовых тиристоров, включенных встречно-параллельно и обходных контакторов. Изменение напряжения достигается регулировкой проводимости полупроводниковых устройств путем подачи отпирающих импульсов на управляющие контакты.

В состав УПП также входит:

• Генератор управляющих импульсов. Этот блок вырабатывает сигналы, изменяющие угол проводимости полупроводниковых устройств при пуске и остановки электродвигателя.
• Управляющее устройство на базе контроллера или микропроцессора. Его основные функции – подача команд на генератор импульсов, обеспечение связи с другим оборудованием, прием сигналов от датчиков, обеспечение защитного отключения электрической машины при аварийных и ненормальных режимах работы.

Старт электрической машины осуществляется на напряжении, составляющем 30-60% от номинального. При этом происходит плавное зацепление шестеренок передаточного механизма, постепенное натяжение ремней привода. Далее управляющий блок постепенно увеличивает проводимость тиристоров до полного разгона электродвигателя. При достижении номинальной частоты вращения вала, замыкаются контакты шунтирующих коммутационных устройств. Ток начинает течь в обход тиристоров. Это необходимо для снижения нагрева полупроводниковых устройств, увеличения срока службы УПП, снижения энергопотребления.

При остановке электродвигателя, контактор включает в цепь тиристоры. С генератора импульсов поступают сигналы, плавно уменьшающие проводимость тиристоров до остановки электрической машины.

Типовая схема подключения устройства плавного пуска электродвигателя

Схема устройства плавного пуска электродвигателя зависит от мощности привода, типа нагрузки и требований к защите, но общий принцип подключения остается одинаковым. УПП устанавливается в силовую цепь между аппаратом защиты и асинхронным электродвигателем.

В типовую схему входят:

• автоматический выключатель или предохранители для защиты силовой цепи;
• контактор или вводной коммутационный аппарат;
• устройство плавного пуска электродвигателя;
• асинхронный двигатель;
• байпасный контактор, если он не встроен в корпус УПП;
• цепи управления, сигнализации и аварийного отключения.

При запуске напряжение сначала проходит через силовые тиристоры УПП. Контроллер постепенно увеличивает угол открытия тиристоров, поэтому двигатель разгоняется без резкого броска тока. После выхода на номинальную скорость включается байпасный контактор, и ток идет в обход силовой электронной части. При остановке УПП снова подключает тиристоры и плавно снижает напряжение до полной остановки двигателя.

Важно учитывать, что УПП не заменяет полноценную защиту от короткого замыкания. В схеме должны быть предусмотрены автоматические выключатели, предохранители, тепловая или электронная защита, а также корректное заземление оборудования.

Виды УПП

По способу регулировки напряжения различают одно-, двух-, трехфазные устройства:

• Устройство плавного пуска с регулировкой напряжения по одной фазе. Применяются в электроприводе оборудования мощностью 11 кВт. Такие УПП обеспечивают снижение динамических ударов и отсутствие рывков при старте привода. Недостатками софтстартера такого типа являются несимметричная нагрузка при старте, большие пусковые токи.

  

• Двухфазные УПП. Применяются в приводах мощностью до 250 кВт для снижения динамических нагрузок при старте. Обеспечивают некоторое снижение пусковых токов, нагрева двигателя. Используется в оборудовании со среднетяжелыми условиями пуска при отсутствии жестких требований к ограничению тока.

  

• Трехфазные софт-стартеры. УПП такого типа снижают пусковые токи до 3-х кратного значения от номинала, позволяют осуществлять плавную остановку, обеспечивают аварийное отключение привода. Регулировка напряжения осуществляется по всем трем фазам, что исключает появление асимметрии. Номинальная мощность привода ограничена только характеристиками полупроводниковых силовых элементов. Такие УПП используют в приводе с особо тяжелыми условиями пуска, с частым включениями и остановками.

  

Основные и дополнительные функции УПП

Современные софт-стартеры – многофункциональные электротехнические устройства. Основное их предназначение – снижение пусковых токов и смягчение динамических ударов при старте двигателя. Кроме того, УПП обеспечивают:

• Старт с номинальным моментом. При этом при старте на электродвигатель подается максимальное напряжение, после чего включаются тиристоры. Разгон до номинальной частоты осуществляется плавно. Софт-стартеры такой конструкции применяют для механизмов со значительной пусковой нагрузкой.
• Динамическое торможение. УПП с данной функцией обеспечивают остановку привода без выбега. Их устанавливают в приводе инерционного технологического оборудования: тяговых вентиляторов, подъемниках и т.д.
• Старт в функции тока и напряжения. УПП такой конструкции позволяют задавать предельное значение пускового тока. Устройства применяются при низкой мощности сети, а также в приводе оборудования с низким стартовым моментом.
• Защиту электродвигателя. Софт-стартеры обеспечивают остановку привода при обрыве фаз, перегрузках, превышении времени разгона, а также при возникновении других аномальных и аварийных режимов. УПП не имеют защиты от коротких замыканий и включаются через предохранители или автоматы.
• Интеграцию в САР и системы телемеханики. Софт-стартеры с процессорными блоками управления и устройствами поддержки протоколов связи с удаленным оборудованием контроля легко встраиваются в многоуровневые системы автоматизации технических процессов.
• Регулировку частоты вращения вала. УПП с такой функцией не заменяют частотные преобразователи. Такой режим допустим при непродолжительной настройке оборудования.

Выбор функционала софт-стартера зависит от требований к электроприводу и осуществляется на основании технико-экономической целесообразности.

Как выбрать УПП для асинхронного двигателя

Выбор устройства плавного пуска электродвигателя выполняют не только по мощности двигателя. Важно учитывать номинальный ток, тип нагрузки, частоту запусков, длительность разгона и условия эксплуатации.

При подборе УПП проверяют:

• номинальное напряжение сети: 220, 380, 400, 500 или 690 В;
• мощность и номинальный ток асинхронного двигателя;
• характер нагрузки: легкий, тяжелый или особо тяжелый пуск;
• количество пусков в час;
• требуемое время разгона и остановки;
• наличие встроенного или внешнего байпаса;
• необходимость защиты от перегрузки, обрыва фазы, перекоса фаз и перегрева;
• условия монтажа: температура, влажность, запыленность, степень защиты корпуса;
• способ управления: локальный, дистанционный, через контроллер или систему автоматизации.

Неправильно выбранный софтстартер может отключаться по перегрузке, перегреваться или не обеспечивать нужный пусковой момент. Поэтому для тяжелых и инерционных механизмов УПП подбирают по рабочему току двигателя и фактическим условиям запуска, а не только по мощности, указанной на шильдике.

Преимущества УПП

В сравнении с другими схемами пуска асинхронных электродвигателей, УПП обеспечивает наибольшее снижение амплитуды пускового тока.

Кроме того, такие устройства обладают следующими преимуществами:

• Продление срока службы двигателя и технологического оборудования. УПП снижает нагрев обмоток, контактов, а также исключает динамические удары.
• Значительное снижение затрат на аппаратную часть электропривода. Установка софт-стартеров позволяет сэкономить на схемах защиты, устанавливать менее мощные коммутирующие устройства.
• Снижение нагрузки на электросеть. УПП снижают броски тока и предотвращают падение напряжения в электросетях. Это особенно актуально при ограниченной мощности трансформаторов и использовании автономных источников электропитания.
• Повышение безопасности производства. Плавный старт и разгон снижет травматизм при поломках оборудования, связанных с рывками при старте, вероятность гидравлических ударов, других аварийных ситуаций.
• Уменьшение наводимых помех при старте. Софт-стартеры снижают интенсивность магнитного поля при включении электродвигателя. УПП позволяют отказаться от фильтров для контрольных кабелей.
• Низкая стоимость. Устройства плавного пуска стоят в несколько раз дешевле преобразователей частоты той же мощности. Софт-стартеры выгодно использовать при постоянной нагрузке оборудования в условиях, где ограничение пусковых токов и стартового момента являются основными требованиями.

УПП также заменяют механические тормоза и кинематические средства для остановки. Кроме того, софт-стартеры позволяют применять асинхронные двигатели с ротором типа “ беличья клетка” вместо дорогих электрических машин с улучшенными пусковыми характеристиками или фазным ротором.

Выбор схемы устройства плавного пуска электродвигателя осуществляется на основании анализа требований к оборудованию и характеристик электрической сети.

Где применяются устройства плавного пуска двигателя

Устройства плавного пуска двигателя применяют там, где прямой запуск создает слишком высокую нагрузку на электросеть, механическую передачу или рабочий орган оборудования. Особенно часто УПП устанавливают на приводах, которые запускаются под нагрузкой или имеют большой момент инерции.

На практике софтстартеры используют для:

• насосных станций и систем водоснабжения;
• вентиляторов, дымососов и воздуходувок;
• компрессоров;
• конвейеров и транспортерных линий;
• дробилок, мельниц и смесителей;
• центрифуг;
• подъемных механизмов;
• технологических линий с частыми пусками и остановками.

Для насосного оборудования УПП дополнительно снижает риск гидроудара. Для вентиляторов и дымососов уменьшает нагрузку на крыльчатку и подшипники. Для конвейеров помогает избежать рывка ленты, просыпания материала и ударной нагрузки на редуктор.

Частые вопросы об устройствах плавного пуска электродвигателей

Как работает устройство плавного пуска электродвигателя?

Устройство плавного пуска электродвигателя постепенно увеличивает напряжение на обмотках двигателя. За счет этого снижается пусковой ток, уменьшается механический рывок и двигатель выходит на рабочую скорость плавно. После разгона ток обычно переводится через байпасный контактор.

Чем софтстартер отличается от частотного преобразователя?

Софтстартер нужен в первую очередь для плавного запуска и остановки двигателя. Частотный преобразователь не только запускает двигатель, но и регулирует скорость вращения в процессе работы. Если двигатель работает на постоянной скорости, часто достаточно УПП. Если нужно менять обороты, требуется частотный преобразователь.

Можно ли использовать УПП для трехфазного электродвигателя?

Да, устройство плавного пуска трехфазного электродвигателя применяется для асинхронных двигателей в сетях 380/400 В и выше. Наиболее эффективны трехфазные УПП, которые регулируют напряжение по всем фазам и не создают выраженной асимметрии при запуске.

Нужна ли защита двигателя при установке УПП?

Да. УПП не заменяет все защитные аппараты. В схеме должны быть автоматический выключатель или предохранители, защита от перегрузки, защита от короткого замыкания, а также корректное заземление. Многие современные софтстартеры имеют встроенные функции диагностики, но силовую защиту все равно нужно предусматривать отдельно.

Когда лучше выбрать устройство плавного пуска двигателя?

УПП выбирают, когда нужно снизить пусковой ток, убрать рывок при запуске, уменьшить износ механики и защитить электросеть от просадок напряжения. Это актуально для насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, дробилок и другого оборудования с асинхронным приводом.