Система плавного пуска. Устройства плавного пуска: принцип работы, преимущества и применение

Что такое устройство плавного пуска. Как работает система плавного пуска двигателя. Каковы основные преимущества использования УПП. Для каких типов оборудования рекомендуется применять плавный пуск. Какие существуют виды устройств плавного пуска.

Что такое устройство плавного пуска и зачем оно нужно

Устройство плавного пуска (УПП) — это электронное устройство, предназначенное для плавного запуска и остановки электродвигателей. Основная задача УПП — снизить пусковые токи и механические нагрузки на двигатель и приводимый им механизм в момент пуска.

При прямом пуске асинхронного двигателя возникают следующие проблемы:

• Пусковой ток в 5-7 раз превышает номинальный
• Возникают большие механические нагрузки на вал и подшипники
• Происходят просадки напряжения в сети
• Возможны гидроудары в насосных системах

Устройство плавного пуска решает эти проблемы, обеспечивая постепенное нарастание напряжения и тока при запуске двигателя. Это позволяет избежать ударных нагрузок и плавно разогнать механизм.

Принцип работы устройства плавного пуска

Основной принцип работы УПП заключается в управлении подачей напряжения на обмотки двигателя с помощью силовых полупроводниковых элементов — тиристоров. Рассмотрим подробнее, как это происходит:

1. В момент пуска на управляющие электроды тиристоров подаются импульсы с задержкой относительно перехода синусоиды напряжения через ноль.
2. Это приводит к тому, что тиристоры открываются не сразу, а с некоторой задержкой в каждом полупериоде.
3. В результате на двигатель подается не полное напряжение, а его часть.
4. Постепенно задержка открытия тиристоров уменьшается, и напряжение на двигателе плавно нарастает до номинального.
5. Это обеспечивает плавное увеличение тока и момента двигателя.

Таким образом, устройство плавного пуска позволяет управлять процессом разгона двигателя, ограничивая пусковые токи и механические нагрузки.

Основные компоненты устройства плавного пуска

Типовое устройство плавного пуска состоит из следующих основных компонентов:

• Силовая часть — тиристорные ключи (по два встречно-параллельных тиристора на каждую фазу)
• Система управления — микропроцессор или микроконтроллер
• Датчики тока и напряжения
• Панель управления с дисплеем и кнопками
• Интерфейсы для подключения к АСУ ТП

Современные УПП имеют широкие возможности настройки параметров пуска и останова, защитные функции, возможность удаленного управления и мониторинга.

Виды устройств плавного пуска

Существует несколько основных типов устройств плавного пуска:

1. По принципу регулирования

• С разомкнутым контуром — работают по заданной программе изменения напряжения
• С замкнутым контуром — контролируют ток двигателя и корректируют напряжение

2. По числу регулируемых фаз

• Однофазные — регулируют напряжение только в одной фазе
• Двухфазные — регулируют напряжение в двух фазах
• Трехфазные — регулируют напряжение во всех трех фазах

3. По наличию байпасного контактора

• Без байпаса — силовые тиристоры работают постоянно
• С байпасом — после выхода на режим двигатель подключается напрямую к сети

Выбор конкретного типа УПП зависит от требований к точности регулирования, мощности двигателя и особенностей применения.

Преимущества использования устройств плавного пуска

Применение устройств плавного пуска дает ряд важных преимуществ:

• Снижение пусковых токов в 2-3 раза по сравнению с прямым пуском
• Уменьшение механических нагрузок на двигатель и приводимый механизм
• Снижение просадок напряжения в сети при пуске мощных двигателей
• Плавное увеличение давления в гидравлических системах
• Продление срока службы двигателей и механического оборудования
• Экономия электроэнергии за счет оптимизации пусковых режимов
• Возможность реализации различных алгоритмов пуска и останова

Все это делает устройства плавного пуска эффективным инструментом повышения надежности и энергоэффективности электроприводов.

Области применения устройств плавного пуска

Устройства плавного пуска находят широкое применение в различных отраслях промышленности и инфраструктуры:

• Насосные станции водоснабжения и канализации
• Вентиляторы и дымососы
• Конвейеры и транспортеры
• Компрессоры
• Дробилки и мельницы
• Центрифуги
• Лифты и эскалаторы
• Станки и производственное оборудование

Особенно эффективно применение УПП для механизмов с большой инерционной нагрузкой, а также в системах с ограниченной мощностью питающей сети.

Сравнение устройств плавного пуска и частотных преобразователей

Часто возникает вопрос выбора между устройством плавного пуска и частотным преобразователем. Рассмотрим основные отличия:

Параметр	Устройство плавного пуска	Частотный преобразователь
Регулирование скорости	Нет	Есть
Энергосбережение	Только при пуске/останове	В течение всей работы
Стоимость	Ниже	Выше
Сложность настройки	Проще	Сложнее

УПП целесообразно применять, когда не требуется регулирование скорости в процессе работы, а нужно только обеспечить плавный пуск и останов.

Как выбрать устройство плавного пуска

При выборе устройства плавного пуска следует учитывать следующие факторы:

1. Мощность и тип электродвигателя
2. Характер нагрузки (вентиляторная, насосная, с постоянным моментом и т.д.)
3. Требуемое время разгона и торможения
4. Частота пусков
5. Условия эксплуатации (температура, влажность, запыленность)
6. Наличие специальных функций (защита, мониторинг, удаленное управление)

Правильный выбор УПП позволит обеспечить надежную и эффективную работу электропривода в конкретных условиях применения.

Устройство плавного пуска

Устройство плавного пуска серии А100 — современное бюджетное решение для вашего производства.

Устройство плавного пуска электродвигателя (УПП) серии А100 предназначено для программного управления режимами запуска и останова трехфазного электродвигателя с целью исключения механических ударов и больших пусковых токов, а также для защиты электродвигателя при аварийных ситуациях в процессе работы. В УПП серии А100 в качестве управляющего элемента используются микропроцессоры, параметры вводятся с клавиатуры, состояние работы и неисправности отображаются на 5-ти разрядном LED-дисплее.

Основные технические характеристики

Основные технические характеристики	Значение, диапазон
Номинальное входное напряжение:	3ф, 380В ± 15%
Номинальная частота входного напряжения:	50/60Гц
Номинальный ток (в зависимости от модели):	1. 8А – 1200А
Номинальная мощность (в зависимости от модели):	5.5кВт – 600кВт
Время разгона электродвигателя:	2с – 60с
Время останова электродвигателя:	0с (свободный выбег) – 60с
Ограничение пускового тока:	50% – 500%
Ограничение рабочего тока:	50% – 200%
Защита от пониженного напряжения:	40% – 99%
Защита от повышенного напряжения:	100% – 130%
Максимальное количество пусков в час:	до 60-ти
Количество режимов запуска двигателя:	7
Количество уровней защиты двигателя:	5
Количество режимов управления УПП:	8
Отображение информации:	5-ти разрядный LED
Возможность управления через RS-485:	Нет
Степень защиты УПП:	IP20
Тип охлаждения УПП:	Воздушное естественное
Диапазон рабочих температур:	– 10°С ÷ + 40°С
Диапазон температуры хранения:	– 20°С ÷ + 50°С

Основной функциональностью устройств плавного пуска (УПП) является обеспечить плавный пуск электродвигателей. УПП предотвращает образование высоких пиков тока в электросетях и убирает возникновение механических ударных нагрузок, которые возникают при пуске электрических двигателей в прямом, без плавного включения, режиме.

Главной особенностью использования асинхронных двигателей является отсутствие совпадения крутящего момента с нагрузкой при запуске электродвигателя и при его работе. В момент запуска крутящий момент увеличивается в полтора-два раза. Это становится причиной потери работоспособности кинематической цепи привода.

В случае подключения асинхронного двигателя в режиме прямого пуска, реальный ток потребляемый двигателем при разгоне выше номинального тока в несколько раз, приблизительно в 4-8 раз. Естественно это негативно отражается на работе всей системы электроснабжения, включая включенных в сеть различных потребителей электричества. Если же мощности двигателей большие, порядка десятков и сотней кВт, то отрицательное воздействие взлетов токов потребления при пусках оказывает разрушительное действие на сами электродвигатели, передаточные механизмы, на конечные исполнительные механизмы.

Как раз для предотвращения этих отрицательных моментов и предназначены УПП (Софтстартеры).

УПП убирают скачки пускового тока, которые формируют нагрузки в электродвигателе, приводящие к разрушению его обмоток, износу и поломкам передаточных механизмов электропривода, снижении качества выполняемых асинхронными электродвигателями технологических процессов.

Принцип работы устройства плавного пуска

Основной проблемой пуска асинхронных электродвигателей является пусковые токи. Это связано с тем, что момент силы, который развивает электродвигатель пропорционален квадрату напряжения приложенного к нему. Так как ротор является механическим устройством с весом в 25-30% от общего веса электродвигателя, то для того чтобы дать первичный импульс требуется обеспечить большой момент силы.

При пуске электродвигателя в низко или средне нагруженной системе пусковые токи в 5-7 раз превосходят номинальные. При ограниченной мощности питающей сети повышение потребляемого тока приводит к существенному падению напряжения. В случае частых пусков или когда одновременно работает несколько электродвигателей это приводит к падению коэффициента мощности, т.е. появлению реактивной мощности.

На объектах с большой реактивной мощностью, помимо большого потребления электроэнергии устройствами присутствует повышенный износ оборудования в следствии его работы в анормальном режиме.

Резкий пуск двигателя может негативно сказывается на общей нагрузке на систему. Например, прямой пуск электродвигателя насоса большой мощности может приводить к повышенной нагрузке на трубопровод, а так же приводить к гидроударам. В конвейерах — к повреждению или сходу транспортируемой продукции.

Самое простое решение в борьбе с пусковыми токами это использование устройств плавного пуска.

Устройства плавного пуска бывают двух видов — механические и электрические.

Механические устройства плавного пуска представляют из себя различные устройства типа тормозных колодок, противовесов или различных блокираторов. Они применяются для механического ограничения момента двигателя.

Электрические устройства плавного пуска — это электрические приборы, которые путем модуляции входного напряжения электродвигателя позволяют производить его плавный разгон. При этом значения потребляемого тока и напряжения остаются в пределах номинальных значений.

Модуляция бывает амплитудной и фазовой. Фазовая модуляция является более совершенной технологией и используется в современных УПП, например, в Altistart 22.

Устройство плавного пуска устанавливается перед управляемым электродвигателем. При нажатии кнопки пуск на устройстве плавного пуска, оно с помощью тиристорных коммуникаторов (полупроводниковых сверхскоростных задвижек) начинает формировать выходное напряжения с модифицированной синусоидой, согласно заданной программы. Скорость вращения электродвигателя прямо пропорциональна частоте питающего напряжения, соответственно управляя частотой питающей сети можно управлять частотой оборотов асинхронного электродвигателя.

В связи с тем, что при управлении электродвигателями большой мощности силовым микросхемам УПП приходится иметь дело с большими токами, это приводит к их сильному нагреву и повышенному износу оборудования. В современных устройствах плавного пуска для решения этой проблемы используются байпассные схемы. Суть их заключается в том, что параллельно с силовыми микросхемами в устройствах плавного пуска устанавливаются обычный контактор. При пуске и останове устройство плавного пуска запитывает электродвигатель через микросхему при этом модулируя выходное напряжение, а при выводе на номинальные обороты отключает микросхемы и питание осуществляется через контактор. Тем самым существенно увеличивая их ресурс.  

Устройство плавного пуска 101: Как они работают?

Повреждение двигателя происходит в результате механического износа и больших пусковых токов. Как правило, частотно-регулируемые приводы (ЧРП) помогают предотвратить износ механических компонентов. ЧРП замедляют запуск и остановку трансмиссии. Устройство плавного пуска является жизнеспособным вариантом, если невозможно использовать ЧРП с двигателем. Устройство плавного пуска сводит к минимуму начальное воздействие, которое двигатель получает при запуске. Устройство плавного пуска смягчает это воздействие после прекращения работы.

Как работают устройства плавного пуска?

Применения с приводом от двигателя зависят от частотно-регулируемых приводов или устройств плавного пуска. Эти устройства предотвращают повреждение или значительную нагрузку на продукт, транспортируемый машиной. К типам оборудования, которое выигрывает от плавного пуска, относятся насосы, вентиляторы и конвейеры. Кроме того, в других приложениях, таких как движущиеся дорожки и эскалаторы, для экономии энергии используются устройства плавного пуска. Это оборудование останавливается и запускается автоматически, когда это необходимо.

Устройство плавного пуска увеличивает напряжение поэтапно, в зависимости от применения. Таким образом, двигатели не сразу получают полное напряжение. Отложенная сила избавляет их от повреждений с течением времени.

В отличие от преобразователя частоты (VSD), устройство плавного пуска не изменяет скорость двигателя. Существуют тиристоры, такие как кремниевые управляемые выпрямители (SCR) или схема твердотельных переключателей в устройствах плавного пуска. Эти компоненты позволяют напряжению увеличиваться медленнее и заставляют двигатель работать на полной скорости с различными интервалами.

Одна, две и три фазы

В трехфазных двигателях используются схемы SCR-SCR и SCR-диоды. SCR-SCR предлагает полноволновое управление. SCR-диод имеет тенденцию генерировать нежелательные гармоники и требует более высокого пускового тока. В однофазном блоке он не может уменьшить пусковой ток, хотя и управляет пусковым моментом. Эта проблема заключается в том, почему этот блок не подходит для приложений, которые работают с высокими инерционными нагрузками или частыми циклами. Что касается двухфазного агрегата, для защиты двигателя необходим автоматический выключатель или тепловое реле. Более того, этот блок не изолирует все фазы двигателя.

В отличие от одно- и двухфазных блоков, трехфазные блоки способны обеспечить полный и максимальный контроль. Таким образом, эти устройства обеспечивают наилучшее управление как крутящим моментом, так и током.

Работа с разомкнутым или замкнутым контуром

Устройство плавного пуска работает либо с разомкнутым, либо с замкнутым контуром. Конструкция с разомкнутым контуром не обеспечивает никакой обратной связи по току. Разомкнутый контур управляет пусковой фазой с предварительно выбранным профилем напряжения без защиты двигателя. С другой стороны, конструкция с замкнутым контуром обеспечивает токовые функции и защиту двигателя. Эта комбинация позволяет пользователям выбирать предпочтительный уровень пускового тока.

Профиль пускового напряжения в системах с разомкнутым контуром следует предварительно заданному линейному изменению независимо от скорости двигателя или потребляемого тока. Наиболее подходящая настройка обеспечивает пусковой момент электродвигателя при запуске. Хотя эти стартеры делают движение более плавным, они не способны создавать какой-либо определенный крутящий момент. В случае пускателя с замкнутым контуром он контролирует выход и автоматически регулирует входное напряжение для достижения целевого напряжения.

Другие устройства с замкнутым контуром регулируют напряжение только для поддержания постоянного ускорения. Существуют системы линейного изменения напряжения, которые контролируют входной ток на одной фазе. Следующим шагом является сравнение с заданным значением. Последний шаг включает в себя линейное изменение, когда генерируется большее количество тока.

Когда речь идет о машинах, требующих переменного начального крутящего момента, таких как грузовые конвейеры, рекомендуется использовать устройство плавного пуска с плавным пуском. Это устройство регулирует ток от начального значения до заданного предела в течение определенного промежутка времени.

По большей части приложения, использующие мощность 75 л.с. или более, выигрывают от плавного пуска. Некоторые из них включают станки для шлифовальных станков и оборудование для производства бумаги. Это оборудование должно достичь полной нагрузки в течение определенного периода, чтобы предотвратить повреждение определенного оборудования, расположенного в трансмиссии. Ограниченный уровень ускорения необходим, например, чтобы избежать чрезмерной нагрузки на зубья шестерни на нагретых цилиндрах сушилок для бумаги.

Зачем устанавливать устройства плавного пуска

Установка устройств плавного пуска, работающих с двигателями, дает несколько преимуществ. Главным преимуществом этих устройств является плавный пуск двигателя без сбоев и рывков. Этот метод пуска двигателя приводит к ступенчатому управлению пусковым током путем изменения начального напряжения.

Другими причинами установки устройства плавного пуска в двигатель являются повышение эффективности и контролируемое ускорение. Эти преимущества приводят к повышению производительности благодаря меньшему количеству поломок двигателей и незапланированных простоев.

Дэвид Мэнни — администратор по маркетингу в L&S Electric. Первоначально эта статья появилась в новом блоге L&S Electric Watts. L&S Electric является контент-партнером CFE Media.

Исходный контент можно найти на сайте lselectric.com.

Есть ли у вас опыт и знания по темам, упомянутым в этом содержании? Вам следует подумать о том, чтобы внести свой вклад в нашу редакционную команду CFE Media и получить признание, которого вы и ваша компания заслуживаете. Нажмите здесь, чтобы начать этот процесс.

Как работает плавный пуск?

Устройство плавного пуска — это любое устройство, которое регулирует ускорение электродвигателя посредством управления приложенным напряжением.

Асинхронный двигатель имеет возможность самозапуска благодаря взаимодействию между потоком вращающегося магнитного поля и потоком обмотки ротора, вызывая высокий ток ротора при увеличении крутящего момента. В результате статор потребляет большой ток, и к тому времени, когда двигатель достигает полной скорости, потребляется большое количество тока (больше номинального тока), что может привести к нагреву двигателя и, в конечном итоге, к его повреждению. Для предотвращения этого необходимы пускатели двигателей.

Запуск двигателя возможен тремя способами:

1. Применение напряжения полной нагрузки через определенные промежутки времени: Прямой пуск от сети
2. Постепенное применение пониженного напряжения: пускатель звезда-треугольник и устройство плавного пуска
3. Применение частичного пуска обмотки: автотрансформаторный пускатель

Определение плавного пуска

С технической точки зрения, устройство плавного пуска — это любое устройство, которое уменьшает крутящий момент, приложенный к электродвигателю. Обычно он состоит из твердотельных устройств, таких как тиристоры, для управления подачей напряжения питания на двигатель. Стартер работает за счет того, что крутящий момент пропорционален квадрату пускового тока, который, в свою очередь, пропорционален приложенному напряжению. Таким образом, крутящий момент и ток можно регулировать, уменьшая напряжение во время запуска двигателя.

Может быть два типа управления с помощью устройства плавного пуска:

1) Управление открытием: Пусковое напряжение подается с течением времени, независимо от потребляемого тока или скорости двигателя. Для каждой фазы два тиристора соединены спиной к спине, и тиристоры первоначально проводятся с задержкой 180 градусов в течение соответствующих полупериодов волны (для которых каждый тиристор проводит). Эта задержка постепенно уменьшается со временем, пока приложенное напряжение не достигнет полного напряжения питания. Это также известно как система линейного изменения напряжения во времени. Этот метод не подходит, так как фактически не контролирует ускорение двигателя.

2) Управление с обратной связью: Любая выходная характеристика двигателя, например потребляемый ток или скорость, контролируется, и пусковое напряжение соответствующим образом изменяется для получения требуемой реакции. Ток в каждой фазе контролируется, и если он превышает определенное заданное значение, линейное изменение напряжения останавливается.

Таким образом, основной принцип устройства плавного пуска заключается в том, что путем управления углом проводимости тиристоров можно контролировать подачу напряжения питания.

Компоненты базового устройства плавного пуска

• Силовые выключатели, такие как тиристоры, которые должны регулироваться по фазе, чтобы они применялись для каждой части цикла. Для трехфазного двигателя два тиристора соединены встречно для каждой фазы. Коммутационные аппараты должны быть рассчитаны как минимум в три раза выше линейного напряжения.
• Логика управления с использованием ПИД-регуляторов, микроконтроллеров или любой другой логики для управления приложением напряжения затвора к тиристорам, т. е. для управления углом открытия тиристоров, чтобы заставить тиристоры работать в требуемой части цикла напряжения питания.

Рабочий пример электронной системы плавного пуска для трехфазного асинхронного двигателя

Система состоит из следующих компонентов:

• Два последовательных SCR для каждой фазы, т. е. всего 6 SCR.
• Схема логики управления в виде двух компараторов — LM324 и LM339 для получения уровня и пилообразного напряжения и оптоизолятора для управления подачей напряжения затвора на каждый SCR в каждой фазе.

Схема источника питания для обеспечения необходимого напряжения питания постоянного тока.

Напряжение уровня формируется с помощью компаратора LM324, инвертирующий вывод которого питается от источника постоянного напряжения, а неинвертирующий вывод питается через конденсатор, подключенный к коллектору NPN-транзистора. Зарядка и разрядка конденсатора вызывают соответствующее изменение выходного сигнала компаратора и изменение уровня напряжения с высокого на низкий. Это выходное напряжение подается на неинвертирующую клемму другого компаратора LM339.инвертирующий вывод которого питается линейным напряжением. Это пилообразное напряжение создается с помощью другого компаратора LM339, который сравнивает пульсирующее постоянное напряжение, подаваемое на его инвертирующую клемму, с чистым постоянным напряжением на его неинвертирующую клемму и генерирует опорный сигнал нулевого напряжения, который преобразуется в линейно изменяющийся сигнал зарядкой и разрядкой электролитный конденсатор.

Третий компаратор LM339 выдает сигнал с большой шириной импульса для каждого высокого уровня напряжения, который постепенно уменьшается по мере снижения уровня напряжения. Этот сигнал инвертируется и подается на оптоизолятор, который подает стробирующие импульсы на тиристоры. По мере падения уровня напряжения ширина импульса оптоизолятора увеличивается, и чем больше ширина импульса, тем меньше задержка, и постепенно тринистор срабатывает без какой-либо задержки. Таким образом, управляя длительностью между импульсами или задержкой между приложениями импульсов, контролируют угол открытия тиристора и управляют приложением тока питания, тем самым контролируя выходной крутящий момент двигателя.

Весь процесс представляет собой систему управления с разомкнутым контуром, в которой время подачи импульсов срабатывания затвора на каждый тиристор управляется в зависимости от того, насколько раньше линейное напряжение уменьшается от уровня напряжения.

Преимущества плавного пуска

Теперь, когда мы узнали о том, как работает электронная система плавного пуска, давайте вспомним несколько причин, по которым она предпочтительнее других методов.