Назад в библиотеку

---

Основные принципы плавного пуска

Перевод с английского: М.В. Головатый
Источник: http://anchorenergysolutions.com/documents/Soft_Start_Principles.pdf

Аннотация

Основные принципы плавного пуска. В данной работе рассмотрены способы пуска асинхронных двигателей и принципы управления фиксированной скоростью ротора.

Текст статьи

С момента своего изобретения (сто лет назад), стандартный 3-фазный асинхронный двигатель стал одним из наиболее известных элементов промышленного оборудования. Благодаря своей простоте конструкции, низкой стоимости, надежности и относительно высокой эффективностью, он, вероятно, останется основным источником механической энергии для промышленных предприятий.

Введение

Преобразование энергии от источника питания к вращающейся механической энергии является основной целью всех двигателей. Для регулирования потока энергии, большинство схем двигателя требует механизм для их подключения и отключения от источников электроэнергии и электромеханические переключатели, известные как контакторы, являются стандартным средством достижения этого элемента управления. Даже сегодня, более чем через сто лет после их введения, контакторные системы остаются наиболее широко используемым методом управления двигателем. Тем не менее, существует определенная тенденция к более сложным электронным системам контроля, применяемых для фиксации частоты вращения двигателя и здесь мы обсудить новейшие формы контроля, а именно – электронные, с микропроцессорным управлением и оптимизацию плавного пуска.

Асинхронный двигатель

Для того чтобы оценить преимущества использования электронного контроллера, важно иметь некоторое представление о характеристиках и ограничениях асинхронных двигателей и электромеханических систем, которые в настоящее время используется для управления ими. Стандартные системы для фиксации скорости асинхронного двигателя должы выполнять два основных требования: возможность ускорения без и с нагрузкой; поддержание полной скорости с нагрузкой. Из-за ограничений материалов и конструкции, эффективно и экономично в одной машине этих целей трудно достичь.

Как асинхронный двигатель запускается?

Как отмечалось ранее, двигатели преобразовывают электроэнергию из электросети в механическую форму, обычно в виде вращающегося вала со скоростью соответствующей частоте питания. Мощность на валу двигателя, равна вращающемуся моменту (момент), умноженному на скорость вала (обороты в минуту). Относительно начального значения в состоянии покоя, крутящий момент изменяется увеличиваясь и уменьшаясь, в зависимости от ускорения, достигая пика примерно в две трети полной скорости, и наконец достигает нуля при синхронной скорости. Приведенная характеристика означает, что асинхронные двигатели всегда работают чуть меньше синхронной скорости для того, чтобы развивать мощность – «проскальзывания» скорость, отсюда и термин асинхронный. Приведенный ниже график (рис. 1), показывает кривую отношения крутящего момента к скорости асинхронного двигателя.

Нагрузка на асинхронном электродвигателе имеет свое отношение скорости на крутящий момент, кривая (рис. 2).

Ускорение системы «двигатель – нагрузка» вызвано различием между вращающим моментом (двигатель) и поглощенным вращающим моментом (нагрузка), и показано заштрихованной областью на рисунке 3.

Очевидно, что чем больше разница, тем быстрее происходит ускорение и двигатель быстрее достигает номинальной скорости. «Идеальный» пуск ускорил бы ускорение нагрузки с достаточной силой, чтобы достигнуть максимальной скорости гладко и в соответствующее время с минимальным напряжением подводимым к двигателю.

Вообще отношение частоты вращения двигателя к крутящему моменту зависит от сопротивления ротора – двигатель с высоким сопротивлением ротора выдает максимальный крутящий момент (опрокидывающий момент), двигатель с очень низким сопротивлением ротора будет производить низкий пусковой момент, но будет генерировать свой максимальный крутящий момент ближе к синхронной скорости.

Пуск асинхронных двигателей

Пуск размагниченного асинхронного двигателя является важным и сложным процессом. В момент вкючения затрачивается энергия необходимая для намагничивания двигателя, обеспечения ускорения, помимо всего этого имеют место механические и электрические потери. Чрезмерное ускорение ротора при механической нагрузке может производить небольшие колебания крутящего момента на валу и вызывает сильный износ передачи и зубчатых колес.

Электромеханические способы пуска

Метод A: прямой пуск

Самый простой способ управления энергией потока асинхронного двигателя является прекращение его питания с помощью электромагнитного управления, это 3-фазный переключатель, известный как контактор. Этот метод применяется очень широко и является обычной формой управления, где низкая стоимость является первым и наиболее важным фактором. В результате этот способ чаще всего используется на небольших электродвигателях (7,5 – 22 кВт), или там где характеристика достаточно сильна, чтобы противостоять наплыву и стартовым скачкам, не вызывая недопустимое падение напряжения. Данный способ пуска является не рациональным и губительным для оборудования. Его простота и очевидная низкая стоимость, на первый взгляд кажутся привлекательными, но скрывают большие недостатки, которые заключаются в уменьшении срока службы приводов и более высоким риском несостоявшегося пуска, особенно когда необходимы частый пуск и остановка. Недостатки прямого пуска были признаны с тех пор, как двигатели начали использоваться, и были разработаны альтернативные системы, чтобы уменьшить вредные воздействия прямого пуска.

Метод Б: схема пуска «звезда-треугольник»

Пуск переключением «звезда-треугольник» обеспечивает пониженный стартовый крутящий момент, однако с учетом того, что крутящий момент нагрузки пропорционален квадрату скорости. Все пускатели «звезда-треугольник» поставляются со специальными модулями временной задержки, которые создают задержку на контакторе, соединяющем обмотки в «треугольник», необходимой для размыкания контактора, соединяющего обмотки в «звезду». Момент перехода контролируется таймером и, как правило, он составляет 80% от номинальной скорости. Эффект данного способа заключается в изменении напряжения на каждой обмотки статора до 58% от номинального. Это уменьшает пусковой момент до трети с последующим снижением пусковых токов и ускореной силы. Преимущество по сравнению с прямым пуском очевидно, но существенные недостатки все еще остаются.

Переключение со звезды на треугольник на мгновение отключает двигатель от питания. В течение этого времени двигатель находится под механическим влиянием вращающейся нагрузки и, в момент отключения, ток будет протекать в стержнях ротора из-за времени задержки необходимой для затухания магнитного потока. Таким образом, существует остаточный магнитный поток на поверхности вращающегося ротора. Если момент инерции нагрузки мал, например, в насосе или если сила трения высока, могут возникнуть значительные потери скорости в течение времени, когда двигатель отключен.

Это может привести к очень большим пусковым токам (таким же или более высоким как при заторможенном роторе), вместе с массивным переходным колебанием крутящего момента. Хотя описанные эффекты присутствуют только в течении очень короткого периода времени (около одной пятой секунды), они являются источниками сильного износа всей системы привода, особенно там, где необходимы частые пуски.

Метод C: реостатный способ

Уже давно признано, что система «звезда-треугольник» была источником проблем, таких как сварные контакторы, сдвижение приводных валов и т.д., а в течение многих лет был доступен реостатный метод ступенчатого уменьшения скорости. Этот способ применяют при тяжелых условия пуска, т.е. при большой нагрузке на валу. Для реостатного пуска используют асинхронные двигатели с фазным ротором, в цепь ротора включается пусковой реостат. Реостатный пуск служит для увеличения пускового момента. Одновременно происходит уменьшение пускового тока двигателя. По мере разгона двигателя пусковой реостат выводится и после окончания пуска обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко.

Метод Д: другие электромеханические системы

Другие методы управления, такие как автотрансформаторы пуска (популярны в Северной Америке), пусковое реактивное сопротивление и т.д., используются в большей или меньшей степени, чтобы компенсировать некоторые неудобства каждого типа обсужденных выше стартеров. Тем не менее, фундаментальные проблемы электромеханических стартеров остаются. Этим проблемы решаются применением полупроводниковых преобразователей.

Полупроводниковый контроллер

В течении 1950-ых много усилий было приложено к разработке устройства транзистора с четырьмя слоями, у которого была возможность переключить большой ток с высоким напряжением. Это устройство стало известно как кремниевый управляемый выпрямитель, а в Европе оно стало известно как тиристор; это основание, на котором построены все устройства плавного пуска. Наибольший интерес представляет способность тиристора переключаться быстро (около 5 миллионных долей секунды) от состояния «выключено» в положение «включено», состояние «включено» длится пока ток через устройство не снизится до нуля и это очень удобно. Управляя тиристором возможно отрегулировать энергию, проходящую через устройство. Открывая тиристор с большей или меньшей задержкой по времени, возможно «вырезать» соответствующую часть синусоиды питающего напряжения. Таким образом, среднее напряжение на выходе устройства будет меняться пропорционально изменению времени задержки открытия тиристора. Поскольку подобный принцип регулирования напряжения предполагает что в те интервалы времени, когда тиристоры остаются закрытыми, ток через обмотки двигателя не протекает, отбора мощности из питающей сети в эти моменты не происходит. Ротор двигателя в эти интервалы времени вращается по инерции.

Запуск асинхронных двигателей

При работе двигателя в предельной нагрузке или вблизи ее, типичный 3-фазный асинхронный двигатель является относительно эффективным, можно увеличить коэффициент полезного действий от 85% к 95%. Однако, как показано ниже (рис. 4), КПД двигателя резко падает, когда нагрузка падает до менее чем 50% от номинальной мощности.

Фактически, очень немного двигателей испытывают полностью номинальный режим работы, подавляющее большинство работают при намного более низкой нагрузке. Для вентиляторов и насосных установок, полупроводниковое управление приводом, оказывает очень значительную экономию энергии по сравнению с практически всеми другими методами контроля, варьируя скорость двигателя в ответ на изменения нагрузки. Менее сложные системы плавного пуска продолжают работать на полной проводимости и двигатель ведет себя так, как будто подключен непосредственно к сети питания. Тем не менее, при малых нагрузках и напряжении питания, в асинхронном двигателе всегда есть избыток магнитного потока, и в результате это приводит к потере эффективности и уменьшению коэффициента мощности. При обнаружении нагрузки в любой момент времени, и изменения напряжения на клеммах двигателя соответственно, можно сэкономить часть энергии возбуждения и нагрузки и повысить коэффициент мощности двигателя, когда двигатель работает неэффективно при небольших нагрузках.

Все устройства плавного пуска управляются микропроцессором и это дает им много преимуществ. Во-первых, нет необходимости корректировок для функции экономии энергии: все вычисления необходимые, чтобы найти лучшую ступень задания фазы отпирания тиристоров при любой нагрузке производится микроконтроллером. Во-вторых, пуск всегда синхронизируется с напряжением питания и тем самым фактически устраняет ток наплыва, связанный с пуском.