Устройство плавного пуска

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройство плавного пуска

1. Функции УПП

Пуск асинхронных короткозамкнутых двигателей прямым подключением к сети, как правило, сопровождается большим пусковым током, превышающим номинальное значение в несколько раз. Момент двигателя при прямом пуске также может достигать значений, существенно превышающих номинальное. Это приводит к большим нагрузкам как на приводимый в действие механизм, так и на питающую сеть. Для ряда механизмов требуется плавное увеличение или уменьшение момента двигателя в процессе разгона, замедления или торможения. Для решения этой проблемы используются специальные пусковые устройства, позволяющие снизить пусковой ток и момент двигателя.

Применение УПП позволяет:

1) ограничить пиковые механические нагрузки как двигателя, так и механизма;

2) выполнить мягкий, без толчков пуск;

3) ограничить пусковой ток;

4) повысить коэффициент мощности;

5) экономить энергию при работе двигателя в ненагруженном режиме;

6) исключить пики тока при переключении;

7) в ряде случаев исключить применение муфт скольжения и гидромуфт;

8) отказаться от контакторов, либо производить коммутацию контакторов в отсутствие тока.

УПП обеспечивают управляемые функции: защиту от анормальных режимов и диагностику как при пуске, так и в рабочем режиме, безударный пуск - пуск с пониженным пусковым моментом с наиболее благоприятным для приводного механизма режимом, режим останова. Безударный пуск осуществляется подачей напряжения на двигатель по экспоненциальному закону. При этом пусковой момент может снижаться примерно в 10 раз по сравнению с прямым пуском. Под управляемым пуском понимаются также сложный пуск (затянутый пуск), когда время пуска регулируется в пределах 0,2 - 60 с, и пуск с отсечкой тока, при этом пусковые токи за время пуска не превышают заданного тока отсечки. В режиме пуска с отсечкой тока, значения пусковых токов (токов отсечки) можно устанавливать в пределах

I_пуск = I_н ? 6I_ном,

где I_ном - номинальный ток двигателя.

Общим итогом применения УПП является повышение надежности работы электропривода и установки.

Применение управляемого пуска позволяет существенно уменьшить вредные динамические воздействия на двигатель и приводной механизм и, следовательно, увеличить срок службы электропривода. Если не требуется регулировать частоту вращения приводного механизма, то применение ТПУ позволяет с минимальными затратами решить все проблемы, связанные с обеспечением плавного пуска и останова двигателя.

Основная задача, решаемая при пуске - получение плавного нарастания тока, момента и частоты вращения двигателя. При использовании ТПУ она обеспечивается плавным нарастанием напряжения на двигателе, изменяющимся по выбранному закону.

Несмотря на большое разнообразие устройств, рассматриваемого класса, можно констатировать, что на сегодняшний день подавляющее большинство устройств мощностью от 1 до 400 кВт на напряжение до 660 В строятся по одной и той же схеме силовой части, известной с конца 20-х годов прошлого века, и обладают некоторым стандартным набором функций. Эта схема представляет собой тиристорный регулятор напряжения с фазовым управлением.

Сравнение выполняемых функций устройств различных производителей позволяет сказать, что подавляющее большинство устройств реализует следующие основные функции:

управление пусковым режимом;

управление режимом останова;

управления рабочим режимом;

защитные функции;

вспомогательные функции;

интерфейс между устройством и оператором;

интерфейс между устройством и управляющим элементом верхнего уровня.

Дополнительно к функциям управления пусковыми режимами и режимами останова, ТПУ снабжаются функциями защиты АД и защиты ТПУ от аварийных режимов. К стандартным функциям относятся:

защита от короткого замыкания на выходе ТПУ;

защита от заклинивания вала двигателя при пуске;

защита от перегрузки по току в рабочем режиме;

защита от недопустимого снижения напряжения на входе ТПУ;

защита от недопустимого повышения напряжения на входе ТПУ;

защита от обрыва фаз;

защита от невключения шунтирующего контактора (при наличии);

защита от несимметрии входного напряжения;

защита от обратного чередования фаз на входе;

тепловая защита двигателя;

защита от пробоя силового тиристора;

защита при потере управляемости тиристора.

2. Области применения УПП

Практически невозможно определить отрасль промышленности, в которой бы не нашли применение УПП. Рассмотрим некоторые из них:

1) Центрифуги имеют большой момент инерции и нуждаются в длительном времени разгона. Кроме того, могут содержать кинематические передачи. Плавный пуск защищает их от больших нагрузок.

2) Вентиляторы подобно центрифугам, также имеют большую инерцию, требуя длительного времени разгона. Прямой пуск вызывает большую нагрузку на сеть. Плавный пуск решает эту проблему. При прямом пуске и жесткой сети возникают большие нагрузки в кинематике (ременная и др. передачи), в подшипниках. Может возникать проскальзывание в ременных передачах. Плавный пуск исключает, или по крайне мере, уменьшает связанные с этим проблемы.

При пуске вентиляторов нагрузочный момент находится в квадратичной зависимости от частоты вращения (М ~ n²).

Вентиляторы в большинстве случаев имеют большой момент инерции (от 10 до 200 - кратного значения момента инерции двигателя). Аналогичные характеристики имеют воздуходувки, машины с центробежным принципом управления, корабельные приводы, центрифуги и т.д.

3) В технологическом оборудовании, служащем для обработки волокнистых материалов (ленточные, ровничные, прядильные, чесальные машины и т.д.), применение плавного пуска без управления торможением позволяет резко снизить обрывность нити и тем самым улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выпуск за счет сокращения расхода сырья и материалов.

4) Нагрузка мельницы может изменяться в широких пределах, требуя высокого пускового момента. В них часто применяются приводы с двигателями с фазным ротором. В случае небольшой массы мельницы возможна успешная замена привода с фазным ротором на двигатель с короткозамкнутым ротором и устройством плавного пуска.

На шаровых мельницах, токарных станках, мотальных и лущильных машинах момент, требуемый от двигателя, обратно пропорционален частоте вращения (М ~ 1/n).

5) При применении УПП в приводе лифтов можно повысить комфортабельность езды.

6) В деревообрабатывающем производстве УПП находят применение как на приводах конвейеров для исключения динамических ударов транспортирующего элемента, так и в прессовом производстве, где происходит частое включение насоса, создающего давление (цикл прессования 5-7 мин.).

7) В мешалках, в начале процесса перемешивания вязких или твердых материалов момент нагрузки быстро возрастает при росте скорости, создавая перегрузки в силовых передачах и креплениях. Эту проблему можно решить с помощью УПП.

8) При прямом пуске или ступенчатом пуске (остановке) насосных установок могут возникать волнообразные колебания перекачиваемых сред в трубопроводах, вызывающие гидроудары. В этом случае рекомендуется как плавный пуск, так и плавный останов привода.

Проанализируем УПП электродвигателей насосов - SMC-P. Тиристорные устройства с аналоговой схемой управления типа SMC-P предназначены для плавного пуска трехфазных АД насосов с напряжением питания 220, 380 и 440В 50 Гц.

Особенности:

Плавный пуск и останов двигателя обеспечивает максимально благоприятный режим двигателя электронасоса: - ограничение пускового тока и ускорения частей, связанных с валом двигателя, отсутствие гидравлических ударов в трубопроводе, уменьшение акустического шума. В результате - увеличение срока безаварийной эксплуатации двигателя, насоса и трубопровода.

Возможность регулирования момента двигателя при пуске, времени пуска и останова, а также режимов пуска позволяет адаптировать устройство к широкому кругу задач.

Устройство имеет режим обнаружения недогрузки двигателя.

Отсутствие силовых механических контактов способствует большому ресурсу устройства без проведения ремонта.

Встроенный микроконтроллер позволяет динамически определять легкую или тяжелую нагрузку и оперативно контролировать момент вращения.

Имеются три сигнальных вывода - реле «Режима разгона», реле «Работа на прямую», реле «Ошибка».

Простота подключения - три клеммы входа, - три клеммы выхода и один переключатель «старт / стоп».

В УПП имеется встроенные электронные щиты от: перегрузки по току, попадания фазы, заклинивания электродвигателя, перегрева (высокая чувствительность по перегреву не дает нагреться корпусу контроллера), сухого хода насоса (низкой нагрузки двигателя).

Возможность выбора одного из трех режимов пуска: плавный пуск по наклонной кривой разгона, пуск с токоограничением, толчковый пуск с токоограничением.

9) Компрессоры приводятся в действие через редукторы или другие силовые передачи. Плавный пуск увеличивает срок их службы. Пусковой момент компрессоров может сильно варьироваться в зависимости от условий пуска. УПП способно удовлетворить все варианты нагрузки.

10) Дробилки заполненные материалом, запускаются с полным моментом нагрузки. В этом случае УПП ограничивает пиковые нагрузки как машины, так и силовой передачи. УПП обеспечивает получение большого, но плавного увеличивающегося момента, что благоприятно для подшипников в случае загустения смазки при низкой температуре.

11) Для подъемно-транспортных механизмов важна плавность нарастания момента двигателя при трогании и остановке, уменьшающая раскачивание груза. С другой стороны, в установившемся режиме передвижения или подъема необходима полная скорость.

12) Применяя УПП в приводах ленточных транспортеров, можно избежать проскальзывания ленты при пуске, уменьшить вероятность опрокидывания и повреждения груза на ленте.

В подъемниках, поршневых насосах, компрессорах, работающих с постоянным давлением, вальцевых дробилках, ленточных транспортерах, в станках с постоянной силой резания, эскалаторах и т.д. нагрузочный момент сохраняется постоянным (М = const) во всей области частот вращения.

Таким образом, применение УПП позволяет:

устранить ударные токи в питающей сети и АД при его пуске;

снизить пусковые токи в АД;

устранить механические ударные воздействия как на АД, так и на приводной механизм;

уменьшить тепловые воздействия на АД;

снять перенапряжения при останове АД;

сократить время поиска неисправности;

повысить надежность эксплуатации и срок службы АД.

3. Новейшие разработки УПП

Рассмотрим технологии плавного пуска, применяемые в современных электронных устройствах пуска (или софт-стартах). Благодаря своим преимуществам (минимально-возможный пусковой ток, отсутствие бросков тока и момента, комплексная защита электродвигателя, коммуникационные возможности, и др.) метод понижения напряжения с помощью полупроводниковых ключей, управляемых микропроцессором, можно считать лучшим решением для запуска двигателя.

Электронные УПП по своему принципу действия делятся в основном на четыре категории:

1) Регуляторы пускового момента

Регуляторы пускового момента контролируют только одну фазу трехфазного двигателя. Управление одной фазой может обеспечить контроль пускового момента двигателя, но пусковой ток снижается при этом незначительно. Ток, текущий по обмоткам двигателя, почти равен току при прямом пуске и не контролируется пускателем. Такой ток протекает по обмоткам двигателя в течение более длительного времени, чем при прямом пуске, поэтому может вызвать перегрев двигателя. Регуляторы пускового момента не могут использоваться там, где необходимо снижение пусковых токов, обеспечение частых пусков, а также для пуска высокоинерционных нагрузок.

2) Регуляторы напряжения без обратной связи по току

Регуляторы напряжения без обратной связи по току автоматически изменяют выходное напряжение в соответствии с заданным пользователем времени пуска и не имеют сигнала обратной связи от двигателя. Они отвечают стандартным требованиям по электрическим и механическим характеристикам, предъявляемым к софт-стартерам, и могут управлять напряжением как в двух, так и во всех трех фазах двигателя.

Процесс пуска определяется пользователем путем задания начального напряжения и времени нарастания напряжения до номинального значения. Многие из таких приборов обеспечивают также ограничение пускового тока, но, как правило, такое ограничение основано на снижении напряжения в процессе пуска. Обычно такие регуляторы обеспечивают и управление замедлением, плавно снижая напряжение при остановке и, увеличивая, таким образом, его продолжительность.

Двухфазные регуляторы напряжения без обратной связи снижают пусковой ток во всех трех фазах, но ток при этом оказывается несбалансированным. Регуляторы, изменяющие напряжение в одной фазе, также имеют ограниченные возможности регулирования времени пуска, однако из-за перегрева двигателя могут использоваться только при легких нагрузках.

3) Регуляторы напряжения с обратной связью по току

регуляторы напряжения с обратной связью являются развитием устройств, описанных выше. Они получают информацию о токе двигателя и используют ее для приостановке увеличения напряжения в процессе пуска при достижении током продольного значения, заданного пользователем. Информация о токе используется также для организации различных защит, например, от перегрузки, дисбаланса фаз, электронного теплового реле и т.д.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Регуляторы напряжения с обратной связью могут использоваться как комплексные системы пуска двигателя.

4) Регуляторы тока с обратной связью

Регуляторы тока с обратной связью являются наиболее прогрессивными устройствами плавного пуска. Эти приборы в первую очередь регулируют ток, а не напряжение. Прямое управление током обеспечивает боле точное управление пуском, а также более простую настройку и программирование софт-стартера. Большинство параметров, требующих установки при программировании регуляторов напряжения, в регуляторах тока устанавливаются автоматически.

Ведущие компании - производители устройств пуска, как правило, выпускают различные ряды приборов, относящиеся к разным категориям регуляторов и попадающих в разные ценовые диапазоны.

Таким образом, например, поступает Новозеландская компания AuCom Electronics, специализирующаяся на разработке и производстве устройств мягкого пуска более 25 лет и являющаяся одним из мировых лидеров в этой области. Компания в настоящее время выходит на российский рынок с приборами нескольких серий с использованием технологии последних трех категорий плавного пуска, описанных выше.

Первая категория мягкого пуска в модельном ряде AuCom отсутствует ввиду её низкой технической состоятельности.

Ко второй категории плавного пуска - регуляторы напряжения без обратной связи - относится серия CSX. Это компактные софтстартеры, обеспечивающие плавный пуск и остановку трехфазных асинхронных двигателей мощностью до 110 кВт и напряжением питания от 200 до 575В переменного тока.

Третья категория плавного пуска - регуляторы напряжения с обратной связью - представлена серией CSX-i. Конструктивно серия аналогична CSX, но помимо плавного пуска и останова двигателя софтстартеры CSX-i имеют расширенный пакет защиты, таких как защита двигателя от перегрузки и перегрева, защита от затянутого времени пуска, защита от перекоса и неправильного чередования фаз и др.

Устройства обеих серий имеют встроенный шунтирующий контактор и дополнительные коммуникационные модули Modbus RTU, Profibus, DeviceNet.

Серия IMS2 - продвинутые устройства мягкого пуска, обеспечивающие комплексное управление с широким набором режимов разгона, торможения и защиты АД мощностью до 1000 кВт (1575А) и напряжением питания от 200 до 690 В переменного тока. Серия IMS2 относится к четвертой категории - регуляторы тока с обратной связью и базируется на последних достижениях в области мягкого пуска. Широкие функциональные возможности приборов и высокие эксплуатационные характеристики позволяют адаптировать их практически для всех типов и характеров нагрузки двигателя. К этой же категории относятся софт-стартеры серии MVS, которые предназначены для работы с высоковольтными двигателями с номинальным током от 80 до 325 А и напряжением питания от 2,3 до 11 кВ переменного тока.

Можно отметить, что знание особенностей и принципа действия УПП позволяют более осознанно подойти к выбору и достигнуть оптимального технического результата при минимальных затратах в каждом конкретном применении.

Продукция AuCom распространяется дистрибьюторской сетью и представлена сервисной сетью более чем в 50 странах мира.

Рассмотрим одно из наиболее совершенных УПП.

Таким примером является УПП: CТ-START - это многофункциональное электронное устройство с микропроцессором и тиристорами, разработанное для использования с трехфазными асинхронными двигателями с беличьей клеткой.

В отличие от традиционных способов подключения двигателей к сети (прямое включение, звезда - треугольник, резисторные и т.д.) CТ-START ограничивает величину пускового тока и обеспечивает плавный и равномерный разгон двигателя. Это устройство выполняет защитные и управляющие функции, что облегчает монтаж и снижает эксплуатационные расходы.

При запуске двигателя обычными способами возникают броски тока, величина которого в шесть - девять раз превышает значение номинального тока двигателя. Также возникают вибрации, дисбаланс напряжений, скачки давления, зазоры и механические удары. CТ-START легко настроить так, чтобы точно ограничить ток во время запуска для выполнения всех характеристик нагрева двигателя. Электроника сконструирована таким образом, что устройство может быть использовано для точной настойки пускового момента и точной отработки момента нагрузки.

Включение, защита и автоматизация систем требует установки большого количества оборудования, что означает увеличение сложности и габаритов шкафов управления. CТ-START обладает несколькими дополнительными функциями, которые снижают количество дополнительного оборудования, что уменьшает затраты на монтаж и эксплуатацию системы. Упрощение монтажа также увеличивает надежность управления двигателем.

Список литературы

асинхронный ток двигатель тиристорный

1. Елисеев В.А. «Системы прерывного управления электроприводов переменного тока». - М.: Моск. энерг. ин-т, 1985 - 96 с.

2. Зиновьев Г.С. «Основы силовой электроники». - Новосибирск: Учебник НГТУ, 2003 - 652 с.

3. Справочник по электрическим машинам под ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова, Том 1, - М.: Энергоатомиздат, 1988 - 456c.

4. Аверин С.В., Следков Ю.Г. «Сравнение способов регулирования переменного напряжения с помощью коэффициента регулирования», Практическая силовая электроника, №8, 2002 - с 27 с. по 29 с.

5. С.Г. Герман - Галкин «Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 60». - С.П-г.: 2001 - 453 с.

6. Брагилевский Е.Л., Лесниковский А.Е. «Плавный пуск и новое имя на Российском рынке электроники», Электротехника, №6, 1997 - с. 7.

7. Брагилевский Е.Л., Колин В.В., Лесниковский А.Е., Швец С.А., Шныренков А.А. «Унифицированная серия тиристорный бесконтактных пускателей типа ПБР, ПБН, ПБМ», Электротехника, №1, 2001- с 66 с. по 69 с.

8. Элементы систем электропривода: методические указания / сост.: Доманов В.И., Доманов А.В. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 24 с.

9. Автоматическое управление электроприводами: Методические указания по курсовому проектированию для студентов направления 64500. «Электротехника, электромеханика, электротехнологии»/ Сост. Доманов В.И., Доманов А.В. - Ульяновск: УлГТУ, 2004.-36 с.

Размещено на Allbest.ru