О ти­рис­торных ус­трой­ствах плав­но­го пус­ка

Проблема плавного безударного пуска возникла практически одновременно с изобретением асинхронного электродвигателя. На сегодняшний день для ее решения существует немало технических решений; одним из наиболее удачных является применение тиристорного устройства плавного пуска.

Подача коммутационным аппаратом полного сетевого напряжения на обмотки асинхронного двигателя является наиболее простым и распространенным способом пуска, однако для широкого круга механизмов применение этого способа является нежелательным, а в ряде случаев – недопустимым.

Побочными эффектами прямого пуска являются:

  • высокие пусковые токи (в 5-7 раз больше номинального), приводящие к «просадке» напряжения сети, что может привести к сбоям в электроснабжении других потребителей;
  • высокий пусковой момент на валу двигателя, что ведет к ударам и рывкам, многократно увеличивающих динамические нагрузки на механическую часть привода, следствием которых является снижение ее эксплуатационного ресурса и увеличение числа ремонтно-восстановительных работ;
  • износ релейно-контакторной аппаратуры при большом количестве пусков, необходимость в постоянном обслуживании.

Для минимизации данных явлений ранее использовались различные способы: пуск через балластные сопротивления, включение токоограничивающих реакторов в роторную цепь двигателей с фазным ротором и другие способы, большинство из которых остались в истории, поскольку не являются экономически эффективными при сегодняшнем уровне развития техники. В настоящее время применяется в основном частотный и тиристорный пуск.

Частотный пуск осуществляется с помощью преобразователя частоты, который во время пуска постепенно увеличивает частоту питающего напряжения, подводимого к обмоткам двигателя. При этом двигатель не теряет крутящий момент, поскольку преобразователь частоты изменяет выходную частоту и напряжение по определенному закону. Пусковой ток двигателя ограничивается на уровне Iп = 1,5…2,5 Iн, где Iн – номинальный ток двигателя. В настоящее время это наиболее совершенный способ пуска двигателя, имеющий только один недостаток – высокую стоимость преобразователей частоты. В том случае, если не требуется регулирование скорости в технологическом процессе, применение преобразователя частоты только ради плавного пуска становится очень дорогим удовольствием, поэтому в данной статье мы рассмотрим тиристорное устройство плавного пуска двигателя (далее – УППД).

Основа УППД – три пары включенных в разрыв фаз встречно-параллельных тиристоров (рис. 1).

Рисунок 1 Тиристорное устройство плавного пуска

После подачи питания автоматом QF1 и получения команды на запуск двигателя УППД осуществляет тиристорами подачу пониженного напряжения на обмотки электродвигателя, постепенно увеличивая его до полного сетевого. После завершения пуска тиристоры могут быть зашунтированы обходным контактором КМ1, который предназначен для уменьшения потерь электроэнергии и снижения тепловой нагрузки на тиристоры. При таком способе пусковые токи ограничиваются на уровне Iп=2,5..4,5 Iн. Тиристорные УППД имеют относительно небольшие габариты и массу и умеренную цену. Помимо непосредственно плавного запуска УППД обеспечивает, как правило, комплексную защиту двигателя: максимально-токовую защиту от токов короткого замыкания и перегрузки, защиты от потери, «слипания», неверного чередования фаз, блокировку пуска двигателя при пониженном или повышенном напряжении сети, защиту от затянутого пуска. При всех этих достоинствах у УППД есть один фундаментальных недостаток – снижение крутящего момента при пуске, за счет чего собственно и достигается эффект плавного безударного пуска.

Крутящий момент на валу асинхронного двигателя прямо-пропорционален квадрату приложенного к его обмоткам напряжения, поэтому если в момент пуска подать на двигатель напряжение U=0,5*Uн, то крутящий момент составит М= (0,5*0,5)*Мп = 0,25*Мп, где Uн – номинальное напряжение, Мп — пусковой крутящий момент двигателя при питании номинальным напряжением. Поэтому сфера применения тиристорного пуска – механизмы, слабо нагруженные в момент пуска, например, — вентиляторы, насосы, приводы станков, запускаемые в холостую и т.п. Для механизмов с моментом сопротивления, мало меняющимся от скорости, применение УППД возможно при моменте сопротивления Мс не более 0,5..0,6 Мп. При значения Мс = 0,6.. 0,8 Мп можно добиться лишь частичного эффекта плавного пуска, поскольку пусковые токи в этом случае несильно отличаются от токов, возникающих при прямом пуске. При моментах сопротивления Мс > 0,8 Мп применение УППД бессмысленно, например, для механизмов кранового электропривода, характеризующегося тяжелыми затянутыми пусками. Тем не менее, тиристорный пуск распространен очень широко, поэтому рассмотрим далее его особенности.

Некоторые модели УППД имеют функцию пульс-старта; другое ее распространенное название – толчковый режим, а в иностранной литературе она называется BOOST. Ее суть в том, что в начальный момент времени к обмоткам двигателя в течение 0,1…0,3 сек прикладывается полное сетевое напряжение для формирования крутящего момента, необходимого для трогания вала с места, с последующим разгоном при пониженном напряжении (рис. 2).

Рисунок 2 Действие функции пульс-старта

Эта функция находит свое применение для механизмов с нагрузочной характеристикой по типу «сухое» трение. Для понимания ее действия можно привести бытовой пример: все мы знаем, что при передвижении шкафа наиболее трудным является сдвинуть его с места, а далее передвигать его гораздо легче.

Другим важным аспектом является применение обходного контактора, который иначе называют байпасом. Целесообразность его применения на взгляд автора является спорным: с одной стороны его использование позволяет снизить тепловыделение тиристоров, тем самым уменьшить габариты радиаторы охлаждения и соответственно удешевить УППД, а с другой стороны эта экономия имеет место лишь для УППД малых номинальных токов (до 20-30 А) и в абсолютных величинах она мала, а при увеличении номиналов тока сводится практически к нулю, поскольку стоимость и габариты сильноточных контакторов растут по прогрессирующей зависимости. По этой же самой причине наличие или отсутствие байпаса почти не влияет на массогабаритные показатели УППД. Применение обходного контактора также с одной стороны снижает потери электроэнергии, то есть расходы на эксплуатацию, а с другой стороны наличие в УППД аппарата релейно-контакторного типа снижает надежность устройства. 

Некоторые модели УППД предоставляют потребителю функцию режима экономии электроэнергии; такие УППД еще называют контроллерами-оптимизаторами. Их эксплуатация не является опять-таки абсолютным благом и вот почему. Производители этих устройств заявляют о высокой экономии электроэнергии – до 30..40%. Но так ли это на самом деле? Автор лично не проводил таких исследований, но сомневается в таком положении дел, базируясь на знании закона сохранения энергии. Допустим для вращения двигателя с моментом сопротивления Мс на скорости w требуется мощность P = Mс*w.

Пусть по заявлению производителя контроллеров-оптимизаторов в результате применения этого устройства удалось снизить расход электроэнергии на 30%, то есть 0,3P. Тогда за счет чего будет обеспечиваться вращение двигателя, ведь в этом случае получается что потребляемая двигателем мощность меньше, чем необходимо для поддержания его вращения при данных условиях, поскольку 0,7P < Mс*w. Или получается, что без использования контроллера-оптимизатора двигатель потребляет лишнюю мощность 0,3Р, но тогда куда же она расходуется? Зато можно однозначно сказать о том вреде, который наносят контроллеры-оптимизаторы. Дело в том, что при питании асинхронного двигателя в экономичном режиме пониженным напряжением электродвигатель, стремясь поддержать неизменность магнитного потока своей магнитной системы, увеличивает ток намагничивания, что снижает КПД двигателя и приводит к его интенсивному нагреву.

Поэтому питание двигателя пониженным напряжением возможно лишь кратковременно, например при пуске. Когда малонагруженный двигатель в режиме экономии электроэнергии питается от контроллера-оптимизатора пониженным напряжением, то в двигателе выделяется примерно такое же количество теплоты, как и при работе его с номинальной нагрузкой при питании полным сетевым напряжением. Соответственно в таком режиме работы, старение изоляции обмоток, и как следствие, выработка эксплуатационного ресурса двигателя происходит быстрее, чем без использования режима экономии. Значит, потребитель должен быть готов к тому, что имея гипотетически экономию электроэнергии сейчас, он понесет крупные затраты на ремонт и замену электродвигателя в будущем. 

Несколько слов нужно сказать о функции плавного останова, которой обладают тиристорные УППД. После получения команды на останов УППД плавно снижает свое выходное напряжение до некоторого напряжения отсечки, после чего происходит полное обесточивание электродвигателя. При этом скорость вращения вала двигателя также уменьшается плавно, а после снятия напряжения вал окончательно тормозится под действием сил трения. Плавный останов в ряде случаев не менее важен, чем плавный пуск, например, внезапное отключение насоса может привести к гидравлическому удару, а мгновенный останов конвейера – к падению предметов, находящихся на нем.

Интересной особенностью некоторых УППД является возможность подключения обмоток двигателя по схеме разомкнутый треугольник (рис 3).

Рисунок 3 Подключение электродвигателя по схеме «разомкнутый треугольник»

Эта схема замечательна тем, что в ней силовые тиристоры коммутируют не фазные токи, а линейные, поэтому через них протекают токи в 1,73 раза меньше, чем при подключении двигателя по традиционной схеме «звезда» или „треугольник“. Поэтому появляется возможность приобретения УППД с меньшим номинальным током для разгона данного электродвигателя. Например, для плавного пуска двигателя с номинальным током Iн=340 А (мощность двигателя 160 кВт), достаточно приобрести УППД с номинальным током 230 А (мощность двигателя 110 кВт), тем самым сэкономив 25-30% от стоимость УППД. 

А как же быть, если момент сопротивления механизма при пуске велик и применение УППД для плавного безударного пуска малоэффективно? Неужели выход только один – применение дорогостоящего преобразователя частоты? Оказывается, и здесь иногда можно найти выход: это выбор электродвигателя и УППД на один-два номинала больше, чем необходимо. Например, пусть по условиям технологического процесса требуется двигатель мощностью 55 кВт, при этом момент сопротивления на его валу Мс = 0,8*Мп1, где Мп1 – номинальный пусковой момент двигателя. Применение УППД при таких условиях не даст полноценного эффекта плавного пуска, поэтому выбираем двигатель номинальной мощностью 75 кВт и УППД с соответствующим ему номинальным током. В этом случае тот же самый момент сопротивления, приведенный к номинальному пусковому моменту второго двигателя будет равен Мс = 0,8 * (55/75) = 0,58 Мп2, где Мп2 – номинальный пусковой момент двигателя мощностью 75 кВт. А при таком соотношении применение УППД уже оправдано, поэтому при таком выборе оборудования будет достигнут эффект плавного безударного пуска за счет применения УППД, но при этом пусковые токи будут практически такие же, как и при прямом пуске двигателя мощностью 55 кВт. Впрочем, если величина пусковых токов не является лимитирующим фактором в данной энергосистеме, то выбор такой конфигурации оборудования вполне оправдан и стоит дешевле варианта двигатель 55 кВт плюс преобразователь частоты.

Тиристорные УППД, выпускаемые российскими и иностранными фирмами, могут осуществлять пуск двигателя различными методами.

А) метод линейного увеличения напряжения – наиболее простой способ. Его суть состоит в том, что в начальный момент пуска к обмоткам электродвигателя прикладывается начальное напряжение Uнач = 0,3…0,7 Uн, которое в течение времени пуска Tпуск линейно увеличивается до полного сетевого. Величины Uнач и Tпуск задаются пользователем. Типичная временная диаграмма разгона представлена на рисунке 4.

 

Рисунок 4 Зависимость скорости вала от времени при линейном нарастании напряжения

В начале пуска при низком значении напряжения (участок I) вал двигателя медленно начинает раскручиваться, далее на участке II происходит основной разгон двигателя, после чего на участке III двигатель достигает полных оборотов.

Очевидный недостаток способа – разгон двигателя на участке II с большим ускорением, что означает наличие динамических нагрузок на привод.

Б) Метод пуска с программируемым ограничением пускового тока. В память УППД вводится максимально допустимое значение пускового тока. При этом в начале пуска ток двигателя быстро достигает значения этой уставки, а далее система управления увеличивает выходное напряжение по мере разгона двигателя таким образом, чтобы ток двигателя не превысил установленную величину. Преимуществом метода является точное ограничение тока, что очень важно при питании от источников питания ограниченной мощности: дизель-генераторных установок, трансформаторных подстанций малой мощности и др. 

В) Метод с линейным набором скорости. В этом случае разгон двигателя осуществляется равноускоренно, то есть зависимость скорости вала от времени при пуске имеет линейный характер. Такой пуск наиболее благоприятен для механической части привода, поскольку минимизирует динамические нагрузки. Таким способом способны запускать двигатель только лучшие модели УППД, система управления которых производит вычисление управляющего воздействия на тиристоры по сложному алгоритму, учитывающем множество переменных: ток двигателя, нагрузку на валу, напряжение сети, обратную ЭДС двигателя и др.