Устройства плавного пуска

Функции УПП:
- режим защиты от перегрузки, пропадания фазы, короткого замыкания или перегрева двигателя
- быстродействие при отключении в аварийной ситуации 
- контроль за последовательностью чередования фаз, что защищает насосы от вращения в противоположном направлении
- наличие режима толчкового пуска

 

Практически невозможно определить отрасль промышленности, в которой бы не нашли применение УПП. Рассмотрим некоторые из них:
- Центрифуги имеют большой момент инерции и нуждаются в длительном времени разгона. Кроме того, могут содержать кинематические передачи. Плавный пуск защищает их от больших нагрузок.
- 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.
- 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.
- 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.
- При применении УПП в приводе лифтов можно повысить комфортабельность езды.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Применяя УПП в приводах ленточных транспортеров, можно избежать проскальзывания ленты при пуске, уменьшить вероятность опрокидывания и повреждения груза на ленте.

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:
- 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.
- 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.
По этому параметру УПП делятся на двухфазные и трехфазные. В двухфазных, как это следует из названия, ключи установлены только в двух фазах, третья же подключается к двигателю напрямую. Плюсы – снижение нагрева, уменьшение габаритов и цены. Минусы – нелинейное и несимметричное по фазам потребление тока, которое хотя и частично компенсируется специальными алгоритмами управления, все же отрицательно влияет на сеть и двигатель. Впрочем, при нечастых пусках этими недостатками можно пренебречь.
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.
- 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.
- 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.

Система управления УПП может быть цифровой и аналоговой. Цифровые УПП обычно реализуются на микропроцессоре и позволяют очень гибко управлять процессом работы прибора и реализовывать множество дополнительных функций и защит, а также обеспечивать удобную индикацию и связь с управляющими системами верхнего уровня. В управлении аналоговых УПП используются операционные элементы, поэтому их функциональная насыщенность ограничена, настройка выполняется потенциометрами и переключателями, а связь с внешними системами управления обычно осуществляется при помощи дополнительных устройств.

Защита
Кроме своей основной функции – организации плавного пуска – УПП содержат в себе комплекс защит механизма и двигателя. Как правило, в этот комплекс входит электронная защита от перегрузки и неисправностей силовой цепи. В дополнительный набор могут входить защиты от превышения времени пуска, от перекоса фаз, изменения чередования фаз, слишком маленького тока (защита от кавитации в насосах), от перегрева радиаторов УПП, от снижения частоты сети и т.д. Ко многим моделям возможно подключение термистора или термореле, встроенного в двигатель. Однако следует помнить, что УПП не может защитить ни себя, ни сеть от короткого замыкания в цепи нагрузки. Конечно, сеть будет защищена вводным автоматом, но УПП при коротком замыкании неизбежно выйдет из строя. Некоторым утешением может служить только то, что короткое замыкание при правильном монтаже не возникает мгновенно, и в процессе снижения сопротивления нагрузки УПП обязательно отключится, только не стоит вновь включать его, не установив причину отключения.
Пониженная скорость
Некоторые устройства плавного пуска способны реализовать так называемое псевдочастотное регулирование –перевод двигателя на пониженную скорость. Этих пониженных скоростей может быть несколько, но они всегда строго определены и не поддаются коррекции пользователем.
Кроме того, работа на этих скоростях сильно ограничена по времени. Как правило, эти режимы используются в процессе отладки или при необходимости точной установки механизма в нужное положение перед началом работы или по ее окончании.
Торможение
Довольно много моделей способны подать на обмотку двигателя постоянный ток, что приводит к интенсивному торможению привода. Эта функция обычно нужна в системах с активной нагрузкой – подъемники, наклонные транспортеры, т.е. системы, которые могуг двигаться сами собой при отсутствии тормоза. Иногда эта функция нужна для предпусковой остановки вентилятора, вращающегося в обратную сторону из-за тяги или действия другого вентилятора.
Толчковый пуск
Используется в механизмах, имеющих высокий момент трогания. Заключается функция в том, что в самом начале пуска на двигатель кратковременно (доли секунды) подается полное напряжение сети, и происходит срыв механизма с места, после чего дальнейший разгон происходит в обычном режиме.
Экономия энергии в насосно-вентиляторной нагрузке.
Поскольку УПП представляет собой регулятор напряжения, то при малой нагрузке можно снизить напряжение питания без ущерба для работы механизма. Экономию энергии это дает, но не следует забывать, что тиристоры в режиме ограничения напряжения являются нелинейной нагрузкой для сети со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Есть и другие возможности, которые производители закладывают в свои изделия, но для их перечисления объема одной статьи недостаточно.

 

Теперь вернемся к тому, с чего мы начинали – к выбору конкретного прибора.
Многие советы, данные для выбора преобразователя частоты, действуют и здесь: сначала следует отобрать серии, отвечающие техническим требованиям по функциональности, затем выбрать из них те, которые охватывают диапазон мощностей для конкретного проекта, и из оставшихся выбрать нужную серию в соответствии с другими критериями – производитель, поставщик, сервис, цена, габариты, и т.д.
Если нужно выбрать УПП для насоса или вентилятора, запуск которых происходит не чаще двух-трех раз в час, то можно просто выбрать модель, номинальный ток которой равен или больше номинального тока запускаемого двигателя. Этот случай охватывает около 80% применений, и не требует консультаций со специалистом. Если же частота пусков в час превышает 10, то нужно учесть и необходимое ограничение тока, и требуемое затягивание пуска по времени. В этом случае очень желательна помощь поставщика, у которого, как правило, имеется программа выбора нужной модели или хотя бы расчетный алгоритм. Данные, которые понадобятся для расчета: номинальный ток двигателя, количество пусков в час, необходимая длительность пуска, необходимое ограничение тока, необходимая длительность останова, окружающая температура, предполагаемое шунтирование.
Если же двигатель запускается свыше 30 раз в час, то стоит рассмотреть в качестве альтернативы вариант использования преобразователя частоты, поскольку даже выбор более мощной модели УПП может не решить проблему. А цена его уже будет сравнима с ценой преобразователя при существенно меньшей функциональности и серьезному влиянию на качество сети.

Кроме очевидного подключения прибора к сети и двигателю, необходимо определиться с шунтированием.
Несмотря на то, что шунтирующий контактор будет коммутировать номинальный, а не пусковой ток двигателя, желательно все-таки использовать модель, рассчитанную на прямой пуск – хотя бы для реализации аварийных режимов работы. При подключении следует обратить особое внимание на фазировку – если ошибочно соединить, например, фазу А на входе УПП с другой фазой на выходе, то при первом же включении шунтирующего контактора произойдет короткое замыкание, и прибор будет выведен из строя.
Некоторые УПП допускают так называемое шестипроводное подключение, схема которого показана на рис. 3. Такое подключение требует большего количества кабелей, но позволяет использовать устройство плавного пуска с двигателем, мощность которого намного превышает мощность самого УПП.
При установке УПП следует иметь в виду еще одно его свойство, часто приводящее к недоразумениям (см. тяжелый пуск "в"). При расчете вводного автомата для двигателя, подключающегося к сети напрямую, учитывается номинальный ток двигателя, протекающи й длительное время, и пусковой, протекающий лишь несколько секунд. При использовании же УПП пусковой ток существенно меньше, но протекает он намного дольше – до минуты и более. Автомат не может этого “понять” и считает, что запуск давно завершен, а протекающий ток, превышающий номинальный в разы, является следствием аварийной ситуации, и отключает систему. Во избежание этого следует либо установить специальный автомат с возможностью установки дополнительного режима для процесса плавного пуска, либо выбрать автомат с номинальным током, соответствующим пусковому току при использовании УПП. Во втором случае этот автомат не сможет защитить двигатель от перегрузок, но эту функцию выполняет сам УПП, так что защита двигателя не пострадает.