Загальні відомості

Прямий пуск асинхронного електродвигуна супроводжується 6...8-кратним стрибком пускового струму, що створює ударний електромагнітний момент, який передається через вал двигуна на робочу машину. Протягом 15-20% часу розгону електродвигуна цей момент носить знакозмінний характер з амплітудою до 4 номінальних моментів електродвигуна. Знакозмінний момент викликає вібрації, як самого електродвигуна, так і робочої машини, що приводить до руйнування і пробою ізоляції обмоток статора електродвигунів, поломкам механічних передач і іншим неполадкам.

На рис. 1 приведені осцилограми прямого пуску короткозамкненого асинх-ронного електродвигуна потужністю 5000 кВт з напругою живлення 6 кВ у складі насосного агрегату.

Рис. 1. Осцилограми прямого пуску короткозамкненого асинхронного електродвигуна 5000 кВт, 6 кВ

Як видно з рис. 1, тривалість пуску складає 5,7 секунд при струмі 6I_н, а знакозмінна складова пускового моменту електродвигуна на початку перехідного процесу досягає (4,0…4,1)М_н.

Ще більш несприятливими для електродвигунів є пускові режими, тривалість яких перевищує 8-10 секунд. Обмотки електродвигунів окрім потужної електродинамічної дії піддаються інтенсивному нагріву пусковими струмами. При цьому тепло, що виділяється, викликає різке підвищення температури обмотки, що призводить до зниження рівня ізоляції і аварій.

Так само несприятливо впливають кидки пускового струму на мережу жив-лення, приводячи до значної просадки напруги, що негативно позначається на стійкості роботи інших споживачів. Також ускладнюється, а у ряді випадків стає неможливим пуск двигунів в разі їх живлення від автономних джерел електропостачання обмеженої потужності.

У зв’язку з означеним, на практиці потужні електродвигуни прагнуть залишати в роботі без зупинки можливо більш тривалий час (навіть коли це не потрібно за технологією), що приводить до значної перевитрати електроенергії.

Призначення пристроїв плавного пуску

Виключення ударних пускових навантажень, а отже, підвищення надійності роботи і зняття обмеження на число пусків і зупинок агрегатів з високовольтними електродвигунами, а також зниження просадок напруги може здійснюватися за допомогою:
• перемикання під час пуску схеми з'єднання обмоток «зірка-трикутник»;
• пуск разом з автотрансформатором;
• пуск з резисторами в колі обмотки статора;
• застосування електронних пристроїв плавного пуску (ППП).

Перемикання схеми з'єднання обмоток – спосіб, який застосовується найбільш часто для пуску асинхронних двигунів через свою простоту. Пуск двигуна відбувається за схемою «зірка», що дозволяє зменшити струм двигуна на третину, а після набору обертів перемикається на «трикутник». Проте, цей спосіб не підходить для механізмів з невеликою інерцією обертання. У момент перемикання обмоток вони різко знижують оберти або зовсім зупиняються. В результаті, електродвигун, по суті, запускається заново.

Застосування автотрансформатора під час пуску дозволяє підвищувати напругу живлення електродвигуна стрибками за допомогою відводів. Оскільки кількість відводів автотрансформатора обмежена, досягти високої точності керування неможливо. Падіння напруги на автотрансформаторі приводить до зниження моменту на всіх швидкостях електродвигуна. При роботі на високоінерційне навантаження час пуску може вийти за безпечну межу, а при роботі із змінним навантаженням оптимальну поведінку системи отримати не удається.

Пуск з металевими або рідинними резисторами в колі статора дозволяє ефективно знизити пускові струми і моменти електродвигуна, але потребує точного попереднього розрахунку і вибору резисторів, що передбачає наявність повної інформації про параметри двигуна, навантаження та режими роботи. Такі данні зазвичай важкодоступні, тому резистори обираються приблизно, що приводить до погіршення процесу пуску і зниження надійності. Опір резисторів міняється у міру їх нагріву в процесі пуску. Через великі теплові втрати цей спосіб пуску не застосовують для високоінерційних навантажень.

Організації плавного пуску (soft start) за допомогою ППП має найбільшу ефективність. Плавний пуск двигуна досягається застосуванням симісторів, які включаються в коло керування, в результаті чого вдається знизити пусковий струм до (2…3)I_н, розгін ротора здійснюється плавно.

Сучасна технологія забезпечує управління пусковим струмом і моментом (рис. 2). Найбільш досконалі ППП забезпечують також комплексний захист двигуна. Система плавного пуску електродвигунів забезпечує наступні основні функції:
• плавна зміна напруги і струму без стрибків і перехідних процесів;
• можливість повного управління пусковим струмом і моментом;
• можливість частих пусків;
• оптимальний процес пуску навіть при зміні навантаження від пуску до пуску;
• плавну зупинку;
• гальмування для зниження часу зупинки.

Рис. 2. Залежності моменту і струму електродвигуна під час прямого М_п, І_п і плавного М_пп, І_пппуску асинхронного електродвигуна

У свою чергу, система плавного пуску не може виконувати наступні функції:
• регулювання частоти обертів двигуна в сталому режимі;
• реверсування напряму обертання;
• збільшення пускового моменту відносно номінального;
• зниження пускового струму до значень менших, ніж потрібно для обертання ротора в момент пуску.

Принцип дії та будови пристроїв плавного пуску

ППП виконуються за принципом тиристорного регулятора напруги і забезпечують обмеження швидкості наростання і величини пускового струму електродвигуна за рахунок зміни кутів відмикання тиристорів. Протягом заданого часу пуску електродвигуна відбувається плавне наростання напруги на обмотках статора від нуля до номінального значення. Пусковий струм збільшується плавно із заданим обмеженням, не створюючи ударних електромагнітних моментів. На тиристори подаються керуючі імпульси синхронізовані з мережею живлення. Система імпульсно-фазового керування (СІФК) здійснює регулювання кута відкриття тиристорів α в функції керуючого сигналу U_К = f(α).

У силовій частині ППП можуть застосовуватися симістори, але найбільш вживаними є зустрічно-паралельно включені тиристори, які включаються послідовно з обмотками фаз двигуна. Тиристори можуть бути включені в одну (рис. 3, а), дві (рис. 3, б) або всі три (рис. 3, в) фази, причому, при з'єднанні обмоток трикутником, можливе включення тиристорів не в фазу живлення, а в розрив обмотки. В цьому випадку струм тиристорів знижується в √3 разів.

Рис. 3. Силова частина пристроїв плавного пуску

Однофазне регулювання. Через нерегульовані фази при розгоні двигуна тече струм, відповідний до ковзання і механічного моменту в конкретний момент часу. Оскільки час розгону збільшується внаслідок плавності характеру процесу пуску, тепловий режим нерегульованої обмотки може виявитися навіть гірше, ніж при прямому пуску. Крім того однофазний ППП не може аварійно зупинити трифазний двигун, лише видати аварійний сигнал. Отже, така схема застосовується лише там, де потрібно пом'якшити пускові удари в навантаженні в діапазоні потужностей до 11 кВт, а плавне гальмування, тривалий пуск і обмеження пускового струму не потрібні.

Двофазне регулювання. Є обмеження пускового струму, але присутнє його несиметричне обмеження у момент пуску і гальмування. Двофазні ППП випускаються для двигунів потужністю до 250 кВт і більше, застосовуються у випадках, коли вузьким містом під час пуску є не обмеження струму до гарантованої величини, а пом'якшення механічних ударів.

Трифазне регулювання. Саме технічно досконале рішення, оскільки дозволяє отримати симетричне обмеження струму і сили магнітного поля, тому струмовий режим максимально сприятливий і для двигуна, і для мережі. Потужність і напруга живлення двигуна обмежені лише тепловою і електричною здатністю самих тиристорів.

Порівняльні характеристики різних способів регулювання наводяться в таблиці 1.

Після завершення пуску незалежно від схеми регулювання тиристори шунтуються за допомогою байпасного (обхідного) контактора, полегшуючи їх тепловий режим. Оскільки пускові струми через байпас не протікають, контактор обирається виходячи з протікання робочих струмів.

Генерація керуючого сигналу для відмикання тиристорів відбувається в системі управління, яка в закінченому вигляді (апаратна і програмна частини) є запатентованою власністю виробника.

На рис. 4 схематично показана зміна напруги в обмотці двигуна з часом, або, що те ж саме, фазового зсуву α між проходженням синусоїди вхідної напруги через нуль і моментом подачі керуючого сигналу в процесі пуску двигуна. Кут відриття тиристора α змінюється від 180° (10 мс при частоті 50 Гц) на початку пуску до нуля у момент виходу на номінальні обороти. При плавному гальмуванні кут α змінюється в зворотному порядку.

Рис. 4. Зміна напруги в обмотці двигуна з часом під час плавного пуску

Параметри системи плавного пуску

Система плавного пуску характеризується наступними параметрами:
• час включення t_вкл – це час, за який система плавного пуску збільшить напругу на виході від початкового до повного (рис. 5);

Рис. 5. Діаграма роботи системи плавного пуску

• час виключення t_викл – це час, за який напруга на виході системи знизиться від повної до напруги зупинки (початкової напруги), застосовується, коли необхідна плавна зупинка електродвигуна, наприклад, при роботі з насосами тощо;
• початкова напруга (напруга або момент підставки) U_поч – це точка, в якій система м'якого пуску починає або завершує процес включення або виключення, застосовується для гарантованого зрушення валу
• обмеження струму – може використовуватися в тих випадках, коли потрібне обмеження пускового струму або під час пуску з великим навантаженням, після досягнення межі обмеження струму система плавного пуску тимчасово припинить збільшення напруги, поки струм не знизиться нижче заданої межі, після чого процес збільшення напруги продовжиться до досягнення повної напруги;
• функція BOOST (пуск ривком) – короткочасне підвищення напруги, що дозволяє отримати пусковий момент для подолання механічного тертя, застосовується коли механічний момент при зниженій стартовій напрузі недостатній для зрушення валу, крива зміни напруги під час пуску показана на рис. 6. Дана функція застосовується для приводу дробарок, м'ясорубок тощо. Перші 0,2 с (10 повних періодів) тиристори повністю відкриті і на електродвигун подається як і при прямому пуску повна фазна напруга.

Рис. 6. Робота функції BOOST

Пристрій плавного пуску Prostar PRS2

Пристрій плавного пуску серії PRS2 має модифікації, розраховані на вико-ристання їх для запуску і гальмування асинхронних електродвигунів номінальною потужністю від 11 кВт і до 500 кВт включно.

Мікропроцесорне управління силовими тиристорами дозволяє здійснювати пуск електродвигуна за п’яти програмами, а також зупиняти за двома. Кількість циклів включення-виключення пристроєм плавного пуску PRS2 асинхронного електродвигуна не повинна перевищувати 20 разів на годину. Схема підключення електродвигуна до ППП наведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема підключення електродвигуна до пристрою PRS2

Функції терміналу керування вказані в таблиці 2.

Зовнішній вигляд пристрою PRS2 наводиться на рис. 8.

Рис. 8. Зовнішній вигляд пристрою PRS2

Контрольні питання

1. Що відбувається під час прямого пуску потужних електродвигунів?
2. До чого може привести прямий пуск потужних електродвигунів.
3. Які існують способи зменшення негативного впливу прямого пуску потужних електродвигунів?
4. Які функції забезпечує система плавного пуску?
5. Які функції не може забезпечити система плавного пуску?
6. Поясніть принцип роботи системи плавного пуску.
7. Які способи регулювання напруги можуть застосовуватися у пристроях плав¬ного пуску?
8. Для чого необхідний байпас?
9. Що відбувається з кутом керування під час плавного пуску електродвигуна?
10. В яких межах змінюється кут керування α системи плавного пуску?
11. Назвіть параметри системи плавного пуску.
12. Наведіть діаграму роботи системи плавного пуску u_ф = f(t).
13. Що являє собою час включення системи плавного пуску?
14. Що являє собою час виключення системи плавного пуску?
15. Якою повинна бути початкова напруга системи плавного пуску?
16. Для чого застосовується режим обмеження струму?
17. Опишіть роботу функції BOOST.

НАГОРУ