Устройство плавного пуска электродвигателя

Устройства плавного пуска обеспечивают контролируемый запуск электродвигателей, ограничивая пусковой ток и механические нагрузки. В статье рассмотрим принцип работы устройства плавного пуска электродвигателя, разновидности УПП, сферы их применения и критерии выбора.

Принцип работы устройства плавного пуска электродвигателя (УПП)

УПП обеспечивает плавное увеличение напряжения и тока при запуске и выступает в качестве своеобразного регулятора для электродвигателя.

Как работает устройство плавного пуска электродвигателя пошагово:

1. Подача напряжения. При включении УПП подает на двигатель не полное напряжение, а только его часть. Это предотвращает резкий скачок тока.
2. Регулировка напряжения. УПП использует тиристоры или симисторы для плавного повышения напряжения на обмотках двигателя.
3. Плавный разгон. Напряжение растет, а двигатель набирает обороты. Снижаются механические нагрузки на вал, подшипники и подключенное оборудование.
4. Достижение проектной скорости. При достижении требуемой скорости УПП переключается на прямое питание от сети, и двигатель переходит в обычный режим.

При выключении УПП может постепенно снижать напряжение, чтобы двигатель останавливался плавно, без рывков.

Для чего нужны устройства плавного пуска

Подключение устройства плавного пуска позволяет достичь следующих задач:

1. Исключение рывков. Плавное включение защищает подшипники, валы, соединительные элементы, муфты, щетки, передаточные механизмы, шестерни и крепления.
2. Увеличение срока службы и сокращение расходов на ремонт. Из-за резких стартов обмотка двигателя быстро изнашивается, поэтому возникает необходимость в регулярном ремонте (а в ряде случаев даже в полной замене обмотки).
3. Экономия на электроэнергии. Прямые пуски часто приводят к существенным энергозатратам.

Еще одна важная функция УПП — самодиагностика. Устройство выявляет скачки напряжения, перегрузки и короткие замыкания. Несколько примеров:

1. Водяные насосы. Главный риск — резкое повышение давления в трубах во время запуска. При таких условиях повышается риск гидроударов. Устройства плавного пуска асинхронных двигателей сводят вероятность повреждения насосов к минимуму. При их использовании давление повышается плавно.
2. Вентиляционные системы. Здесь плавный пуск важен, поскольку под угрозой — другие компоненты и системы (к примеру, станки, которые вентиляция защищает от перегрева).
3. Электрические роторы. Резкий старт без УПП создает ударные нагрузки на подшипники, которые начинают быстро изнашиваться. Из-за резкого крутящего момента может деформироваться сам вал ротора. Вибрации также повлияют на лопасти и обмотку.

Также важна экономия на аппаратах коммутации. Это электротехнические устройства, которые используют для управления, включения и отключения двигателя:

• пускатели и контакторы — включают и выключают двигатель;
• автоматические выключатели — защищают сеть от коротких замыканий;
• реле защиты — контролируют температуру, напряжение, ток;
• предохранители — предохраняют агрегат от перегрузок;
• регуляторы напряжения — стабилизируют напряжение в сети;
• тепловые реле — защищают от перегрева.

Если нет УПП, придется приобрести дорогостоящие и габаритные приборы, которые рассчитаны на высокие показатели. УПП обеспечивает плавный пуск двигателя, постепенно увеличивая напряжение и ток. Это позволяет значительно снизить пусковые токи и уменьшить нагрузку на аппараты коммутации.

Где применяют устройства плавного пуска

Рассмотрим сферы применения УПП:

1. Производство: пищевая, деревообрабатывающая, нефтеперерабатывающая, металлургическая сферы. УПП используют для включения упаковочных машин, лебедок, кранов, сушильных камер, печей, шнеков, элеваторов, прессов, штамповочных станков, дымососов, транспортеров.
   
2. Энергетика. УПП нужны для энергетических сетей дизельных генераторов, систем управления нагрузкой, компрессоров, вентиляторов градирен, насосов систем охлаждения, трансформаторов.
   
3. Сельское хозяйство. УПП понадобятся для систем сушки зерна, конвейеров для перемещения кормов, дробилок, доильных аппаратов и компрессоров охлаждения.
   
4. Жилые и коммерческие здания. УПП обеспечивают работу насосов и оборудования, которое отвечает за климатический контроль.
   
5. Транспорт. УПП нужен для запуска электродвигателей в легковых и грузовых автомобилях, поездах, морском транспорте.

УПП не применяют, когда требуется мгновенный запуск электродвигателя на полную мощность, например, в некоторых типах станков. В системах, где требуется постоянная скорость вращения без изменений (к примеру, на конвейерах), УПП тоже могут быть лишними.

Виды устройств плавного пуска

Разберем классификацию УПП на основе разных параметров.

По принципу работы — механические и электронные

Первые механизмы используют гидравлические муфты или редукторы. Их эффективность достаточно низкая, поэтому такие устройства применяют редко.

Вторые регулируют ток с помощью тиристоров и симисторов. Разновидности электронных УПП: с ограничением тока (ограничивают пусковой ток до заданного уровня), с регулировкой напряжения (плавно увеличивают напряжение на обмотках двигателя), с управлением моментом (контролируют момент на валу двигателя).

По функциональности — базовые и многофункциональные

Базовые устройства подходят для простых задач без сложного управления.

Многофункциональные приборы предусматривают защиту от перегрузки, контроль температуры, регулировку скорости. Их применяют в сложных системах с переменными нагрузками.

По типу управления — аналоговые и цифровые

В первом случае для регулировки напряжения используют аналоговые схемы. Они просты в настройке, однако не столь точны.

Цифровые приборы оснащены микропроцессорами, что позволяет точно контролировать параметры пуска. У них есть функции диагностики, защиты и настройки через интерфейсы (например, RS-485).

По способу охлаждения — естественное и принудительное

Приборы с естественным охлаждением подходят для маломощных двигателей (до 5 кВт). Они просты в обслуживании, однако ограничены в мощности.

Приборы с принудительным охлаждением работают на жидкостном охлаждении или с вентиляторами. Они подойдут для продолжительной работы мощных двигателей (от 10 кВт).

Выбор устройства плавного пуска

Подбор аппарата зависит от типа двигателя, нагрузки и требований к управлению. Рассмотрим основные критерии выбора.

Количество фаз

Однофазные УПП необходимы для устройств с малой мощностью и легкими пусковыми условиями (пример — бытовые вентиляторы). УПП управляет только одной фазой. Это позволяет смягчить пусковой момент, но не так эффективно снижает пусковой ток. Подходит для простых задач, где не требуется высокая точность управления.

Двухфазные УПП подойдут для устройств с умеренными пусковыми нагрузками (к примеру, насосов средней мощности). Их часто используют, когда нужен компромисс между стоимостью и эффективностью.

Трехфазные УПП необходимы для тяжелых и особо тяжелых условий, где требуется максимальная надежность и контроль (центрифуги, мощные компрессоры, дробилки). Устройства обеспечивают максимальное снижение пускового тока и момента, а также точное управление параметрами пуска.

Мощность

При выборе учитывают силу тока, которую выдерживают тиристоры. Показатель должен превышать силу тока, который проходит через обмотку на номинальных оборотах:

• при простом запускании (насосы, вентиляторы) пусковой ток может быть выше проектного в 3 раза;
• при тяжелом запускании (прессы для штамповки, прокатные станы, конвейеры) пусковой ток больше в 5 раз.

Также выделяют особо тяжелые пуски (устройства с поршневыми насосами). В этом случае пусковой ток превышает номинальный в 10 раз.

Тяжесть старта, который длится от 10 до 40 секунд, напрямую влияет на время, необходимое для достижения полной скорости вращения двигателя. Происходит сильный нагрев тиристоров, поскольку они осуществляют рассеивание мощности. Чтобы повторить процесс, компонентам нужно остыть (время остывания может равняться полному рабочему циклу). Поэтому, если устройство часто включают/выключают, стоит выбирать УПП с запасом мощности. То есть даже для аппарата с легким набором оборотов можно взять УПП для тяжелых стартов.

Гибкость управления

Самое простое решение — выбор УПП с заданной программой. В этом случае напряжение повышается до номинала за определенный отрезок времени. Однако иногда требуются более гибкие настройки:

• для устройств с меняющейся нагрузкой (к примеру, дробилок);
• для подъемных механизмов;
• когда стоит задача минимизировать энергопотребление и износ оборудования;
• когда необходима интеграция в автоматизированные системы с программируемыми логическими контроллерами.

Требуемые параметры — напряжение, момент, время разгона — можно задавать через панель управления (кнопки, дисплей):

1. Оператор выбирает режим работы (например, плавный пуск с контролем момента).
2. Задает время разгона (например, 10 секунд).
3. Устанавливает предельные значения тока и момента.
4. Запускает процесс и контролирует его через дисплей или ПО.

Также иногда пользователи адаптируют УПП под конкретные задачи с помощью пульта дистанционного управления.

Дополнительный контактор

Еще один важный компонент — дополнительный контактор. В простых УПП для легких нагрузок (двигатели до 5 кВт) контактор может отсутствовать, так как нагрев и искажения незначительны.

Дополнительный контактор необходим для охлаждения схемы и ликвидации несимметричности фаз. Тиристоры могут искажать форму синусоиды напряжения, что приводит к перекаливанию обмоток двигателя. Контактор устраняет эту проблему (подключение электродвигателя осуществляется напрямую к сети). В мощных и многофункциональных УПП (для двигателей от 10 кВт и выше) контакторы присутствуют.

Заключение

Устройства плавного пуска — это ключевой элемент для эффективной и надежной работы электроприводов. Они обеспечивают значительное снижение пусковых токов, что продлевает срок службы двигателей и подключенного оборудования, минимизирует риски механических повреждений и снижает затраты на ремонт. Кроме того, УПП позволяют экономить электроэнергию, оптимизируя процесс запуска и предотвращая перегрузки сети.