Устройство плавного пуска электродвигателя: системы безударного пуска высоковольтных электродвигателей

Устройство плавного пуска электродвигателя: системы безударного пуска высоковольтных электродвигателей

Итак, проблема — на котельной есть насосы подпитки котла водой. Всего два насоса, и включаются они по команде от системы слежения за уровнем воды в котле. Одновременно может работать только один насос, выбор насоса осуществляет оператор котельной путем переключения водяных кранов и электрических переключателей.

Насосы приводятся в действие обычными асинхронными двигателями. Асинхронные двигатели 7,5 кВт включаются через обычные контакторы (магнитными пускателями). А поскольку мощность большая, то пуск очень жесткий. Каждый раз при пуске возникает ощутимый гидроудар. Портятся и сами двигатели, и насосы, и гидросистема. Иногда такое ощущение, что трубы и краны сейчас разлетятся вдребезги.

Кроме того, когда котёл остывший, и в него резко подается горячая вода (более 95 °С), то происходят неприятные явления, напоминающие взрывообразное бурление. Бывает и наоборот, воду с температурой 100 °С можно холодной – когда в котле находится сухой пар с температурой почти 200 °С. В этом случае тоже происходят вредные гидроудары.

Всего на котельной два идентичных котла, но во втором установлены частотники на насосы. Котлы (точнее, парогенераторы) вырабатывают пар с температурой более 115 °С и давлением до 14 кгс/см2.

Жаль, что конструкцией котла в электросхеме не предусмотрено было плавное включение двигателей насоса. Хотя котлы итальянские, на этом было решено сэкономить…

Повторюсь, что для плавного включения асинхронных двигателей мы имеем на выбор такие варианты:

• схема «звезда-треугольник»
• система плавного пуска (мягкий пуск) (ссылка выше)
• частотный преобразователь (инвертор)

В данном случае необходимо было выбрать тот вариант, при котором бы было минимальное вмешательство в рабочую схему управления котлом.

Дело в том, что любые изменения в работе котла должны быть обязательно согласованы с производителем котла (либо сертифицированной организацией) и с надзорной организацией. Поэтому изменения должны быть внесены незаметно и без лишнего шума. Хотя, в систему безопасности я не вмешиваюсь, поэтому тут не так строго.

Мои постоянные читатели знают, что теперь, после сдачи экзаменов в Ростехнадзоре, я имею полное право выполнять работы по КИПиА в котельной.

Звезда-треугольник

Для асинхронных двигателей, работающих при соединении обмотки статора треугольником, у которых фазное напряжение равно напряжению сети, может быть применен пуск в ход переключением обмотки статора со звезды на треугольник. В момент подключения двигателя к сети переключатель устанавливают в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной звездой. В этом случае фазное напряжение на статоре понижается в √3 раз. Во столько же уменьшается и ток в фазных обмотках двигателя. Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, в то время как при соединении треугольником он больше фазного в √3 раз. Следовательно, применение способа пуска в ход переключением статорной обмотки со звезды на треугольник дает уменьшение пускового (линейного) тока в три раза по сравнению с пусковым током при непосредственном подключении двигателя к сети. После того, как ротор двигателя разгонится до скорости, близкой к номинальной, переключатель быстро переводят в положение «треугольник». Возникший при этом бросок тока обычно невелик и не влияет на работу сети. Однако описанный способ пуска имеет серьезный недостаток. Дело в том, что уменьшение фазного напряжения в √3 раз при пуске влечет за собой уменьшение пускового момента в (√3)2 = 3 раза, так как пусковой момент двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения. Такое значительное уменьшение пускового момента ограничивает применение этого способа пуска для двигателей, включаемых под нагрузкой на валу. Для механизмов с небольшим моментом инерции, например погружных насосов, пуск по методу «звезда-треугольник» не очень эффективен либо даже неэкономичен. Дело в том, что диаметр погружных насосов и их приводных электродвигателей невелик. Поэтому масса рабочего колеса насоса мала, вследствие чего мал и момент инерции. В результате погружным насосам для разгона от 0 до номинальной скорости об/мин. требуется не более пары десятков периодов напряжения сети. Это означает также, что насос при отключении конфигурации «звезда» и перед переходом к «треугольнику» (переключении тока) очень быстро, практически сразу же, останавливается. Следует отметить, что слишком долгая эксплуатация электродвигателя в режиме звезды приводит к его перегреву и, следовательно, сокращает срок службы. Поэтому рекомендуется заменять схемы пуска «звезда-треугольник» на устройства плавного пуска.

Принцип действия [ править | править код ]

Мгновенное значение электромагнитного момента двигателя зависит не только от угловой скорости, параметров двигателя и параметров системы питания, но и от производных этих величин и их начальных значений [1] .

Вариация многих переменных значительно расширяет возможности управления динамическими режимами работы асинхронных электроприводов. Контактная коммутационная аппаратура позволяет реализовать только некоторые частные случаи формирования переходных процессов, связанных с введением в цепи двигателя сопротивлений и гашением его незатухающего магнитного поля, также могут использоваться тормозные колодки, жидкостные муфты, магнитные блокираторы, противовесы с дробью и прочее. Другими словами, возможны частные решения воздействием только на параметры двигателя. Применение в качестве коммутационных аппаратов магнитных усилителей позволяет дополнительно реализовать только воздействие на производную изменения напряжения.

Реализация большинства возможных способов формирования динамических характеристик стала принципиально осуществимой только с появлением полупроводниковых управляемых вентилей, которые из-за бесконтактности, безынерционности и лёгкости изменения среднего значения пропускаемого тока оказываются почти идеальными коммутирующими элементами для управления асинхронными электродвигателями.

Тиристорные коммутаторы (софтстартеры) и преобразователи частоты на основе управляемых вентилей позволяют сравнительно просто не только задавать требуемый темп изменения приложенного напряжения и создавать необходимые начальные условия, но также осуществлять фазовое регулирование в цепях двигателя и менять параметры системы питающих напряжений. Эти возможности делают не только принципиально возможным, но технически осуществимым и практически целесообразным управление электромагнитными переходными моментами и, следовательно, динамикой асинхронного электропривода.

В зависимости от характера нагрузки устройства плавного пуска обеспечивают различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателя и выходным напряжением.

Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой (U/f=const) реализуется простейшими преобразователями частоты для обеспечения постоянного момента нагрузки и используется для управления синхронными двигателями или двигателями, подключенными параллельно. Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжение/частота (U/f 2 =const).

К более совершенным методам управления относятся метод управления потокосцеплением (Flux Current Control — FCC) и метод бессенсорного векторного управления (Sensorless Vector Control — SVC). Оба метода базируются на использовании адаптивной модели электродвигателя, которая строится с помощью специализированного вычислительного устройства, входящего в состав системы управления преобразователя [2] .

Частотное регулирование скорости вращения

Вал электродвигателя вращается магнитным полем статора. Скорость зависит от частоты питающего напряжения. Электропривод будет работать эффективней, если дополнительно менять напряжение.

В состав устройства плавного пуска асинхронных двигателей может входить частотный преобразователь.

Первой ступенью устройства является выпрямитель, на который подается напряжение трехфазной или однофазной сети. Он собирается на диодах или тиристорах и предназначен для формирования пульсирующего напряжения постоянного тока.

В промежуточной цепи пульсации сглаживаются.

В инверторе выходной сигнал преобразуется в переменный заданной частоты и амплитуды. Он работает по принципу изменения амплитуды или ширины импульсов.

Все три элемента получают сигналы от электронной схемы управления.

Схемы плавного пуска

Вот исходная схема.

Схема жесткого пуска двигателей, через контакторы (исходная)

А вот как нехитро я изменил схему:

Схема с плавным пуском двигателей на софтстартерах

По настройкам – коротко. Тут три регулировки – время разгона, время замедления, и начальное напряжение.

Можно было бы использовать одно устройство плавного пуска, и контакторы выбора двигателя (переключать одно устройство на два двигателя). Но это усложнит и сильно изменит схему, и понизит надежность. Что для такого стратегического объекта, как котельная, очень важно.

Перед тем, как подключить электродвигатель с асинхронным якорем, необходимо изучить «матчасть», без которой попытка запуска может привести к порче внутренних обмоток.

Промышленные сети

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором зачастую питается от промышленной трехфазной сети. В отличие от бытовой однофазной, здесь токи передаются сразу по 3 проводникам, причем происходит смещение на 120о, при этом амплитудные колебания одинаковы на синусоидальном графике.

Для примера, в однофазной сети график выглядит следующим образом.

Соединение звездой и треугольником

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым фазным ротором подключается методом «звезда» или «треугольник». Соединение может происходить:

1. В корпусе. Тогда на поверхности расположено 3 проводка.
2. Снаружи корпуса. В этом случае обмотки между собой никак не соединены. Снаружи расположено 6 проводов, которые соединяются шиной.

Стоит обратить внимание, что оба типа подключения рассчитываются одинаково. Но один и тот же асинхронный электродвигатель, соединенный с одной сетью, но разными подключениями, будет иметь разные показатели мощности.

Перед тем, как подключить электродвигатель – изучите инструкцию на корпусе. Зачастую там указывается рекомендуемое подключение. Также обязательно есть строчка о максимальной потребляемой мощности на пике работы.

На примере с фотографии видно, необходимая схема подключения электродвигателя – «звезда» и максимальная мощность составляет 1 кВт.

Что означают провода на стартере

Ниже представлены обозначения выводов стартера асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Соединение с фазосдвигающим компонентом

Как было сказано, в трехфазных сетях фазы сдвинуты относительно друг друга на 120о. В бытовых розетках это не встречается, поэтому необходимо произвести смещение искусственно.

Для пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором используются фазосдвигающие элементы. Движок при этом может работать в однофазном темпе, либо в конденсатором. Посмотреть подключение можно на схемах ниже.

Схемы а. б и д используются в случае, если на корпус выведено всего 3 провода, т.е. соединение произведено внутри. В одном случае асинхроник будет работать в однофазном режиме, а мощность упадет на половину.

При конденсатором подключении, как на схемах подключения трехфазного двигателя В, Д и Е, мощность упадет только на 25-20%.

Расчет емкости конденсатора рассчитывается по следующим формулам. 1, 2, 3

1. Iном – это фазный ток, при подключении к промышленной сети 380В.
2. U1 – это напряжение в бытовой сети, т.е. 220В.

Способы управления асинхрониками

Устройство асинхронного двигателя допускает 2 вида подключения:

• прямое от сети;
• через устройство плавного пуска электродвигателя.

Прямое подключение к сети питания

В этом используется способы пуска асинхронного через магнитный пускатель. В этом случае возможен относительно безопасный запуск и плавная работа. Дополнительно рекомендуется установить реле контроля тепла, который защитит движок, если поступаемый ток превысит номинальные границы.

Существуют схемы с реверсом и без него.

Схемы с реверсом

Пояснение принципа действия асинхронного двигателя с нереверсивной схемой подключения:

1. L. Контактные площадки для подключения к сети.
2. QF 1. Выключатель-автомат.
3. SB 1. Аварийная остановка.
4. SB 2. Пауза.
5. КМ 1. Магнитный пускатель.
6. КК 1 . Реле теплового контроля.
7. HL 1. Контрольная лампочка.
8. М. Сам двигатель.

Реверсивная схема

Схема реверсивного пускателя:

1. L. Контактные площадки для подключения к сети.
2. QF 1. Выключатель-автомат.
3. КМ. Магнитный пускатель.
4. КК 1. Реле теплового контроля.
5. М. Двигатель.
6. SB 1. Остановка.
7. SB 2. Движение «Вперед».
8. SB 3. Реверс.
9. HL. Контрольные лампочки.

Настройка плавного пуска

Устройство плавного пуска электродвигателя (УПП) позволяет защитить устройство от внезапных скачков фазного тока в момент включения. Оно обеспечивает относительно медленный пуск стартера, что сохраняет внутренние блоки движка от внезапных повреждений.

Самостоятельно изготавливать УПП не стоит – можно приобрести готовые устройства. Главное — найти устройство, соответствующее механическим характеристикам асинхронного трехфазного двигателя.

Также обращайте внимание на маркировку УПП. Они бывают амплитудными и фазными. Для асинхроников требуются вторые, т.е. первые подходят только для слабонагруженного оборудования.

Функциональные возможности

Устройство мягкого пуска электродвигателя насоса выполняет ряд функций:

• Не только плавный запуск, но и постепенная остановка агрегата. УПП увеличивает время остановки двигателя насоса по сравнению со временем остановки самовыбегом. Это снижает силу гидравлических ударов.
• Энергосбережение (в отдельных устройствах). Данная функция одновременно со снижением нагрузки на электродвигатель уменьшает потребление электроэнергии. Экономии удается достичь за счет понижения напряжения на обмотках привода, но при этом увеличивается гармоническая нагрузка на сеть и возникают дополнительные энергопотери, которые проявляются при коммутации тиристоров. К тому же, при работе в этом режиме сбережения электроэнергии ток в приводе отличен от синусоидального, увеличивается потребление реактивной мощности, появляются пульсации момента и скорости, в результате все плюсы этого режима сводятся на нет.
• Выполнение в автоматическом режиме коммутирования исходя из уровня и показателей давления жидкости.
• Защита оборудования от «сухого хода», то есть работы без жидкости.
• Защита оборудования при критическом снижении напряжения из-за блокировки трубы или низкого уровня рабочей среды.
• Защита от перенапряжения на входе преобразователя. Это предотвращает повреждение агрегата из-за попавшего внутрь него мусора.
• Автоматический перезапуск. Он позволяет насосному оборудованию работать без перерывов.
• Защита от опрокидывания фазы. Благодаря этому механизм не повреждается из-за вращения насоса в обратную сторону.
• Индикация включения, отключения насоса, а также при возникновения аварийной ситуации.
• Осуществление местного обогрева.

Выполнение ряда этих функций предупреждает аварийные ситуации, вероятность возникновения которых очень высока при отсутствии УПП.

Использование мягких пускателей позволяет избавиться от всех перечисленных выше проблем, снизить трудозатраты на обслуживание насосного оборудования в целом. Использование УПП можно отнести к «ресурсосберегающей» технологии, которая значительно продляет срок эксплуатации как самого электрического двигателя, так и насоса.