Схема подключения устройства плавного пуска электродвигателя

Рассмотрим подключение УПП на примере устройства MCD 201. Софт-стартер этой марки предназначено для приводов мощностью 7,5-110 кВт. УПП обеспечивает запуск и остановку на плавно изменяющимся напряжении (функция Timed Voltage Ramp – TVR) без обратной связи по току. Регулировка напряжения осуществляется по всем трем фазам. УПП имеет встроенный шунтирующий контактор.

УПП или устройства плавного пуска – электрооборудование для постепенного старта, разгона и торможения асинхронных электродвигателей. Вне зависимости от особенностей конструкции, софт-стартер состоит:

• Из безтрансформаторного преобразователя напряжения на базе силовых тиристоров и генератора импульсов. Этот элемент обеспечивает изменение напряжения, подаваемое на электродвигатель.
• Из микропроцессорного устройства управления. Этот блок формирует управляющие команды на генератор импульсов, осуществляет связь с оборудованием телекоммуникаций, осуществляет контроль параметров и прием сигналов с внешних датчиков.
• Из шунтирущих контарторов. Коммутационные электроаппараты переключают ток в обход силовых тиристоров после полного разгона электродвигателя. Это уменьшаетнагрев полупроводниковых устройств, снижает потребляемую мощность и исключает появление электромагнитных помех во время работы привода.

Устройства плавного пуска без встроенных обводных контакторов обычно имеют клеммы для подключения внешних аппаратов коммутации.

Компания Данфосс выпускает софт-стартеры VLT для приводов мощностью от 0,1 до 1200 кВт. В линейку УПП входят модели:

Устройства различаются по функционалу, электрическим характеристикам и другим параметрам.

Выбор УПП

Выбор софт-стартера делается при проектировании или модернизации электропривода. При этом учитываются требования к оборудованию, характеристики электросети и другие условия. Главными критериями являются:

При выборе также принимаются во внимание наличие функций динамического торможения, защиты от ненормальных режимов работы, поддерживаемые интерфейсы связи.

Подключение софт-стартера

Софт-стартер поддерживает протоколы связи PROFIBUS, DeviceNet, Modbus RTU, Profinet, Modbus TCP, Ethernet IP. Возможно подключение панели дистанционного управления. УПП MCD 201 используется с внешними аппаратами защиты электродвигателя.

Клеммная панель содержит следующие входы и выходы:

• 1,3,5. Предназначены для подключения к трехфазной сети. Перед УПП в цепь обязательно включают плавкие предохранители. Это необходимо для снижения вероятности пробоя тиристоров при коротких замыканиях и возникновении переходных процессов. Компания Данффос рекомендует применять аппараты марок Ferraz и Bussman. Опционально могут подключаться автоматический размыкатель и контроллер перегрузки.
• 2,4,6. К этим клеммам присоединяют обмотки статора электродвигателя.
• 13, 14. Входы для линейного контактора.
• 06, 05. Клеммы для датчика температуры обмоток электродвигателя. Для этой модели УПП требуется применять терморезисторы. Температура отключения двигателя – 2,8 кОм. При отсутствии датчика входы закорачивают перемычкой.
• А1, А2, А3, N1, N2. Входы цепей управления 24 В АС/DC; 110-240 АС и В 380 – 440 АС.

Подключение цепей управления

Запуск и остановка электродвигателя реализуется двух- или трехпроводными схемами.

Старт привода производится нажатием кнопки. Остановка электрической машины осуществляется повторным нажатием.

При выборе трехпроводной схемы, плавный пуск и торможение двигателя осуществляется нажатием кнопок “старт” и “стоп”.

УПП этой модели позволяет настраивать пусковое напряжение в диапазоне от 30% до 75% от номинального значения электросети. По умолчанию выставлено 50% . Длительность нарастания и снижения напряжения регулируется в интервале от 2-х до 20 секунд. Эта величина определяет время разгона и остановки электрической машины.

Все электрические соединения выполняются кабелями с медными жилами, рекомендованных производителями марок и сечения. Настойки привода и программирование УПП проводятся в соответствии с алгоритмом, указанным производителем. Перед пробным пуском для проверки работоспособности привода необходимо проверить схему подключения и корректность настроек.

Александр Ситников ( Кировская обл.)

Рассматриваемая в статье схема позволяет осуществить безударный пуск и торможение электродвигателя, увеличить срок службы оборудования и снизить нагрузку на электросеть. Плавный пуск достигается путём регулирования напряжения на обмотках двигателя силовыми тиристорами.

Устройства плавного пуска ( УПП) широко применяются в различных электроприводах. Структурная схема разработанного УПП приведена на рисунке 1, а диаграмма работы УПП – на рисунке 2. Основой УПП являются три пары встречно-параллельных тиристоров VS1 – VS6, включенных в разрыв каждой из фаз. Плавный пуск осуществляется за счёт постепенного

увеличения прикладываемого к обмоткам электродвигателя сетевого напряжения от некоторого начального значения Uначдо номинального Uном. Это достигается путём постепенного увеличения угла проводимости тиристоров VS1 – VS6 от минимального значения до максимального в течение времени Тпуск, называемого временем пуска.

Обычно значение Uначсоставляет 30…60% от Uном, поэтому пусковой момент электродвигателя существенно меньше, чем в случае подключения электродвигателя на полное напряжение сети. При этом происходит постепенное натяжение приводных ремней и плавное зацепление зубчатых колес редуктора. Это благоприятно сказывается на снижении динамических нагрузок электропривода и, как следствие, способствует продлению срока службы механизмов и увеличению интервала между ремонтами.

Применение УПП также позволяет снизить нагрузку на электросеть, поскольку в этом случае пусковой ток электродвигателя составляет 2 – 4 номинала тока двигателя, а не 5 – 7 номиналов, как при непосредственном пуске. Это важно при питании электроустановок от источников энергии ограниченной мощности, например, дизель-генераторных установок, источников бесперебойного питания и трансформаторных подстанций малой мощности

( особенно в сельской местности). После завершения пуска тиристоры шунтируются байпасом ( обходным контактором) К, благодаря чему в течение времени Траб на тиристорах не рассеивается мощность, а значит, экономится электроэнергия.

При торможении двигателя процессы происходят в обратном порядке: после отключения контактора К угол проводимости тиристоров максимален, напряжение на обмотках электродвигателя равно сетевому за вычетом падения напряжения на тиристорах. Затем угол проводимости тиристоров в течение времени Тторм уменьшается до минимального значения, которому соответствует напряжение отсечки Uотс, после чего угол проводимости тиристоров становится равным нулю и напряжение на обмотки не подается. На рисунке 3 приведены диаграммы тока одной из фаз двигателя при постепенном увеличении угла проводимости тиристоров.

На рисунке 4 приведены фрагменты принципиальной электрической схемы УПП. Полностью схема приведена на сайте журнала. Для её работы требуется напряжение трех фаз А, В, С стандартной сети 380 В частотой 50 Гц. Обмотки электродвигателя при этом могут быть соединены как « звездой», так и „треугольником“.

В качестве силовых тиристоров VS1 – VS6 применены недорогие приборы типа 40TPS12 в корпусе ТО-247 с прямым током Iпр= 35 А. Допустимый ток через фазу составляет Iдоп= 2Iпр= 70 А. Будем считать, что максимальный пусковой ток составляет 4Iном, откуда следует, что Iном ( по причине подключения двигателя большей мощности или слишком малого времени пуска), процесс пуска будет остановлен, поскольку сработает автоматический выключатель QF1 со специально подобранной характеристикой.

Параллельно тиристорам подключены демпфирующие RC-цепочки R48, C20, C21, R50, C22, C23, R52, C24, C25, предотвращающие ложное включение тиристоров, а также варисторы R49, R51 и R53, поглощающие импульсы перенапряжения свыше 700 В. Обходные реле К1, К2, К3 типа TR91-12VDC-SC-C с номинальным током 40 А шунтируют силовые тиристоры после завершения пуска.

Питание системы управления осуществляется от трансформаторного блока питания, запитанного от межфазного напряжения Uав. В блок питания входят понижающие трансформаторы TV1, TV2, диодный мост VD1, токоограничивающий резистор R1, сглаживающие конденсаторы С1, С3, С5, помехоподавляющие конденсаторы С2, С4, С6 и линейные стабилизаторы DA1 и DA2, обеспечивающие напряжение 12 и 5 В соответственно.

Система управления построена с применением микроконтроллера DD1 типа PIC16F873. Микроконтроллер выдаёт импульсы управления тиристорами VS1 – VS6 путём « зажигания» оптосимисторов ОРТ5-ОРТ10 (MOC3052 ). Для ограничения тока в цепях управления тиристоров VS1 – VS6 служат резисторы R36 – R47. Импульсы управления подаются одновременно на два тиристора с задержкой относительно начала полуволны межфазного напряжения. Цепи синхронизации с сетевым напряжением состоят из трёх однотипных узлов, состоящих из зарядных резисторов R13, R14, R18, R19, R23, R24, диодов VD3 – VD8, транзисторов VT1 – VT3, накопительных конденсаторов С17 – С19 и оптопар OPT2 – OPT4. C выхода 4 оптопар OPT2, OPT3, OPT4 на входы микроконтроллера RC2, RC1, RC0 поступают импульсы длительностью примерно 100 мкс, соответствующие началу отрицательной полуволны фазных напряжений Uab, Ubc, Uca.

Диаграммы работы узла синхронизации приведены на рисунке 5. Если принять верхний график за сетевое напряжение Uав, то среднийграфик будет соответствовать напряжению на конденсаторе С17, а нижний – току через фотодиод оптопары ОРТ2. Микроконтроллер регистрирует поступающие на его входы синхроимпульсы, определяет наличие, порядок чередования, отсутствие « слипания» фаз, а также производит расчёт времени задержки импульсов управления тиристорами. Входы цепей синхронизации защищены от перенапряжения варисторами R17, R22 и R27.

С помощью потенциометров R2, R3, R4 задаются параметры, соответствующие диаграмме работы УПП, приведённой на рисунке 2; соответственно R2 – Tпуск, R3 – Тторм, R4 – Uначи Uотс. Напряжения уставок с движков R2, R3, R4 поступают на входы RA2, RA1, RA0 микросхемы DD1 и преобразуются с помощью АЦП. Время пуска и торможения регулируется в пределах от 3 до 15 с, а начальное напряжение – от нуля до напряжения, соответствующего углу проводимости тиристора в 60 электрических градусов. Конденсаторы С8 – С10 – помехоподавляющие.

Команда « ПУСК» подаётся путём замыкания контактов 1 и 2 разъёма XS2, при этом на выходе 4 оптопары OPT1 появляется лог. 1; конденсаторы С14 и С15 производят подавление колебаний, возникающих вследствие „дребезга“ контактов. Разомкнутому положению контактов 1 и 2 разъёма XS2 соответствует команда „СТОП“. Коммутацию цепи управления запуском можно реализовать кнопкой с фиксацией, тумблером или контактами реле.

Силовые тиристоры защищены от перегрева термостатом B1009N с нормально-замкнутыми контактами, размещёнными на теплоотводе. При достижении температуры 80°С контакты термостата размыкаются, и на вход RC3 микроконтроллера поступает уровень лог. 1, свидетельствующий о перегреве.

Светодиоды HL1, HL2, HL3 служат индикаторами следующих состояний:

• HL1 ( зелёный) « Готовность» – отсутствие аварийных состояний, готовность к запуску;
• HL2 ( зелёный) « Работа» – мигающий светодиод означает, что УПП производит пуск или торможение двигателя, постоянное свечение – работа на байпасе;
• HL3 ( красный) « Авария» – свидетельствует о перегреве теплоотвода, отсутствии или „слипании“ фазных напряжений.

Включение обходных реле К1, К2, К3 производится путём подачи микроконтроллером лог. 1 на базу транзистора VT4.

Программирование микроконтроллера – внутрисхемное, для чего используется разъём XS3, диод VD2 и микропереключатель Дж1. Элементы ZQ1, C11, C12 образуют цепь запуска тактового генератора, R5 и С7 – цепь сброса по питанию, С13 осуществляет фильтрацию помех по шинам питания микроконтроллера.

На рисунке 6 приведён упрощённый алгоритм работы УПП. После инициализации микроконтроллера вызывается подпрограмма Error_Test, которая определяет наличие аварийных ситуаций: перегрев теплоотвода, невозможность синхронизироваться с сетевым напряжением вследствие потери фазы, неверного подключения к сети или сильных помех. Если аварийная ситуация не фиксируется, то переменной Error присваивается значение «0 », после возврата из подпрограммы зажигается светодиод „Готовность“, и схема переходит в режим ожидания команды „ПУСК“. После регистрации команды „ПУСК“ микроконтроллер производит аналого!цифровое преобразование напряжений уставок
на потенциометрах и расчёт параметров Тпуск и Uнач, после чего выдаёт импульсы управления силовыми тиристорами. По окончании пуска включается байпас. При торможении двигателя процессы управления выполняются в обратном
порядке.

Практика показала, что про устройства плавного пуска мы всё чаще вспоминаем только тогда, когда видим вышедший из строя редуктор приводного механизма, когда приходится менять преждевременно изношенные и никуда уже не годные приводные ремни, когда завариваем порывы труб, когда просадка питающего напряжения при включении того или иного агрегата выбивает все защиты и приводит не только вас, но и ваших соседей в ярость.

Перечень таких неприятных моментов можно продолжать сколько угодно долго, но и вышеприведенных фактов должно быть достаточно для того, чтобы задуматься: по какой причине все это происходит?

Своевременно приобретенный и подключенный софтстартер позволит избежать лишних затрат и мало когда уместной головной боли.

Устройство плавного пуска – это механическое, электротехническое или электромеханическое оборудование, необходимое для осуществления плавного пуска/останова электродвигателей с небольшим моментом страгивания рабочей машины.

Классификация устройств плавного пуска

Сегодня плавный пуск оборудования осуществляется с помощью трех типов устройств:

• УПП с одной управляемой фазой (адаптированы для маломощных двигателей)
• УПП с двумя управляемыми фазами (третья фаза подключается к сети напрямую)
• УПП со всеми управляемыми фазами

Сердцем силовой части устройства плавного пуска выступает симистор, последовательно включаемый между питающим проводником и обмоткой электродвигателя. Для справки: симистор представляет собой два встречно-параллельно включенных тиристора с управляющим входом. Тиристор отпирается только в том случае, когда выполнено условие приложения прямого напряжения типа анод-катод и одновременной подачи потенциала (отпирающий потенциал) или его импульса на управляющий электрод. Запирание катода осуществляется путем снижения токового значения в цепи "анод-катод-нагрузка" до величины, стремящейся к нулю. В структуре софтстартера тиристору отведена роль быстродействующего полупроводникового контактора, который включается напряжением и выключается током.

Важно учесть, что временной момент запирания при переходе через нулевое значение тока тиристора, через который происходит питание обмотки разгоняемого привода, всегда запаздывает относительно момента перехода синусоиды фазы напряжения через нулевой показатель по причине индуктивной составляющей. Готовые к использованию плавные пускатели уже предусматривают наличие симисторов, включаемых в одну, две или все три фазы. Когда обмотка соединена по принципу треугольника, имеется возможность включения симисторов не в фазу питания, а в разрыв обмотки. При этом токовое значение через симистор уменьшается в 1,73 раза, что, в конечном итоге, позволяет пользователю выбрать менее мощный и более доступный по цене софтстартер. Но такая ситуация удваивает число используемых кабелей.

Сравнительные технические параметры одно-, двух- и трёхфазного регулирования приведены ниже в таблице:

Однофазное регулирование. Нерегулируемые фазы в цикле разгона привода пропускают ток, соответствующий скольжению и моменту в конкретный временной отрезок. Так как по причине плавности пускового цикла время разгона становится больше, тепловой режим нерегулируемой обмотки может оказаться куда хуже, чем в условиях прямого пуска. Кроме того, важно учесть, что однофазные устройства плавного пуска не имеют возможности аварийного останова трёхфазного электродвигатель. Самое большое, что можно ожидать от софтстартера – это подача аварийного сигнала. Другими словами, такая схема будет актуальна только при необходимости смягчения пусковых токов в механической нагрузке в диапазоне до 11кВт и плавное торможение/длительный пуск/ограничение пускового тока не требуются.

Однофазное устройство плавного пуска ориентировано, прежде всего, на электродвигатели компрессоров в бытовых кондиционерах. Но также такое оборудование может быть успешно использовано для выполнения безопасного пуска однофазных нагрузок другого характера, при которых также будет обеспечено уменьшение ударных пусковых нагрузок и минимизация кратковременных перегрузок питающей сети. Но по причине удешевления тиристоров однофазные софтстартеры снимаются с производства. На их место приходят двухфазные.

Двухфазное регулирование. Двухфазные устройства плавного пуска адаптированы для электродвигателей мощностью не выше 250кВт. Они используются только тогда, когда узким местом при запуске является не ограничение тока до уровня гарантированной величины, а смягчение механической ударной нагрузки. Большинство моделей предусматривают наличие внутренних байпасных контакторов, что существенно снижает затраты на запуск одного или нескольких параллельно подключенных электродвигателей.

Трёхфазное регулирование. Этот тип регулирования рассматривается как наиболее оптимальное и технически совершенное решение. Трехфазные УПП позволяют получить симметричное по фазам ограничение тока и силы магнитного поля. Именно поэтому, относительно двухфазных плавных пускателей, в условиях того же крутящего момента силы в момент разгона электродвигателя, токовый режим предельно благоприятен и для привода, и для сети. Применение таких устройств плавного пуска универсально.

Принцип действия устройства плавного пуска

Принцип действия устройства плавного пуска базируется на том, что развиваемый двигателем механический момент находится в пропорции к квадрату приложенного к нему напряжения. Повышая опорное напряжение (начальный пониженный уровень) до максимального значения, появляется возможность выполнить плавный запуск и разгон электрического двигателя до номинальных оборотов.

Как правило, такие УПП используют амплитудные методы управления за счет чего успешно справляются с запуском приводов и оборудования как в холостом, так и в слабо нагруженном режиме. Более усовершенствованные плавные пускатели, относящиеся к новому поколению, основываются на фазовых методах управления, в силу чего такие устройства способны запускать электрические приводы, для которых свойственны тяжелые пусковые режимы «номинал в номинал». Применение таких устройств плавного пуска дает возможность чаще производить запуски оборудования, уменьшить пусковой «бросок» тока до минимальных значений, оптимизировать количество применяемых реле, выключателей и контакторов. Устройство плавного пуска однофазного двигателя и других приводных узлов обеспечат надежную защиту от аварийной перегрузки, заклинивания, обрыва фазы, перегрева и снизит интенсивность электромагнитных помех.

Подключение устройства плавного пуска

1 – Если подключение устройства плавного пуска выполняется стандартно (3 провода), то подключение электродвигателя может выполняться и по схеме «звезда», и по схеме «треугольник».
2 – Для электродвигателя той же мощности, при их подключении по схеме с внутренним соединением треугольником (6 проводов), потребляемая мощность УПП на 43% меньше, чем это требуется при стандартном 3-хпроводном соединении. Когда с плавным пускателем используется двигатель, подключенный по схеме с внутренним соединением треугольником, можно запускать электрический двигатели с мощностью на 73% выше, чем в условиях стандартного подключения (3 провода).
3 – Для запуска двигателя с подключением согласно схеме с внутренним соединением по типу «треугольник» (6 проводов), вторичные обмотки силового трансформатора соединяются по типу «звезда», нейтраль обязательно заземляется.

Более подробно о том, как подключить устройство плавного пуска, расскажут менеджеры нашей компании.