Устройства плавного пуска электродвигателя: функции, виды и стоимость решений

Одним из главных недостатков электродвигателя является наличие высокого пускового тока в момент его запуска. Кроме того, появляется значительная нагрузка на механические узлы оборудования, которое он приводит в действие. Чтобы избежать этих негативных эффектов, изобретены устройства плавного пуска (УПП).

На сегодняшний день в промышленности наибольшей популярностью пользуется асинхронный двигатель переменного тока. Его особенностью является простое устройство, экономичная эксплуатация, работа от трехфазной переменной сети, высокий КПД и эко-безопасность. Тем не менее, традиционное исполнение двигателя имеет несколько недостатков, которые уже не удовлетворяют современным требованиям рынка.

Важной проблемой является высокий пусковой ток, который при запуске двигателя создает большую нагрузку на питающую сеть, что может привести к снижению напряжения в сети и ухудшению качества электрической энергии. Это подвергает риску все устройства и приборы, подключенные к этой сети. Кроме того, резкий рывок при запуске также сокращает время эксплуатации механических узлов приводимого оборудования.

Чтобы решить эти проблемы были созданы устройства плавного пуска электродвигателей. В статье рассматривается выбор и задачи таких устройств, которые эффективно решают проблему высокого пускового тока и значительной нагрузки на механические узлы приводимого в действие оборудования.

Устройство плавного пуска (УПП) предназначено для решения проблемы скачкообразной подачи напряжения питания на электродвигатель. Из-за малого омического сопротивления обмотки статора двигателя и низкого рабочего индуктивного сопротивления в момент включения в сеть до выхода двигателя в "режим" сила тока сильно возрастает, что приводит к высокому пусковому току, достигающему 6-8-кратного (а порой и 10-12-кратного) увеличения номинального тока потребления. Поэтому запуск электродвигателя возможен только при наличии достаточной мощности источника тока, которая не всегда доступна на практике. В результате напряжение в питающей сети падает, что выливается в дополнительные финансовые затраты.

Высокие нагрузки на механические узлы также возникают из-за скачкообразной подачи напряжения питания. Устройство плавного пуска (УПП) предназначено для плавной подачи напряжения и разгона двигателя до номинальных режимов, что позволяет уменьшить пусковые токи, снизить вероятность перегрева электродвигателей, повысить срок их службы, устранить рывки в механической части электропривода в момент запуска электродвигателей, а также гидравлические удары в трубопроводах и задвижках в момент пуска и остановки насосов.

Принцип работы устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя основан на подаче управляющего напряжения на тиристоры, которые проводят ток после подачи напряжения и закрываются при прохождении значения тока через ноль. Таким образом, тиристоры, являющиеся основным конструктивным элементом устройства, соединяются по симисторной схеме для каждой фазы трехфазной системы.

В нужные моменты времени управляющее напряжение подается на управляющие электроды всех тиристоров, благодаря чему напряжение на силовых клеммах электродвигателя можно регулировать. При этом, поскольку крутящий момент электродвигателя является функцией квадрата приложенного напряжения, возникает возможность регулировать механические нагрузки в электроприводе. Также возможно плавное остановление электродвигателей, приводящих в действие низкоинерционные нагрузки.

Однако, такие устройства могут справляться только с невысокими нагрузками или запуском двигателя вхолостую. При увеличении времени запуска возникает опасность перегрева двигателя и полупроводниковых элементов устройства, которые также могут выйти из строя. Кроме того, снижение напряжения приводит к снижению крутящего момента на валу.

Более новейшие устройства плавного пуска отличаются отсутствием указанных недостатков и делятся на амплитудные и частотные. Хотя последние дороже и сложнее в установке и наладке, их использование оправдывает себя при эксплуатации в условиях, когда для решения задач необходимо изменять скорость вращения электродвигателя.

Существует два основных типа устройств плавного пуска (УПП):

1. Регуляторы напряжения без функции обратной связи.
2. Регуляторы напряжения с функцией обратной связи.

Давайте разберемся подробнее с каждой из этих групп.

1. Регуляторы напряжения без обратной связи: это наиболее распространенный тип УПП. Здесь регулировка может производиться по двум или трем фазам, но только по заранее заданной программе, которую устанавливает пользователь. В программе указывается время и начальное напряжение запуска. При таком способе пуска пусковой ток и момент уменьшаются. Кроме того, здесь есть возможность плавного останова. Однако невозможно регулировать момент в зависимости от нагрузки на двигатель.

2. Регуляторы напряжения с обратной связью: это усовершенствованный вариант предыдущей группы. Контролируют фазовый сдвиг между напряжением и током в обмотках статора, используя полученные данные для регулировки напряжения на клеммах двигателя таким образом, чтобы запуск гарантированно произошел с наименьшим значением пускового тока и достаточным значением механического крутящего момента. Также полученные данные используются для работы защит от перегрузки, дисбаланса фаз и пр.

Существуют также УПП, имеющие следящие цепи, которые позволяют контролировать нагрузку в каждый конкретный момент времени. Они подходят для приводов, характеризующихся тяжелыми и очень тяжелыми пусковыми режимами. Для таких приводов обычно рекомендуется использовать преобразователи частоты. Такие УПП позволяют эффективно снизить энергопотребление.

Применение устройств плавного пуска

В настоящее время устройства плавного пуска (УПП) широко используются во всех областях, где работают электродвигатели. Однако, при выборе конкретного устройства необходимо учитывать нагрузку на двигатель и частоту его запусков.

Если нагрузка на двигатель невелика, а запуск происходит редко (например, в шлифовальных станках, некоторых вентиляторах, роторных дробилках, вакуумных насосах), то для этих целей подойдут регуляторы без обратной связи или регуляторы пускового момента.

В случае, когда требуется работа с высокой нагрузкой, с частым и инерционным запуском (как, например, в ленточной пиле, центрифуге, сепараторе, распылителе, лебедке, вертикальном конвейере), целесообразно выбирать регуляторы напряжения с обратной связью и, возможно, с запасом по номиналу.

Однако следует помнить, что в Европе законодательно запрещено запускать электродвигатели мощностью 15 кВт и выше, если они не оснащены устройствами плавного пуска.

Фото: freepik.com