Устройство плавного пуска электродвигателя: принцип работы асинхронного электродвигателя

Схема работы устройства плавного пуска, его назначение и конструкция

Электрические двигатели являются простыми и надежными машинами, но имеют и некоторые недостатки, которые усложняют их использование. В частности, при запуске такие устройства имеют высокие значения потребляемого тока и без специальных устройств запускаются с рывком из-за несогласованности крутящего момента двигателя и нагрузки на его валу. Дополнительными приборами, которые обеспечивают плавную работу двигателя при запуске и позволяют снизить пусковые токи называют устройствами плавного пуска.

Что такое устройство плавного пуска

Устройство плавного пуска (УПП) – это электротехнический прибор, который применяется в работе асинхронных двигателей и позволяет контролировать и управлять его запуском и параметрами для безопасной работы в сети переменного тока. Такое устройство снижает воздействие на двигатель ряда негативных факторов, в том числе уменьшает вероятность повышенного нагрева двигателя, устраняет рывки, обеспечивая плавный запуск и выход на рабочую нагрузку. Также устройства плавного пуска снижают негативное влияние на электрическую сеть посредством уменьшения пусковых токов электродвигателя.

Часто устройство плавного пуска электротехнические специалисты и люди, связанные с работой электродвигателей, называют такие приборы «мягкими пускателями». Это связано с тем, что на английском языке (а большинство качественных устройств – импортного производства) эти устройства называются «soft starter», что и означает «мягкий пускатель».

Плавный пуск электродвигателей с помощью преобразователей частоты и мягких пускателей позволяет решать большое количество задач и управлять работой электродвигателя в широких пределах его параметров. Особенно часто УПП применяют при работе в условиях тяжелого пуска (с большой инерцией или запуском под нагрузкой с четырехкратными пусковыми токами, с разгоном двигателя не менее 30 секунд) и особо тяжелого пуска (при шести или восьмикратных значения пусковых токов и большим временем разгона двигателя).

Также УПП применяют при сниженной или ограниченной мощности электрической сети, когда пусковые токи могут создавать значительные перегрузки в сети, в том числе с влиянием на автоматическое защитное оборудование, которое при высоких значениях пускового тока, даже кратковременного воздействия, отключает питание.

Сфера применения устройств плавного пуска достаточно обширна: их применяют в работе насосных агрегатов, в вентиляционном и компрессорном оборудовании, на электродвигателях тяжелых производств и в строительстве, в дробильном оборудовании, на конвейерах, эскалаторах и в других механизмах и оборудовании.

Принцип работы

Главный минус электродвигателей асинхронного типа – это то, что момент силы на валу пропорционален квадрату напряжения, которое приложено к электродвигателю. Это создает сильные рывки при запусках и в момент прекращения работы, что также повышает значения индукционного тока.

Устройства плавного пуска могут быть механическими и электрическими, а также комбинированными сочетая в себе положительные черты обоих устройств.

Механические устройства плавного пуска работают по принципу противодействия резкому увеличению оборотов электродвигателя влияя на его ротор механическим способом при помощи тормозных колодок, различных муфт, противовесов, магнитных блокираторов и прочих механизмов. Такие механизмы в последнее время применяются не часто, так как есть более совершенные устройства электрического управления.

Электрические УПП постепенно повышают ток или напряжение от опорного уровня до максимального, что позволяет плавно наращивать обороты электродвигателя и снизить нагрузки и пусковые токи. Чаще всего электрические устройства плавного пуска управляются электронным способом при помощи компьютерных систем или электронных приборов, что позволяет изменять параметры запуска и контролировать динамические характеристики. Мягкие пускатели позволяют изменять режимы работы электродвигателя в зависимости от приложенной нагрузки и позволяют реализовать ту или иную зависимость между скоростью вращения вала и напряжением.

Принцип работы электрических устройств основывается на двух методах:

  1. Метод ограничения тока в обмотке ротора – реализуется при помощи катушек, соединенных по схеме «звезда»;
  2. Метод ограничения напряжения и тока в статоре (при помощи тиристоров, симисторов или реостата).

По способу регулировки также различают одно-, двух и трехфазные устройства. УПП с регулировкой напряжения по одной фазе применяют для оборудования до 10 кВт, положительные моменты при таком регулировании – это снижение динамических ударов и рывков при старте, негативные – несимметричная нагрузка при запуске и большие пусковые токи. Мягкие пускатели с регулировкой по двум фазам позволяют снизить пусковые токи и нагрев двигателя при старте и используются в условиях среднетяжелого пуска. Трехфазные устройства плавного пуска значительно снижают пусковые токи и позволяют плавно останавливать электродвигатель, а также обеспечивать аварийное отключение. Такие устройства применяют при тяжелом пуске со значительной нагрузкой, а также с частыми включениями/отключениями двигателя.

Схема подключения электродвигателя к УПП

Для того, чтобы подключить устройство плавного пуска к электродвигателю и питающей сети следует руководствоваться инструкцией на данный тип прибора, там будут указаны все важные аспекты при подключении: последовательность цепи, выводы заземления и нейтрали, а также правильная наладка пуска, разгона и торможения. Но в целом, существуют стандартные способы подключения, которые подходят для большинства устройств плавного пуска.

Каждое УПП имеет контакта на входе и столько же на выходе для подключения фаз, систему управления пуском и остановкой (кнопки ПУСК, СТОП), другие кнопки и контакты управления. К устройству подводят питающие кабели на входные клеммы (обычно это обозначения L1, L2, L3), а от выводных клемм (обозначения T1, T2, T3) подключают электродвигатель. При этом важно подключать УПП к сети через вводной автомат защиты и использовать при подключении двигателя к устройству плавного пуска и самого УПП к сети кабели с номинальным сечением, соответствующем предельному значению тока двигателя.

Некоторые устройства могут управляться не только с переключателей и устройств управления на самом приборе, но и через контакты реле или контроллера – это усложняет схему подключения прибора, но расширяет его возможности.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя – назначение устройства и схема его подключения

То, что в асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором при пуске появляются высокие токи, известно. Теоретически эта проблема решена довольно-таки давно (плавные способы пуска известны), но вот на практике эти технологии использовались редко. В настоящее время многое изменилось. Научно-технический прогресс принес в последнее время много разработок в электронной технике, благодаря чему стали производиться компактные устройства, очень эффективные и удобные, которые обеспечивали плавный пуск асинхронного электродвигателя. Их еще называют софтстартеры.

Эти устройства помогает запускать асинхронный электродвигатель без рывков и нагрузки, что обеспечивает долгосрочную эксплуатацию и самого двигателя, и исполнительных механизмов, которые напрямую соединены с валом мотора. Обычно в качестве таких устройств выступают редукторы разных модификаций.

  • Если в схеме подключения не использовать устройство плавного пуска, то пусковой момент приводит к постепенному разрушению двигателя, особенно быстро выходят из строя подшипники.
  • Но и не только подшипники. Высокое пусковое напряжение и ток, превышающие номинальный в 6-10 раз, становятся причиной износа изоляции обмоток и пробивки медного провода, подгорают контакты.
  • К тому же подводящий питающий кабель рассчитывается с учетом именно максимального значения пускового тока. А это повышение его сечения, а, значит, повышение стоимости проводки, плюс перерасход самой электроэнергии.
  • При этом необходимо учитывать тот факт, что электродвигатель при пуске забирает на себя большое напряжение, что создает «просадку» напряжения в смежных электрических сетях. А это негативно влияет на технологическое оборудование в этих сетях, потому что напряжение в них резко падает. Это, во-первых, приводит к некорректной работе оборудования, во-вторых, снижает срок его эксплуатации.
  • В добавлении можно сказать, что пуск асинхронного двигателя создает достаточно серьезные электромагнитные помехи, что в свою очередь становится причиной нарушения работы электронных приборов и оборудования. При этом необязательно чтобы эти приборы были запитаны в электрическую схему электродвигателя. Начинают плохо работать даже те, которые просто рядом расположены с ним.

И еще есть один момент, который иногда не учитывается. Если при пусковом моменте асинхронный электродвигатель перегрелся или вообще сгорел, то используемая в его конструкции трансформаторная сталь теряет свои технические характеристики, слишком высока температура перегрева. Если такой двигатель отремонтировать, то гарантированно, что его мощность будет ниже номинальной приблизительно на треть. Поэтому такие моторы устанавливать на старое место не рекомендуется. Он просто не потянет нагрузки, для которых агрегат предназначен.

Вот такие негативные моменты есть у асинхронного двигателя, который работает без устройства плавного пуска.

Назначение устройства плавного пуска

Начнем с того, что это устройство объединяет в себе две функции: плавного пуска и торможения. Производители комплектуют их еще дополнительными опциями: связь с автоматикой и защитными функциями.

Теперь схема пуска асинхронного двигателя. В основе этого процесса лежит постепенный подъем напряжения, что обеспечивает медленный разгон вращения вала мотора (ротора). Это и приводит к снижению пусковых токов. Есть в этом деле три параметра, которые определяют плавный пуск. Это:

  • Начальное напряжение. Оно должно быть меньше номинального на 40-70 процентов.
  • Время, за которое вал электродвигателя разгонится до номинальной скорости. Здесь процесс происходит так: сначала подается напряжение скачком, которое доводится до начального, после чего уже напряжение увеличивается плавно до номинального.
  • Время торможения.

Применяя эту технологию пуска с установкой и подключением софтстартеров, можно отказаться от системы реле, включателей, магнитных пускателей и контакторов, и при этом создается надежная защита от перегрузок и перегревов, от пробивки изоляции и возникновения электромагнитных помех. Но самое главное, что конструкция устройства плавного пуска асинхронных двигателей очень проста. Их легко подсоединить к двигателю, главное точно подобрать прибор по параметрам. Вот схема такого подключения:

Как правильно выбрать устройство плавного пуска

  • В основе выборе лежит тот самый максимальный пусковой ток. В устройстве величина тока должна быть больше пускового у электродвигателя.
  • Обязательно надо обратить внимание, сколько пусков может за час выдерживать устройство. Обычно этот показатель в паспорте софтстартера указывается. Поэтому его придется подбирать под технологию, в которой установлен сам электродвигатель. Где-то его будут включать один раз в день, а где-то за час могут включить и отключить несколько раз.
  • И, конечно, это питающее напряжение. В паспорте устройства плавного пуска этот показатель обязательно указывается.

В принципе, это все, что можно было бы сказать о таком эффекте, как плавный пуск асинхронного двигателя.

Читайте также:  Подключение спутниковой антенны самостоятельно, порядок настройки и установки

Устройство плавного пуска — что и как?

Устройства плавного пуска электродвигателей являются статическими электронными или электромеханическими устройствами, предназначенными для плавного ускорения и плавного замедления, а также для защиты трехфазных индукционных электродвигателей.

Устройства плавного пуска УПП осуществляют действия по снижению величины пускового тока и помогают осуществить согласование крутящего момента двигателя и момента нагрузки.

Принцип работы устройства плавного пуска

Управление напряжением, подаваемым на двигатель, осуществляется посредством изменения угла открытия тиристоров. В устройстве находятся два встречно-включенных тиристора, предназначенных для положительного и отрицательного полупериодов. Сила тока в третьей фазе, оставшейся без управления складывается из токов фаз под управлением.

После осуществления настройки, значение вращающего момента при пуске машины оптимизируется до предельно низкой величины пускового тока. Значение тока электродвигателя уменьшается параллельно значению установленного пускового напряжения на пуске. Величина пускового момента уменьшается в квадратичном отношении к напряжению.

Уровень напряжения осуществляет контроль пускового тока и момента двигателя при запуске и остановке двигателя.

Наличие в устройстве байпасных контактов, которые шунтируют тиристоры, способствует понижению тепловых потерь в тиристорах, а соответственно понижению нагрева всего устройства. Встроенная электронная дугогасительная система защищает контакты в случае появления повреждений в результате непредвиденных сбоев в работе, например, при прерывании подачи напряжения, возникновении вибрации или дефекте контактов.

Рис 1. Внешний вид устройства плавного пуска 3RW30

Рис 2. Внутренняя схема устройства управления плавным пуском 3RW30

Баланс полярности

Недостаток 2-фазного управления в устройстве плавного пуска асинхронного двигателя проявляется в появлении постоянного тока, вызванного фазовой отсечкой и наложением фазных токов, при которых возникает сильный акустический шум, выделяемый электродвигателем.

Применение метода «баланс полярности» значительно понижает влияние значений постоянного тока во время разгона двигателя, соответственно снижается акустическая характеристика запуска, достигается это благодаря балансированию полуволн различной полярности в процессе разгона двигателя.

Интерфейс устройства

Интерфейс устройства плавного пуска УПП «человек-машина» разрешает производить настройку параметров, существенно облегчая и упрощая осуществление процесса запуска и эксплуатации двигателя. Встроенная функция управления насосом предотвращает возникновение гидравлического удара.

Рис3. Интерфейс устройства плавного пуска

Рис. Б. прикладной модуль AS-интерфейса

Рис 4. Устройство плавного пуска электродвигателя — схема фидерной комбинации с AS-интерфейсом

Интерфейс состоит из двух дисплеев с сегментными индикаторами и ЖК-дисплеем, позволяющим обеспечить видимость на значительном расстоянии, включает в свой состав описание параметров и сообщений.

В возможности аппаратуры входит выбор режима программирования и языковые опции. Осуществляет копирование параметров из одного устройства в другое, увеличивая скорость программирования, повышая надежность оборудования и получая возможность корректирования и внесения идентичных параметров на одинаковых машинах.

Плавный пуск для однофазного двигателя

Устройство плавного пуска однофазного электродвигателя, применяемого в быту, активируется при подаче

Uк выводам L1 и L2.

Рис 5. Схема лицевой панели устройства TSG предназначенного для однофазного двигателя

Происходит увеличение значение линейного напряжения в течение определенного отрезка времени до достижения его предельного значения. Выводы Т-2 и Т-3 постоянно запитаны от питающей сети. Время процесса регулируется регулятором, в диапазоне до 20 сек. С повышением параметров напряжения происходит увеличение вращающего момента. После окончания запуска, через шунтирующий контактор (байпас) происходит подключение двигателя от сети.

Рис. 6. Схема работы устройства плавного пуска TSG при положении регулятора момента вращения Моn =0, при котором начинается цикл плавного пуска

Устройство плавного пуска электродвигателя насоса

Устройство плавного пуска для насоса с использованием преобразователя частоты осуществляет следующие операции это:

  1. Осуществление плавного пуска и торможения насосного агрегата.
  2. Производство автоматического коммутирования в зависимости от показателей уровня и параметров давления жидкости.
  3. Защиту агрегата от «сухого хода», то есть без жидкости.
  4. Защита агрегата при критическом снижении параметров напряжения.
  5. Осуществление защитных действий от перенапряжения на входе преобразователя.
  6. Сигнализирует о включении, отключении агрегата, а также при аварии.
  7. Осуществляет местный обогрев.

Рис. 7. Устройство плавного пуска схема принципиальная, для автоматизации работы погружного насоса с поддержкой давления в полном автоматическом режиме

Подключение электродвигателя осуществляется от контактов U,V,W преобразующего частотного устройства. Пусковая кнопка SB2 вызывает срабатывание реле К1 через ее контактную группу происходит соединение вводов STF и PS частотного преобразователя, который производит плавный запуск электрического насоса, который осуществляется по заложенному программному обеспечению, включенному в настройку устройства.

Датчик определяющий давление ВР1 запитан от ввода преобразователя, делает возможной наличие обратной связи в цепи стабилизирующей давление. Работа этой системы происходит при обеспечении ПИД-регулятора. Потенциометр К1 или частотный преобразователь выполняют функцию по поддержанию заданных параметров давления. Насосный агрегата, при появлении «сухого» хода, должен отключаться для зашиты, в этом случае, контакты 7-8 в цепи катушки реле К3 замыкаются, отключение происходит при срабатывании датчика «сухого» хода подключенного от реле сопротивления А2 . Реле К2 осуществляет защитную функцию по отключению электродвигателя агрегата при аварии. При аварии происходит включение лампыНL1, лампа НL2 зажигается после срабатывания датчика реагирующего на понижение водяного уровня, на недопустимое значение.

Термореле ВК1 осуществляет включение подогрева шкафа управления контактором КМ1, электронагревателей ЕК1 и ЕК2. Защита устройства от тока короткого замыкания и перегруза производится автоматом QF1.

Высоковольтное устройство плавного пуска его отличительные особенности

Рис 8. Схема высоковольтного устройства плавного пуска

К отличительным особенностям относятся:

  1. Наличие оптоволоконного управления тиристорами.
  2. Управление на микропроцессорах.
  3. Способность к работе при повышенной температуре.
  4. Возможность задания различных алгоритмов и характеристик пуска и торможения для разных видов нагрузки.
  5. Способность к интеллектуальной защите.
  6. Возможность осуществления пуска при слабых источниках питания.
  7. Осуществление степени защиты от IP 00 доIP 65

Важно: при наладке устройства плавного пуска нужно чтобы установленное время разгона было больше физического времени разгона двигателя, иначе присутствует возможность получения повреждения устройства, так внутренние байпасные контакты замыкаются по истечении времени пуска. В том случае если не произошел разгон двигателя, может выйти из строя система байпасных контактов.

Важно: автоматический повторный пуск опасен не только повреждением устройства, но и может привести к смерти людей и тяжелому травматизму.

Команда запуск, обязана сбрасываться до команды сброса, так как при наличии команды запуска после команды сброса, автоматически выполняется повторный перезапуск. Особенно это касается защиты двигателя.

Для безопасности желательно присоединить выход общей ошибки в систему управления.

Рекомендация: нежелательность автоматического пуска, диктует необходимость присоединения дополнительных компонентов, например, устройства выпадения фазы или нагрузки, с цепями управляющего и главного тока.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

Асинхронные электродвигатели, помимо очевидных преимуществ имеют два существенных недостатка – большой пусковой ток (до семи раз больше номинального) и рывок на старте. Данные недостатки негативно влияют на состояние електросетей, требуют применения автоматических выключателей с соответствующей времятоковой характеристикой, создают критические динамические нагрузки на оборудование.

С эффектом запуска мощного асинхронного двигателя знакомы все: «проседает напряжение и сотрясается все вокруг электродвигателя. Поэтому, для уменьшения негативных воздействий были разработаны способы и схемы, позволяющие смягчить рывок и сделать запуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором более плавным.

Способы плавного пуска асинхронных двигателей

Кроме негативного влияния на цепи питания и окружение, стартовый импульс электродвигателя вреден и для его обмоток статора, ведь момент увеличенной силы при запуске прикладывается к обмоткам. То есть, сила рывка ротора усиленно давит на обмоточные провода, тем самым убыстряя износ их изоляции, пробой которой называют межвитковым замыканием.

Иллюстрация принципа действия асинхронного электродвигателя

Поскольку конструктивно нельзя уменьшить пусковой ток, придуманы способы, схемы и аппараты, обеспечивающие плавный пуск асинхронного двигателя. В большинстве случаев, на производствах с мощными линиями питания и в быту данная опция не является обязательной – так как колебания напряжения и пусковые вибрации не оказывают существенного влияния на производственный процесс.

Графики изменения токов при прямом запуске и при помощи устройств плавного пуска

Но существуют технологии, требующие стабильных, не превышающих норм параметров, как электроснабжения, так и динамических нагрузок. Например – это может быть точное оборудование, работающее в одной сети с чувствительными к напряжению потребителями электроэнергии. В этом случае, для соблюдения технологических норм для мягкого запуска электродвигателя применяют различные способы:

  • Переключение звезда – треугольник;
  • Запуск при помощи автотрансформатора;
  • устройства плавного пуска асинхронного двигателя (УПП).

В приведенном ниже видео перечислены основные проблемы, возникающие при запуске электродвигателя, а также описаны достоинства и недостатки различных устройств плавного пуска асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.


По-иному УПП еще называют софт стартерами, от английского «soft» – мягкий. Ниже будут кратко описаны виды и предлагаемые опции в широко распространенных УПП (софт стартерах). Также вы можете ознакомиться с дополнительными материалами по устройствам плавного пуска

Промышленные софт стартеры для электродвигателей различной мощности

Ознакомление с принципом плавного запуска

Для того, чтобы осуществить плавный пуск асинхронного электродвигателя максимально эффективно и с минимальными затратами, приобретая готовые софт стартеры, необходимо прежде ознакомиться с принципом действия подобных устройств и схем. Понимание взаимодействия физических параметров позволит сделать оптимальный выбор УПП.

При помощи устройств плавного пуска можно добиться снижения пускового тока до значения трехкратного превышения номинального (вместо семикратной перегрузки)

Для плавного пуска асинхронного электродвигателя необходимо уменьшить пусковой ток, что позитивно скажется как на нагрузке электросети, так и на динамических перегрузках обмоток двигателя и приводных механизмов. Достигают уменьшения пускового тока, снижая напряжение питания электродвигателя. Заниженное пусковое напряжение используется во всех трех предложенных выше способах. Например, при помощи автотрансформатора пользователь самостоятельно занижает напряжение при запуске, поворачивая ползунок.

Понижая напряжение на старте можно добиться плавного запуска електродвигателя

При использовании переключения «звезда-треугольник» меняется линейное напряжение на обмотках электродвигателя. Переключение осуществляется при помощи контакторов и реле времени, рассчитанное на время запуска электродвигателя. Подробное описание плавного пуска асинхронного электродвигателя при помощи переключения «звезда-треугольник» имеется на данном ресурсе по указанной ссылке.

Схема переключения «звезда-треугольник» с использованием контакторов и реле времени

Теория осуществления плавного запуска

Для понимания принципа плавного старта необходимо понимание закона сохранения энергии, необходимой для раскрутки вала ротора электромотора. Упрощенно можно считать энергию разгона пропорциональной мощности и времени, E = P*t, где P – мощность, равная умножению силы тока на напряжение (P = U*I). Соответственно, E = U*I *t. Поскольку для уменьшения пускового момента и снижения нагрузок на сеть необходимо уменьшить стартовый ток I, то сохраняя уровень потраченной энергии нужно увеличить время разгона.

Увеличение времени разгона за счет снижения пускового тока возможно только при небольшой нагрузке на валу. Это является основным недостатком всех УПП

Поэтому для оборудования с тяжелыми условиями старта (большой нагрузкой на валу во время запуска), применяются специальные электродвигатели с фазным ротором. Узнать о свойствах данных двигателей можно из соответствующего раздела в статье на данном ресурсе, перейдя по ссылке.

Читайте также:  Цоколь Е27: особенности и типы, отличие от Е14 миньон, в каких приборах применяется

Звигатель с фозім ротором, необходим для оборудования с тіжелім запуском

Также необходимо учитывать, что во время мягкого запуска происходит увеличенный нагрев обмоток и электронных силовых ключей пускового устройства. Для охлаждения полупроводниковых ключей необходимо использование массивных радиаторов, которые увеличивают стоимость аппарата. Поэтому уместно использование УПП для кратковременного разгона двигателя с дальнейшим шунтированием ключей прямым напряжением сети. Подобный режим (переключение байпас) делает компактней и дешевле электронное устройство плавного пуска асинхронных двигателей, но ограничивает количество запусков в определенном интервале ввиду требуемого времени для охлаждения ключей.

Структурная схема шунтирования силовых полупроводниковых ключей (байпас)

Основные параметры и характеристики УПП

Ниже в тексте будут приведены схемы аппаратов плавного запуска для изучения и собственноручного изготовления. Для тех, кто не готов осуществить плавный пуск асинхронного электродвигателя своими руками, полагаясь на готовое изделие, будет полезной информация о существующих разновидностях софт стартеров.

Пример аналогово и цифрового УПП, в модульном исполнении (устанавливается на DIN-рейку)

Одним из главных параметров при выборе УПП является мощность обслуживаемого электромотора, выраженная в киловаттах. Не менее важным является время разгона и возможность регулировки интервала запуска. Данными характеристиками обладают все существующие софт стартеры. Более совершенные УПП являются универсальными и позволяют настраивать параметры мягкого запуска в широком диапазоне значений относительно характеристик двигателя и требований технологического процесса.

Пример универсального софтстартера

В зависимости от типа софт стартера в них могут присутствовать различные опции, повышающие функциональность аппарата и позволяющие осуществлять контроль работы электродвигателя. Например, при помощи некоторых УПП возможно осуществление не только плавного запуска электромотора, но и его торможение. Более совершенные софт стартеры осуществляют защиту двигателя от перегрузок и позволяют также регулировать вращательный момент ротора при пуске, останове и работе.

Пример различий в технических характеристиках различных УПП от одного производителя

Разновидности софт стартеров

По способу подключения УПП подразделяются на три вида:

    Однофазные. Регулируют пусковое напряжение на одной фазе для уменьшения пускового момента. Обладают ограниченной функциональностью и не снижают пусковой ток. В виду удешевления полупроводниковых силовых ключей, однофазные УПП применяются редко.

Структурная схема однофазного УПП
Двухфазные. Осуществляют регулировку пускового тока по двум фазам, что позволяет улучшить динамические характеристики запуска двигателя, но не решают проблему с несимметричной «просадкой» напряжения. Используется в основном радиолюбителями, осуществляющими плавный пуск асинхронного электродвигателя своими руками, схема устройства приведена ниже.

Структурная схема двухфазного УПП
Трехфазные. Дают максимально возможное уменьшение пускового момента, снижая пусковой ток до минимально возможной трехкратной перегрузки. Позволяют осуществлять большой набор функций помимо плавного разгона – регулировку момента, торможение, слежение за параметрами, дистанционное управление, защиту от тепловых перегрузок, и т. д.

Структурная схема трехфазного УПП

УПП своими руками

Для самостоятельного изготовления УПП используемая схема плавного пуска асинхронного двигателя своими руками будет зависеть от возможности и навыков мастера. Самостоятельное смягчение пусковых перегрузок при помощи автотрансформатора доступно практически любому пользователю без специальных знаний, но данный способ является неудобным ввиду необходимости ручной регулировки старта электродвигателя. В продаже можно встретить недорогие устройства плавного запуска, которые придется самостоятельно подключить к электроинструменту, не обладая глубокими познаниями в радиотехнике. Пример работы до и после софт стартера, а также его подключение показано на видео ниже:


Для мастеров, обладающих общими знаниями в электротехнике, и владеющих практическими навыками электромонтажа подойдет для собственноручного осуществления плавного запуска схема переключения «звезда-треугольник». Данные схемы, несмотря на их солидный возраст, широко распространены и успешно используются по сей день ввиду простоты и надежности. В зависимости от квалификации мастера в сети интернет можно найти схемы УПП для повторения своими руками.

Пример схемы относительно простого двухфазного УПП

Современные софт стартеры имеют внутри сложную электронную начинку из множества электронных деталей, работающих под управлением микропроцессора. Поэтому для изготовления аналогичного УПП своими руками по имеющимся в сети интернет схемам необходимо не только мастерство радиолюбителя, но и навыки программирования микроконтроллеров.

Асинхронные электродвигатели. Принцип работы

Асинхронные электродвигатели – это надёжное, долговечное и недорогое устройство, преобразующее электроэнергию в механическую и позволяющее решить много задач в работе вентиляции, компрессии, подъёмных механизмов и многие другие.

Возможно и бытовое применение электродвигателей с малой мощностью.

В конце XIX века учёным Михаилом Доливо-Добровольским был разработан асинхронный электродвигатель (электродвигатель переменного тока). А уже в 1893г. была создана впервые в мире промышленная сеть переменного 3-фазного тока на базе элеватора в Новороссийске.
Сегодня невозможно представить не только производство, но и дом, в котором нет этого простого, но эффективного устройства.

Устройство асинхронного электродвигателя

Классическая конструкция двигателя включает в себя:

Статор – неподвижная (статичная) часть двигателя имеет цилиндрическую форму. Для минимилизации потерь из-за вихревых токов (токи Фуко) сердечник статора делают из тонких стальных пластин, которые изолированы окалиной или скреплены лаком. Сердечник статора имеет пазы, куда крепятся обмотки под углом 120 градусов по отношению друг к другу.

Ротор – подвижная часть, бывает двух видов:

  1. Короткозамкнутый представляет собой сердечник, состоящий из алюминиевых стержней накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка);
  2. Фазный, состоящий из трёхфазной обмотки, соединённой звездой или треугольником, и помещённой в пазы шихтованного сердечника ротора.

Обе части разделены воздушным зазором.

Принцип работы асинхронного электродвигателя

Иногда можно встретить определение асинхронного двигателя как коллекторного либо индукционного. Это объясняется тем, что посредством вращающегося поля статора индуцируется ток в обмотке.

В основу принципа работы асинхронного электродвигателя положено вращение магнитного поля. То есть электродвигатель приводится в движение вследствии взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

Синхронной скоростью двигателя называют скорость вращения магнитного поля статора, а скорость вращения ротора асинхронной, потому как она отличается от скорости вращения магнитного поля статора на 2-3%, когда двигатель вращается в холостую, и примерно на 5-8% при нагрузке. Это отставание обусловлено тем, что при совпадении скорости магнитного поля статора и скорости ротора в обмотках ротора перестала бы наводиться ЭДС и вращающий момент не появится. Разность между скоростями поля статора и ротора называют скольжением.

Рассмотрим принцип работы на примере 3х-фазного двигателя с тремя обмотками, установленными под углом 120 градусов, как показано на рисунке справа. Переменный ток проходит по обмоткам статора, создавая магнитное поле в каждой из катушек. Вращающееся магнитное поле статора наводит ЭДС в обмотках ротора. ЭДС в замкнутых проводниках создает ток, который при взаимодействии с магнитным полем приводит к вращению ротора. Скольжение с разгоном двигателя уменьшается, стремясь к 2-3% в холостом режиме.

Однофазные электродвигатели

Асинхронные двигатели переменного тока имеют одну рабочую обмотку. При протекании синусоидального напряжения по обмотке статора создается пульсирующее магнитное поле, изменяющееся по величине, но неподвижное в пространстве.

Основная проблема возникает при пуске двигателя.

В теории возможно запустить его, физически воздействуя на вал и задав вращение в любую сторону. На практике же выделяют 4 способа пуска однофазного двигателя:

    Электродвигатель CSIR с пуском с помощью конденсатора, работа через обмотку.

Наиболее многочисленная группа однофазных электродвигателей, ограничена мощностью 1,1 кВт. Конденсатор последовательно соединён с пусковой обмоткой, он создаёт отставание между пусковой и главной обмотками.
Это способствует сдвигу фаз пусковой и рабочей обмотки, образуя появление вращающегося поля, влияя на возникновение вращающего момента. При достижении рабочей частоты вращения открывается пускатель, и двигатель продолжает работать в обычном режиме.

Электродвигатель CSCR с пуском через конденсатор, работа через конденсатор.

Двигатели CSCR работают с постоянно подключённым конденсатором к пусковой обмотке и подключаемым при включении пусковым конденсатором. Являются лучшим вариантом для работы в сложных условиях. Конденсатор последовательно соединён с пусковой обмоткой, что обеспечивает высокий пусковой момент.
Электродвигатели CSCR – это самые мощные однофазные двигатели, их мощность достигает 11 кВт.
Могут использоваться для работы с низким током нагрузки и при более высоком КПД, что даёт преимущества: в частности, обеспечивает работу двигателя с меньшими скачками температур по сравнению с другими однофазными электродвигателями.

Электродвигатель RSIR с пуском через сопротивление, работа через обмотку.

Этот тип двигателей ещё называют: “электродвигатель с расщеплённой фазой”. Имеют ограничение по мощности до 0,25 кВт.
Наиболее дешёвый вариант однофазных электродвигателей.
Пусковое устройство двигателя RSIR имеет две обмотки статора, одна из которых используется только для пуска, диаметр этой обмотки меньше, что увеличивает сопротивление. Это создаёт отставание вращающегося поля, что приводит двигатель в движение.
Электронный пускатель отсоединяет пусковую обмотку при достижении приблизительно 75% от номинального значения. После чего двигатель продолжает работу в обычном режиме.

Примечание: данный тип электродвигателя имеет высокие пусковые токи от 700 до 1000% от номинального значения тока.
Продолжительный пуск может быть губительным для обмотки вследствие перегрева двигателя. Это означает, что их нельзя использовать там, где нужен большой пусковой момент.

Электродвигатель PSC с постоянным разделением ёмкости.

Данный электродвигатель оснащён постоянно включённым конденсатором, последовательно соединённым с пусковой обмоткой. Двигатель PSC не имеет конденсатора, который используется только для пуска. “Пусковая” обмотка становится вспомогательной в момент, когда двигатель достигает рабочей частоты вращения.
Наиболее подходят для областей применения с продолжительным рабочим циклом.
Есть ограничение по мощности – 2,2 кВт.

Трёхфазные двигатели

Трехфазные асинхронные электродвигатели, как правило, используются только на крупных промышленных предприятиях, т.к. для его работы требуется трёхфазное напряжение 380 В AC.

Читайте также:  Цвет провода земли в трёхфазной сети: международные требования к маркировке

Отличаются по мощности и количеству обмоток. С мощностью всё понятно, чем больше мощность, тем большее усилие создаётся на валу электродвигателя.

Количество обмоток влияет на частоту вращения двигателя, а именно:
при частоте трёхфазного тока f равной 50 Гц или 3000 периодов в минуту, число оборотов N вращающегося поля в минуту будет:

  • при 2 полюсах на статоре: N = (50х60) / 1 = 3000 об/мин,
  • при 4 полюсах на статоре: N = (50х60) / 2 = 1500 об/мин,
  • при 6 полюсах на статоре: N = (50х60) / 3 = 1000 об/мин,
  • при числе пар полюсов статора, равном P: N = (fх60) / P.

Коммутационная колодка трехфазного двигателя имеет 6 зажимов, которые соединяются с началом (U1, V1, W1) и концом (U2, V2, W2) обмотки каждой фазы.

Возможно подключение обмотки трёхфазного электродвигателя в двух режимах: «звезда» и «треугольник».

  • При подключении двигателя «треугольником» фазные концы обмоток подключаются последовательно друг с другом с напряжением 220 В AC.
  • При подключении двигателя «звездой» все выходные концы фазных обмоток соединяются в один узел с напряжением 380 В AC.

При малых напряжениях нагрузки рекомендуется использовать соединение «треугольник», при более высоких – «звезду».

При необходимости получить консультацию по подключению и работе электродвигателя,
а также по приобретению устройств, которые помогут улучшить его работу,
обращайтесь к специалистам Компании « РусАвтоматизация » .

Хотите сохранить
эту статью? Скачайте
её в формате PDF
Остались вопросы?
Обсудите эту статью
на нашей странице В Контакте
Хочешь читать статьи
первым, подписывайся на
наш канал в Яндекс.Дзен

Рекомендуем прочитать также:

Принудительное охлаждение электродвигателя

Пуск центробежного насоса

Применение УПП для центробежных вентиляторов

Обзор устройств плавного пуска –применение, принципы действия, разновидности, схемы включения

Проблема пускового тока

Одна из особенностей работы асинхронного двигателя, которую можно назвать недостатком – большой пусковой ток при старте, который может превышать номинальный в 8 и более раз. Это обусловлено принципом его работы – при подаче на него номинального напряжения он стремится сразу выйти на полную мощность. Данная особенность проявляется в большой мере при пуске через линейный контактор, это также называют прямым пуском двигателя.

В некоторых механизмах принципиально важно, чтобы пуск был плавный, без рывков и ударов. Это касается прежде всего технологического оборудования, у которого высокий момент инерции при запуске. Например, тяжелые маховики и конвейеры с продукцией, а также мощные насосы и вентиляторы.

Иными словами, большой пусковой ток и большой момент инерции механической нагрузки на валу двигателя – взаимосвязанные вещи, от который часто необходимо избавляться.

Кстати, в некоторых странах законодательно запрещено включать электродвигатели большой мощности прямой подачей напряжения, поскольку это создает помехи, падение напряжения и перегружает электросети, что может вызвать проблемы у других потребителей и даже стать причиной аварий.

Как обеспечить плавный пуск двигателя

Существуют несколько вариантов уменьшения пускового тока, которые используются на практике.

1. Применение преобразователей частоты. В этом случае можно обеспечить сколь угодно долгий разгон, а также ограничить превышение номинального тока, например, на уровне 110%. Это лучший способ плавного пуска, однако, он используется далеко не всегда, поскольку преобразователь частоты – дорогостоящее электронное устройство, которое имеет множество функций. Если нужно только ограничение пускового тока и плавный разгон, преобразователь частоты будет избыточен, и большинство его функций останутся не востребованы.

2. Схема «Звезда – Треугольник». Двигатель при этом должен быть таким, чтобы номинальное напряжение питания при включении его обмоток «треугольником» было 380 В. В этом случае двигатель запускается в два этапа. На этапе разгона обмотки включаются «звездой». Таким образом получается, что 380 В подается на схему, которая для нормальной работы требует напряжения порядка 660 В. Поскольку двигатель в «звезде» работает при пониженном напряжении, разгон (выход на рабочие обороты) получается сравнительно плавным. На втором этапе обмотки включаются «треугольником», и двигатель выходит на свою номинальную мощность. Минус этого способа – разгон получается ступенчатым, а пусковые токи могут принимать большое значение.

3. Когда речь идет только о минимизации пускового тока, наиболее оптимальный вариант – использование устройства плавного пуска (softstarter).

Ниже рассмотрим принципы работы устройств плавного пуска (УПП) и схемы их включения.

Как работает устройство плавного пуска

Рассмотрим пошагово, какие процессы происходят при работе УПП, и какие регулировки влияют на его работу.

В минимальной конфигурации устройства плавного пуска (УПП) имеют три регулировки – время разгона, время торможения, и напряжение пуска.

При включении действующее напряжение на двигателе определяется регулировкой напряжения пуска, которое обычно составляет 30…80 % от номинала. Понижение напряжения и его регулировка производится тиристорами, которые открываются (пропускают ток) только в части полупериода сетевого напряжения. Фазой открытия тиристоров можно менять напряжение на двигателе.

Таким образом, регулируя фазу открытия тиристоров, можно менять ток и крутящий момент двигателя.

В зависимости от конкретного случая может потребоваться большой начальный момент, чтобы двигатель мог тронуться с места. Но для уменьшения пускового тока начальное напряжение лучше устанавливать минимально возможным.

При большом времени разгона пусковой ток будет минимальным. Однако, следует выбирать его оптимальным, обычно 10…20 секунд, в зависимости от типа нагрузки. При слишком большом времени разгона возможен излишний нагрев тиристоров. Критерием оптимального времени разгона служит время выхода двигателя на номинальные обороты и номинальный рабочий ток. По истечении времени разгона включается контактор байпаса, который может быть установлен внутри УПП, или быть внешним. Во время работы двигателя на номинальном режиме весь питающий ток идет только через этот контактор, при этом тиристоры в работе не участвуют.

Если пришел сигнал на остановку двигателя, контактор байпаса выключается. Вступают в работу тиристоры, которые работают в обратном режиме – постепенно уменьшают фазу (время открытия в течение полупериода) с максимальной до нуля. Если время торможения не важно, то можно его установить минимальным (0-2 секунды), это увеличит ресурс тиристоров, и улучшит тепловой режим электрощита в целом. Двигатель будет останавливаться на выбеге, к ак при питании через обычный контактор. Но если важно исключить гидроудар, или плавно замедлить движение объектов без их резкой остановки и падения, то функция плавной остановки будет очень полезной.

В УПП также могут присутствовать такие регулировки: управление крутящим моментом двигателя, конечное напряжение при останове, номинальный ток двигателя, ограничение пускового тока. Современные УПП имеют ЖК-дисплей и кнопки управления, которые позволяют конфигурировать несколько десятков различных параметров для тонкой настройки.

Схемы включения

Как во всех подобных устройствах, в схеме включения УПП имеется силовая часть, и часть управления.

Силовая часть схемы – это та часть, через которую проходит ток питания двигателя. Ток двигателя поступает через силовые клеммы L1, L2, L3 (или R, S, T) на входы тиристоров или контактора байпаса, и затем через выходные клеммы T1, T2, T3 (U, V, W) подается на двигатель.

Схема управления включает в себя в основном цепи запуска и остановки. Напряжение питания цепей управления обычно составляет 24…220 В, и может быть внешним, либо браться из УПП.

С участием УПП можно реализовать схему плавного пуска электродвигателя с реверсом. Для этого нужно на входе установить реверсивный контактор по классической схеме. Важно сделать блокировку для предотвращения реверса двигателя во время его вращения.

Допускается запускать УПП и начинать вращение двигателя подачей питания на цепи управления и силовые цепи. Это может быть удобно при дистанционной подаче силового питания. Однако, при этом следует предусмотреть меры безопасности – обслуживающий персонал должен понимать, что при подаче питания на УПП двигатель может начать вращаться.

Пример схемы

Рассмотрим для примера схему включения УПП ABBPSTX.

В силовую часть входят: автомат защиты двигателя (вводной), тиристоры и контактор байпаса (внутри УПС), и собственно двигатель.

Для питания цепей управления подается фазное напряжение 220В и нейтраль на клеммы 1, 2. В УПП имеется встроенный блок питания, который вырабатывает напряжение 24 В для питания органов управления. Допускается также применение внешнего БП 24 В, при этом напряжение на клеммы 1, 2 подавать не нужно.

При соответствующем подключении и настройках кнопки могут быть как с фиксацией, так и без. Управление может производиться не только с кнопок, но и через контакты реле или контроллера.

Имеются и другие входы для различных режимов работы, а также три выходных реле с сухими контактами, которые могут использоваться по необходимости для включения дополнительных контакторов и индикации.

Защита

В дешевых УПП часто не реализована защита от перегрузки по току, перегреву и короткому замыканию. В таких случаях необходимо устанавливать нужную защиту и включать УПП по схеме, рекомендованной производителем.

В состав защиты могут входить:

  • Мотор-автомат (автомат защиты двигателя),
  • Полупроводниковые предохранители, либо защитные автоматы с характеристикой «В»,
  • Тепловое реле,
  • Короткое либо межвитковое замыкание в обмотках двигателя,
  • Контактор аварийной цепи, выключающий питание УПП при срабатывании внутреннего аварийного реле либо нажатии кнопки «Аварийный останов».

Пример неправильной установки защиты, в результате которой произошел пожар:

Следует сказать, что даже если в УПП входят все виды защит, необходимо на вводе силового питания и питания схемы управления устанавливать соответствующие защитные автоматы либо предохранители.

Двухфазные УПП

В некоторых бюджетных моделях управление выходным напряжением происходит только по двум фазам. Таким образом, происходит экономия на тиристорах и на одном контакте контактора байпаса.

Это решение имеет право на жизнь, и главный плюс таких УПП – цена.

Однако, имеются минусы, о которых стоит знать:

  • При запуске и торможении происходит перекос фаз, который приводит к дополнительному нагреву двигателя,
  • Пусковой ток по «прямой» фазе почти не уменьшается,
  • Постоянное присутствие фазного напряжения на двигателе представляет опасность для персонала.

Заключение

УПП нашли достойное место там, где не нужна регулировка скорости вращения двигателя, но важным аспектом является минимизация пусковых перегрузок питающей сети и приводимых в движение механизмов. Однако, в последнее время их всё больше вытесняют преобразователи частоты, которые имеют гораздо более широкий спектр возможностей управления двигателем.

Добавить комментарий