До цих пір ми говорили про застосування для управління обертанням електродвигунів досить складних за своїм устроєм статичних перетворювачів, які забезпечують повний набір функцій: плавний старт за заздалегідь визначеним законом, плавне гальмування, зміна частоти обертання після виходу на номінальний режим роботи і т д Було сказано багато слів на користь частотних перетворювачів, наведені їх приклади і змальовані відкриваються перспективи застосування Однак тут нам доведеться дещо засмутити читача: не завжди таке рішення виправдане з економічної точки зору, оскільки в ряді випадків досить забезпечити тільки плавний пуск (або плавне гальмування) електродвигуна Вирішити цю конкретну задачу дозволить стоїть трохи осторонь клас статичних перетворювачів, званий «софт-стартерами», або пристроями плавного пуску (УПП) В даний час практично всі випускаються промисловістю УПП мають функцію енергозбереження Чому Найпростіші розрахунки показують, що якби електродвигун зміг працювати з максимальним ККД у всіх режимах, включаючи пускові, то реальна економія електроенергії склала б цифру близько 40% На жаль, максимальний ККД асинхронного електродвигуна забезпечується тільки при його роботі на номінальне навантаження, і різко падає, якщо навантаження знижується

Коротенько нагадаємо читачеві про недоліки класичних способів запуску електродвигунів При виконанні так званого «прямого пуску», коли статорна обмотка електродвигуна безпосередньо підключається до мережі живлення, виникає кидок струму, багаторазово (до 10 крат) перевищує номінальні значення У цьому випадку включення двигуна супроводжується відчутним механічним поштовхом і різким нагріванням ізоляції статорних обмоток Механічний крутний момент за частки секунди може досягти 1,5-2,0-кратної величини в порівнянні з номінальним Досвід експлуатації електродвигунів в таких режимах показує, що додаткові пускові навантаження ведуть до перевищення допустимої температури обмоток і до зниження міцності їх ізоляції Крім того, різкі механічні навантаження ударного характеру призводять до передчасного зносу як самих електродвигунів, так і навантажень їх валів: насосних агрегатів, редукторів, різних трансмісій А це, в свою чергу, викликає нестабільну роботу і навіть поломку обладнання Прямий пуск електродвигунів володіє ще одним істотним недоліком: в моменти включення відбувається падіння напруги в мережі живлення через великі пускових струмів, що може чинити саме негативний вплив на інше обладнання, яке підключено до цієї мережі Саме з даної причини енергетичні служби комунальних господарств дозволяють для побутових мереж прямий пуск двигунів потужністю не більше 6 кВА

Досить широке поширення отримав метод зниження пускових струмів за допомогою перемикання обмоток двигуна «зірка-трикутник» Суть цього методу в наступному: спочатку обмотки двигуна зєднуються за схемою «зірка» Саме в такому зєднанні обмоток пусковий струм може бути зменшений в три рази в порівнянні з прямим пусковим струмом Далі, по закінченні 5 .. 15 с, коли двигун виходить на номінальну швидкість обертання, за допомогою механічного перемикача (контактора) обмотки двигуна перемикаються в схему «трикутник» На жаль, в цей момент комутації також відбувається струмовий стрибок і виникає механічний удар, хоча його величина менше, ніж в умовах прямого пуску

Ще один класичний метод пуску електродвигунів – автотрансформаторним Суть цього методу в тому, що двигун підключається до різних відведень автотрансформатора, стартуючи при подачі зниженої напруги і далі збільшуючи його у міру розгону Скачки струму і механічні удари тут ще менше, ніж у випадку застосування методу «зірка-трикутник» Однак автотрансформаторним метод рекомендувалося застосовувати в основному для двигунів, у яких неможливо здійснити комутацію «зірка-трикутник», а також для потужних двигунів Вартість такої системи пуску в практичній реалізації виявилася досить високою, тому автотрансформаторним метод не отримав скільки-небудь серйозного розповсюдження

У ряді випадків і до цього дня можна зустріти інші технічні рішення, що забезпечують полегшений режим пуску електродвигунів, що використовують зміна опору статорних обмоток в процесі розгону, або включають деякі пристрої, що встановлюються на обертові механічні частини двигунів Ми не будемо говорити про ці методи, так як вони виходять за рамки тематики книги

Які характеристики найбільш поширених механізмів, що використовуються в промисловості Центрифуги – мають великі інерційні маси, через що їх розкручування відбувається досить довго При прямому пуску центрифуг їхні двигуни тривалий час перебувають під впливом пускових струмів, відчуваючи великі динамічні дії Вентилятори – дуже схожі за своїми характеристиками на центрифуги, маючи незначні відмінності в динаміці встановлення номінальних навантажень Класичні вентиляторні установки часто проектуються з застосуванням методу перемикання «зірка-трикутник», оскільки прямий пуск призводить до дуже швидкої поломки підшипників і приводних ременів Дробарки – ще важчий варіант експлуатації електродвигунів, оскільки при пуску ці пристрої повинні відразу подолати номінальне Положення ускладнюється ще й тим, що дуже часто дробарки працюють на відкритому повітрі, при знижених температурах, які збільшують вязкість масляного змащення обертових частин, створюючи додатковий механічний момент, який електродвигуну треба долати Те ж саме відноситься до механічних млинів, мішалок вузьких середовищ і т д

Особливий вид навантаження – у підйомних механізмів і кранів Мало того, що двигун крана повинен забезпечувати реверс (зміна напрямку обертання), в момент реверсу, як і в момент прямого пуску, якщо ці операції виконуються різко, виникає небезпечне розгойдування вантажу через його інерційності Не менш важливо знизити пускові навантаження і в двигунах насосів – навіть якщо прийняті всі класичні заходи щодо зниження пускових навантажень, застосований метод «зірка-трикутник», все одно при пусках насосів можна спостерігати гідравлічні удари в трубопроводах, які в ряді випадків є причиною їх розриву

Стрічковий транспортер – ще один досить поширений вид механізму, який сьогодні можна зустріти не тільки на виробництві, але також і в повсякденному житті, наприклад, в супермаркетах – для подачі покупок до кас Різкі ривки стрічки при пуску можуть легко призвести до падіння і перекиданню встановлених на неї товарів Кому сподобається, наприклад, постійно падають з стрічки касового транспортера тендітні товари – скляні пляшки, пластикові контейнери

Вельми значний клас механізмів складають деревооб металообробні верстати, ручний інструмент, а також швейні машини Усіх їх обєднує характерна «дворежимним» роботи – режим холостого ходу і режим номінальної навантаження Причому перехід з режиму в режим виконується досить часто Оптимізація режиму холостого ходу цих механічних пристроїв дозволить заощадити значну кількість електроенергії

На рис 151 наведені типові криві струму статора й крутного моменту електродвигунів в режимі прямого пуску (7), в режимі перемикання «зірка-трикутник» (2), в АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ режимі {3) і – Увага – В режимі харчування від софтстартери {4)

Очевидно: софтстартери дозволяє позбутися від пускових надструмів і уникнути механічних ривків Однак варто запамятати, що звичайний софтстартери не може забезпечити регулювання частоти обертання двигуна в сталому режимі, не дозволяє реверсировать напрямок обертання двигуна, не збільшує момент обертання щодо номінального Іншими словами, софтстартери – це «урізаний» варіант частотного статичного перетворювача Яке його пристрій

Найголовніший елемент софтстартери (УПП), за допомогою якого здійснюється регулювання вихідних параметрів, – це симетричний тиристор (сіммістор) Включення сіммісторов в різних виконаннях УПП різне: сіммістори можуть включатися в розрив однієї, двох і трьох фаз Двигуни, в яких можливо виконати зєднання фаз за схемами «трикутника» і «зірки», дозволяють включити сіммістори не в фази живлення, а в розриви обмоток, що знижує робочий струм елементів в 1,73 рази Найбільш вдалими є УПП з регулюючими елементами у всіх трьох фазах, оскільки така побудова УПП не викликає перекосу струму фаз в мо

Рис 151 Порівняльні характеристики струму статора й крутного моменту

менти старту та гальмування, реалізує режим плавного і динамічного гальмування Але це не означає, що однофазное і двофазне регулювання не використовується в наявних на ринку УПП

На рис 152 показані силові схеми УПП У разі однофазного регулювання (рис 152, а) відбувається перекіс фазних струмів, що веде до погіршення теплового режиму обмоток, підключених до нерегульованих фазах Тому однофазное регулювання не рекомендується використовувати в режимах тривалого пуску, плавного гальмування і обмеження пускового струму Ця силова схема краща тільки для двигунів потужністю до 10 кВт і тільки для помякшення механічних ударних навантажень

Силова схема двофазного УПП показана на рис 152, б Така схема реалізує режим обмеження пускового струму, але, на жаль, не може забезпечити симетрії фазних струмів протягом часу плавного пуску Тому дану схему також має сенс застосувати тільки для двигунів потужністю до 250 кВт з метою помякшення ударних навантажень

І, нарешті, найбільш універсальний УПП з трифазним регулюванням показано на рис 152, в Вважається, що це технічне

Рис 152 Силові схеми УПП: а – однофазне регулювання б – двофазне регулювання в – трифазне регулювання

вирішення найбільш абсолютно, так як обмеження струму відбувається в даному випадку симетрично для всіх трьох фаз Саме з застосуванням цього технічного рішення будується переважна більшість УПП, серійно випускаються промисловими підприємствами

Як ми вже знаємо, будь статичний перетворювач, крім силової схеми, містить також схему управління УПП не є винятком – у складі софтстартери також обовязково присутній схема управління включенням сіммісторов, типовий принцип дії якої пояснює рис 153

У сталому режимі роботи УПП на обмотки двигуна надходить «повна» синусоїда напруги живлення У режимі плавного пуску синусоїда «урізається» від моменту її переходу через нуль до заданої схемою управління часу «альфа» (а, кута відкриття силових елементів) Можна розрахувати, що при частоті напруги живлення 50 Гц параметр а буде змінюватися від 10 мс до нуля У режимі плавного гальмування параметр а змінюється у зворотному напрямку – від нуля до 10 мс

Рис 153 До поясненням роботи схеми управління УПП

Схеми управління УПП можуть мати функцію гарантованого обмеження пускових струмів, коли задіюється зворотний звязок від датчиків струму, розташованих в фазних живлять провідниках Таким чином, при досягненні режиму обмеження струму (у режимі розгону) схема управління автоматично заблокує зменшення параметра а на час стабілізації струму на заданому рівні, після чого блокування буде знято Слід зазначити, що функція гарантованого обмеження пускового струму зустрічається не у всіх УПП, тому при виборі конкретного типовиконання має сенс поцікавитися про наявність такої функції

У ряді випадків двигун повинен долати пусковий механічний опір при старті зі стану повного спокою Двигун як би потрібно «штовхнути», і вже після поштовху можна включати режим плавного розгону Для цього в складі УПП іноді передбачається функція boost-подцержку, робота якої відображена на рис 154

Неважко помітити, що за наявності функції boost-подцержку в мережі живлення спостерігається струмовий стрибок, як і у випадку прямого пуску Однак цей струмовий стрибок діє дуже короткий час (частки секунди), що безпечно для живильної мережі і ніяк не оповіді-

ється на роботі суміжного обладнання, підключеного до цієї ж мережі

Дуже важливий момент, повязаний з електромагнітною сумісністю (щодо електромагнітної сумісності ми ще будемо докладно говорити в нашій книзі), для УПП вирішується дуже просто Незважаючи на те, що різке включення і відключення сіммісторов зазвичай супроводжується значними електромагнітними перешкодами, практично всі УПП, що працюють у звязці з двигунами, у яких є індуктивний опір обмоток, фактично утворюють дуже маленький електромагнітний фон, відповідний встановленим нормам Індуктивний опір обмоток «гасить» круті фронти імпульсів, і, більше того, схема управління УПП проектується таким чином, щоб «привязатися» до моментів переходу напруги мережі через нуль

Як відомо, у відкритому стані на сіммісторе падає напруга порядку 5 В, що призводить при протіканні через нього струму до розігріву силового приладу і необхідності полегшення його теплового режиму за допомогою додаткових радіаторів Але існує ще один метод, званий байпасним, який досить широко застосовується в УПП для зниження теплових втрат в сталому режимі роботи Принцип байпасного методу показаний на рис 155

Рис 155 Найпростіший байпас

Паралельно УПП підключаються контакти потужного контактора KM1, який на час плавного пуску (або гальмування) знаходиться в розімкнутому стані У момент, коли сіммістори УПП повністю відкриті, що зазвичай спостерігається при виході електродвигуна на режим тривалої роботи, контакти KM1 замикаються, шунтуючи сіммістори і полегшуючи їх тепловий режим Ці контактори зазвичай вибираються з розрахунку відсутності протікання через них пускових струмів і, як правило, не входять у комплект поставки УПП

Будь-який пристрій силової електроніки характеризується наявністю у нього розвиненої системи захистів Не виняток тут і УПП В даний час софтстартери оснащуються також інтелектуальною системою експлуатаційної діагностики, яка не дозволить перевантажити як само УПП, так і керований ним двигун

Основна захисна функція УПП – це забезпечення захисту від надструмів Якщо споживаний струм перевищує задану уставкою аварійну величину, УПП відключить вступної та байпасний контактори, а також «закриє» сіммістори Інша небезпечна ситуація складається, коли двигун працює в режимі перевантаження, але без можливості миттєвого ушкодження У цьому випадку система захисту може просто зупинити двигун без розмикання вхідного контактора Особливу увагу також приділяється теплової захисту обладнання від перегрівів З цією метою в УПП вбудовуються вузли контролю температури обмоток двигуна і температури радіаторів силових елементів Алгоритм роботи цього вузла може бути різним (як правило, його визначає фірма-виробник при розробці УПП), більш-менш ефективним

Функція відстеження недовантаження по споживаному струму зазвичай працює наступним чином: УПП визначає момент зниження струму споживання нижче заданої величини і видає сигнал на відключення контакторів

Класичними захисними функціями є відключення при зниженні напруги мережі нижче заданого рівня з регульованою тимчасовою затримкою відключення, відключення при підвищенні напруги мережі, відключення при обриві фази, відключення при неузгодженості фаз Додатково можуть відслідковуватися: неправильне підключення обмоток двигуна, внутрішній розрив обмоток, неправильна комутація силових сіммісторов, їх розрив або замикання, дисбаланс споживаних струмів, перевищення струму витоку на заземлення Цікава функція – обмеження кількості включень-відключень в одиницю часу (для деяких типів двигунів це дуже важливо)

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил