Особености при избора между софтстартери и честотни регулатори

Енергийната ефективност е много важен показател, на който потребителите на изделия и системи държат, а доставчиците работят сериозно за подобряването му в предлаганата от тях продуктова гама. Всъщност, според общоприетото мнение, инвестицията за покупка на електрооборудване, както и разходите заради спирането на технологичния цикъл във връзка с неговото инсталиране и пускане, се компенсират от намаленото енергопотребление в резултат на по-енергийно ефективната експлоатация.

Двигателите често се нуждаят от големи количества енергия, когато се ускоряват бързо до достигането на пълна скорост. И софтстартерите, и честотните регулатори могат да се ползват за намаляване на пусковите токове и за ограничаване на въртящия момент – по този начин се предпазва скъпото оборудване и се удължава животът на двигателя, като се редуцира нагряването му при честите пускания и спирания. Изборът между софтстартер и честотен регулатор зависи от режима на приложение, от изискванията към системата и от разходите (както за покупка и внедряване, така и по време на целия срок на експлоатация).

Софтстартери (устройства за плавен пуск)
Софтстартерът представлява полупроводниково устройство, което предпазва променливотоковите двигатели от повреда при стартиране, произтичаща от рязкото увеличаване на консумираната мощност. Това става чрез ограничаване на големия пусков ток. Софтстартерите осигуряват плавно развъртане до пълната скорост и се използват само при стартиране (и спиране, ако са оборудвани за това). Плавният старт се осъществява чрез постепенно подаване на напрежението към двигателя. Софтстартерите са известни още като софтстартери с намалено напрежение (reduced voltage soft starters, RVSS).

Тези устройства се използват за управление на скоростта и въртящия момент само при стартиране. Намират приложение и когато свързаната с двигателя механична система (товарът) трябва да се пусне плавно, като се регулират пиковете на въртящия момент и натоварването при нормален старт (например при конвейери, ремъчни и зъбни предавки и т. н.). Ползват се и при помпите за елиминиране на резки покачвания на налягането по тръбите, когато потокът на флуида бързо сменя посоката си.

Електрическите софтстартери временно намаляват въртящия момент чрез понижаване на входното напрежение или на тока. Някои софтстартери използват полупроводникови елементи за регулиране на тока. Управлението може да бъде по една или по три фази, но трябва да се отбележи, че трифазното управление обикновено дава по-добри резултати.

В повечето софтстартери за ограничаване на напрежението се ползват тиристори. В нормално изключено положение OFF тиристорите спират тока, а в нормално включено положение ON го пропускат. Тиристорите работят по време на плавното нарастване, а след достигането на максимална скорост те се шунтират от байпасни превключватели. Това намалява значително нагряването на двигателя.
Софтстартерите обикновено са по-икономичният избор в случаите, когато се изисква регулиране на скоростта и въртящия момент само при стартиране на двигателя. Освен това, те са много подходящи за ограничени пространства, тъй като обикновено заемат по-малко място от честотните регулатори.

Честотни регулатори
По същество честотният регулатор работи по следния начин – на входа му постъпва променливо напрежение от мрежата, той го преобразува в постоянно, филтрира го и след това го преобразува обратно в променливо със съответната ефективна стойност. Изходната честота на регулатора обикновено е в границите от 0 до входната мрежова честота. Когато това се изисква за конкретната система, са възможни и изходни честоти със стойност, по-голяма от тази на мрежовото напрежение.

В повечето регулатори се използва двуполупериоден мостов изправител с диоди или тиристори, с който променливото напрежение на входа се преобразува в постоянно. Могат да се използват и активни компоненти като биполярни транзистори с изолиран гейт (IGBT) например. Следва филтровата част, представляваща основно група кондензатори, която изглажда постоянното напрежение, подавано на изхода на преобразувателната част (моста).

След филтъра може да се добави дросел или бобина, за да се подобри факторът на мощността и да се намалят хармониците. Изгладеното постоянно напрежение се подава после на инвертора с IGBT като ключови елементи. Те превключват и създават такива импулси в инверторната част, че да се генерира симулирано променливо напрежение с подходящата ефективна стойност. Честотните регулатори позволяват на двигателя да достигне номиналния си въртящ момент при развъртане от 0 до базовата си скорост, без да е необходимо прекомерно увеличаване на тока.

Ефективност
Софтстартерите могат да достигнат ефективност до 99,5… 99,9%. Обикновено падът върху тиристора е по-малък от 1 V. Ефективността зависи от размера на софтстартера и от подаваното трифазно напрежение. След като завърши процесът на стартиране, софстартерът включва вградените байпасни контактори. Така се шунтират тиристорите и целият ток протича през контакторите, което поддържа или подобрява ефективността. Когато двигателят работи на пълна скорост и е правилно натоварен, софтстартерите са по-ефективни от честотните регулатори.

Регулаторите обикновено са с ефективност 95…98%. При стартиране, работа и спиране (освен ако не е настроен да спира след свободно въртене до окончателния стоп, без спирачни усилия) активните компоненти, като IGBT транзисторите, са включени. Някои регулатори обаче са способни по-добре да управляват потреблението на мощност в режим на нормална работа. Ако регулаторът се избира с оглед характеристиките на товара, би било възможно да се намалят разходите за електроенергия. Колкото повече са импулсите (респ. диодите или тиристорите) в изправителната част на регулатора, толкова по-висока е ефективността. Например 6-импулсен регулатор е с ефективност 96,5…97,5%, а 18-импулсен – с 97,5…98%.

Хармоници, начини на свързване и съображения при инсталиране
Хармониците при софтстартерите обикновено са под 10% при стартиране или спиране, когато тиристорите са включени и пропускат част от синусоидалното напрежение. Когато двигателят работи на пълна скорост, тиристорите пропускат тока напълно и на практика няма хармоници. В случай че се ползват байпасни контактори, хармоници почти не се генерират.

По отношение на кабелите/проводниците с по-голяма дължина, ползвани за свързването на софтстартерите, не е нужно да се вземат някакви специални мерки, освен че трябва да са оразмерени правилно, за да се компенсира падът на напрежение. При софтстартерите обикновено не са необходими и специални мерки и средства за електромагнитна съвместимост (потискане на ефектите от електромагнитни въздействия), така че да се удовлетворят изискванията за хармоници съгласно стандартите на IEC. Тези изисквания се отнасят до нормалния работен режим на софтстартера, когато двигателят вече върти на пълни обороти.

Когато честотен регулатор е свързан с двигателя посредством дълги кабели/проводници, могат да възникнат проблеми с отразените вълни. Препоръчва се използването на линейни реактори, предотвратяващи връщането на хармониците обратно към източника на енергия, което причинява опасни за останалото оборудване изкривявания на напрежението. Други компоненти и устройства, използвани за намаляване на хармониците при честотните регулатори, са дросели, пропускащи постояннотоковата съставка, пасивни филтри, 12-импулсен изправител с фазоотместващ трансформатор, активен филтър, активен (регенеративен) преобразувател и 18-импулсен изправител. При инсталирането на честотни регулатори трябва да се внимава при избора на вида на свързващите проводници.

Точност на времето за стартиране и спиране
Софтстартерите са зависими от товара и настройките за стартиране и спиране се задават програмно. Алгоритъм регулира напрежението така, че токът и въртящият момент да нараснат и двигателят да стартира. На основата на обратната електродвижеща сила на двигателя софтстартерът определя дали той е достигнал нужната скорост на въртене. Ако софтстартерът отчете, че двигателят е достигнал тази скорост преди предвиденото време за стартиране, той подава пълното напрежение и включва индикатор за състояние на нормална работа. Ако двигателят не се развърти до необходимата скорост в рамките на зададеното време, софтстартерът подава пълното напрежение или част от него в зависимост от товара.

Честотните регулатори осъществяват прецизен контрол върху скоростта, а така също и върху времето за стартиране и спиране. Точността зависи от избрания регулатор, от товара и от способността на регулатора да издържа на претоварване.

Регулиране на скоростта
Някои софтстартери имат ограничени възможности за регулиране на ниските скорости при стартиране и спиране. Например за двигател с 1800 об./мин. възможните ниски скорости са 18…270 об./мин. в права и обратна посока. Поддържането на ниски скорости е възможно в рамките на броени минути поради нарастването на температурата в тиристорите и в двигателя.

Честотните регулатори осигуряват непрекъснат и пълен контрол на скоростта по всяко време, от стартирането до спирането, с възможност за поддържане на дадена скорост в продължение на часове. Това е така, защото честотата може да се настройва. Въпреки че и честотният регулатор, и софтстартерът могат да работят на ниски скорости, продължителността, в която те могат да се поддържат, се определя от двигателя и от товара. Степента на нагряване на двигателя, ако работи на ниска скорост, зависи от продължителността на работа. За да не се оставя да работи твърде дълго при ниска скорост, в софтстартера е предвидена температурна граница – целта е да се предпазят тиристорите и двигателя. Непрекъснатата работа на честотния регулатор на честота под 5 Hz налага ограничения на допустимите условия на експлоатация.

Пълен въртящ момент при нулева скорост
Софтстартерите работят на фиксирана честота и пълният въртящ момент е възможен само при пълно напрежение. Първоначалният въртящ момент се задава програмно в софтстартера. На така зададения въртящ момент съответства напрежение, което е началната точка за нарастването му. Пълен въртящ момент не е възможен при нулева скорост.

При честотните регулатори 100% въртящ момент при базова скорост е възможен при честоти до мрежовата. При скорости на двигателя над базовата, мощността е 100%, а въртящият момент намалява. Задържането на въртящия момент е предимство на честотните регулатори, което е ценно в редица случаи като например при един наклонен конвейер – поточната лента с товара върху нея се задържа и не се връща назад, щом въртенето спре. В допълнение към пълния въртящ момент при нулева скорост съобразно конкретните условия се преценява дали е необходимо активирането и на други предпазни функции на регулатора. При прилагане на софтстартери за постигането на същия ефект ще трябва да се използва механична спирачка.

Цена, размери и температурни особености
За малки токове (под 40 ампера) предимството на софтстартерите пред честотните регулатори по отношение на цената е малко. С увеличаването на тока и мощността цената на регулаторите нараства по-бързо в сравнение с тази на софстартерите. При големи токове (над 100 ампера) цената вече е значителна.
Що се отнася до размерите, софтстартерите водят пред честотните регулатори за всякакви токове поради самата структура, по която са изградени едните и другите. С нарастването на тока и мощността тази разлика в размерите може да се увеличи експоненциално.

Освен това, когато към тях се добавят електромеханични байпасни контактори (вградени вътре или монтирани отвън), софтстартерите стават по-ефективни от честотните регулатори и обикновено отделят по-малко топлина. Това се дължи и на разликите в конструкцията на импулсната част на двата вида устройства - в сравнение с регулаторите софтстартерите имат по-малко активни компоненти в схемата си, а това оказва влияние и при стартиране, и в режим на нормална работа, и при спиране.

Примерни приложения
Ограниченията поради малък ток са често срещано явление по отдалечените краища на дадена електроразпределителна мрежа, когато например трябва да се захрани една система за напояване. В такива случаи мощността може да се ограничи до под 200% от номиналната мощност на двигателя, без това да доведе до претоварване на източника на енергия. Двигателите се нуждаят от достатъчен въртящ момент, за да задвижат товара, така че параметрите и видът на двигателя трябва винаги да са съобразени с конкретния товар.

Софтстартерът може да ограничи тока до 200%, при което ще ограничи и приложения въртящ момент. С допълнителни изследвания, включително и с помощта на софтуерни средства, се установява дали при това ограничение на тока той ще бъде достатъчен за стартирането на двигателя. Честотният регулатор може да осигури въртящ момент с по-високи стойности, като същевременно поддържа консумацията на енергия под изискваното от електроразпределителната система ограничение.
В почти всички случаи, при които в режим на нормална работа трябва да се поддържа постоянна скорост, е подходящо да се използва софтстартер.

Добър пример за това е сушилен вентилатор във фабрика, който работи целодневно на постоянна скорост. За да стартира вентилаторът плавно, софтстартерът може да регулира първоначалния му въртящ момент. Щом веднъж набере скорост, регулиране вече не е необходимо до подаването на команда за спиране. За голям вентилатор, чиято скорост се изменя в хода на технологичния процес, например при промяна на температурата, по-добро решение за управление ще е честотният регулатор, който позволява изменяне на скоростта по всяко време.

За да се избягват падания и разливания на материали на поточните ленти, при стартирането и спирането на конвейер е по-добре да се използва софтстартер. Той стартира и спира конвейера плавно, без механично напрежение.
За пуск и стоп на помпи може да се ползва както честотен регулатор, така и софтстартер. Софтстартерът намалява ефекта на хидравличния удар при стартиране и при спиране и обикновено е по-евтин. Същата работа може да свърши и един честотен регулатор, а освен това той може и да управлява скоростта на двигателя на помпата, респективно и нейния дебит, по време на експлоатация.