Плавни пускатели
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 9, 2011
Освен плавен старт и стоп, софтстартерите за асинхронни електродвигатели могат да осигурят и адаптиране към спецификите на задвижваните механизми
Важен фактор за сигурната работа и дългия експлоатационен живот на асинхронните електродвигатели и свързаните към тях механизми е плавното пускане и спиране, осъществявано чрез т. нар. плавни пускатели или софтстартери (Softstarters). Така се избягва големият пусков ток (типично 6-12 пъти над номиналния), който не само натоварва електрозахранващата мрежа, но може и да предизвика смущения в работата й. Избягват се и механичните удари, възникващи вследствие големия начален въртящ момент, с което се намаляват грижите за поддръжка, удължава се експлоатационният срок и се осигурява практически безшумна работа, което е от съществено значение за множество приложения. Използването на възможностите на съвременната цифрова и аналогова електроника в реализацията на плавни пускатели създава допълнителни предимства за подобряване параметрите и надеждността им, както и за усъвършенстване на методите за пускане и спиране и по-точното им съобразяване с характеристиките и особеностите на задвижваните устройства. Така например рязкото спиране на електродвигателя на помпа може да предизвика хидравличен удар. И не на последно място, плавното пускане и спиране намалява консумацията на електроенергия и прави електродвигателите по-безопасни за обслужващия персонал.
Стандарти
Част от параметрите на произвежданите плавни пускатели са в съответствие с международни и европейски стандарти, което е гаранция за тяхното качество и възможността за работа в близост до други апаратури без смущения. Обикновено производителите на плавни пускатели отбелязват в каталозите стандартите, на които те съответстват. Сред основните са тези на Международната електротехническа комисия IEC 60947-6-4 за електромагнитна съвместимост, IEC 61000-4-2 за издръжливост на електростатични разряди, IEC 61000-4-3 за нивото на излъчвани високочестотни смущения, IEC 61000-4-4 за издръжливост на къси единични импулси и пакети от импулси, IEC 61000-4-5 за издръжливостта на отскоци на мрежовото напрежение и IEC 61000-4-6 за нивото на смущенията на електрическата мрежа. На всички тях съответстват европейски норми (EN) със същите числа в означенията си.
Основни параметри
Номиналното напрежение (Rated Operational Voltage) Uн или Ue е осигуряваното от пускателя в установен работен режим на електродвигателя и може да е в обхвата 100 - 690 V. Понякога се нарича напрежение на мощностната секция. Параметър са и допустимите му промени около номиналната стойност, обикновено с -15/+10%. Номиналният ток (Rated Operational Current) Iн (други означения са Ie и IN) е най-големият, който може да бъде осигуряван неограничено дълго време с типични стойности между 1 и 1600 А. Към него често се прибавя максималната мощност на управляваните електродвигатели в конски сили (НР) и/или kW. За нормалната си работа някои пускатели изискват определен минимален ток на електродвигателя (Minimum Load Current), например 0,5 А. Стартовият ток (Starting Current) Ist в процеса на развъртане на електродвигателя може да е до 6 пъти по-голям от Iн. В част от плавните пускатели е предвидена възможност за задаване на няколко максимални стойности на Ist, фигуриращи като параметър Current Limit Setting със стойности в проценти от Iн, например между 150% и 450%. Максимално допустимата стойност на Ist е обратно пропорционална на времето на протичането му, което в каталозите на някои пускатели се дава като графика. В други вместо нея е даден параметърът Start Duty, представляващ стойността на Ist за фиксирано време на протичането му (например 3Iн за 5s).
Съществен параметър е максималният брой на плавните задействания (пускане и спиране) за 1 ч. (Number of Starts per Hour, Starts/Hour&Stops/Hour) с типични стойности между 10 и 600. Те зависят от големината на Ist и времето на протичането му, като същевременно намаляват с увеличаване на температурата. Често тези зависимости се дават като графики, един пример за каквито е показан на фиг. 1. По абсцисата e броят на задействанията, а по ординатата - токът Iн, като графиките са в сила при определено съотношение между него и Ist. Очевидно, чрез охлаждане броят на задействанията може да се увеличи, поради което някои производители предлагат вентилаторен модул като допълнителна принадлежност на пускателите.
Максималните величини за нормална работа на клемите за свързване на електродвигателя са максимално допустимото постоянно напрежение между тях (Insulation Voltage Rating, Dielectric Voltage), което обикновено е поне с 10% по-голямо от максималното Uн, максималното импулсно напрежение (Impulse Withstand Voltage) с типични стойности 2,5 - 4 kV и максимален ток на късо съединение между тях (Short Circuit Current Rating), който зависи от използваните предпазители и е няколко kA. Полезно е да се има предвид, че в някои пускатели работният температурен обхват е сравнително тесен, например 0/+40 °С. Наличието на електроника в пускателите налага захранването им с външно напрежение (Supply Voltage), което може да е постоянно (например 24 V) или променливо (между 24 и 600 V).
При избора на плавен пускател трябва да се имат предвид параметрите на електродвигателя – преди всичко максималният пусков ток (Locked Rotor Current) LRC и максималният пусков въртящ момент (Locked Rotor Torque) LRT. Реалният пусков въртящ момент (Start Torque) ST се определя от израза:
ST = LRT x (Ist/LRC)2.
Действие
В основата му за всички видове плавни пускатели е плавното изменение на работното напрежение на електродвигателя чрез добре известното фазово регулиране на тиристори. Чрез подходяща електронна схема ъгълът на отпушването им се променя, те пропускат различна част от всеки полупериод на мрежовото напрежение (сините площи на фиг. 2а), което означава промяна на неговата средноквадратична стойност. Логично е, че при плавното пускане ъгълът намалява, а при плавното спиране – нараства. Поради еднопосочната проводимост на тиристорите, два се свързват паралелно и противопосочно (фиг. 2б), така че всеки да работи през един от полупериодите на мрежовото напрежение. В установен режим на електродвигателя, когато трябва да му се подава цялото напрежение, тиристорите са изцяло отпушени. При това напрежението върху тях може да надхвърли 1 V, което означава не само излишно разсейване на значителна мощност, но и необходимост от охлаждането им. За избягване на това след навлизане в установен режим се затваря успоредно свързаният механичен контакт (By-pass Contactor) и почти целият ток на електродвигателя преминава през него. Трябва да се има предвид, че твърде често вместо символа на фиг. 2б нормално отворените контакти ползват този на фиг. 2в.
Съществуват няколко вида плавно пускане и спиране, всеки от които е най-подходящ за електродвигатели, задействащи определен вид или група товари. Класическото плавно пускане (Soft Start) започва с подаване на пусково напрежение Ustart на електродвигателя (графика 3 на фиг. 3а), създаденият от което въртящ момент трябва да преодолее инертността на ротора и бавно да го завърти. В повечето пускатели стойността на UStart може да се задава чрез регулатор на лицевата им плоча – в примера на фиг. 3г той е в средата с промени от 30% до 100% от Uн. За времето на пускане (Start Time) tst, което също може да се задава (горният регулатор на фиг. 3г осигурява изменението му от 1 до 30 s), напрежението нараства до стойността си Uн за нормална работа на електродвигателя. За сравнение на фиг. 3а с графика 1 е показано непосредственото включване на електродвигателя (DOL Start) към Uн, а с графика 2 – пускането “звезда-триъгълник” (Star-Delta Start), при което най-напред статорът на електродвигателя е в свързване “звезда” (напрежението му е 57,7% от Uн) и след определено време се превключва в “триъгълник”. Промяната на тока, докато оборотите достигнат до номиналните nN, а токът стане IN, е дадена на фиг. 3б за трите вида пускане – вижда се значително по-малката му промяна при плавното пускане. Аналогично е положението с въртящия момент (фиг. 3в).
По подобен начин се осъществява плавното спиране (Soft Stop), времето за което tStop също може да се задава от потребителя (с долния регулатор на фиг. 3г от 0 до 30 s) и е за намаляване на напрежението от Uн до 0. Полезно е да се има предвид, че в немалко фирмени материали могат да се намерят препоръчваните стойности на разгледаните 3 величини за електродвигателите на различни устройства. Един пример е даден в таблицата.
При немалко плавни пускатели се предлага и спиране чрез изключване на напрежението на електродвигателя, при което намаляването на оборотите е аналогично на плавното спиране, но става за по-кратко време.
Примери за положителния ефект от описаното плавно задействане е избягване на приплъзването на ремъчни предавки, вибрациите на транспортни ленти и предпазването на зъбни колела от изронване.
Вторият вид е пускане и спиране чрез плавно увеличаване и намаляване на въртящия момент (Torgue Control Start), което се изяснява чрез графиката на фиг. 4, по чиято абсциса е времето, а по ординатата – относителната стойност на въртящия момент. Пускането отново започва с подходящ начален въртящ момент, който може да се задава заедно с времето за достигане на установения режим, докато спирането се прави чрез намаляване на въртящия момент до 0 (времето за спиране също може да се задава). Нежеланите въздействия върху механичните предавки при този вид плавно задействане са по-малки в сравнение с предишния. Разновидност е възможността за 2 режима на пускане (Dual Ramp Start) - единият е с по-малка стойност на началния момент и на времето за достигане на установения режим (осигурява се бързо пускане на електродвигатели със сравнително малък товар), а другият е с по-големи стойности на двете величини и е подходящ за бавно пускане при голям товар.
Общо за плавните пускатели от двата разгледани вида е възможността да се добави задаване на максимално допустимата стойност на тока при пускане ISt (Current Limit) също чрез регулатор на лицевия панел.
Специално за електродвигатели, задвижващи помпи за течности, е създаден третият вид Pump Control Mode. Действието му се осигурява чрез сравнително сложна електронна схема (в съвременните пускатели, реализирана с микропроцесор), която определя графиката на фиг. 5. Тя е съобразена с пусковата характеристика на помпата и непрекъснато следи процесите на пускане и спиране.
При определени типове товари на електродвигателите се оказва необходимо процесът на пускане да започне с краткотрайно (обикновено до 2 s) подаване на напрежение близо до Uн или равно на него (точка 1 на фиг. 6), след което се намалява до UStart (точка 2 на фиг. 6) и започва един от разгледаните видове пускане (на фиг. 6 е плавно пускане). Използваното наименование е Kickstart, като времето му и амплитудата на неговото напрежение в повечето пускатели могат да се задават в определени граници.
Освен описаните дотук основни видове задействане, в значителна част от пускателите често се прибавят и други за разширяване на приложенията. Един от тях е пускане с номиналното напрежение (Full Voltage Start), което означава бързо нарастване (в рамките на няколко оборота на електродвигателя) на напрежението от 0 до Uн. Не са редки приложенията, когато електродвигателят се използва и за позициониране на детайли, изискващо бавното им придвижване в две посоки. За целта трябва да се осигурят малки обороти с възможност за промяната им заедно с реверсиране на електродвигателя, което е изяснено на фиг. 7 и е известно като Preset Low Speed. Времето от 0 до t1 е за плавно развъртане на електродвигателя в една от посоките (“права”) и плавното му спиране, като оборотите nsl обикновено са в границите от 0,01 nN до 0,15 nN и могат да се задават, например със стъпка 0,01 nN. Времето от t2 до t3 е аналогично, но електродвигателят е реверсиран, т. е. детайлът се премества в обратна посока и се установява в необходимото положение. В t4 започва един от описаните видове пускане и в t5 електродвигателят достига оборотите си в установен режим nN.
В много случаи от практиката се оказва необходимо електродвигателят да се спре по-бързо, отколкото при обикновено изключване на напрежението му и още по-бързо в сравнение с плавното спиране. За целта в пускателите се предвижда допълнителен режим “спиране” (Braking), осигуряван чрез реверсиране на електродвигателя. Времето за спиране е обратнопропорционално на тока на статора, който обикновено може да се задава в широки граници, например от 0 до 4 Iн. Този режим може да се съчетава с всички видове плавно пускане. Негова разновидност с наименование Accu-Stop се използва за контролиране на положението на задвижвания елемент по време на спирането, което се изяснява чрез фиг. 8. При първото спиране оборотите реално намаляват до стойност между 1% и 15% от тези в установен режим, при тях се извършва позиционирането и след това е окончателното спиране.
Стремежът за икономии на електроенергия е наложил т. нар. икономичен режим на работа на част от плавните пускатели. Когато за достатъчно продължителен период от време електродвигателят работи в установен режим на празен ход или с малък товар, това се регистрира от пускателя, който съответно отваря паралелните контакти на тиристорите и фиксира ъгъла на отпушването им така, че да се осигури минимално необходимата стойност на напрежението. Това не променя действието на съществуващите видове плавно пускане и спиране. Предлагат се и плавни пускатели с допълнителна функция следене на токовете на трите фази, по време когато паралелните контакти са отворени, както и на автоматичното им изравняване (Phase Rebalance).
Освен описаното дотук действие на плавните пускатели, те практически задължително притежават и класическите възможности на контакторите и защитите за електродвигатели (вж. статията “Пуск и защита на асинхронни електродвигатели” в сп. Инженеринг ревю 8/2011 г.), например защита от претоварване и допълнителни контакти за задействане на спомагателни вериги. Трябва да се отбележи, че значителна част от плавните пускатели могат да се използват за управление и на съпротивителни товари, например нагреватели, което е отразено в техническите им спецификации.
Свързване на плавни пускатели
Плавно задействане може да се осигури както на трифазни асинхронни електродвигатели със статор по схема “триъгълник”, така и по схема “звезда” (както е известно много електродвигатели могат да работят и в двете схеми чрез подходящо свързване на клемите им). На фиг. 9 е показано непосредствено свързване (In-Line Configuration), известно и като трипроводно свързване (3 wire connection), валидно и за двете схеми на статора. Във всяка от фазите е поставен предпазител F и максималнотокова защита ОVР. Трифазният контактор S е за включване и изключване на електродвигателя, като намотката му К1 се задейства от допълнителен контакт на пускателя SS. На фигурата е показано, че последният е с вградени шунтиращи контакти, но има пускатели без тях и изискващи допълнителен контактор, отново задействан от допълнителен контакт.
За електродвигатели с мощност до около 250 kW могат да се използват двуфазни плавни пускатели (Two-Phase Controlled Softstarter), като напрежението на една от фазите не се управлява. Пример за свързването е показан на фиг. 10а, като фазата без управление може да е която и да е от трите. По принцип, тези пускатели са по-компактни и с по-ниска цена. Препоръчват се за електродвигатели в задвижвания на транспортни ленти, повдигачи, помпи (особено работещи в тежки експлоатационни условия) и вентилатори, както и за управление на осветлението и отоплението в сгради и автоматично отваряне и затваряне на врати.
Произвеждат се и плавни пускатели с допълнителна възможност за реверсиране на електродвигателя, идея за чиято структура е дадена на фиг. 10б – две от двойките тиристори са за включване в едната посока на въртене, а другите две са за другата посока.
Използва се и 6-проводно свързване, за чиято реализация двата извода на всяка от трите намотки на статора трябва да са изведени на клеми на електродвигателя. Намотките се свързват в "триъгълник", като последователно на всяка има двойка тиристори (Inside Delta Connection, In-Delta Configuration) със или без паралелни шунтиращи контакти, което е показано на фиг. 11а. За сметка на по-сложното свързване при даден електродвигател токът на всяка двойка тиристори е 57,7% от този при непосредственото свързване. Това означава използването на по-маломощен пускател, а при такъв с даден максимален ток той може да управлява електродвигател със 72,7% по-голям ток. За мястото на контактора и максималнотоковата защита в това свързване има две възможности. Дадената на фиг. 11б определя същия техен намален ток, както на пускателя, но при отваряне на контактора електродвигателят остава под напрежение (въпреки че е спрял). Схемата на фиг. 11в не го оставя под напрежение, но токът на контактора и максималнотоковата защита нараства със 72,7%. Съществена подробност е, че чрез известното подходящо свързване на намотките на статора може да се зададе посоката на въртене на електродвигателя (често то е дадено в каталога на пускателя).
Трябва да се има предвид, че за всички свързвания на пускателите в каталозите им се дава сечението на свързващите ги с останалите елементи проводници, а понякога и тяхната максимална дължина.
Не са редки практическите случаи, когато трябва от един управляващ модул да се задействат няколко пускателя, т. е. по един и същи начин да се пускат и спират няколко електродвигателя. За това съществуват две основни възможности. Първата е паралелно свързване на електродвигателите (на фиг. 12а те са два, но могат да са повече) и едновременното им задействане. Логично е, че пускателят трябва да може да осигури сумата от токовете на задействане на всички електродвигатели, а при пускатели без шунтиращи контакти и сумата на токовете им в установен режим. Втората възможност е задействане на няколко електродвигателя един след друг – веднага след навлизане на първия в установен режим се включва вторият и т. н. На фиг. 12б е даден пример за три електродвигателя, като за включване на левия най-напред се затваря контакторът К25, при навлизането му в установен режим се затваря К26, отваря се К25 и се затваря К27 за задействане на втория електродвигател. Осъществяването на подобно управление изисква пускателят да има необходимите допълнителни контакти за задействане на контакторите.
Защити
Задължителен елемент са предпазителите (Fuse), които осигуряват защита при късо съединение във веригата на електродвигателя. Използват се двата типа, определени в стандарта IEC 60947-4-2, гарантиращи безопасност на персонала, пускателя и други елементи на инсталацията. Тези от Първия тип (type 1 co-ordination) след задействане трябва да се сменят или ремонтират, като в пускателите се използват две техни разновидности. Едната са gL/gG fuses, които едновременно осигуряват защита от късо съединение и максималнотокова защита (задействане след 5 s при ток над 3,5 пъти от този в установен режим). Другата са aM fuses, предназначени само за защита от късо съединение. Вторият тип са самовъзстановяващите се предпазители (type 2 co-ordination), реализирани с полупроводникови прибори, които имат по-голямо бързодействие и задължително трябва да се ползват с максималнотокова защита. При ползването на пускатели с такива предпазители трябва да се внимава, тъй като съществува принципна опасност при управление на електродвигатели с голямо ускорение и, съответно, рязко нарастване на пусковия ток до големи стойности, да се получи нежелано, макар и краткотрайно, задействане на защитата, което ще наруши процеса на пускане. Типичните стойности на тока на късо съединение, при който тези предпазители се задействат, е между 5 kA и 40 kA, като най-често са за 10 kA. Максималнотоковата защита, когато не е съчетана с предпазител, по принцип не се различава от тази на контакторите (вж. споменатата статия в сп. Инженеринг ревю 8/2011 г.).
За практиката е особено важно, че замяната на повреден предпазител трябва да се прави само с такъв от същия тип и със същия максимален ток. Нерядко в каталозите на пускатели са дадени таблици с препоръчваните предпазители.
Разновидност на максималнотоковата защита е т. нар. Stall Protection, която в установен режим при ток на електродвигателя над Iе и намаляване на оборотите му под определена стойност го изключва след определено време. Някои пускатели могат да изключват електродвигателя и при блокиране (Jam Detection), което води до рязко увеличаване на тока над Ie. Съществува защита за изключване на електродвигателя при понижаване на мрежовото напрежение (Undervoltage Protection), както и такава при намаляване на тока му в установен режим (Underload Protection) под Ie. Не трябва да се забравя и температурната защита (Overtemperature Protection), която има две разновидности. Едната следи температурата на тиристорите чрез вградени сензори, а другата контролира температурата на намотките на електродвигателя чрез монтиран до тях термистор с положителен температурен коефициент (РТС), а той се свързва към съответния блок на пускателя чрез букси на лицевата му плоча. Към това се прибавя и защитата от разбалансиране (Voltage Unbalance Protection), която при определена разлика между напреженията на фазите (например между 1% и 25%), изключва електродвигателя след определено време. Величината, при която се задействат всички описани защити и времето на задействане, могат да се задават от ползвателя (за времето те обикновено са 0-10s).
Плавните пускатели могат да реализират и различни видове диагностични функции. Преди включване на електродвигателя (Pre-start Protection) може да се проверяват напреженията на трите фази, наличието на товар в тях и дали някой от тиристорите не е дал накъсо. В процеса на работа (Running Protection) се правят същите проверки.
И последната, не по-малко важна особеност е, че част от пускателите могат да измерват някои от величините на работещия електродвигател – напрежения и токове на трите фази, неговата мощност, консумираната до даден момент електроенергия, cosj и времето на работа.
Приложения
Основната област на приложение на плавните пускатели е за осигуряване на изменящ се във времето въртящ момент. При плавното му увеличаване се избягва приплъзването на задвижваните транспортни ленти, което не само осигурява плавното им ускоряване, но намалява тяхното износване. Задвижването на помпи също изисква малък начален въртящ момент за избягване на удари и вибрации, както и на опасност от повреда при дълъг вал между тях и електродвигателя. Подобно е положението при включването на центрофуги, вентилатори и някои компресори. Същевременно, задействането на компресори с голям товар изисква и голям въртящ момент. Друга област на приложение е чрез плавно увеличаване на напрежението да се избегнат краткотрайните големи стойности на тока, които могат да смутят работата на други консуматори. И не на последно място, при избора на плавен пускател трябва да се има предвид, че съществуват модели с допълнителна възможност за непосредствено включване на електродвигателите към пълното мрежово напрежение (DOL Start), което разширява приложенията.
Вижте още от Електроапаратурa
Ключови думи: Плавни пускатели, софтстартери, асинхронни електродвигатели
Новият брой 8/2024
