Плавный пуск и остановка электродвигателя

-- Среда, 01 Февраль 2006 21:58

Полупроводниковые устройства плавного пуска относятся к числу самых современных низковольтных устройств, предлагающих регулирование тока и вращающего момента во время критических фаз пуска и остановки электродвигателя. Часто они включают функции защиты и диагностики.

К веским причинам не запускать (или не останавливать) асинхронный двигатель при полном входном напряжении относятся чрезвычайно высокие пусковые токи и вращающий момент до 230% от полной нагрузки. Полупроводниковые низковольтные устройства плавного пуска (SSRV) служат для снижения разрушающего воздействия резких бросков тока, вызывающих механические напряжения в оборудовании и компонентах системы.

Многие из последних моделей устройств плавного («мягкого») пуска не рассчитаны на постоянную работу. После того, как двигатель достигает рабочей скорости, срабатывает встроенный шунтирующий контактор и подключает двигатель к сети. В этот момент устройство плавного пуска можно отключить. Защитная и диагностическая роль таких пускателей повышается благодаря использованию полупроводниковых регуляторов в качестве логических устройств. Тем не менее, триодные тиристоры (SCR) остаются основными рабочими компонентами регулирования мощности.

В компании ABB Inc. основной упор делают на расширенные функции мягких пускателей, которые могут использоваться в качестве устройств защитного отключения двигателя. «Предполагается, что такие устройства будут выполнять не просто функции плавного запуска/остановки двигателя», – говорит Пол Терри, менеджер продукта в компании ABB Low Voltage Products & Systems. К защитным функциям «высококлассных» мягких пускателей Терри относит контроль дисбаланса, опрокидывания, потери фазы и мгновенные скачки напряжения сети. Работа мягких пускателей основана на входных данных о токах электродвигателя, напряжении и температуре. В устройствах PST Series от ABB программируемый пользователем временной порог запуска и более точные датчики двигателя ограничивают нежелательные отключения.

Чарльз Форсгард, руководитель подразделения Motor Control Business в American Operating Div., входящего в Schneider Electric, отмечает, что устройства SSRV первоначально имели простую конструкцию регулирования напряжения, которая обеспечивала «более мягкий» механический запуск и сокращала резкие скачки тока, однако их работа зависела от характеристик нагрузки. «Если нагрузка на двигатель была низкой, то эффект «плавного пуска» мог просто отсутствовать», – говорит он.

Новый подход к решению проблемы состоит, скорее, в методах плавного увеличения вращающего момента, а не напряжения. Он основан на новом поколении алгоритмов управления, с помощью которых можно определять мощность и коэффициент мощности, используя информацию о напряжении и токе двигателя. На основе этих параметров устройство плавного пуска рассчитывает реальную мощность статора, потери статора и, как результат, реальную мощность, переданную на ротор. «Мощность, переданная на ротор, используется для того, чтобы рассчитать действительный вращающий момент двигателя, а пусковое устройство SSRV будет отслеживать его величину до тех пор, пока нагрузка на двигатель не превысит установленный предел», – продолжает Форсгард.

Для получения требуемого вращающего момента в регуляторе (см. диаграмму) используются вводимые оператором значения номинального, начального и предельного вращающего момента двигателя (вход блока «заданное значение/ скорость нарастания вращающего момента»), а также времени нарастания вращающего момента. «Затем регулятор используется для включения тиристора в соответствии с действительным вращающим моментом. Важно, что вращающий момент двигателя больше не зависит напрямую от подаваемого на двигатель напряжения или от его механических характеристик. Увеличение вращающего момента происходит в соответствии с рассчитанным по времени графиком разгона», – отмечает Форсгард.

Уравновешивание полюсов, небольшие устройства

Новейшие возможности технологий плавного пуска в SSRV от компании Siemens Energy and Automation Inc. – это запатентованная методика управления под названием «уравновешивание полюсов». Управление по двум фазам обеспечивает мягкий бесшумный запуск за счет формирования согласованных пусковых характеристик двигателя (скорости, вращающего момента и тока). Таким образом, по мнению Стива Коча, менеджера продукции SSRV в компании Siemens E&A, можно избежать компонентов постоянного тока.

Управление нарастанием вращающего момента в устройстве плавного пуска

Он разъясняет, что ток, возникающий из-за перекрытия двух контролируемых фаз, будет протекать по третьей, неконтролируемой фазе, что может привести к асимметрии в распределении токов по трем фазам при запуске двигателя. Кроме того, силовые полупроводниковые приборы, осуществляющие переключение в двух контролируемых фазах, порождают компоненты постоянного тока, которые могут привести к вредному гудению двигателя при пусковых напряжениях ниже 50%. Есть информация, что уравновешивание полюсов устраняет этот эффект во время запуска. (Для экономии в устройствах плавного пуска традиционно используется управление по двум фазам).

«Акустические показатели качества процесса запуска на практике достигают показателей трехфазного управляемого запуска. Это обеспечивается с помощью непрерывной динамической регулировки или балансировки полуволн тока разной полярности при запуске двигателя», – отмечает Коч.

Среди последних разработок, отмеченных Джеффом Лавлейсом, менеджером продукции приводов в компании Baldor Electric Co., следует назвать более компактные модули устройств плавного пуска при одинаковой выходной мощности, что достигается благодаря значительно меньшим размерам триодных тиристоров. Он также упоминает более быструю логику управления, которая обеспечивается растущим применением недорогих микропроцессоров, и программируемую с помощью клавиатуры настройку устройств плавного пуска вместо использования потенциометров. «Поскольку микропроцессор является встроенным, мы можем осуществить точную настройку выхода управления для улучшения коэффициента мощности при работе с малой нагрузкой», – утверждает Лавлейс. Он называет это «оптимизацией», позволяющей исключить перегрузку двигателя.

Дуглас Йейтс, специалист по продукции в компании Danfoss North America Motion Controls, упоминает инновационую технологию низкого теплового расширения (LTE), которая предполагает использование новых материалов для эффективного устранения воздействия теплового расширения (и других проблем), характерных для распространенной технологии силовых микросхем, используемых в обычных коммутаторах мощности. Он разъясняет, что избыточное тепло, выделяемое силовой микросхемой, может привести к усталости металла вследствие разницы коэффициентов теплового расширения микросхемы, проводника тепла и токонесущих зажимов. Кроме того, воздушные полости, образующиеся в процессе пайки, становятся точками повышенного нагрева микросхемы. Это также может снизить качество работы и вызвать аварию.

Для конструкции LTE характерно меньшее количество точек пайки, что увеличивает рассеивание тепла. Сообщается, что новый одностадийный процесс вакуумной пайки предотвращает образование воздушных полостей и точек перегрева. Технология LTE, использующаяся в устройствах MCI плавного пуска от компании Danfoss обеспечивает требуемую скорость коммутации твердотельных реле и длительный срок службы устройства. По словам Йейтса, устройства на основе этой технологии могут в 10 раз превосходить по длительности работы традиционные полупроводниковые реле. Это означает большую надежность и долговечность.

Встроенный шунт

Стив Литцау, менеджер продукции в компании Rockwell Automation, подчеркивает компактность и высокую функциональность мягких пускателей по сравнению с предыдущим поколением устройств. В устройствах современной конструкции имеется встроенный шунт, который включается после полного разгона двигателя, что снижает потери мощности (тепла) в полупроводниковом силовом модуле. Это позволяет применить малогабаритные элементы и устраняет потребность в специальном охлаждении. Литцау считает, что встроенным шунтом оснащены 75-80% новых пусковых устройств. «Процент подобных устройств продолжает увеличиваться, – отмечает он, добавляя к сказанному, – полупроводниковые пускатели обычно имеют встроенные конфигурируемые входы/выходы. Именно такие устройства чаще всего работают не автономно, а устанавливаются, управляются и используются с целью обеспечения контролирующей обратной связи через такие сети, как DeviceNet».

В компании Eaton Corp. «работу в режиме транзитной передачи» устройств плавного пуска считают заслуживающей внимания. Эта возможность, которая является составной частью производственной специализации IT (интеллектуальные технологии) компании, в значительной мере снижает количество тепла, выделяемого пускателем, что сводит к минимуму размеры и стоимость устройств. «Кроме того, шунтирующий контактор находится в самом устройстве плавного пуска, что устраняет необходимость в дополнительных приборах, еще более уменьшая размеры и сокращая время на установку», – утверждает Родни Партейн, менеджер продукции управления мощностью. Отмечается, что низковольтные IT мягкие пускатели компании Eaton (такие, как S752, S801 и S811) используют для управления обмоткой шунтирующего контактора напряжение с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ) амплитудой 24 В. При этом в установившемся режиме устройство потребляет всего 5 Вт. Партейн добавляет: «Обмотки с ШИМ в комбинации с рациональным электропитанием снижают негативное воздействие нарушений в питающей сети и защищают от потерь энергии».

Устройства управления двигателем Ci-tronic компании Danfoss охватывают диапазон до 20 кВт (в зависимости от входного напряжения). В них используется технология низкого теплового расширения (LTE) для значительного уменьшения размеров блока по сравнению с аналогичными устройствами на основе традиционной технологии силовых микросхем. Самый малогабаритный модуль устройства плавного пуска MCI 3 имеет ширину всего 22,5 мм. Модуль MCI 15 (фото) рассчитан на работу с двигателем мощностью до 7,5 кВт при напряжении 480 В

Низковольтные IT мягкие пускатели (описанные выше) и устройства MV801, рассчитанные на средние уровни напряжения, оснащены мягким управлением запуска/останова и гибкими возможностями защиты. Пусковое устройство S811 дополнительно оснащено возможностями связи через цифровой интерфейсный модуль (DIM), который, по словам Партейна, включает удобный в использовании интерфейс оператора. DIM позволяет пользователям выполнять безопасную конфигурацию, ввод в эксплуатацию, текущий контроль, а также выявлять неисправности системы. Через встроенные возможности связи Cutler-Hammer QCPort (Quick Connect) пусковое устройство S811 подключается к различным сетям, включая DeviceNet, Ethernet и Profibus.

Плюс плавная остановка

Все, чье мнение нашло отражение в этой статье, отмечали такую важную характеристику пускателей SSRV, как «плавная остановка» двигателя, особенно в плане снижение шума и смягчения разрушающих гидравлических ударов в такой области применения, как насосы.

Терри из компании ABB полагает, что пользователи часто пренебрегают «плавным остановом», несмотря на то, что во многих мягких пускателях это свойство предусматривается. Это, вероятно, связано с «боязнью» из-менять стандартные настройки через сложный интерфейс или просто с незнанием преимуществ плавного останова двигателя. В целях изменения состояния дел в этой области компания ABB включила HMI (интерфейс) с простым текстом в производимые ею пусковые устройства PST Series. С его помощью оператор/ инсталлятор осуществляет установку, выбирая из четко сформулированных групп программирования те, которые наиболее подходят для конкретных целей применения (см. фото).

Устройства плавного пуска PST Series от ABB включают HMI (интерфейс) с простым текстом для облегчения установки плавной остановки центробежных насосов или компрессоров, дробилок, мешалок и других вариантов групп программирования, встроенных в интерфейс

Лавлейс из компании Baldor соглашается с тем, что существуют «скрытые» возможности плавного останова. Он отмечает: «Многие считают, что устройства мягкого пуска используются только для запуска двигателя. Преимущества, связанные с плавной остановкой нагрузки, не осознаются». Эти премущества включают предотвращение механических напряжений в станке при резкой остановке двигателя.

Ограничения, присущие более ранним моделям пускателей SSRV (с возрастанием напряжения), распространялись также и на плавный останов, что было связано с отсутствием достоверного контроля снижения числа оборотов. По мнению Форсгарда (Schneider Electric) это особенно проявлялось при работе двигателей с малой нагрузкой. При современных возможностях управления вращающим моментом пускатели SSRV с линейным торможением могут уменьшать число оборотов таких нагрузок, как центробежные насосы. «С помощью постепенного снижения скорости становится возможным закрытие обратного клапана без гидравлических ударов», – продолжает Форсгард. Устройство плавного пуска непрерывно отслеживает вращающий момент нагрузки двигателя, чтобы определить время начала линейного снижения скорости вращения насосов, как только поступает команда на остановку. Эта система работает даже при нагрузке двигателя в 60-70%.

В пусковых устройствах Sirius компанией Siemens предлагается три способа остановки двигателя: вращение по инерции до остановки, плавная остановка и инжекция постоянного тока. В новом пусковом устройстве Sirius 3RW44 объединены торможение на основе инжекции постоянного тока и управление вращающим моментом в замкнутом контуре (когда для постепенного снижения напряжения используется программа и текущая обратная связь). Это позволяет осуществить быстрый останов находящихся в движении нагрузок. Плавная остановка в значительной степени зависит от сферы применения. «Плавная остановка особенно важна в гидравлических насосах, когда необходимо избегать гидравлического удара», – отмечает Коч.

В пусковых устройствах Sirius 3RW44 для того, чтобы предотвратить внезапное изменение давления воды при отключении насоса или смягчить механическое напряжение при остановке ленточного транспортера используется управление вращающим моментом в замкнутом контуре. В компании Siemens также отмечают, что оптимальный режим торможения необходим при работе фрезерных станков. Так, например, при отключении электродвигателя мощностью 15 кВт, вращающего головки фрезы, которая обрабатывает отверстия в алюминиевом блоке автомобильного двигателя, ему необходимо долгое время до полной остановки. Это связано с высоким моментом инерции головки фрезы. В результате длительное время уходит на замену инструментов или наладку станка, с чем трудно смириться. «Управление вращающим моментом в замкнутом контуре и динамичное торможение постоянным током используются в пусковых устройствах 3RW44 от Siemens для сокращения времени простоя механизмов», – добавляет к сказанному Коч.

Противоположность запуску

По словам Йейтса из Danfoss, плавный останов является прямой противоположностью плавному пуску. Для того, чтобы увеличить время останова двигателя, сетевое напряжение, подаваемое на двигатель, постепенно снижается до нуля (или до заранее установленного нижнего значения). Семейство устройств Ci-tronic компании Danfoss относится к устройствам управления двигателями, которые обеспечивают плавный останов и запуск с легко настраиваемой точностью. Время на разгон/торможение может быть задано в диапазоне от 0,5 до 10 с, а пусковой вращающий момент – от 0 до 85% номинального показателя. Кроме того, в приложениях с высоким моментом отрыва, таких как нагруженные конвейеры и упаковочные машины, используется импульсный запуск (полный вращающий момент прикладывается в течение 200 мс).

Йейтс утверждает, что регуляторы Ci-tronic используются в условиях частого запуска и остановки. «Во многих таких регуляторах в целях достижения оптимальной скорости и точности используется метод коммутации при пересечении нуля (контактор всегда включается при нулевом напряжении)», – добавляет он к сказанному.

В компании Rockwell Automation также указывают на такие возможности устройств плавного пуска, как сокращение или увеличение времени остановки двигателя. Одним важно избежать резкой остановки, другие используют торможение для более быстрой остановки в целях повышения пропускной способности или производительности. Литцау приводит пример с ленточной пилой, когда при использовании торможения, превышающего по скорости торможение «по инерции до полной остановки», улучшается техническое обслуживание и сокращается до минимума время простоя.

«Слишком часто при характеристике изделий все внимание уделяется плавному запуску, и не рассматриваются выгоды плавной остановки», – говорит Партейн из компании Eaton. IT устройства плавного пуска Cutler-Hammer включают несколько опций останова. S801 и MV801 включают опцию управления насосом, в этом случае при запуске или остановке насоса сложный алгоритм сводит к минимуму резкие скачки напряжения, которые вызывают гидравлический удар. Опция торможения постоянным током регулятора плавного пуска S701 позволяет добиться быстрой остановки высокоинерционных нагрузок и может исключить механическое торможение, разъясняет Партейн.

Безопасное управление напряжением 24 В

Использование низкого напряжения постоянного тока для управления устройствами плавного пуска имеет определенные преимущества в плане безопасности оператора и соответствия стандартам безопасности. Напряжение постоянного тока чаще преобразуется внутри устройства, однако некоторые производители предлагают внешний (прямой) 24 В блок.

Компания Eaton некоторое время была сторонником управления низким напряжением постоянного тока, предложив в 1999 году устройства SSRV из семейства IT Soft Starts с управляющим напряжением 24 В. Такой тип управления исключает опасность для персонала в работе с системами управления. «Кроме того, с использованием управления напряжением 24 В проще достичь соответствия положениям NEC и OSHA, – говорит Партейн. – Если смотреть на проблему глобально, то с помощью напряжения постоянного тока можно избавиться от необходимости преобразовывать множество входных переменных напряжений, используемых во всем мире». В низковольтных пусковых устройствах S752, S801 и S811 от Eaton используется управление напряжением 24 В.

Компания ABB начала применять управление от 24 В постоянного тока примерно в это же время. Ее пусковые устройства обычно получают напряжение от внутреннего источника питания AC-DC, далее оно снижается в панели управления. В новых устройствах PST Series внутренний источник питания рассчитан на работу в широком диапазоне входного переменного напряжения 100-250 В, подходящем для мирового рынка. Уровень безопасности оператора сохраняется, поскольку, как объясняет Терри, все выходные контакты находятся под напряжением 24 В. «Это позволяет получить преимущества обоих методов – удобство от использования переменного напряжения 110 В (220 В) и безопасность постоянного напряжения 24 В», – добавляет он к сказанному.

Лавлейс из компании Baldor считает, что применение управления 24 В – это требование рынка. Пользователи в США с готовностью принимают управление от 120 В переменного тока, в то время как у европейских пользователей, ограниченных рамками определенных положений, есть спрос на управление от 24 В. «Для того, чтобы ваши средства управления работали на обоих рынках, может потребоваться дополнительное оборудование», – говорит он, отмечая также, что более современные системные интеграторы в США начинают уделять внимание низковольтному управлению.

Литцау из Rockwell Automation рассматривает низковольтное управление еще и как возможность связи, которая становится все более популярной в полупроводниковых пускателях. «Низкое напряжение обеспечивает более высокую степень безопасности при случайном контакте с регулятором, – отмечает он. – Оно также позволяет применять тот же источник питания, что и архитектура связи, для общего управления». Компания Rockwell предлагает управление от 24 В постоянного тока и от 120 – 240 В переменного тока для своих пусковых устройств.

Такие факторы, как снижающаяся стоимость технологии частотно-регулируемого привода (VFD) и достижение ими «микро» размеров некоторое время назад считались потенциальной угрозой жизнеспособности пусковых устройств электродвигателей. В Schneider Electric по-прежнему считают, что с включением в устройства плавного пуска SSRV управления вращающим моментом они сохраняют свою область применения благодаря такому же, как и у VFD, уменьшению стоимости и размеров. Привлекательными устройства плавного пуска будут оставаться «главным образом в применении к мощным двигателям, где не требуется управление скоростью процесса», – говорит Форсгард.

Литцау разделяет точку зрения на пусковые устройства SS по управлению двигателем, продолжительный срок службы которых позволяет рассматривать их в качестве альтернативы запуску с помощью VFD или пускателям с сетевым/полным напряжением. «Такие пусковые устройства являются оптимальным решением, если не требуется управление скоростью двигателя, но пользователи или OEM-производители все же хотят осуществлять управление запуском или остановкой двигателей на своем оборудовании. Кроме того, транзисторные пусковые устройства создают меньше гармоник и имеют более низкую установленную стоимость, чем частотно-регулируемый привод», – заключает Литцау.