Нужно заметить, что асинхронные двигатели на сегодняшний день являются самыми удобными для приведения в движение большинства механизмов и машин в самых разнообразных областях промышленности, инфраструктуры городов и других населённых пунктов, а также в энергетической сфере. Однако в силу своей конструкции, которая значительно отличается от таковой у двигателей постоянного тока, они имеют ряд существенных отличий.

Основные методы регуляции скорости

Можно выделить такие основные способы управления скоростью вращения главного звена исполнительного механизма:

— гидравлическая муфта;

— механический вариатор;

— дополнительные регулируемые сопротивления в цепи;

— электромеханический частотный преобразователь;

— статический частотный преобразователь.

При этом первые четыре способа уже устарели, поскольку имеют заметные недостатки. Среди них и заметное падение КПД системы, и узкий диапазон регулирования, и дороговизна обслуживания. Также можно отметить чрезмерную сложность таких систем, их неэкономичность и отсутствие схемы плавного пуска.

По этим и некоторым другим причинам, сразу после появления на рынке электротехнических товаров статических частотных преобразователей двигателей, первые четыре метода регуляции практически перестали применяться. Частотные преобразователи имеют очевидные преимущества, а их относительно высокая стоимость окупается уже после года активной эксплуатации.

Виды частотных преобразователей двигателя

В таких устройствах управление скоростью вращения выходного вала электродвигателя осуществляется с помощью изменения частоты тока и напряжения на входе. КПД процесса составляет около 98% — намного больше, чем любой другой регулятор. Кроме того, благодаря использованию в современных частотных преобразователях последнего поколения микропроцессоров, количество поломок, аварий и отказов на производстве может быть уменьшено в несколько раз.

В зависимости от конструкции и способа преобразования электроэнергии частотные преобразователи делятся на два вида:

— непосредственные (одноступенчатые) частотные преобразователи;

— двухступенчатые частотные преобразователи.

Частотные преобразователи второй группы сегодня более распространены. Хотя они сложнее и дороже в изготовлении, качество и точность управления у них значительно выше. Их принцип действия основан на двойном преобразовании. На первом этапе переменный ток из сети, проходя через выпрямитель, преобразуется в постоянный, а затем, поступая в инвертор — снова в переменный. Учитывая эту конструктивную особенность, приборы такого типа называют иногда частотными преобразователями со звеном постоянного тока.

Также частотные преобразователи делятся на две группы в зависимости от типа управления. Оно бывает:

— скалярное;

— векторное.

Частотные преобразователи с векторным управлением обеспечивают более точную корректировку параметров электродвигателя, однако такие устройства и стоят значительно дороже. Кроме того, настройка и запуск такого прибора требуют специальной подготовки специалиста.

Хотя скалярное управление проще, это ещё не значит, что оно хуже. В некоторых механизмах, вроде вентиляторов, приводов на основе частотных преобразователей двигателя скалярного типа будет вполне достаточно. Из положительных сторон такого типа управления можно также отметить лёгкость настройки, регулировки, а также простота первого запуска.

Однако схему плавного пуска и останова имеют все частотные преобразователи, независимо от типа управления.

Современные схемы устройств плавного пуска асинхронных двигателей

Эффективное использование устройств плавного пуска (УПП) возможно только при условии корректного выбора типономинала. Ключевыми критериями выбора обычно являются тип нагрузки двигателя, частота пусков, а также паспортные данные.

Пусковые характеристики устройств могут значительно отличаться друг от друга, причём их величины зависят от спектра решаемых задач. Именно поэтому при выборе устройства плавного пуска асинхронных двигателей так важно учитывать область его будущего применения.

Характеристики пуска условно можно разделить на три категории. Рассмотрим их ниже.

Режимы работы устройств плавного пуска

— Нормальный режим ограничивается величиной пусковых токов на уровне 3,5 х I ном, при времени пуска от 10 до 20 секунд.

— Тяжёлый режим характеризуется нагрузками с несколько большим моментом инерции. Пусковые токи ограничены пределом 4,5 х I ном, а время разгона — 30-ю секундами.

— Очень тяжелый режим подразумевает наличие очень высоких моментов инерции. Пусковые токи доходят до уровня 5,5 х I ном, а время разгона может значительно превышать 30 секунд.

Таблица определения режима работы в зависимости от области применения

Виды устройств планого пуска

Рассмотрим основные категории устройств плавного пуска. Схема работы УПП может быть одной из четырёх типов:

1. Регуляторы пускового момента контролируют лишь одну фазу трехфазного асинхронного двигателя. Хотя такой тип управления и способен контролировать плавный пуск, он не обеспечивает снижения пусковых токов.

Фактически, при использовании регуляторов пускового момента, ток на обмотках двигателя приблизительно равен току, который получается при прямом пуске. В тоже время, такой ток протекает по обмоткам дольше, чем в случае прямого пуска, поэтому двигатель может перегреться.

Устройства такого типа не могут применяться для приводов, которым нужно снижение пусковых токов. Они не могут обеспечить пуск высокоинерционных механизмов (из-за опасности перегрева двигателя), а также частые запуски/остановки привода.

2. Регуляторы напряжения без сигнала обратной связи могут работать только по жестко заданной пользователем программе. Обратная связь от двигателя отсутствует, поэтому они не могут изменять частоту вращения двигателя, подстраивая её под меняющуюся нагрузку. В остальном они отвечают всем требованиям, которые предъявляются к мягким пускателям, и способны управлять всеми фазами двигателя. Это едва ли не самые популярные устройства плавного пуска.

Схема запуска двигателя определяется путём предварительного задания стартового напряжения, а также времени, необходимого для пуска. Многие устройства такого типа могут обеспечивать также ограничение величины пускового тока — это достигается снижением напряжения при запуске. Разумеется, такие регуляторы способны управлять также замедлением работы механизма, выполняя плавный и продолжительный останов.

Двухфазные регуляторы могут снижать напряжение и в трёх фазах, однако ток получается несбалансированным.

3. Регуляторы напряжения с сигналом обратной связи — это модернизированные версии устройств, описанных выше. Они способны считывать текущую величину тока и регулировать напряжение таким образом, чтобы ток не выходил за заданные пользователем рамки. Также полученные данные используются для работы разнообразных защит (от дисбаланса фаз, перегрузки и т.п.).

Такое устройство плавного пуска асинхронных двигателей может быть сгруппировано с другими подобными устройствами в единую систему управления электродвигателями.

4. Регуляторы тока с сигналом обратной связи. Это самые современные устройства плавного пуска. Схема работы основана на регуляции силы тока, а не напряжения, как предыдущие модели. Это обеспечивает лучшую точность управления, более простое программирование и быструю настройку устройства — ведь большинство параметров тут определяется автоматически, без необходимости ручного ввода.

Запуск на пониженное напряжение

В момент такого пуска ток, протекающий через двигатель, равен току в случае заклиненного ротора. Двигатель в это время разгоняется, причём момент в какое-то мгновение становится выше номинала, после чего приходит к номинальному значению. Характер изменения тока и момента зависит от конструкции и модели каждого конкретного двигателя.

Следует заметить, что процесс запуска двигателей разных моделей, но имеющих одинаковые характеристики, может сильно отличаться. Пусковой ток может находиться в пределах 500%—700% от номинального, а момент — от 70% до 230%!

Такие особенности являются серьёзным препятствием для работы этого вида устройств плавного пуска асинхронных двигателей. Поэтому если ваша задача — получить высокий пусковой момент при минимальном значении пускового тока, вам нужно подбирать соответствующие двигатели.

Пусковой момент двигателя имеет квадратичную зависимость от силы тока, как показано на формуле:

Mст = Mпуск х (Iст/Iпуск)2, где:

М пуск — Номинальный пусковой момент

I пуск — Номинальный пусковой ток

Iст — Пусковой ток

Mст — Пусковой момент

Необходимо помнить, что снижение тока должно быть ограниченным: если пусковой момент станет меньше момента нагрузки, разгон прекратится, и двигатель не наберет номинальную скорость вращения.

Пускатели по схемам треугольник/звезда

Хотя пускатели такого типа являются самым распространённым видом устройств плавного пуска, схема треугольник/звезда не позволяет работать при больших нагрузках.

Сначала, при пуске, двигатель подключается «в звезду», а момент и величина тока при этом равна трети от номинальной. По истечению заданного интервала привод отключается и снова включается, но уже по схеме «треугольник».

Пуск будет эффективным, если при разгоне по схеме «звезда» двигатель сможет развить момент, который необходим для набора скорости, достаточной для переключения на «треугольник». Если это произойдёт на скорости, значительно меньшей номинальной, то ток при таком пуске не будет значительно отличаться от тока прямого пуска, а значит, применение устройства лишено смысла.

Кроме взрывных скачков тока и момента, в момент перехода двигателя на работу по схеме «треугольник» происходят и другие сложные переходные процессы. Их амплитуда зависит от амплитуды и фазы напряжения, которое создаётся двигателем при переключении.

В самом худшем случае величина напряжения может быть такой же, как в сети, однако находиться в противофазе. Тогда ток будет превышать номинальный в два раза, а момент, согласно вышеприведенной формуле, в четыре.

Пускатели с автотрансформатором

В конструкции таких пускателей для снижения подводимого к двигателю напряжения используется автотрансформатор. Для ступенчатой регуляции величины пускового тока и момента используются специальные отводы. Полная скорость вращения вала электродвигателя достигается до момента перехода на номинальное напряжение, а скачки тока при этом минимизируются. В тоже время из-за ступенчатого характера регулирования достичь высоких показателей точности оказывается невозможно.

Пускатель с автотрансформатором, в отличие от предыдущего (треугольник/звезда) характеризуется замкнутыми переходными процессами. Это означает, что жесткие переходные процессы кривых момента и тока во время разгона электродвигателя отсутствуют.

Из-за падения величины напряжения на автотрансформаторе, уменьшается момент на любых скоростях электродвигателя. При высокоинерционной нагрузке привода время пуска может превысить допустимые (безопасные) пределы, а при переменной — поведение системы становится неоптимальным.

Пускатели с автотрансформатором обычно используются при частоте пусков до 3 шт./час. Устройства плавного пуска асинхронных двигателей, рассчитанные на более частые запуски или на более сильную нагрузку, имеют большие габариты и стоят значительно дороже.

Пускатели со встроенными в цепь статора резисторами

Такие пускатели для снижения подводимого к статору напряжения используют жидкостные или металлические резисторы. При грамотном выборе резисторов такие устройства обеспечивают хорошее снижение момента и пускового тока электродвигателя.

Точный выбор резисторов должен быть сделан ещё на этапе проектирования с учётом всех параметров двигателя, его режимов работы и планируемой нагрузки. Однако такая информация не всегда оказывается доступной, а когда резисторы выбирают неточно, то и качество, и надёжность работы пускателя остаются невысокими.

Особенность такой схемы заключается в том, что сопротивление резисторов меняется в процессе работы из-за их нагрева. По причине опасности перегрева, пускатели с резисторами не используются для работы с высокоинерционными машинами и механизмами.

Устройства плавного пуска асинхронных двигателей

Устройства плавного пуска — это наиболее технически совершенные электронные устройства, используемые для плавного пуска/останова электродвигателей. Принцип работы заключается в управлении входящим напряжением. Основная задача — управление пусковым током и моментом, однако современные схемы устройств плавного пуска имеют множество интерфейсных функций, а также позволяют обеспечить комплексную защиту двигателя.

Основные функции устройств плавного пуска:

— возможность плавно и бесступенчато изменять напряжение и ток;

— возможность управления током и моментом путём создания несложных программ;

— плавный останов с мягким торможением в тех системах, где это может потребоваться (конвейеры, насосы и т.п.);

— обеспечение частых пусков и остановов без изменения характеристик системы;

— оптимизация рабочих процессов даже в системах с изменяющейся нагрузкой.